TANTALE ET NIOBIUM

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Alliages à base de tantale ou de niobium

Les alliages élaborés à base de tantale ou de niobium ont pour but d'améliorer les propriétés de ces métaux principalement dans trois domaines : la supraconductibilité (niobium seulement) ; la tenue à la corrosion chimique ; la tenue mécanique aux hautes températures (et corrélativement la résistance à l'oxydation).

Les alliages supraconducteurs

Un matériau devient supraconducteur (c'est-à-dire possède une résistivité électrique nulle) lorsqu'il est maintenu à une température inférieure à une certaine valeur Tc (dite température critique), soumis à un champ magnétique inférieur à une certaine valeur Hc (dite champ critique) et parcouru par un courant d'une intensité inférieure à une certaine valeur (dite intensité critique Ic). Chacune de ces valeurs critiques est en outre fonction des deux autres. Le but des alliages est d'obtenir des Tc, Hc, Ic de plus en plus élevées et des relations f – par exemple Hc = f(Ic) – les plus favorables possibles. Le tableau 3 présente les valeurs de Tc et Hc (à 4,2 K) obtenues pour le niobium et certains de ses alliages.

Propriétés supraconductrices du niobium et de ses alliages

Tableau : Propriétés supraconductrices du niobium et de ses alliages

Propriétés supraconductrices du niobium et de ses alliages. Pour les alliages, les intensités critiques théoriques sont voisines de 1 million d'ampères par centimètre carré. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Les valeurs de Tc, Ic, Hc et les relations qui les lient dépendent non seulement de la composition de l'alliage, mais aussi, et très fortement, de sa teneur en impuretés, de son état structural (l'écrouissage et autres défauts de structure favorisant la supraconductivité), de son traitement thermique.

Historiquement, ce sont les alliages Nb-Zr qui furent les premiers fabriqués industriellement, mais ils ont été totalement supplantés par les Nb-Ti, qui non seulement ont de meilleures propriétés globales, mais sont aussi beaucoup plus ductiles (même très ductiles). Les propriétés du Nb3Sn sont jusqu'ici inégalées ; malheureusement, il s'agit là d'un composé intermétallique extrêmement fragile dont la mise en forme en tant que tel est quasi impossible. Pour le mettre en œuvre, il faut donc recourir à des procédés très spéciaux, ce qui freine son développement.

Les alliages résistant à la corrosion chimique

Dans le cas du tantale, les additions se sont en général révélées néfastes pour la tenue à la corrosion. Seules les additions du tungstène (de 10 à 30 p. 100) améliorent légèrement son comportement, surtout en milieux fluorés. L'addition de titane (de 5 à 20 p. 100) augmente la tenue dans l'acide nitrique concentré à chaud.

En pratique, on en reste donc au tantale non allié, avec toutefois une tendance croissante à l'emploi de tantale contenant entre 1 et 3 p. 100 de tungstène qui est semblable au tantale non allié du point de vue résistance à la corrosion, mais qui présente une meilleure résistance mécanique sans perte trop grave de ductilité.

Dans le cas du niobium, on a mis au point, pour résister à la vapeur d'eau, des alliages avec additions de Ti, V, Cr. Dans les métaux fondus, l'alliage Nb + 1 p. 100 Zr résiste plutôt mieux que le niobium non allié. Certaines additions (tantale, vanadium, cuivre) améliorent la tenue du niobium dans les milieux très agressifs.

Alliages réfractaires pour hautes températures

Partant des propriétés mécaniques favorables du niobum à haute température, on peut considérer que ce métal est une base intéressante puisqu'il a une faible densité (par rapport aux autres métaux réfractaires, tungstène, tantale, molybdène), une résistance à l'oxydation moins mauvaise que celle du molybdène et une ductilité à froid supérieure.

Pour améliorer la tenue à chaud, on durcit la matrice niobium soit en introduisant des durcisseurs rentrant en solution solide (le tungstène et le molybdène sont, de ce point de vue, les éléments les plus efficaces), soit en utilisant des dispersions stables : la présence dans la matrice de zirconium ou d'hafnium d'une part, de carbone, d'oxygène, d'azote ou de bore d'autre part conduit à la formation de composés. La taille et la dispersion de ces phases hors solution peuvent être contrôlées par des traitements thermiques convenables. Ces dispersions bloquent efficacement le mouvement des dislocations et, par conséquent, gênent la déformation de fluage à chaud.

L'une des difficultés vient de l'effet plus ou moins marqué de toutes ces additions sur la ductilité.

D'autre part, puisqu'il s'agit d'alliages devant résister à chaud, on a cherché à améliorer la résistance à l'oxydation, relativement mauvaise, du niobium. Malheureusement, les additions qui ont quelque effet de ce point de vue (Ti, Al, Si, Cr) ont soit une inf [...]

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Pour citer l’article

Robert SYRE, « TANTALE ET NIOBIUM », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 08 août 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/tantale-et-niobium/