Procédé de traitement de surface en quatre étapes pour les pièces forgées en alliage de titane : sablage, coulée, rectification et coloration

En raison de sa faible densité, l'alliage de titane présente une faible inertie lors de l'écoulement du titane liquide, ce qui entraîne une faible fluidité du titane fondu et, par conséquent, un faible débit de coulée. L'important écart de température entre la température de coulée et celle du moule (300 °C) provoque un refroidissement rapide. La coulée étant réalisée sous atmosphère protectrice, des porosités et autres défauts sont inévitablement présents en surface et à l'intérieur des pièces en titane, affectant considérablement leur qualité. Les méthodes de traitement de surface des pièces forgées en alliage de titane sont décrites ci-après.

1. Élimination de la couche de réaction superficielle
La couche de réaction superficielle est le principal facteur de détérioration des propriétés physiques et chimiques des pièces en titane. Pour obtenir des surfaces polies de haute qualité, l'élimination complète de cette couche est indispensable avant les opérations de rectification et de polissage. Un procédé combiné de sablage et de décapage acide permet d'éliminer complètement la couche de réaction superficielle des pièces moulées en titane.

1.1 Sablage
Le corindon blanc est privilégié pour le sablage grossier des pièces moulées en titane. La pression de sablage doit être inférieure à celle utilisée pour les métaux non ferreux ordinaires, généralement inférieure à 0,45 MPa. Une pression de sablage trop élevée projette les particules de sable à grande vitesse sur la surface du titane, générant des étincelles localisées intenses et une température élevée. Ceci déclenche des réactions chimiques de surface et une contamination secondaire, altérant l'intégrité de la surface des pièces moulées en titane. La durée du sablage est contrôlée entre 15 et 30 secondes, ce qui est suffisant pour éliminer le sable d'adhérence, la couche frittée et une partie de la couche d'oxyde. La couche de réaction superficielle résiduelle sera ensuite éliminée par décapage acide.

1.2 Décapage acide
Le décapage acide permet d'éliminer complètement et efficacement la couche de réaction superficielle résiduelle sans introduire de contamination élémentaire supplémentaire. Deux systèmes de décapage, les solutions mixtes HF-HCl et HF-HNO₃, sont couramment utilisés pour le traitement du titane. Contrairement au système HF-HCl qui provoque une forte absorption d'hydrogène, le système HF-HNO₃ présente une absorption d'hydrogène plus faible. En ajustant la concentration en HNO₃, l'absorption d'hydrogène peut être davantage réduite, permettant ainsi d'obtenir un état de surface brillant. La formule optimale est de 3 à 5 % de HF et de 15 à 30 % de HNO₃.

2. Réparation des défauts de coulée
Les défauts internes, tels que les pores et les retassures, sont fréquents dans les pièces en titane coulées. Bien que le pressage isostatique à chaud permette d'éliminer ces défauts, il peut compromettre la précision dimensionnelle des prothèses dentaires en titane. C'est pourquoi un procédé de réparation ciblé est mis en œuvre : une inspection radiographique est d'abord réalisée afin de déterminer l'emplacement et la taille des défauts internes. La couche superficielle recouvrant les défauts est ensuite meulée pour exposer les pores internes, puis réparée par soudage laser. Pour les défauts de porosité superficiels, une réparation par soudage laser local direct est applicable.

3. Traitement de rectification et de polissage
Le titane se caractérise par une forte réactivité chimique, une faible conductivité thermique et une forte adhérence de surface, ce qui entraîne une faible efficacité de rectification lors de l'usinage mécanique. Il est sujet à des réactions chimiques avec les abrasifs et les outils de rectification ordinaires, ce qui rend les matériaux de polissage conventionnels inadaptés à son traitement. Des procédés de rectification et de polissage appropriés sont essentiels pour obtenir des surfaces de titane lisses et sans défaut.

3.1 Rectification mécanique
Les superabrasifs à excellente conductivité thermique, tels que le diamant et le nitrure de bore cubique, sont des matériaux de rectification idéaux pour les alliages de titane. La vitesse de polissage linéaire optimale est comprise entre 900 et 1 800 m/min. Des vitesses de polissage supérieures à cette plage risquent d'entraîner des brûlures superficielles et des microfissures sur les pièces en titane moulées, réduisant ainsi la qualité de surface et les performances.

3.2 Polissage chimique
Le polissage chimique repose sur des réactions d'oxydoréduction entre la surface métallique et un milieu chimique pour obtenir un nivellement et une finition de surface. Il n'est pas limité par la dureté du métal, la zone de polissage ou la complexité structurelle, permettant un polissage uniforme de toutes les surfaces en contact avec la solution. Ce procédé ne nécessite aucun équipement sophistiqué et sa mise en œuvre est simple, ce qui le rend particulièrement adapté au polissage des armatures de prothèses dentaires en titane de structures complexes. Cependant, ses paramètres sont sensibles et difficiles à contrôler. Un réglage précis des paramètres est nécessaire pour obtenir une surface polie uniforme et brillante sans altérer la précision dimensionnelle des éléments de la prothèse.

4. Traitement de coloration de surface
Pour améliorer l'esthétique des prothèses dentaires en titane et prévenir l'oxydation et la décoloration naturelles, des traitements de coloration de surface tels que la nitruration, l'oxydation atmosphérique et l'anodisation peuvent être utilisés afin de former des films protecteurs jaune pâle ou dorés, optimisant ainsi l'aspect visuel des pièces. L'anodisation, en particulier, exploite l'effet d'interférence lumineuse des films d'oxyde de titane formés in situ pour obtenir une coloration naturelle. Différents effets de surface colorés peuvent être obtenus en ajustant la tension du bain d'anodisation.