Capitolo 7

TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI
CAP.7 IL TITANIO E LE SUE LEGHE
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CAPITOLO
7
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IL TITANIO E LE SUE LEGHE
Sinossi
I
l titanio a le sue leghe vengono selezionate per molte
applicazioni grazie al loro elevato rapporto
prestazioni/peso e alla resistenza a corrosione. Lo
sviluppo delle leghe di titanio e delle tecnologie,
soprattutto di colata, correlate è stato in gran parte
diretto dalla richiesta di metodi di produzione quasi
net-shape di componenti geometricamente complessi
da parte dell'industria aerospaziale. A causa delle
difficoltà di produzione e di lavorazione, il titanio è un
metallo costoso: oltre 5 volte rispetto all'alluminio;
questo limita i suoi impieghi in settori di alta
tecnologia. Le principali applicazioni del titanio sono
nell'industria aerospaziale, nell'industria chimica e
petrolchimica, nella nautica, nella biomedica,
soprattutto grazie alla sua biocompatibilità, nella
produzione di componenti automobilistici e sportivi. In
questo capitolo vengono descritte le principali
proprietà del titanio e delle sue leghe.
7.2 Microstruttura e proprietà
l titanio possiede una densità di 4,5 g/cm3, superiore
rispetto ad altri metalli leggeri di interesse strutturale
come alluminio o magnesio, ma quasi la metà rispetto a
quella degli acciai e delle superleghe. Queste doti di
leggerezza sono accoppiate ad un’ottima resistenza
meccanica, elevato modulo elastico e resistenza ad
ossidazione e corrosione. Grazie a tali proprietà il
titanio trova numerose applicazioni funzionali e
strutturali sia come metallo puro che in forma di lega.
Leghe di titanio possono raggiungere resistenze
superiori a 1200 MPa con modulo elastico che, in
I
funzione della struttura della lega e delle modalità di
lavorazione, può variare tra 80 e 145 GPa. Queste
caratteristiche, associate alla bassa densità, posizionano
le leghe di titanio tra le leghe leggere con più elevate
proprietà specifiche, proprietà che vengono mantenute
fino a valori di temperature superiori a 400 - 500 °C. In
alcune applicazioni aerospaziali leghe di titano
vengono impiegate a temperature anche superiori ai
700 °C. La Fig.7.1 mostra il confronto tra le proprietà
meccaniche specifiche di diverse leghe metalliche al
variare della temperatura.
Il titanio possiede coefficienti di conducibilità termica
e di dilatazione termica molto bassi, rispettivamente
pari a circa 26 W/mK e 6,9 * 10-6 °C-1, cioè circa un
nono il primo e un terzo il secondo, rispetto
all'alluminio; inoltre presenta reattività molto elevata
con la maggior parte degli altri elementi. Queste
caratteristiche impongono l'uso di opportune tecniche
ed accorgimenti nelle lavorazioni sia per fusione che
per deformazione plastica che per lavorazione
meccanica.
Il titanio è allotropico; possiede struttura cristallina
esagonale compatta (fase α) fino a 882 °C che
corrisponde alla temperatura di β transus per Ti puro. A
temperatura superiore la struttura stabile è cubica corpo
centrata (fase β). La fusione avviene a 1670 °C.
L'aggiunta di elementi di lega può modificare la
temperatura di fusione e la temperatura di
trasformazione α <---> β. Alcuni elementi inducono un
aumento della temperatura di trasformazione,
stabilizzando la fase α. Alcuni elementi danno
soluzione solida senza modificare sostanzialmente la
temperatura di β transus.
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TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI
Figura 7.1: Resistenza specifica di diversi materiali in funzione della temperatura
Figura 7.2: Effetto di diversi elementi di lega sulle trasformazioni del titanio
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CAP.7 IL TITANIO E LE SUE LEGHE
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI
CAP.7 IL TITANIO E LE SUE LEGHE
Altri elementi riducono la temperatura della
trasformazione, stabilizzando β, e determinando la
formazione di un eutettoide.
Infine alcuni elementi stabilizzano la fase β, senza
indurre la formazione di eutettoide; al variare del
contenuto di questi alliganti è possibile ottenere leghe
completamente α, oppure leghe bifasiche con la
presenza contemporanea di fase α e β, oppure leghe
completamente β.
- Al, O, N, C, gallio (Ga), germanio (Ge) stabilizzano
la fase α.
- Zr e Sn non modificano la temperatura di
trasformazione.
- Mn, Cr, Fe stabilizzano la fase β con formazione di
eutettoide.
- vanadio (V), molibdeno (Mo), tantalio (Ta), columbio
(o niobio -Nb) stabilizzano la fase β senza formazione
di eutettoide a temperatura ambiente.
La Fig.7.2 mostra i diagrammi di fase nelle diverse
situazioni.
Le leghe di titanio non vengono classificate secondo un
sistema universalmente riconosciuto, ma vengono
utilizzati diversi sistemi nazionali; inoltre sono di uso
corrente diverse denominazioni che non fanno
riferimento a classificazioni ufficiali.
Ti commercialmente puro (indicato secondo ASTM
come CP-grade x, dove x è una cifra indicativa delle
impurezze presenti) viene impiegato soprattutto per le
sue caratteristiche di resistenza a corrosione. La
presenza di impurezze, come l'ossigeno, aumenta
sensibilmente la resistenza meccanica, ma ne riduce la
resistenza a corrosione e la duttilità. L'aggiunta di
piccole quantità di elementi come palladio e rutenio
(CP grade 7, grade 11) consente di migliorarne la
resistenza a ossidazione. Trova applicazione soprattutto
nell'industria chimica per la costruzione di scambiatori
di calore, reattori, serbatoi di stoccaggio, pompe e
valvole a contatto con liquidi corrosivi. La superiore
resistenza a ossidazione del titanio è garantita dalla
passivazione a seguito della formazione di uno strato di
ossido superficiale (TiO2) resistente fino alla
temperatura di circa 530 °C. A temperature superiori lo
strato di ossido perde di continuità, riducendo
drasticamente la resistenza a corrosione del materiale.
In ambiente atmosferico, quindi, questa temperatura
rappresenta un limite per l'impiego del titanio. La
Tab.7.1 riporta le caratteristiche meccaniche del titanio
e di alcune leghe. Si osserva come un aumento di solo
0,5% nelle impurità determina un incremento di oltre il
100% del carico di rottura e della resistenza a
snervamento.
Tra leghe di tipo α, quella contenente 5% Al e 2,5% Sn
è la più comune. Gli alliganti, completamente
solubilizzati, danno rafforzamento della struttura
cristallina esagonale per soluzione solida. Le leghe α
possono essere sottoposte a trattamento termico di
riscaldamento in fase β, seguito da raffreddamento. Il
controllo della velocità di raffreddamento permette di
modificare la microstruttura ottenuta a seguito della
trasformazione: a causa della diversa velocità di
crescita e della presenza di direzioni di preferenziali di
accrescimento dei cristalli all'interno dei grani matrice
ospite, si vengono a formare strutture orientate ed
allungate in forma di aghi, piattelli, ecc. (strutture di
Windmanstatten).
Tabella 7.1: Caratteristiche meccaniche del titanio e di alcune leghe
La presenza di tali strutture può interferire con i
meccanismi di attivazione e propagazione delle cricche
influenzando
marcatamente
il
comportamento
meccanico del materiale. Strutture di Windmanstatten
si
formano,
ad
esempio,
anche
durante
l'invecchiamento di leghe di alluminio. Un
raffreddamento rapido determina la formazione di una
struttura aciculare dei grani α che conferisce maggiore
resistenza a fatica. Un raffreddamento lento, in forno,
produce una struttura prevalentemente in forma di
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piattelli che conferisce migliori proprietà di resistenza a
creep. In Fig. 7.3 sono schematizzati i trattamenti
CAP.7 IL TITANIO E LE SUE LEGHE
termici ed è mostrata la struttura risultante a seguito di
raffreddamento veloce.
Figura 7.3: Trattamenti termici e struttura a grani aciculari risultante a seguito di raffreddamento veloce di una lega α
Figura 7.4: Resistenza a snervamento di diverse leghe di titanio in funzione della temperatura
Le leghe β richiedono l'aggiunta di elementi β
stabilizzanti come vanadio o molibdeno. In realtà non è
necessario raggiungere gli elevati tenori previsti dai
diagrammi di fase, poiché anche con aggiunte più
limitate il raffreddamento rapido produce una struttura
metastabile prevalentemente β. Il rafforzamento deriva
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dall'effetto di soluzione solida a seguito della notevole
quantità di alliganti aggiunti (vedi ad esempio Tab.7.1).
Sono considerate β anche leghe in cui viene
consentita la precipitazione di una parte di α con
ulteriore effetto di rafforzamento. Le leghe β
consentono di raggiungere i valori di resistenza più
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elevati, competitivi con quelli di acciai da
precipitazione, anche se a spese di una riduzione della
deformazione a rottura. Tra queste, una lega con
particolari caratteristiche di resistenza, superiori a 1300
MPa, è la Beta C (Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr).
La Fig.7.4 mostra un confronto tra la resistenza a
snervamento di diverse leghe in funzione della
temperatura. Questi materiali trovano applicazione
soprattutto in strutture aerospaziali, che includono
collegamenti ad alta resistenza, profili strutturali (travi,
longheroni, ecc.) ed altri componenti sottoposti ad
elevate sollecitazioni meccaniche.
Un'opportuna aggiunta di elementi α stabilizzanti e β
stabilizzanti consente di ottenere struttura mista α+β a
temperatura ambiente, tipica delle leghe α−β. La lega
Ti-6Al-4V (o lega Ti64), contenente 6% Al e 4% V, è
certamente la lega di titanio maggiormente impiegata.
Altre leghe comunemente utilizzate sono Ti-6Al-2Sn4Zr-2Mo (Ti6242) e Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo (Ti6246). A
seguito della presenza di due fasi, è possibile applicare
diversi trattamenti termici per modificare la
microstruttura e, di conseguenza, le proprietà
meccaniche del materiale.
La ricottura fornisce una buona combinazione di
elevata duttilità, proprietà uniformi, buona resistenza.
La lega viene riscaldata poco al di sotto della
temperatura di β-transus; la piccola quantità di α non
convertito consente di limitare l'accrescimento dei
grani. La Fig.7.5 mostra la presenza di isole di α
primario in matrice β a seguito di riscaldamento poco
al di sotto della temperatura di β-transus. La
temperatura di trattamento dipende dalla composizione,
essendo maggiore per le leghe a maggiore contenuto di
fase α ed è generalmente superiore a 700 °C.
Un successivo raffreddamento lento determina la
formazione di grani α equiassici dispersi in matrice β
continua; questa struttura è caratterizzata da buona
duttilità, formabilità, resistenza alla nucleazione di
CAP.7 IL TITANIO E LE SUE LEGHE
cricche di fatica. Diversamente, il riscaldamento in fase
β, al di sopra della temperatura di β-transus, seguito da
raffreddamento più veloce, produce una struttura
aciculare, in forma di reticolo di α.
Figura 7.5: Lega α−β riscaldata poco sotto la temperatura di βtransus. Si nota la presenza di isole di α non convertito
Sebbene questa struttura favorisca la nucleazione di
microcricche, la maggiore resistenza alla propagazione
a causa delle discontinuità delle superfici di interfaccia
e della "tortuosità" del percorso delle cricche rendono
conto di una bassa velocità di propagazione a fatica, di
una buona tenacità e resistenza a creep. La Fig.7.6
mostra schematicamente un possibile processo di
ricottura di una lega α−β e la microstruttura che si
forma a seguito di raffreddamento lento (b) o veloce
(c).
Figura 7.6: Schema di un processo di ricottura di una lega α−β (a). La microstruttura è costituita da grani α equiassici in β a seguito di
raffreddamento lento (b) o da grani α aciculari in β a seguito di raffreddamento veloce (c)
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TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI
Le migliori caratteristiche di resistenza di leghe α−β
vengono ottenute dopo trattamenti di riscaldamento e
tempra seguiti da ulteriore ciclo termico. In funzione
della composizione della lega e del trattamento termico
possono essere ottenuti due tipi di microstrutture.
Le leghe α−β con maggiore contenuto di fase α e le
leghe quasi α (in cui la frazione β è molto limitata), a
CAP.7 IL TITANIO E LE SUE LEGHE
seguito di tempra, possono subire una trasformazione
in cui si forma una fase martensitica α' soprassatura,
derivata dalla struttura esagonale α. La Fig.7.7 mostra i
possibili trattamenti di tempra e successivo
riscaldamento possibili per le leghe α−β; sul
diagramma di fase è indicata la linea di inizio
formazione della martensite. La martensite del titanio è
relativamente duttile e tenace.
Figura 7.7: Trattamenti termici (a) e microstruttura di leghe α−β. (b). Si nota la presenza di grani di α primario (chiaro) dispersi in matrice
continua (scura) costituita da β e α aciculare formatosi a seguito di invecchiamento
Il successivo riscaldamento a temperature medie,
dell'ordine di 400-500 °C) consente la precipitazione
della fase β come dispersione all'interno di matrice
continua α; la trasformazione può essere scritta come
segue:
α' ----> α + precipitati β
Al contrario di quanto avviene nel rinvenimento della
martensite negli acciai, la formazione di precipitati
dispersi β aumenta la resistenza rispetto alla fase α'. La
resistenza si riduce a seguito di rinvenimento a
temperature troppo elevate (Fig.7.8).
Le leghe α-β con maggiore contenuto di alliganti β
stabilizzanti, e quindi minore contenuto di fase α,
possono
essere
soggette
a
trattamenti
di
invecchiamento. Queste comprendono anche diverse
leghe commerciali, pur denominate β. Il trattamento
consiste in un riscaldamento e tempra di
solubilizzazione,
e
successivo
invecchiamento
artificiale (Fig.7.7). Il mantenimento alla temperatura
di solubilizzazione (alcune decine di minuti a
temperature di 900-950 °C) viene seguito da tempra in
acqua: in queste condizioni la fase β non si trasforma e
rimane soprassatura (βss)a temperatura ambiente. Il
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materiale può eventualmente essere lavorato
plasticamente a freddo.
Il successivo riscaldamento a temperature medie
(tipicamente tra 540 e 675 °C) per alcune ore consente
l'invecchiamento e la formazione di precipitati α in una
struttura di Windmanstatten all'interno di una matrice β
secondo la trasformazione:
βss ----> β + precipitati α
La Fig.7.7 (b) mostra la microstruttura ottenuta,
costituita dalla fase continua β, scura, all'interno della
quale si riconoscono grani di α primario, chiari, e la
fase ad aghi α dispersi formatisi a seguito di
invecchiamento artificiale. Un accurato controllo dei
tempi e delle temperature di lavoro consente di limitare
gli effetti di accrescimento dei grani. Ne risultano leghe
di alta resistenza e buona tenacità di interesse per
componenti aerospaziali sottoposti ad elevate
sollecitazioni come elementi strutturali, carrelli,
componenti motori, elementi di lanciatori, protezioni
termiche.
A causa dell'affinità del titanio con ossigeno, azoto,
idrogeno, i trattamenti termici, come anche le altre
lavorazioni, vengono generalmente effettuati in
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atmosfera protetta o in vuoto. La presenza di ossigeno
durante i trattamenti termici provoca la formazione di
uno strato superficiale (alfa-case) ricco di ossigeno con
struttura α, duro e fragile. La rimozione di questo strato
richiede l'impiego di trattamenti di asportazione
meccanica e/o chimica (sabbiatura, decapaggio).
CAP.7 IL TITANIO E LE SUE LEGHE
Poiché la presenza di ossido superficiale riduce la
possibilità di diffusione dell'idrogeno ed i conseguenti
effetti di infragilimento, soprattutto nel caso leghe β e
α-β, è opportuno operare con atmosfera leggermente
ossidante. Allo scopo di aiutare la rimozione
dell'idrogeno dallo strato più esterno delle fusioni (fino
a profondità di 1,25 cm) il trattamento termico viene in
molti casi effettuato in vuoto.
7.3 Tecniche di lavorazione
I
l titanio le sue leghe vengono utilizzati
prevalentemente per la produzione di componenti
mediante tecniche da colata. Le caratteristiche di
resistenza meccanica delle fusioni sono infatti simili, e
a volte superiori, rispetto a quelle ottenute a seguito di
deformazione plastica. La Tab.7.2 riporta le
caratteristiche meccaniche del titanio e di alcune leghe
lavorate per colata, per deformazione plastica,
mediante tecniche di metallurgia delle polveri (P/M).
Tuttavia i componenti ottenuti a seguito di
deformazione presentano generalmente migliori
caratteristiche di resistenza a fatica e tenacità, a seguito
delle minori dimensioni dei grani.
Le principali problematiche legate alla deformazione
plastica derivano dalle particolari caratteristiche di
affinità con l'ossigeno, con la possibilità di
assorbimento ad alta temperatura, e dalla forte
dipendenza della deformabilità dalla temperatura.
Figura 7.8: Caratteristiche meccaniche di una lega α-β in
funzione della temperatura di invecchiamento
Tabella 7.2: Caratteristiche meccaniche di diverse leghe di Ti da fonderia, da deformazione plastica da metallurgia delle polveri
Per le leghe α e α-β, all'approssimarsi della
temperatura di β-transus e all'aumentare della quantità
della fase β, duttile, si riduce drasticamente la
resistenza a scorrimento e diventano possibili
importanti deformazioni (Fig.7.9). Allo stesso tempo,
tuttavia aumenta la velocità di assorbimento di
ossigeno, e la velocità di ricristallizzazione e crescita
dei grani. Nelle leghe α-β la modalità, l'entità, la
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TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI
CAP.7 IL TITANIO E LE SUE LEGHE
direzione della deformazione, che può essere effettuata
sia in condizioni di temperatura per cui è presente solo
β, sia a temperature inferiori (con presenza di α + β),
influisce in modo significativo sulle caratteristiche
ottenute.
Figura 7.9: Riduzione della resistenza a scorrimento all'approssimarsi della temperatura di β-transus in leghe α e α-β
Gage
Tensile strength
mm
MPa
0.737
1.016
1.168
1.524
1.778
945
970
915
985
995
0.737
1.016
1.168
1.524
1.778
(a) 50 mm
1105
1195
1225
1125
1095
Yield strength
Elongation(a)
MPa
Longitudinal direction
870
855
860
925
915
Transverse direction
1061
1105
1165
1090
1055
%
Tensile
modulus
GPa
7.0
6.5
6.5
6.5
8.0
100
106
105
104
105
7.5
7.5
7.5
8.0
9.5
130
145
140
125
135
Tabella 7.3: Caratteristiche meccaniche di lamiere in Ti-6Al-4V di diverso spessore.
La Tab.7.3 riporta le caratteristiche meccaniche di
lamiere in Ti-6Al-4V di diverso spessore.
La possibilità di ricristallizzazione e la velocità di
crescita dei grani dipendono, come in tutti i materiali,
dall'entità della deformazione plastica subita e dalla
temperatura del trattamento termico successivo. La
Fig.7.10 mostra l'effetto della deformazione plastica e
della temperatura sulla dimensione dei grani. Un
8
eccessivo ingrossamento del grano può determinare
una marcata riduzione della resistenza e della risposta a
fatica, pregiudicando le prestazioni per alcune
applicazioni. La Fig.7.11 mostra la dipendenza del
comportamento a fatica dalle dimensioni dei grani.
L'insieme di questi fenomeni impone un accurato
controllo delle modalità di deformazione e di eventuale
trattamento termico.
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI
Le leghe α-β, ad esempio la Ti-6Al-4V, presentano
forte dipendenza della deformabilità dalla velocità di
deformazione. Materiali con particolari microstrutture a
grano fine, in opportune condizioni di temperatura e
soggetti a velocità di deformazione relativamente
bassa, possono essere sottoposti a processi di
deformazione superplastica che consentono di
raggiungere deformazioni molto alte, anche di alcune
CAP.7 IL TITANIO E LE SUE LEGHE
centinaia di unità %. Queste possibilità di
deformazione, eventualmente associate a tecniche di
saldatura per diffusione, vengono impiegate per
ottenere componenti complessi per impieghi
aerospaziali. La Fig.7.12 mostra la possibilità di
produzione di pannellature con elementi di
irrigidimento integrati ottenuti per deformazione
superplastica/diffusion bonding.
Figura 7.10: Effetto della deformazione plastica e della temperatura del successivo trattamento termico sulla dimensione dei grani.
Figura 7.11: Dipendenza del comportamento a fatica dalle dimensioni dei grani
La produzione di componenti mediante fusione in
stampo consente la realizzazione di forme complesse,
ottimizzando l'utilizzo del materiale, che, come già
accennato, è piuttosto costoso. A causa dell'alta
reattività con gli altri materiali, la facilità di
assorbimento di ossigeno, azoto e idrogeno, le
lavorazioni per fusione, così come i trattamenti termici,
richiedono l'impiego di materiali particolari per gli
stampi, atmosfere protette e procedure specifiche di
lavoro.
La colata in cera persa (vedi cap.10) è la tecnica
primaria di produzione di fusioni in titanio. Un modello
in cera viene utilizzato per produrre lo stampo,
solitamente in ceramica, in cui sarà successivamente
colato il metallo fuso. L'opportuna scelta e
applicazione dei materiali ceramici dello stampo è
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TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI
critica per ottenere fusioni di buona qualità a causa
della reattività del titanio allo stato fuso. In genere
vengono impiegate ceramiche ad alta stabilità a base di
ossidi di zirconio, torio, ittrio legati da silice per
controllare l'espansione termica e la resistenza
meccanica dello stampo. In alcune situazioni possono
essere impiegati rivestimenti metallici in tungsteno.
Sempre a causa della reattività del fuso con tutti gli
altri materiali, il metallo viene fuso mediante arco
elettrico sotto vuoto (VAR - Vacuum arc remelting) in
Fig. 7.12 – Produzione di pannellature con elementi di
per
deformazione
irrigidimento
integrati
ottenuti
superplastica/diffusion bonding (SPF/DB)
CAP.7 IL TITANIO E LE SUE LEGHE
crogiuoli di rame raffreddato in cui si forma uno strato
di titanio solido sulla parete (il rame ha temperatura di
fusione inferiore a Ti). La lega fusa si trova a
temperatura poco superiore alla temperatura del
liquidus. Questo comporta una fluidità piuttosto bassa,
inferiore a quella dell'alluminio e del nichel, ad
esempio; di conseguenza le parti di piccolo spessore
(inferiore a 2-3 mm) possono presentare difficoltà di
riempimento. Il preriscaldamento e/o la messa in
rotazione dello stampo (colata centrifuga) vengono
generalmente impiegati per favorire il riempimento. Il
preriscaldamento varia da 300 °C, nel caso di colata
centrifuga, a 980 °C.
Generalmente la fusione di titanio richiede lavorazioni
successive per controllarne le caratteristiche
meccaniche e di resistenza a corrosione. Il primo passo
di lavorazione principale per quasi tutti i componenti
da colata è un trattamento di applicazione di pressione
a caldo (HIP-hot isostatic pressure) per consentire la
saldatura per diffusione e conseguente eliminazione di
microvuoti interni. Il processo viene condotto
tipicamente a 900-960 °C e 104 MPa di pressione in
atmosfera di argon e consente di migliorare in modo
sensibile le caratteristiche di tenacità e resistenza a
fatica. La Fig.7-13 mostra un confronto tra il
comportamento a fatica ottenuto a seguito di colata,
colata seguita da HIP, lavorazione per deformazione
plastica.
Fig. 7.13 – Comportamento a fatica di leghe di Ti ottenute per colata, colata seguita da HIP, lavorazione per deformazione plastica
Il secondo passo principale è l'asportazione chimica
della superficie. A causa della reazione con le
ceramiche dello stampo si ha la formazione di uno
strato superficiale (alfa-case) ricco di ossigeno con
struttura α, analogamente a quanto avviene durante i
trattamenti termici o durante altre operazioni di postlavorazione come saldature di riparazione. Il
trattamento di asportazione chimica superficiale con
acido viene ridotto allo stretto necessario per limitare
l'assorbimento di idrogeno, la variazione dimensionale
10
e l'aumento di rugosità superficiale. La Fig.7.14 mostra
un esempio di fusione in lega di titanio.
Componenti che consentono maggiori tolleranze
dimensionali possono essere prodotti in stampi in
grafite secondo le stesse procedure utilizzate nella
colata in cera persa. In questo caso il metallo può
subire contaminazioni per reazione con carbonio dello
stampo.
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI
CAP.7 IL TITANIO E LE SUE LEGHE
Figura 7.14: Componente complesso in lega di Ti ottenuto per
fusione in cera persa
Componenti di dimensioni limitate possono essere
ottenuti con tecniche di metallurgia delle polveri.
Elementi ottenuti per sinterizzazione, che richiede
atmosfera controllata per evitare ossidazione e
assorbimento di idrogeno, posseggono in genere
caratteristiche di resistenza simili a quelle ottenute in
fusioni, ma tenacità e deformabilità più limitate
(Tab.7.2).
Tutte le leghe commerciali sono saldabili anche se
sono richieste particolari condizioni operative. Le
saldature richiedono l'impiego di atmosfera inerte
(argon o vuoto), per evitare o limitare l'assorbimento di
gas e particolari accorgimenti a causa della possibilità
di fenomeni di risolubilizzazione, invecchiamento,
sovrainvecchiamento, ingrossamento dei grani, nascita
di tensioni residue in prossimità della zona di saldatura.
Queste difficoltà risultano anche a seguito della
conducibilità termica particolarmente bassa del
materiale, che impone tempi operativi di
riscaldamento/raffreddamento lenti per evitare
eccessive disomogeneità di temperatura. Trattamenti
termici, effettuati dopo saldatura, consentono in genere
di ripristinare buone caratteristiche meccaniche,
prossime a quelle del materiale originale.
Anche la lavorazione all'utensile, per asportazione,
richiede particolari accorgimenti e risulta in generale
difficoltosa. La bassa conducibilità termica rende
difficile l'asportazione del calore generato nella
lavorazione, con possibilità di surriscaldamenti
localizzati; la forte reattività del metallo con i materiali
degli utensili, associata all'alta temperatura, determina
una veloce usura e degradazione degli utensili; la
facilità di assorbimento a caldo di gas come ossigeno o
idrogeno durante la lavorazione porta a indurimento e
infragilimento del materiale. Questi comportamenti
impongono basse velocità di asportazione e l'uso di
lubrificanti a base di emulsioni oleose, i cui residui
devono essere accuratamente asportati prime di
eventuali trattamenti termici successivi. La Fig.7.15
riporta i tempi di usura di un utensile di taglio in
funzione della velocità di lavorazione.
Figura 7.15: Tempi di usura di un utensile per la lavorazione di
lega in titanio in funzione della velocità di taglio
7.4 Applicazioni delle leghe di titanio in
campo aerospaziale
L
'industria aerospaziale rappresenta il mercato di
maggiore consumo del titanio, grazie alle
eccezionali caratteristiche meccaniche specifiche, di
resistenza a corrosione, di prestazioni ad alta
temperatura. Le applicazioni di maggiore interesse
sono in componenti dei propulsori jet e componenti
strutturali sottoposti a temperature fino a 500 °C e
oltre. L'utilizzo del metallo è ampio nella maggior parte
di velivoli commerciali e militari. Il titanio è impiegato
anche in ambito spaziale, dove a causa della bassa
concentrazione o assenza di ossigeno ne vengono
sfruttate le prestazioni anche a temperature superiori a
700-800 °C (ad esempio in elementi di protezione
termica riutilizzabili). Lo sviluppo di prodotti e
tecnologie ha reso vantaggioso l'impiego delle leghe di
titanio in sostituzione di acciai inossidabili in molte
applicazioni aeronautiche. Leghe di titanio sono
largamente utilizzate per componenti di elevato
spessore o sezione, grazie alla possibilità di ottenere
alte prestazioni specifiche con diverse tecniche di
lavorazione. Uno dei maggiori utilizzi del titanio è per
la produzione di componenti dei motori a turbina. Nella
maggior parte dei moderni motori jet, e
prevalentemente nel compressore, i componenti in
titanio costituiscono il 20-30% del peso. Questi sono
rappresentati da palettature, rotori o statori, condotti
interni, struttura esterna (case), elementi operanti a
temperature fino a 600 °C. Il metallo è competitivo con
le leghe di Al e gli acciai ad alta resistenza anche in
molti elementi strutturali: sono in titanio elementi
strutturali alari, primari e altamente sollecitati,
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TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI
componenti del carrello di atterraggio, rotori di
elicotteri, elementi di giunzione critici, ecc. La Fig.7.16
mostra ad esempio un moderno velivolo militare (F22Raptor), in cui 39% del peso è costituito da leghe di
titanio.
Figura 7.16: Esempio di utilizzo di leghe di titano: i velivoli F22
sono costituiti prevalentemente da leghe di Ti (39%) e Al (16%)
oltre che compositi (24%)
Gli impieghi spaziali, iniziati con un ampio utilizzo nei
veicoli Apollo e Mercury, continuano nei recenti ed
attuali programmi, sia civili che militari. Gran parte
della struttura primaria dello Shuttle (struttura della
fusoliera e del timone di coda, elementi e collegamenti
strutturali, rivestimenti sandwich di alettoni, ecc.) è
costituita da leghe di titanio; tra gli ulteriori e numerosi
esempi si possono citare serbatoi per combustibile
liquido e la struttura primaria (case) di propulsori a
combustibile solido di razzi vettori.
Altre applicazioni- Tra le diverse applicazioni avanzate
delle leghe di titanio vanno segnalate quelle nel campo
biomedico. La resistenza a corrosione, la compatibilità
con i tessuti organici, la leggerezza, il ridotto modulo
elastico rispetto ad altri materiali alternativi (acciai
inossidabili, leghe di cobalto ecc.), la possibilità di
ottenere componenti complessi con diverse tecniche di
lavorazione, rendono il titanio un materiale primario
per protesi ortopediche, viti, collegamenti, protesi e
apparecchi dentali.
Bibliografia
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"The Science and Engineering of Materials", 3rd SI ed.
Chapman and Hall, London, 1996
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1994
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McGraw-Hill, Milano, 2008
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CAP.7 IL TITANIO E LE SUE LEGHE