Il titanio e le sue leghe.

 

 

 

 

Il titanio e le sue leghe sono classificati in tre grandi categorie in base alle fasi predominanti presenti nella microstruttura a temperatura ambiente. Come detto precedentemente, a temperatura ambiente il titanio ha struttura cristallina esagonale a massimo impaccamento, chiamata alfa; a circa 882°C, la fase alfa si trasforma in una struttura cubica a corpo centrato, chiamata beta, che è stabile fino al punto di fusione, che varia tra 1650°C e 1700°C circa. La temperatura di tale trasformazione allotropica è funzione del contenuto di elementi in lega ed è fortemente influenzata dagli elementi interstiziali ossigeno ed azoto; gli elementi in lega favoriscono o la fase alfa o la fase beta oppure sono neutrali. L’alluminio, che và in soluzione solida nel titanio come elemento sostituzionale, stabilizza la fase alfa, innalzando la temperatura di trasformazione alfa-beta; tra gli altri alfa stabilizzatori ci sono carbonio, ossigeno ed azoto, che formano soluzioni solide interstiziali nel titanio. Gli effetti di rinforzo di questi ultimi elementi interstiziali scompaiono nel range di temperatura da 260°C a 430°C, mentre gli effetti di rinforzo dell’alluminio rimangono fino a circa 540°C. Oltre all’effetto di rinforzo, entro questi limiti gli elementi interstiziali causano infragilimento. I beta stabilizzanti, come idrogeno (interstiziale), rame, silicio, palladio, cromo, niobio, ferro, manganese, molibdeno, tantalio e vanadio, abbassano la temperatura di trasformazione alfa-beta, rendendo la fase beta stabile alle basse temperature; stagno e zirconio, infine, sono altamente solubili in entrambe le fasi e sono sostanzialmente neutrali nelle quantità presenti nelle leghe attuali, agendo come rinforzanti della fase alfa.

 

A 25°C, le leghe commerciali di titanio alfa e alfa-beta hanno densità che varia nel range 4.37 - 4.56 g/cm3, mentre quelle beta raggiungono valori di 4.94 g/cm3.

 

I moduli di elasticità e la rigidità aumentano con l'incremento del contenuto di elementi in lega interstiziali e di alluminio, e con la temperatura di ricottura; con l’addizione di elementi beta stabilizzanti, invece, essi decrescono rispetto a quelli del titanio puro, poiché aumenta l'indurimento. Sia nel titanio puro che nelle leghe di titanio commerciali, modulo di elasticità e rigidezza decrescono con l'aumento della temperatura.

 

A 25°C, le leghe di titanio usuali hanno resistività elettrica di circa 150x10-6 ohm*cm; il coefficiente lineare di espansione termica a 25°C per le leghe alfa e alfa-beta è di 9.5x10-6 K-1; il calore specifico delle leghe è simile a quello del titanio commercialmente puro, mentre la conducibilità termica è solo la metà.

 

Siccome la struttura cubica del titanio beta contiene un maggior numero di piani di scorrimento rispetto a quelli presenti nella forma esagonale alfa, il titanio beta è più facilmente deformabile; le leghe nelle regioni beta ed alfa-beta sono, perciò, formabili a caldo. Le leghe beta e alcune leghe alfa-beta contengono, oltre a molibdeno o vanadio, elementi in lega a causa dei quali la fase beta, nel range di temperatura tra 550°C e un massimo di 860°C, subisce una decomposizione eutettoidica in fase alfa e in un composto intermetallico. Questo processo è usualmente associato ad infragilimento e riduce la stabilità termica; deve, quindi, essere evitato durante la produzione e la lavorazione dato che riduce la deformabilità. Per sistemi che presentano decomposizione eutettoidica della fase beta, il processo di lavorazione procede più lentamente a temperatura inferiore. In seguito alla fase di lavorazione, l'indurimento delle leghe di titanio può essere ottenuto in vari modi. Ad esempio, può essere precipitato un composto intermetallico dalla fase alfa per tempra e ricottura (leghe Ti-Cu); oppure, in leghe con elementi beta stabilizzanti, la fase beta metastabile può essere formata in aggiunta alla fase alfa per solubilizzazione, tempra ed ageing. Nell’ageing la lega viene trasformata, attraverso una fase intermedia omega, in fase alfa e in fase beta stabilizzata per arricchimento di elementi in lega. Entrambi questi processi sono utilizzati nell'industria per migliorare le proprietà meccaniche delle leghe di titanio.

 

Le leghe alfa sono saldabili, non trattabili termicamente, stabili fino a circa 540°C, resistenti e tenaci alle temperature criogeniche, resistenti all’intaglio e al creep, ragionevolmente duttili, più resistenti ad ossidazione rispetto alle leghe beta o alfa-beta e relativamente difficili da stampare. Le leghe beta generalmente sono trattabili termicamente, saldabili, resistenti al creep a temperature intermedie, stabili fino a circa 300°C, resistenti ad alte temperature per brevi periodi, relativamente fragili sotto i -70°C ed abbastanza formabili a temperatura ambiente. Le leghe alfa-beta sono più che altro un compromesso tra le leghe a singola fase alfa e quelle a singola fase beta; esse sono trattabili termicamente, stabili fino a circa 430°C, non resistono al creep ad alte temperature, hanno una buona resistenza e sono più formabili delle leghe alfa. Comunque, esse sono meno tenaci delle leghe alfa e, per la maggior parte, sono più difficili da saldare.

 

Il titanio commercialmente puro (non legato) costituisce circa il 35% della produzione, mentre le leghe di titanio coprono il rimanente 65%.

 

 

Il titanio commercialmente puro.

 

Ci sono sei tipi di titanio commercialmente puro (CP) ed ognuno contiene una diversa quantità di impurezze; il titanio CP “Grade 1” è il più puro. In generale, sono solo tre le tipologie di maggior rilievo ed esse sono mostrate in Tabella 1; queste contengono dal 99.01% al 99.5% di titanio, più piccole quantità di ferro, carbonio, idrogeno, azoto ed ossigeno. Tali elementi sono presenti normalmente in forma residuale e non hanno un effetto significativo sulle proprietà meccaniche; quindi, in senso stretto, il titanio CP è una lega di titanio e di elementi interstiziali. Inoltre, un tipo contiene da 0.15% a 0.20% di palladio per migliorare la resistenza agli ambienti debolmente riducenti, come acido solforico ed acido cloridrico diluiti.

 

Tabella 1: Tipologie di titanio CP di maggior interesse.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nonostante le diverse tipologie di titanio CP non abbiano resistenza simile alle leghe di titanio, esse coprono un intervallo relativamente ampio di livelli di resistenza e sono utilizzate sia per applicazioni strutturali che non strutturali. Le qualità a bassa resistenza sono usate generalmente in applicazioni in cui resistenza a corrosione ed ottima formabilità, piuttosto che resistenza, siano i requisiti primari; le qualità ad alta resistenza sono utilizzate spesso per applicazioni simili, ma con requisiti resistenza maggiore. Tutti i tipi di titanio CP sono prontamente saldabili; esso è ottenibile attraverso tutte le possibili lavorazioni al laminatoio, per colata o per metallurgia delle polveri.

 

Generalmente, il titanio non legato è utilizzato in applicazioni in cui si desidera un’ottima resistenza a corrosione ed in cui l’alta resistenza non è un fattore determinante. Nel titanio CP, inoltre, l’ossigeno funziona da rinforzante controllato: la resistenza aumenta se aumenta la quantità di ossigeno all’interno di un range controllato, poiché troppo ossigeno produce un infragilimento del materiale. Questo tipo di titanio è, quindi, utilizzato per rivestimenti degli aerei, elementi di rinforzo, pareti refrattarie, pannelli per esplosione di proiettili, anelli ed elementi di fissaggio nei motori. Applicazioni commerciali comprendono scambiatori di calore, valvole, attrezzature per lavorazioni e componenti marini.

 

 

Le leghe alfa.

 

Le leghe alfa (Tabella 2) sono un pò meno resistenti a corrosione rispetto al titanio non legato, ma possiedono resistenza maggiore sia di quest’ultimo che di tutte le altre leghe di titanio; inoltre, resistono all’ossidazione ad alte temperature (300°C - 540°C) e presentano miglior saldabilità rispetto ai vari tipi di titanio CP ed ottima duttilità. I livelli di resistenza a temperatura ambiente, comunque, sono i più bassi e queste composizioni non rispondono a trattamento termico.

 

La principale variabile microstrutturale delle leghe alfa è la dimensione del grano. Per una composizione fissata, la resistenza a breve termine (snervamento) e la resistenza a lungo termine (rottura per creep) sono influenzate dalla dimensione del grano e dall’energia immagazzinata (se ce n’è) a deformazione.

 

Tra le leghe alfa ci sono tipologie ad alto contenuto di alluminio, con così poca quantità di beta da essere identificate come super alfa. Le leghe alfa più comuni sono la lega Ti-5Al-2,5Sn ed una lega con bassa quantità di elementi interstiziali (ELI), che ha la stessa composizione della precedente. La qualità ELI può essere ottenuta commercialmente per colata o con ogni altro tipo di lavorazione ed è usata in numerose applicazioni aerospaziali; inoltre, è utilizzata per realizzare serbatoi a riempimento di idrogeno liquido e per vasi ad alta pressione operanti al di sotto di circa –200°C, poiché essa mantiene duttilità e tenacità alle temperature criogeniche.

 

Nella classificazione delle leghe alfa riportata in Tabella 2 ci sono cinque leghe classificate come quasi alfa, le quali sono caratterizzate dalla presenza di una piccola quantità di elementi beta stabilizzanti; la loro risposta a trattamento termico ed a lavorazione segue più da vicino quella delle leghe alfa che non quella delle convenzionali leghe alfa-beta. Delle cinque leghe quasi alfa, la lega Ti-8Al-1Mo-1V è la più comune; per essa sono stati sviluppati speciali cicli di ricottura. Questi aumentano la sua resistenza al creep e la sua tenacità a frattura, poiché permettono di mantenere un buon livello di resistenza.

Altre leghe quasi alfa sono: Ti-2,25Al-11Sn-5Zr-1Mo-0,2Si (IMI#679), Ti-5Al-6Sn-2Zr-1Mo-0,25Si, Ti-6Al-2Sn-1,5Zr-1Mo-0,35Bi-0,15Si (Ti-11) e Ti-6Al-2Nb-1Ta-0,8Mo; tra queste sta attualmente emergendo la lega Ti-11. Questa è stata sviluppata per la sua ottima resistenza al creep fino a 620°C, che le è conferita attraverso l’aggiunta di silicio e bismuto.

 

 Tabella 2: Leghe alfa e quasi alfa.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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