Le leghe alfa-beta.

 

 

 

 

 

 

 

Le leghe alfa-beta contengono sia elementi alfa stabilizzanti che beta stabilizzanti; queste leghe possono essere rinforzate con trattamento termico o con lavorazioni termo-meccaniche.

 

Generalmente, quando si desidera un rinforzo, le leghe vengono raffreddate rapidamente a partire da alta temperatura (nel range di temperature di stabilità alfa-beta o anche sopra la temperatura di beta transus). Questo “trattamento di solubilizzazione“ è seguito da un trattamento a temperatura intermedia (invecchiamento o ageing) per produrre la giusta miscela di prodotti alfa e beta trasformati; in tal modo queste leghe possono essere lavorate mentre il materiale è ancora duttile e, successivamente, subiscono il trattamento termico che permette di rinforzare il materiale. La risposta al trattamento termico dipende dalla velocità di raffreddamento adottata a partire dalla temperatura di solubilizzazione e, quindi, può essere legata alle dimensioni della sezione.

 

Le leghe alfa-beta hanno un’alta resistenza ma sono meno formabili delle leghe alfa; la saldatura per fusione si ottiene con efficienze del 100%. Questa classe di leghe di titanio incide su oltre il 70% di tutto il titanio impiegato commercialmente.

 

Dal punto di vista microstrutturale, i costituenti alfa, quelli rimasti beta e quelli trasformati in beta possono esistere in diverse forme: equiassici, aciculari o come combinazione di questi due. Le strutture equiassiche si formano durante la lavorazione della lega nel range di temperature alfa-beta e durante la ricottura a basse temperature; le strutture aciculari, invece, hanno origine da lavorazioni o da trattamenti termici a temperature prossime alla beta transus, seguiti da rapido raffreddamento. Il rapido raffreddamento dalle alte temperature nel range alfa-beta si traduce nella formazione di strutture primarie di alfa equiassico e secondarie di beta trasformato.

 

Le dieci leghe alfa-beta più comuni (Tabella 3) presentano composizioni molto diverse tra loro e, quindi, le loro caratteristiche generali sono piuttosto variabili. Questo range di composizione comprende leghe fortemente stabilizzate con beta e leghe profondamente indurite, quali Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo e Ti-6Al-6V-2Sn, che forniscono alta resistenza a temperatura ambiente ed a temperature intermedie; ci sono, inoltre, composizioni più povere di elementi in lega, come Ti-6Al-4V, che è la lega di titanio maggiormente utilizzata (rappresenta infatti circa il 45% della produzione globale). Considerando un basso indurimento, l’alto contenuto di alluminio di quest’ultima le conferisce un’eccellente resistenza ed ottime proprietà ad elevate temperature; essa è considerata una lega di titanio per scopi generici e le può essere attribuita qualsiasi forma attraverso lavorazione o per colata. Alterando i livelli interstiziali di Ti-6Al-4V si danno nuove proprietà alla lega: la riduzione degli elementi interstiziali produce un’eccellente tenacità, un punto importante nelle applicazioni criogeniche e nelle applicazioni a profonda immersione; con un trattamento termico appropriato, inoltre, la resistenza della lega Ti-6Al-4V aumenta fino al 35% di quella in condizioni ricotte.

 

Nel 1972 General Electric annuncia una nuova lega alfa-beta, nota come Ti-17; la sua composizione è Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr. La lega è stata sviluppata per applicazioni in motori aerei, come materiale per i dischi di eliche e di compressori; essa presenta migliori proprietà rispetto alle leghe di titanio idonee a subire trattamento termico utilizzate commercialmente. In aggiunta, la lega Ti-17 ha una buona liscezza, un buon comportamento a fatica con intaglio sotto carico ciclico e un livello di resistenza a snervamento da 1034 a 1172 MPa; un’altra sua caratteristica è la capacità di essere indurita attraverso tutto il campione, con proprietà resistenziali uniformi sulla sezione trasversale da un minimo di 15 mm a un massimo di 150 mm. Attualmente la lega è utilizzabile solo per fare barre, billette e pezzi forgiati.

 

Un’altra nuova lega alfa-beta è stata sviluppata da RMI (Ohio): si tratta della lega Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0,25Si. Essa ha una combinazione molto migliore di resistenza e tenacità rispetto alle altre leghe profondamente indurite, comprese Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo e Ti-6Al-6V-2Sn. Applicazioni potenziali per questa nuova lega comprendono complessi d’atterraggio degli aerei, paratie forgiate, dischi di eliche e rotori di elicotteri.

 

Altre due importanti leghe alfa-beta sono Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo e Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo; tra le due, la seconda sviluppa una resistenza maggiore. Entrambe queste leghe trovano impiego in componenti per i compressori di motori a propulsione ed in strutture per missili ed aeroplani.

 

Una lega alfa-beta unica per le sue proprietà è la Ti-3Al-2,5V; questa composizione è spesso descritta come materiale per fogli utilizzati nella produzione di strutture a nido d’ape.

 

Tabella 3: Leghe alfa-beta.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Le leghe beta.

 

Il titanio può esistere completamente in fase beta a temperatura ambiente (fase beta metastabile); l’addizione di alcuni elementi in lega, infatti, può inibire la trasformazione da beta ad alfa. Le leghe beta sono abbastanza ricche di beta stabilizzanti (e povere di alfa stabilizzanti), in modo che possa essere ottenuta con velocità di raffreddamento appropriate una microstruttura in cui sia presente solo fase beta. Proprio a causa del loro alto contenuto di elementi in lega, le leghe beta hanno densità maggiore (4,84 - 5,06 g/cm³) rispetto alle leghe alfa-beta e, quindi, i valori dei loro rapporti resistenza/densità non possono essere alti come quelli delle leghe alfa o alfa-beta. Le leghe beta sono instabili e la precipitazione di fase alfa nella fase beta metastabile è un metodo usato per rinforzarle; sono, quindi, leghe in grado di acquisire una buona durezza, hanno buona lavorabilità a freddo quando sono trattate in soluzione e presentano alta resistenza quando sono invecchiate.

 

Attualmente ci sono quattro leghe beta commercialmente utilizzabili (Tabella 4) ed una è in fase di sviluppo. Le quattro commercialmente utilizzabili sono: Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr (Beta C), Ti-4,5Sn-6Zr-11,5Mo (Beta III), Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al e Ti-13V-11Cr-3Al; l’ultima di queste è la più vecchia.

 

La lega in fase di sviluppo in “Lockheed Missiles and Space Company” è la Ti-2Al-11V-2Sn-11Zr, nota come Transage 129. Ci si aspetta che questa nuova lega offra buone proprietà per applicazioni a scopo generico nelle strutture aerospaziali; i livelli di resistenza a temperatura ambiente di Transage 129 sono circa uguali a quelli della lega Ti-13V-11Cr-3Al.

 

La lega Beta III lavorata è molto usata per chiodature e dispositivi di fissaggio simili; affidabili chiodature in Beta III possono essere realizzate in condizioni di sovra-invecchiamento (over ageing) o per trattamento in soluzione. Le seconde condizioni danno una maggior resistenza, un maggior modulo elastico ed eccellente stabilità termica fino a 430°C, con un adeguato margine d’errore nella perforazione. Questa lega è attrattiva per entrambe le applicazioni poiché possiede alta resistenza e notevole resistenza alla stress corrosion e poiché permette di sfruttare i vantaggi produttivi della ricalcatura a freddo.

 

Un’altra lega beta impiegata per realizzare dispositivi di fissaggio è la Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al. Essa, inoltre, ha applicazioni in missilistica e nella struttura degli aerei; la sua resistenza è pari a circa il doppio di quella di Beta III.

 

Le leghe beta possono essere formate prontamente a temperatura ambiente ed a temperature un po’ più alte; inoltre, hanno miglior saldabilità rispetto alle leghe alfa-beta. Possono essere trattate a caldo in soluzione, formate in condizioni non eccessivamente pesanti ed indurite per invecchiamento nella parte finale della lavorazione, ottenendo alta resistenza.

 

In generale, componenti prodotti in lega beta non possono essere ottenuti per colata; tuttavia, ci sono state alcune colate di Beta III ma, in accordo con REM Metals Corp. di Albany, Oregon, deve essere fatto ancora molto lavoro per poter ottenere pezzi per colata in Beta III con le proprietà meccaniche necessarie al suo reale impiego.

 

 Tabella 4: Leghe beta e quasi beta.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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