Le leghe alfa-beta.

Leghe di Titanio

Produzione di titanio metallico puro.

Il titanio e le sue leghe sono classificati in tre grandi categorie in base allefasi predominanti presenti nella microstruttura a temperatura ambiente.A temperatura ambiente il titanio ha struttura cristallina esagonale amassimo impacchettamento, chiamata alfa; a circa 882°C, la fase alfa sitrasforma in una struttura cubica a corpo centrato, chiamata beta, che èstabile fino al punto di fusione, che varia tra 1650°C e 1700°C

La temperatura di tale trasformazione allotropica è funzione del contenuto dielementi in lega ed è fortemente influenzata dagli elementi interstizialiossigeno ed azoto; gli elementi in lega favoriscono o la fase alfa o la fasebeta oppure sono neutrali. L’alluminio, che và in soluzione solida nel titaniocome elemento sostituzionale, stabilizza la fase alfa, innalzando latemperatura di trasformazione alfa-beta; tra gli altri alfa stabilizzatori ci sonocarbonio, ossigeno ed azoto, che formano soluzioni solide interstiziali neltitanio.

I beta stabilizzanti, come idrogeno (interstiziale), rame, silicio, palladio,cromo, niobio, ferro, manganese, molibdeno, tantalio e vanadio, abbassanola temperatura di trasformazione alfa-beta, rendendo la fase beta stabilealle basse temperature; stagno e zirconio, infine, sono altamente solubili inentrambe le fasi e sono sostanzialmente neutrali nelle quantità presentinelle leghe attuali, agendo come rinforzanti della fase alfa.

Titanio puro

Titanio puroCi sono sei tipi di titanio commercialmente puro (CP) ed ognuno contiene unadiversa quantità di impurezze; il titanio CP “Grade 1” è il più puro. In generale,sono solo tre le tipologie di maggior rilievo; queste contengono dal 99.01% al99.5% di titanio, più piccole quantità di ferro, carbonio, idrogeno, azoto edossigeno.

Nonostante le diverse tipologie di titanio CP non abbiano resistenza similealle leghe di titanio, esse coprono un intervallo relativamente ampio dilivelli di resistenza e sono utilizzate sia per applicazioni strutturali che nonstrutturali. Le qualità a bassa resistenza sono usate generalmente inapplicazioni in cui resistenza a corrosione ed ottima formabilità, piuttostoche resistenza, siano i requisiti primari; le qualità ad alta resistenza sonoutilizzate spesso per applicazioni simili, ma con requisiti resistenzamaggiore. Tutti i tipi di titanio CP sono prontamente saldabili; essi sonoottenibili attraverso tutte le possibili lavorazioni al laminatoio, per colata oper metallurgia delle polveri.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

Le leghe alfa.Le leghe alfa sono un meno resistenti a corrosione rispetto al titanio nonlegato, ma possiedono resistenza maggiore sia di quest’ultimo che di tutte lealtre 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.

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

Le leghe alfa-beta più comuni presentano composizioni molto diverse tra loro e,quindi, le loro caratteristiche generali sono piuttosto variabili. Questo range dicomposizione comprende leghe fortemente stabilizzate con beta e legheprofondamente indurite, quali Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo e Ti-6Al-6V-2Sn, che fornisconoalta 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 legadi titanio maggiormente utilizzata (rappresenta infatti circa il 45% della produzioneglobale).

Le leghe beta.Il titanio può esistere completamente in fase beta a temperatura ambiente (fasebeta metastabile); l’addizione di alcuni elementi in lega, infatti, può inibire latrasformazione da beta ad alfa.Le leghe beta sono abbastanza ricche di beta stabilizzanti (e povere di alfastabilizzanti), in modo che possa essere ottenuta con velocità di raffreddamentoappropriate una microstruttura in cui sia presente solo fase beta. Proprio acausa del loro alto contenuto di elementi in lega, le leghe beta hanno densitàmaggiore (4,84 - 5,06 g/cm 3 ) rispetto alle leghe alfa-beta e, quindi, i valori deiloro rapporti resistenza/densità non possono essere alti come quelli delle leghealfa o alfa-beta.Le leghe beta sono instabili e la precipitazione di fase alfa nella fase betametastabile è un metodo usato per rinforzarle; sono, quindi, leghe in grado diacquisire una buona durezza, hanno buona lavorabilità a freddo quando sonotrattate in soluzione e presentano alta resistenza quando sono invecchiate.

Leghe di Nichel

Le leghe di Nichel in commercio attualmente e sotto sviluppo sono di varianatura; esse spaziano tra le leghe a fase singola e le superleghe ottenuteper indurimento per precipitazione o per dispersione di ossidi.

La leghe a base Nichel sono raggruppate in due categorie: la primacomprende quelle a base Ni-Fe, dove il Nichel è il principale elemento insoluzione e la seconda quelle a base Ni, dove è presente almeno per il 50%.Le più complesse sono le superleghe, nelle quali si riscontrano una dozzinadi elementi. Elementi quali selenio e piombo devono essere tenuti entro limitiristretti, essenzialmente in tracce.

Le superleghe a base Nichel sono le più complesse, le più ampiamente usateper elementi che lavorano ad alta temperatura. Il loro uso si estende fino atemperature impensabili per i più comuni sistemi di leghe e costituiscono peresempio più del 50% dei componenti dei motori dei più avanzati aerei oggi incommercio.

La maggior parte dellesuperleghe a base Nichelcontiene dal 10 al 20% inpeso di Cr, fino al 8% tra Ale Ti, dal 5 al 10% di cobalto,e una piccola quantità diboro, zirconio e carbonio.Altri elementi chenormalmente sono aggiuntisono molibdeno, niobio,tungsteno, tantalio e afnio, iquali giocano un doppioruolo di rafforzatori delsoluto e formatori di carburi.Cromo e alluminio inoltresono necessari per indurrela passivazione superficiale,attraverso la formazione diCr 2 O 3 e di Al 2 O 3rispettivamente.

Le fasi più importanti che possono essere presenti nelle leghe a base Nichelsono:Matrice Gamma (g). Si tratta di una matrice a struttura cristallina fcc che puòcontenere un’alta percentuale di elementi in soluzione solida come cobalto, ferro,cromo, molibdeno e tungsteno. Tutte le leghe a base Nichel presentano questafase.Gamma primo (g’). Alluminio e titanio sono aggiunti in quantità tale da farprecipitare la fase fcc g’ (Ni 3 Al, Ti), che è coerente con la matrice gammaaustenitica. Altri elementi come niobio, tantalio e cromo si trovano pure nella g’.Tale fase è richiesta in applicazioni per alta temperatura e per la resistenza alcreep.Gamma seconda (g"). La combinazione di Nichel e niobio, in presenza di ferro,forma una struttura ccc di Ni 3 Nb, il quale è coerente con la matrice gammasebbene induca grandi deformazioni nelle zone di bordofase (mismatch). Talefase garantisce ottime proprietà resistenziali a basse e a medie temperature ma èinstabile sopra gli 815 o C.

Carburi. Il carbonio aggiunto in percentuali variabili tra 0.05 e 0.2% in pesosi combina con altri elementi reattivi quali titanio, tantalio e afnio per formarecarburi (MC). Durante il trattamento termico e anche durante l’utilizzo deicomponenti realizzati con tali leghe, i carburi suddetti tendono a decomporsiin M 23 C 6 e/o M 6 C, che precipitano a bordograno. I carburi sono presenti intutte le superleghe, tranne che in quelle a cristalli singoli.g’ a Bordograno. Nel caso di materiali altolegati il trattamento termico el’esposizione all’atmosfera durante l’utilizzo possono generare un film di g’lungo il bordograno, che si pensa degeneri in qualche modo le proprietà.Boruri. Il boro segrega a bordograno formando particelle di boruri di relativabassa densità.Fasi TCP. Per alcune composizioni, e sotto certe condizioni, si possonoformare fasi a forma di placchette di s e m; esse provocano una bassaperdita di proprietà e duttilità.

Gamma Primo g’Gamma primo è il composto intermetallico Ni 3 Al, stabile solo in un intervalloristretto di composizione; esso precipita come particelle sferoidali nelleleghe semplici del Nichel e con una bassa frazione volumetrica rispetto allamatrice, mentre nelle leghe ad alto contenuto di Al e Ti si trova sotto forma diprecipitati cuboidali.

Leghe di Rame