In che modo gli elementi di lega rafforzano le leghe di titanio?

Le leghe di titanio vengono rinforzate mediante l'aggiunta di elementi selezionati che modificano il comportamento della soluzione solida, la stabilità di fase, la precipitazione e la risposta al trattamento termico. L'alluminio rafforza principalmente la fase α; il vanadio e il molibdeno stabilizzano e rafforzano la fase β del titanio, mentre lo stagno e lo zirconio contribuiscono alla resistenza termica delle leghe. Le sezioni seguenti mettono a confronto questi effetti con quelli del manganese, del cromo, del silicio, del rame e degli elementi delle terre rare.

Alluminio

Quasi tutte le leghe di titanio, ad eccezione del titanio commercialmente puro, contengono alluminio, principalmente per il rafforzamento mediante soluzione solida. Ogni 1% di alluminio in massa aumenta la resistenza alla trazione a temperatura ambiente di circa 50 MPa. La solubilità dell’alluminio nel titanio è limitata a 7,5%. Al di sopra di questo limite, il Ti ordinato₃Al (α₂) si forma e influisce negativamente sulla duttilità, sulla tenacità e sul comportamento alla corrosione sotto sforzo, pertanto l'uso dell'alluminio è generalmente limitato al 7%.

L’alluminio migliora la resistenza all’ossidazione, riduce la densità e aumenta la temperatura di ricristallizzazione. L’aggiunta di 5% può aumentare la temperatura di ricristallizzazione da 600 °C, nel caso del titanio puro, a 800 °C. Rafforza il legame atomico nella soluzione solida di titanio e migliora la resistenza alle alte temperature. Nelle leghe β trattabili termicamente, circa il 3% di alluminio può sopprimere la fase ω infragilizzante prodotta dalla decomposizione metastabile della fase β. L’alluminio aumenta inoltre la solubilità dell’idrogeno nell’α-Ti, riducendo la suscettibilità all’infragilimento correlato agli idruri.

Zirconio e stagno

Lo stagno, come lo zirconio, è un elemento neutro e rafforza efficacemente la soluzione solida α senza ridurne in modo significativo la duttilità. Migliora la resistenza allo scorrimento ed è importante nelle leghe di titanio resistenti al calore.

Lo zirconio presenta un’elevata solubilità sia nel Ti-α che nel Ti-β e viene comunemente aggiunto insieme ad altri elementi per un ulteriore rinforzo. Lo zirconio e lo stagno contribuiscono a conferire alle leghe resistenti al calore di tipo α-semplice una migliore resistenza al calore e allo scorrimento, con una minore perdita di duttilità rispetto all’alluminio, garantendo una buona formabilità e saldabilità. Lo stagno riduce inoltre la sensibilità all’infragilimento da idrogeno. A concentrazioni eccessive, il Ti ordinato₃Lo Sn altera e riduce la duttilità e la stabilità termica.

Vanadio e molibdeno

Il vanadio è un elemento β-isomorfo con solubilità illimitata nel titanio β e una certa solubilità nel titanio α. Rafforza il titanio in modo più efficace dello stagno, pur mantenendo una buona duttilità, e può migliorare la resistenza allo scorrimento e la stabilità termica.

Anche il molibdeno è β-isomorfo. Conferisce un rafforzamento da soluzione solida, migliora la lavorabilità a caldo, la resistenza allo scorrimento e la stabilità termica, e riduce la tendenza all’infragilimento da idrogeno. Il vanadio e il molibdeno sono gli stabilizzatori della fase β più diffusi. Rafforzano la fase β, abbassano la temperatura di trasformazione, aumentano la temprabilità e migliorano la risposta al trattamento termico. Le leghe di titanio contenenti uno dei due elementi non subiscono una reazione eutettoide e mantengono una buona stabilità strutturale alle alte temperature. Il vanadio da solo garantisce resistenza allo scorrimento solo fino a circa 400 °C. Il molibdeno è più efficace, ma aumenta la densità e migliora anche la resistenza alla corrosione, in particolare quella interstiziale nelle soluzioni clorurate.

Manganese e cromo

Il manganese e il cromo rafforzano e stabilizzano notevolmente la fase β e hanno una densità inferiore rispetto al molibdeno o al tungsteno. Sono ampiamente utilizzati nelle leghe β metastabili ad alta resistenza. Le loro reazioni eutettoidi lente con il titanio possono ridurre la stabilità a lungo termine alle alte temperature e la resistenza allo scorrimento. L’aggiunta di un elemento isomorfo β, in particolare il molibdeno, inibisce queste reazioni.

Rame

Una parte del rame si dissolve nella fase α e una parte forma TiCu₂, migliorando la stabilità termica e la resistenza alle alte temperature. Al di sopra del limite di solubilità, l’invecchiamento può determinare un rafforzamento per dispersione e aumentare notevolmente la resistenza a temperatura ambiente e a temperature elevate.

Silicio

Il silicio migliora la resistenza alle alte temperature. A partire da circa lo 0,21% in massa di TP33T, forma Ti₅Si₃ nelle leghe prive di zirconio e (Ti₂Zr)₅Si₃ nelle leghe contenenti zirconio. Questi siliciuri migliorano la resistenza allo scorrimento, ma riducono la stabilità termica. L’elevata temperatura eutettoide del silicio, pari a 860 °C, favorisce la resistenza al calore; pertanto, le leghe resistenti al calore contengono spesso circa 0,25% di silicio, senza superare la solubilità massima nella fase α. Poiché gli atomi di silicio e di titanio differiscono notevolmente per dimensioni, il silicio si segrega in corrispondenza delle dislocazioni e ne ostacola il movimento. Inoltre, aumenta la solubilità dell’idrogeno nella fase β e riduce la tendenza all’infragilimento da idrogeno.

Elementi delle terre rare

L'aggiunta di terre rare migliora la resistenza al calore e la stabilità termica. L'ossidazione interna forma terre rare (RE) fini e stabili_xO_y particelle che conferiscono resistenza da dispersione. Questo processo riduce la concentrazione di ossigeno nella matrice e trasferisce lo stagno negli ossidi di terre rare, contribuendo a sopprimere la fase α fragile₂ precipitazione. Gli elementi delle terre rare inibiscono inoltre in modo significativo la crescita dei grani β e ne affinano la struttura, migliorandone le proprietà complessive.

Lo sviluppo delle leghe di titanio si sta orientando verso sistemi multicomponenti altamente legati. Gli elementi di lega garantiscono un rafforzamento per soluzione solida, stabilizzano le fasi α o β, migliorano la risposta al trattamento termico, contrastano gli effetti dannosi e aumentano la resistenza al calore e alla corrosione.