In che modo gli elementi di lega influenzano le proprietà delle leghe di titanio?

Il titanio presenta due forme allotropiche: il titanio alfa esagonale a impacchettamento compatto è stabile al di sotto degli 882 °C, mentre il titanio beta cubico a rete centrata è stabile al di sopra degli 882 °C. Il titanio ha una densità di 4,51 g/cm³, mantiene un'elevata resistenza specifica fino a circa 550–600 °C, resiste alla corrosione grazie a film stabili di ossido e nitruro e conserva resistenza, duttilità e tenacità utili alla temperatura dell’azoto liquido. La sua conducibilità termica è pari a circa un quarto di quella del ferro, mentre il suo modulo elastico è pari a circa 54% di quello del ferro.

Finalità della lega di titanio

La lega determina la composizione, la stabilità e le proprietà delle fasi alfa e beta. Gli elementi con concentrazione di elettroni inferiore a 4 tendono a stabilizzare la fase alfa, quelli con concentrazione superiore a 4 stabilizzano la fase beta, mentre quelli con concentrazione vicina a 4 possono stabilizzare entrambe. Tra gli elementi aggiunti più importanti figurano Al, Sn, Zr, V, Mo, Mn, Fe, Cr, Cu e Si.

• Stabilizzatori alfa, come l’Al, aumentano la temperatura di trasformazione e ampliano il campo alfa.
• Stabilizzatori beta, come il Mo, abbassano la temperatura di trasformazione e ampliano il campo beta.
• Elementi neutri hanno un effetto minimo sulla temperatura di trasformazione e si dissolvono in misura sostanziale in entrambe le fasi.

Quattro tipi tipici di sistemi binari

1. Sistemi peritectoidi e sistemi che formano composti: Ti-Al, Ti-Sn, Ti-Ga, Ti-B, Ti-C, Ti-N e Ti-O. Gli ampi campi di soluzione solida alfa di Ti-Al, Ti-Sn e Ti-Ga sono importanti per le leghe resistenti al calore.
2. Solubilità beta continua e solubilità alfa limitata: Ti-V, Ti-Nb, Ti-Ta e Ti-Mo. Questi elementi con struttura cubica a corpo centrato stabilizzano la fase beta. A una concentrazione critica, un raffreddamento rapido può mantenere la fase beta fino a temperatura ambiente.
3. Sistemi eutettoidi: Ti-Cr, Ti-Mn, Ti-Fe, Ti-Co, Ti-Ni, Ti-Cu, Ti-Si, Ti-Bi e Ti-W. Cu, Si e H sono stabilizzatori beta eutettoidi attivi e possono determinare un indurimento per invecchiamento; Fe, Mn e Cr si trasformano abbastanza lentamente da consentire alle strutture alfa-beta di persistere dopo un raffreddamento normale.
4. Soluzioni solide continue di tipo alfa e beta: Ti-Zr e Ti-Hf. Lo Zr conferisce resistenza all’alfa ed è ampiamente utilizzato; l’Hf è denso, raro e meno pratico.

Una progettazione efficace delle leghe comporta quindi la scelta dei tipi di elementi e delle aggiunte necessarie per ottenere l'equilibrio di fase, le proprietà meccaniche e la risposta alla lavorazione richiesti.