Come vengono identificate le microstrutture delle leghe di titanio?

Il titanio e le leghe di titanio combinano bassa densità, elevata resistenza specifica, resistenza alla corrosione, resistenza alle alte temperature, proprietà non magnetiche e atossicità. Trovano ampio impiego nei settori aerospaziale, dell’ingegneria navale, petrolifero, chimico, dell’industria leggera, metallurgico, meccanico, medico ed energetico.

Le leghe di titanio vengono comunemente suddivise in leghe alfa, alfa-beta e beta. Le loro fasi di base sono relativamente semplici, ma le condizioni di lavorazione possono dare origine a numerose morfologie e distribuzioni, oltre che a fasi di transizione e di impurità.

Strutture metallografiche delle leghe di titanio

Il titanio commercialmente puro (titanio CP) appartiene alla famiglia alfa. Altre leghe alfa contengono generalmente circa 6% di alluminio più piccole quantità di elementi neutri e, dopo la ricottura, sono quasi interamente in fase alfa. Questa classificazione collettiva comprende il titanio CP e le leghe di titanio alfa. Le leghe near-alfa contengono inoltre non più di circa il 4% di elementi stabilizzatori beta; ne sono esempi il Ti-8Al-1Mo-1V (Ti-811) e il Ti-4Al-2V.

Leghe di titanio alfa e loro microstrutture

Le leghe di titanio alfa sono costituite quasi interamente dalla fase alfa, sebbene possano comparire tracce di fase beta in presenza di tenori relativamente elevati di ferro o manganese. La fase alfa si presenta in due forme principali: equiassiale e lamellare o aciculare. La lavorazione e la ricottura nella regione alfa pura producono grani alfa equiassiali simili a quelli presenti nel titanio CP.

Se la ricottura supera la transizione alfa/alfa-beta, a circa 955 °C, o la transizione alfa-beta/beta, a circa 1040 °C, la fase beta ad alta temperatura si trasforma, durante il successivo raffreddamento in forno o all’aria, in alfa lamellare o aciculare con carattere di Widmanstatten. Il raffreddamento in forno produce placche più grandi e arrotondate; il raffreddamento all’aria produce aghi più sottili e appuntiti. Rispetto all’alfa equiassiale, queste morfologie hanno un effetto minimo sulla resistenza alla trazione, ma riducono la duttilità.

Leghe di titanio alfa-beta e loro microstrutture

Le leghe alfa-beta contengono meno del 6% in massa di alluminio, insieme a vari stabilizzatori beta ed elementi neutri. Dopo la ricottura, presentano proporzioni diverse di alfa e beta. In genere sono facilmente saldabili e possono essere indurite mediante trattamento termico, ma la loro formabilità a freddo e lavorabilità a freddo sono scarse. Tra gli esempi figurano il Ti-6Al-4V, il Ti-6,5Al-3,5Mo-1,5Zr-0,3Si e il TC21 (approssimativamente paragonabile al Ti-62222).

Il Ti-6Al-4V è la lega di titanio alfa-beta più diffusa. Viene solitamente sottoposta a lavorazione a caldo e ricottura, ma può anche essere sottoposta a tempra e invecchiamento. Il suo rapporto alfa/beta, nonché la morfologia, le dimensioni e la distribuzione di entrambe le fasi, sono altamente sensibili alle condizioni di lavorazione a caldo.

Durante la tempra o il trattamento isotermico, la precipitazione della fase alfa dalla fase beta può essere accompagnata dalla fase omega di transizione, una fase submicroscopica fuori equilibrio che si forma attraverso la nucleazione e la crescita.

Leghe di titanio beta e loro microstrutture

Le leghe beta si suddividono in leghe beta stabili, beta metastabili e quasi-beta. Tra le variabili metallografiche più importanti figurano la dimensione dei grani beta, la quantità e la morfologia dell’alfa primario e secondario, nonché la distribuzione dell’alfa lungo i bordi dei grani.

Leghe Stable-Beta

Le leghe beta stabili contengono una quantità sufficiente di stabilizzatori beta da impedire la trasformazione martensitica durante la tempra a temperatura ambiente. Le loro matrici ricotte e temprate sono costituite da beta equiassiale e, in condizioni di scorrimento ad alta temperatura, possono formarsi gemelli. Presentano una resistenza a temperatura ambiente relativamente bassa, una buona formabilità a freddo e una buona resistenza alla corrosione in ambienti riducenti.

Leghe beta metastabili

Le leghe beta metastabili contengono una concentrazione di stabilizzatori beta superiore a quella critica, con un equivalente di molibdeno pari a circa 10%, non più di 3% di alluminio e piccole quantità di elementi neutri. Il trattamento di soluzionamento nel campo beta lascia una struttura quasi interamente beta metastabile; l’invecchiamento provoca la precipitazione della fase alfa. Queste leghe combinano una buona lavorabilità a freddo con un’elevata resistenza dopo invecchiamento. Tra le composizioni rappresentative figurano Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al, Ti-10Mo-8V-1Fe-3,5Al e Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3).

Leghe quasi beta

Le leghe near-beta contengono stabilizzatori beta in quantità prossime alla concentrazione critica, insieme a elementi neutri e alluminio. Il trattamento di solubilizzazione in campo beta produce abbondanti costituenti beta metastabili e altri costituenti alfa o omega metastabili; dopo l’invecchiamento, predominano le fasi alfa e beta. Queste leghe sono particolarmente adatte alla forgiatura e offrono un ottimo equilibrio tra resistenza e tenacità. La Ti-10V-2Fe-3Al (Ti-10-2-3) è una lega rappresentativa.