Le leghe di titanio alfa si basano sul rafforzamento per soluzione solida e sull’affinamento del grano, piuttosto che sul tradizionale rafforzamento mediante trattamento termico. La presente guida illustra in modo esaustivo le composizioni alfa e quasi-alfa, il titanio CP, le strutture equiassiali e lamellari, le applicazioni criogeniche e a 600 °C, gli effetti della velocità di raffreddamento, l’equilibrio tra scorrimento e fatica e la precipitazione di alfa2 o siliciuri.
Le leghe di titanio alfa contengono principalmente la fase alfa e sono classificate come “completamente alfa” o “quasi alfa”. Poiché presentano una fase beta minima o assente, non possono essere indurite mediante trattamenti termici convenzionali; la soluzione solida e l’affinamento del grano sono i principali meccanismi di indurimento. Al, O, Zr, Sn e Si sono elementi di aggiunta importanti. Il contenuto di alluminio viene generalmente mantenuto al di sotto di 6% per limitare la presenza della fase alfa-2 ordinata e fragile (Ti3Al); l’ossigeno fornisce un forte rinforzo interstiziale ma riduce la duttilità, mentre le leghe quasi alfa utilizzano il silicio per migliorare la resistenza allo scorrimento.
Il titanio commercialmente puro (titanio CP) è comunemente classificato a livello internazionale secondo i gradi ASTM da 1 a 4, ma tali classificazioni rappresentano solo un quadro di riferimento generale e non costituiscono una corrispondenza diretta con i gradi cinesi.
| Classificazione comune del titanio CP | Contenuto massimo di ossigeno | Modulo di elasticità | Limite di snervamento | Resistenza alla trazione | Allungamento |
|---|---|---|---|---|---|
| Grade 1 | 0.18% | 105 GPa | 170 MPa | 240 MPa | 24% |
| Grade 2 | 0.25% | 105 GPa | 275 MPa | 344 MPa | 20% |
| Grade 3 | 0.35% | 105 GPa | 377 MPa | 440 MPa | 18% |
| Grade 4 | 0.40% | 105 GPa | 480 MPa | 550 MPa | 15% |
Le leghe interamente alfa offrono saldabilità, resistenza alla corrosione, duttilità, tenacità a intaglio e una temperatura di transizione da duttile a fragile che arriva fino a −253 °C. I grani equiassiali sono il risultato della lavorazione alfa-beta seguita da un ricottura di ricristallizzazione. La resistenza aumenta con la riduzione della dimensione dei grani; per il grado di CP a più basso contenuto di ossigeno, la relazione è: limite di snervamento = 231 MPa + 10,5d−1/2. Il raffreddamento rapido dalla fase beta produce martensite alfa-prime aciculare o a listelli, mentre il raffreddamento lento produce colonie lamellari grossolane. Le strutture lamellari sacrificano una minore resistenza alla trazione e alla fatica e una minore duttilità a favore di una maggiore tenacità alla frattura e resistenza allo scorrimento.
Il Ti-5Al-2,5Sn combina un’elevata resistenza e tenacità criogeniche e viene utilizzato per lo stoccaggio di azoto liquido a temperature vicine a −253 °C.
Le leghe near-alpha offrono resistenza allo scorrimento e all’ossidazione, nonché resistenza meccanica fino a circa 600 °C per l’impiego nei compressori delle turbine a gas. Tra gli esempi figurano il Ti-1100, l’IMI 834 e il BT18y. Piccole aggiunte di Mo, Nb o V migliorano la forgiabilità grazie alla presenza limitata della fase beta; lo Zr e lo Sn rafforzano la fase alfa, mentre le aggiunte di Si, C e terre rare possono migliorare la resistenza allo scorrimento.
La forgiatura e il trattamento termico nel campo alfa-beta possono dare origine a una struttura bimodale costituita da alfa primario equiassiale e da beta trasformato contenente alfa lamellare secondario. Questa struttura garantisce un equilibrio tra scorrimento, tenacità alla frattura e resistenza alla fatica.
Un raffreddamento più rapido dopo il trattamento con soluzione beta produce lamelle alfa più sottili, una maggiore resistenza e una minore duttilità. L'aumento del contenuto di beta può migliorare lo scorrimento nell'IMI 834, ma riduce le prestazioni a fatica. L'invecchiamento o l'esposizione prolungata possono provocare la precipitazione di alfa2 ordinato e di siliciuri Ti5Si3, aumentando la resistenza a temperatura ambiente e ad alta temperatura e riducendo al contempo la duttilità.
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