Quali sono i tipi, le proprietà e i difetti delle leghe di titanio fuse?

Le leghe di titanio fuse sono classificate in base alla microstruttura ricotta nei tipi α, α+β e β. Tra le loro proprietà utili figurano la bassa densità, l’elevata resistenza specifica e la resistenza alla corrosione, mentre il comportamento in fusione è determinato dalla fluidità del fuso, dal ritiro di solidificazione e dalla reattività. La presente guida mette a confronto i gruppi di materiali, la composizione e le proprietà meccaniche dei gradi elencati, nonché i difetti di fusione più comuni.

Proprietà delle leghe di titanio fuse

Il titanio combina bassa densità, elevata resistenza, buona tenacità, proprietà amagnetiche, un alto punto di fusione, un basso coefficiente di dilatazione termica e una forte resistenza alla corrosione e agli attacchi biologici. Le leghe di titanio fuse presentano generalmente le seguenti dieci caratteristiche.

1. Bassa densità, elevata resistenza e elevata resistenza specifica

Il titanio ha una densità di 4,51 g/cm³, circa 57% rispetto all’acciaio. È meno del doppio dell’alluminio in termini di peso, ma può essere circa tre volte più resistente. Nel confronto qui presentato, le leghe di titanio presentano una resistenza specifica pari a circa 3,5 volte quella dell’acciaio inossidabile, 1,3 volte quella delle leghe di alluminio e 1,7 volte quella delle leghe di magnesio. Ciò le rende importanti materiali strutturali per le applicazioni aerospaziali.

2. Eccellente resistenza alla corrosione

La passività del titanio dipende dal suo strato di ossido. La sua resistenza alla corrosione è nettamente superiore in ambienti ossidanti rispetto a quelli riducenti, dove può verificarsi una corrosione rapida. Il titanio resiste all’attacco in ambienti quali l’acqua di mare, il cloro umido, le soluzioni di clorito e ipoclorito, l’acido nitrico, l’acido cromico, i cloruri metallici, i solfuri e gli acidi organici.

3. Buona resistenza al calore

L'alluminio perde generalmente le sue prestazioni originali intorno ai 150 °C e l'acciaio inossidabile intorno ai 310 °C, mentre le leghe di titanio possono mantenere proprietà meccaniche utili a temperature vicine ai 500 °C. A circa Mach 2,7, la superficie di un velivolo può raggiungere i 230 °C, temperatura alla quale le leghe di alluminio e magnesio possono diventare inadatte. Le leghe di titanio vengono utilizzate nei dischi e nelle pale dei compressori dei motori aeronautici e nel rivestimento della fusoliera posteriore.

4. Buone prestazioni alle basse temperature

Per alcune leghe di titanio, come la Ti-5Al-2,5Sn ELI, la resistenza aumenta al diminuire della temperatura, mentre la duttilità diminuisce solo in misura modesta. La loro duttilità e tenacità alle basse temperature ne consentono l’impiego nei motori a razzo a idrogeno liquido e ossigeno liquido, nonché nei serbatoi e nei contenitori criogenici per veicoli spaziali con equipaggio.

5. Comportamento non magnetico

Il titanio è amagnetico. Quando viene utilizzato negli scafi dei sottomarini, non fa scattare le mine magnetiche.

6. Bassa conducibilità termica

La conducibilità termica del titanio è pari a circa un quinto di quella dell'acciaio, a un tredicesimo di quella dell'alluminio e a un venticinquesimo di quella del rame. La scarsa conducibilità termica rappresenta uno svantaggio in alcune applicazioni.

7. Basso modulo elastico

Il titanio ha un modulo elastico pari a circa il 55% di quello dell'acciaio. Nelle applicazioni strutturali, questo modulo relativamente basso può rappresentare uno svantaggio.

8. La resistenza alla trazione e il limite di snervamento sono simili

Nell'esempio citato del Ti-6Al-4V, la resistenza alla trazione è pari a 960 MPa e il limite di snervamento è pari a 892 MPa, con una differenza di soli 68 MPa.

9. Il titanio si ossida facilmente alle alte temperature

Il titanio presenta una forte affinità per l'idrogeno e l'ossigeno, pertanto è necessario controllare l'ossidazione e l'assorbimento di idrogeno. La saldatura richiede una protezione con argon. I tubi e le lamiere in titanio vengono sottoposti a trattamento termico sotto vuoto, mentre i pezzi forgiati in titanio richiedono un attento controllo dell'atmosfera del forno, che deve essere leggermente ossidante.

10. Bassa capacità di smorzamento

Se si realizzano campane di forma e dimensioni identiche in titanio, rame e acciaio e le si percuote con la stessa forza, quella in titanio suona più a lungo. L’energia dell’impatto si dissipa lentamente, il che indica una bassa capacità di smorzamento.

Classificazione delle leghe di titanio fuse

I 12 tipi di titanio fuso riportati di seguito sono raggruppati in base alla microstruttura ricotta. La sigla ZT identifica il titanio fuso nel sistema di designazione cinese. Le norme nazionali cinesi citate sono GB/T 6614-2014, Fusioni in titanio e leghe di titanio, e GB/T 15073-2014, Titanio fuso e leghe di titanio.

Composizione chimica del titanio fuso e delle leghe di titanio

La seguente tabella di composizione è tratta dalla norma GB/T 6614-2014; i limiti in essa indicati si applicano ai tipi di fusione e alle condizioni qui riportati.

Note: Gli altri elementi sono oligoelementi presenti naturalmente durante il processo di fusione del titanio, che comprendono generalmente Al, V, Sn, Mo, Cr, Mn, Zr, Ni, Cu, Si, Nb e Y, ad esclusione degli elementi di lega aggiunti intenzionalmente nella lega. I limiti singoli e totali per gli altri elementi vengono analizzati solo se richiesti dall’acquirente.

Proprietà meccaniche del titanio fuso e delle leghe di titanio

La seguente tabella relativa alla composizione e alle proprietà meccaniche è tratta dalla norma GB/T 15073-2014; i valori in essa riportati non vanno considerati come limiti universali validi per tutti i prodotti in titanio fuso.

1. Leghe di titanio α. La struttura ricotta è interamente in fase α. Questi materiali presentano una buona stabilità strutturale alle alte temperature e costituiscono la base delle leghe di titanio resistenti al calore, sebbene la resistenza a temperatura ambiente non sia elevata. Anche il titanio commercialmente puro è un materiale in fase α.
2. Leghe di titanio α+β. La struttura ricotta presenta fasi α e β. Queste leghe possono essere irrobustite mediante trattamento termico e presentano una resistenza relativamente elevata e una buona resistenza al calore a 400-450 °C. A temperature più elevate, la stabilità strutturale e la saldabilità risultano inferiori rispetto alle leghe α.
3. Leghe di titanio β. La struttura ricotta è in fase β. La tempra e il rinvenimento consentono di ottenere elevate proprietà meccaniche.

Leghe di titanio fuse di tipo α

Fusioni in titanio commercialmente puro

I getti in titanio commercialmente puro includono lo ZTA1 (grado cinese di titanio CP per fusioni), lo ZTA2 (grado cinese di titanio CP per fusioni) e lo ZTA3 (grado cinese di titanio CP per fusioni). Il primo di questi gradi presenta il contenuto di impurità più basso e, di conseguenza, una maggiore duttilità ma una resistenza inferiore. Il terzo contiene più impurità e presenta quindi una resistenza maggiore ma una duttilità inferiore. La struttura al grezzo è interamente in fase α con grani grossolani di Widmanstätten; la ricottura produce una struttura equiassiale.

Il comportamento in fusione è simile a quello di un metallo puro. La fluidità è buona, il ritiro disperso è limitato, possono formarsi cavità da ritiro concentrate ed è improbabile che si verifichino fessurazioni a caldo. I getti in titanio CP presentano una resistenza moderata, una buona duttilità, nonché una buona colabilità, resistenza alla corrosione e saldabilità. Possono funzionare per lunghi periodi a 300 °C.

Lega di titanio fusa Ti-5Al-2.5Sn

La lega di titanio da fusione Ti-5Al-2,5Sn è una lega α monofasica di media resistenza che contiene 5% di alluminio come stabilizzatore α e 2,5% di stagno come elemento neutro. Presenta una buona resistenza alle alte temperature e una buona saldabilità per fusione. Non può essere indurita mediante trattamento termico e viene normalmente utilizzata allo stato ricotto. La duttilità di lavorazione è relativamente bassa, pertanto la formatura delle lamiere richiede il riscaldamento.

Tra le applicazioni figurano involucri e pannelli. Le temperature di esercizio riportate per questa lega arrivano fino a 500 °C in condizioni di esercizio prolungato e fino a 800 °C per brevi periodi.

Titanio fuso Ti-0.2Pd

Il titanio fuso Ti-0,2Pd è un materiale α resistente alla corrosione ottenuto aggiungendo una piccola quantità di palladio al titanio commercialmente puro. Il palladio migliora la resistenza alla corrosione sia in ambienti riducenti che in quelli ossidanti. In ambienti caldi e ricchi di cloruri concentrati, questo materiale fuso è considerato particolarmente resistente alla corrosione interstiziale.

Il titanio fuso Ti-0,2Pd ha applicazioni simili a quelle dei getti in titanio CP, ma ha un costo maggiore a causa dell’aggiunta di palladio; pertanto, viene scelto quando il titanio commercialmente puro non è in grado di soddisfare i requisiti di servizio. Le applicazioni includono ambienti con acidi cloridrico, solforico e fosforico diluiti; apparecchiature in titanio resistenti alla corrosione interstiziale; scambiatori di calore a fascio tubiero; filiere tessili; rivestimenti per flange negli impianti di acetaldeide; nonché flange, giunti e altri componenti soggetti a corrosione interstiziale.

Lega di titanio fusa Ti-0.3Mo-0.8Ni

La lega di titanio fusa Ti-0,3Mo-0,8Ni è una lega near-α resistente alla corrosione, sviluppata per migliorare le prestazioni del titanio puro in termini di resistenza alla corrosione interstiziale. Il suo contenuto di 0,3% di Mo e 0,8% di Ni rafforza la lega e ne migliora la resistenza ai mezzi clorurati caldi a basso pH e agli acidi leggermente riducenti. La sua resistenza alla corrosione riportata è sostanzialmente migliore di quella del titanio puro e vicina a quella del titanio fuso Ti-0,2Pd. Presenta inoltre una buona duttilità di lavorazione e saldabilità ed è ampiamente utilizzata nell’industria chimica.

Lega di titanio fusa Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V

La composizione indicata per questa lega near-α ad alto contenuto di alluminio è 6,58% Al e 1,46% Mo. Essa combina la resistenza alle alte temperature e la saldabilità delle leghe α con una duttilità di lavorazione che si avvicina a quella delle leghe α+β. La temperatura di esercizio a lungo termine riportata è di 500 °C per 3.000 ore, con esposizione momentanea fino a 800 °C per non più di 5 minuti. A 450 °C, la durata riportata raggiunge le 6.000 ore.

Tra le applicazioni figurano elementi strutturali e portanti saldati che operano a temperature inferiori a 500 °C, pale e carter di motori, parti in lamiera per aeromobili, travi, giunti, pannelli di grandi dimensioni, telai portanti saldati, altre strutture saldate e pezzi fusi.

Lega di titanio fusa Ti-4Al-2V

La lega di titanio fusa Ti-4Al-2V presenta buone proprietà meccaniche sia a temperatura ambiente che ad alte temperature, resistenza alla fatica, resistenza alla propagazione delle cricche, resistenza agli urti e resistenza alla corrosione in vari ambienti. È saldabile e può essere lavorata a caldo o a freddo.

Tra le applicazioni figurano i serbatoi a pressione per missili e gli involucri dei motori a razzo; i dischi, le pale, i distanziatori, gli scudi, le lamiere di rivestimento, le nervature, le anime, le ali, le travi, gli stabilizzatori orizzontali, i mozzi dei rotori, i carrelli di atterraggio, le travi di sostegno e i mozzi delle ruote degli aeromobili; aliscafi marini, apparecchiature di propulsione e ordigni; nonché pale per turbine a vapore, dischi per compressori assiali e radiali, molle resistenti alla corrosione e bielle per motori a combustione interna.

Leghe di titanio fuse di tipo α+β

Lega di titanio fusa Ti-6Al-4V

La lega di titanio fusa Ti-6Al-4V è considerata una delle prime leghe di titanio e una delle più diffuse. L’alluminio rafforza la fase α tramite soluzione solida e migliora la resistenza sia a temperatura ambiente che ad alte temperature. Il vanadio aumenta la resistenza e migliora la duttilità. Inoltre, inibisce la formazione della fase α₂ fase ordinata, riducendo il rischio di infragilimento a lungo termine.

La lega combina eccellenti prestazioni meccaniche con buone caratteristiche di lavorabilità e formabilità superplastica. Può essere lavorata mediante diversi metodi di lavorazione a pressione e saldata con vari processi. Le forme semilavorate più comuni includono barre, pezzi forgiati, lamiere sottili e spesse, profilati e fili. Viene utilizzata principalmente in stato ricotto, ma può anche essere sottoposta a trattamento di soluzionamento e invecchiamento.

Tra le applicazioni nel settore aerospaziale figurano travi e telai per aeromobili, guide, travi per carrelli di atterraggio, dischi e pale per ventilatori e compressori, involucri per razzi, recipienti a pressione ed elementi di fissaggio. La sostituzione dell’acciaio strutturale 30CrMnSiA può ridurre il peso dei componenti di circa 30%. Le applicazioni nel settore civile comprendono pale per turbine a gas, eliche navali, piattaforme di perforazione offshore, pompe resistenti alla corrosione, impianti medici e articoli sportivi. Il Ti-6Al-4V non fuso viene utilizzato anche per telai automobilistici, alberi a gomiti, bielle, bulloni, valvole di aspirazione e molle di sospensione.

Lega di titanio fusa Ti-6Al-4.5Sn-2Nb-1.5Mo

Questa lega combina elevata resistenza, elevata tenacità, tolleranza al danneggiamento e saldabilità ed è in grado di funzionare per lunghi periodi a temperature inferiori a 500 °C. Le applicazioni descritte comprendono componenti strutturali per uso aerospaziale e civile; tra le principali forme semilavorate figurano anche barre, pezzi forgiati e lamiere spesse. Tali forme di prodotti lavorati si distinguono dal materiale fuso trattato in questa sezione.

Leghe di titanio fuse di tipo β

La lega di titanio Ti-32Mo Beta Cast offre un'elevatissima resistenza alla corrosione e può essere saldata con vari metodi, ma non è indicata come trattabile termicamente a fini di rafforzamento. Il suo elevato contenuto di molibdeno complica la fusione e aumenta la densità a 5,69 g/cm³, riduce il modulo elastico e provoca una forte ossidazione se riscaldato all’aria a temperature superiori a 500 °C. Viene quindi utilizzato principalmente per pompe, valvole e componenti simili realizzati in fusione ed esposti ad acidi forti.

Comportamento durante la colata e difetti comuni

Gli elementi di lega, in generale, ampliano l’intervallo di temperatura di solidificazione e riducono la fluidità. L’aumento del tenore di alluminio, tuttavia, accresce il calore di cristallizzazione e può migliorare la fluidità. L’aggiunta di 10% Al in massa aumenta il calore di cristallizzazione da 327 J/g a 435 J/g. La lega di titanio Ti-32Mo Beta Cast contiene 31%-35% Mo, presenta un ampio intervallo di solidificazione e scarsa fluidità, e non è adatta per fusioni a pareti sottili.

Le cavità da ritiro concentrate occupano circa l’1% in volume nel titanio commercialmente puro. Con un contenuto di elementi di lega pari al 10% in massa, la frazione volumetrica del ritiro concentrato è compresa tra circa 0,5% e 1,5%. Nelle leghe con un ampio intervallo di solidificazione, le cavità da ritiro formatesi durante la solidificazione possono essere riempite dal gas proveniente dal liquido residuo, dando origine a cavità da ritiro gassoso. I getti in lega di titanio presentano una forte tendenza a sviluppare questo difetto. Anche la porosità da ritiro dispersa aumenta con l’allargarsi dell’intervallo di solidificazione.

Il titanio commercialmente puro presenta una contrazione lineare compresa tra 1,0% e 1,1%. La contrazione delle leghe di titanio aumenta con il contenuto di alluminio. Il basso modulo elastico e il basso coefficiente di espansione termica, unitamente alla resistenza relativamente elevata alle alte temperature, conferiscono alle leghe di titanio una buona resistenza alla fessurazione a caldo. Le cricche a freddo superficiali sono associate a reazioni tra il titanio fuso e lo stampo durante la colata o a reazioni con impurità gassose presenti sulla superficie della fusione e nelle fessure, che formano uno strato α fragile arricchito di ossigeno. Questo strato superficiale fragile sviluppa facilmente cricche a freddo.