Quali sistemi in lega di titanio vengono utilizzati nel settore aerospaziale?

Lo sviluppo delle leghe di titanio ha avuto inizio nel settore aeronautico e si è evoluto di pari passo con la richiesta da parte dell’industria di strutture più leggere, più resistenti e in grado di sopportare temperature più elevate. I sistemi aerospaziali in titanio possono essere suddivisi in quattro gruppi: leghe ad alta resistenza e alta tenacità, leghe per alte temperature, leghe resistenti alla combustione e compositi a matrice di titanio.

Leghe di titanio ad alta resistenza e alta tenacità

Leghe con resistenza alla trazione superiore a 1000 MPa e tenacità alla frattura superiore a 55 MPa·m^1/2 qui vengono generalmente considerate leghe di titanio ad alta resistenza e alta tenacità. Il sistema Ti-Al-Mo-V-Cr è uno dei principali. La lega Ti-1023 è stata utilizzata nel carrello di atterraggio del Boeing 777 e nei montanti del carrello principale dell’A380; il Timetal 555 è stato impiegato per il carrello di atterraggio e le travi dei carrelli del Boeing 777. Il BT22 russo è stato utilizzato in componenti portanti di grandi dimensioni della cellula e del carrello di atterraggio su velivoli quali il Su-27 e l’Il-76.

La lega Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al utilizza Mo, V e Cr per stabilizzare la fase beta. Aumentando tali aggiunte è possibile migliorare la duttilità; dopo il trattamento termico, la resistenza alla trazione può raggiungere i 1100-1200 MPa. Presenta una buona formabilità a freddo dopo il trattamento di solubilizzazione e un buon equilibrio tra resistenza e duttilità dopo il trattamento di solubilizzazione e l’invecchiamento. Il Ti-5Mo-5V-2Cr-3Al contiene meno Cr e presenta un contenuto di stabilizzatori della fase beta vicino alla concentrazione critica, combinando le caratteristiche delle leghe alfa-beta e beta metastabili. Dopo il trattamento termico, può raggiungere una resistenza alla trazione di 1110 MPa e una energia di deformazione di 70,5 MPa·m^1/2 tenacità alla frattura per le strutture aerospaziali.

Leghe di titanio resistenti alle alte temperature

Le leghe di titanio resistenti alle alte temperature sono materiali fondamentali per i motori aeronautici. La Ti-6Al-4V, la prima lega ampiamente utilizzata, opera a temperature comprese tra i 300 e i 350 °C e combina resistenza a caldo, duttilità, tenacità, formabilità e biocompatibilità. Le leghe successive, quali IMI550, BT3-1 e IMI685, hanno migliorato la resistenza alla trazione e allo scorrimento, aumentando la temperatura di esercizio fino a 400 °C. Le aggiunte di silicio e lo sviluppo delle leghe Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si hanno portato alla creazione di IMI834, Ti-1100, BT36 e altre leghe, in parte rinforzate dalla fase alfa₂. L’IMI834, ampiamente utilizzato nel Regno Unito e nei motori Trent 700, raggiunge circa 600 °C.

Leghe tipiche degli Stati Uniti

Leghe tipiche del Regno Unito

Leghe tipiche russe e cinesi

Al di sotto dei 600 °C, queste leghe possono superare l’acciaio strutturale, l’alluminio e le superleghe al nichel in termini di resistenza specifica, resistenza specifica allo scorrimento e resistenza specifica alla fatica. Sostituendo il nichel con il titanio a parità di resistenza e capacità di servizio è possibile ridurre la massa di circa 1,7 volte. I motori ad alto rapporto spinta/peso richiedono inoltre blisk, bling, strutture saldate, Ti₂AlNb, TiAl e compositi di titanio rinforzati con fibre.

A Mach 6, la superficie di un velivolo può superare i 650 °C, aumentando la necessità di rivestimenti, telai, motori e componenti della cellula resistenti al calore. Lo sviluppo si concentra quindi sulla resistenza allo scorrimento, sulla durata a rottura, sulla resistenza alla fatica, sulla stabilità termodinamica, sulla resistenza all’ossidazione e sulla resistenza alla corrosione da sollecitazioni termiche.

La temperatura di esercizio a lungo termine è aumentata da circa 350 °C per il Ti-6Al-4V a circa 600 °C. Questo valore è spesso considerato come la barriera termica per le leghe di titanio convenzionali, rendendo importanti, al di là di tale soglia, il TiAl e i compositi di titanio rinforzati con fibre di carburo di silicio. I progetti di leghe per 650 °C riportati aggiungono Hf, Nb e Ta ai sistemi Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si. Le aggiunte di terre rare dovrebbero rimanere al di sotto dello 0,1 at.%; aggiunte maggiori richiedono la metallurgia delle polveri a solidificazione rapida. Una struttura completamente lamellare richiede un trattamento termico beta.

Leghe di titanio resistenti alla combustione

Il titanio rappresenta oggi circa un terzo della massa strutturale di molti moderni motori a turbina a gas, ma le leghe comuni possono incendiarsi in presenza di determinate combinazioni di temperatura, pressione, flusso d’aria e attrito. Un evento di combustione può progredire da una combustione localizzata sulla punta della pala o sul bordo d’uscita fino alla perforazione completa del corpo a 360° in soli 4-20 secondi.

Le leghe resistenti alla combustione impediscono l’accensione o la propagazione della fiamma. La lega C (Ti-35V-15Cr) viene utilizzata nelle pale dello statore, negli anelli interni e nelle alette degli ugelli del compressore ad alta pressione del motore F119. La lega C+ aggiunge Si e C per migliorare la resistenza allo scorrimento. Il Ti40 (Ti-25V-15Cr-0,2Si) è destinato a un impiego a lungo termine a circa 500 °C, ma perde la resistenza allo scorrimento al di sopra dei 510 °C e non dovrebbe superare i 520 °C. La TF550, a base di Ti-35V-15Cr-Si-C, ha una densità di 5,33 g/cm³ e un comportamento di scorrimento e rottura utile a 550 °C.

Sistemi Ti-V-Cr

Il V e il Cr possono formare un denso strato protettivo di ossido prima della combustione, ridurre il rilascio di calore attraverso i prodotti volatili, abbassare la temperatura di fusione e migliorare la dispersione del calore. La lega C è una lega beta con composizione nominale 50Ti-35V-15Cr e densità di circa 5,34 g/cm³. La lega C+ è Ti-35V-15Cr-0,6Si-0,05C. Questi sistemi rimangono costosi, difficili da fondere e poco conduttivi al di sotto della temperatura di fusione; la conduttività termica del Ti40 aumenta solo di due o tre volte in prossimità o al di sopra della temperatura di fusione, quindi la rapida dissipazione del calore da sola non può spiegare la resistenza alla combustione.

Sistemi Ti-Al-Cu

Le leghe Ti-Cu formano un Ti a basso punto di fusione₂Il rame allo stato liquido a circa 990 °C. La fusione assorbe calore e la lubrificazione del liquido riduce l’attrito e la generazione di calore. La lega russa BTT-1, Ti-13Cu-4Al-4Mo-2Zr, è utilizzabile fino a circa 450 °C e si presta bene alla formatura a caldo per pezzi complessi. Il BTT-3, Ti-18Cu-2Al-2Mo, presenta una migliore duttilità e resistenza alla combustione ed è adatto alla produzione di lamiere e fogli, ma entrambe le leghe hanno una tenacità limitata, si incrinano facilmente e possono sviluppare ritiro durante la fusione.

Sistemi Ti-Nb

Il Ti-45Nb commerciale viene utilizzato per le autoclavi. Nei test di accensione a trazione in condizioni di sovraccarico, non ha preso fuoco in ossigeno puro a 250 °C e 3,1 MPa e ha inoltre dimostrato una buona resistenza alla corrosione, sebbene la sua elevata densità ne limiti l'impiego.

Intermetallici di TiAl

Gli intermetallici TiAl combinano bassa densità, elevato modulo di elasticità, resistenza all’ossidazione e resistenza alla combustione, con una temperatura massima di esercizio dichiarata fino a 1040 °C; tuttavia, la loro fragilità a temperatura ambiente ne rende difficile la lavorazione. Il sistema Ti-Al comprende il Ti₃Al, TiAl e TiAl₃. Da 700 a 850 °C, il TiAl presenta una resistenza specifica superiore rispetto al titanio convenzionale e alle superleghe di nichel, nonché una rigidità specifica superiore di circa 50% rispetto ai comuni materiali strutturali utilizzati nei motori.

Le pale in Gamma-TiAl sviluppate da GE hanno sostituito quelle in superlega di nichel nelle fasi 6 e 7 della turbina a bassa pressione del motore GEnx montato sul Boeing 787, riducendo la massa di ben 72,5 kg. L’Nb-TiAl è stato applicato anche ai turbocompressori per autoveicoli ed è attualmente in fase di sviluppo per strutture destinate a temperature comprese tra 700 e 900 °C.

Compositi a matrice di titanio

I compositi a matrice di titanio rinforzati con fibre di SiC continue utilizzano fibre di SiC con anima in tungsteno o in carbonio in matrici di titanio o TiAl. Essi combinano elevata resistenza specifica e rigidità, bassa densità, resistenza allo scorrimento e alla fatica, nonché una resistenza operativa compresa tra 600 e 800 °C per lunghi periodi e fino a 1000 °C per brevi periodi. Un anello con pale integrate può ridurre la massa del compressore di circa 70% rispetto a pale e disco separati.

SiC_f/Il Ti è anisotropico: la resistenza alla trazione longitudinale può superare quella della matrice di oltre il doppio, mentre la resistenza trasversale può essere solo la metà di quella della matrice. Ciò lo rende adatto a componenti sottoposti a sollecitazioni direzionali, come alberi di turbine, tiranti, steli di pistoni, rivestimenti e molle.

La pressatura isostatica a caldo o la pressatura a caldo sotto vuoto devono garantire il controllo della reazione interfacciale, la densificazione del filo precursore e il legame per diffusione con il contenitore. Le proprietà delle fibre, i rivestimenti, la qualità del precursore, la disposizione degli strati, la formatura e la lavorazione meccanica influenzano tutti il comportamento finale. SiC a matrice di Ti-1100_f/Secondo quanto riferito, le temperature dei Ti bling hanno raggiunto i 700-800 °C, con una riduzione della massa strutturale pari a circa 50%.

Prospettive

I futuri sistemi aerospaziali richiedono maggiore resistenza meccanica, tenacità, tolleranza ai danni, resistenza alle variazioni di temperatura e all’ossidazione, nonché costi inferiori. Tra le priorità figurano le leghe tolleranti ai danni, le leghe strutturali resistenti alla fatica, i materiali TiAl avanzati e i compositi a matrice di titanio realizzati mediante solidificazione rapida, metallurgia delle polveri o rinforzo con fibre e particelle.

Lo sviluppo dei materiali compositi richiede ancora una maggiore stabilità, dati sulle proprietà statisticamente affidabili, caratterizzazione delle proprietà, previsione dei guasti e della durata, ispezioni non distruttive su microscala, controllo concentrico dei processi, criteri di progettazione, metodi di qualificazione, lotti stabili di fibre e matrici, rivestimenti resistenti alle alte temperature, efficienza produttiva e specifiche dei componenti.