Quali sono i tipi di leghe di titanio, i trattamenti termici e le applicazioni?

Il titanio e le leghe di titanio superano l’alluminio e le leghe di alluminio in termini di resistenza meccanica, resistenza al calore e resistenza alla corrosione. Sono ampiamente utilizzati nell’aviazione, nel settore aerospaziale, nell’industria chimica, nella produzione di missili e nella costruzione navale. Tuttavia, il titanio diventa estremamente reattivo alle alte temperature. La fusione, la colata, la saldatura e il trattamento termico devono quindi essere eseguiti sotto vuoto o in atmosfera inerte. Queste rigide condizioni di lavorazione e i costi elevati ne limitano un impiego più ampio.

Titanio commercialmente puro

Il titanio è un metallo di colore bianco-argenteo con un punto di fusione di 1.680 °C e una densità di 4,5 g/cm³. È più pesante dell’alluminio ma più leggero dell’acciaio. La sua resistenza è circa sei volte superiore a quella dell’alluminio, il che gli conferisce un’elevata resistenza specifica. Il titanio presenta inoltre un’elevata duttilità, una buona resistenza al calore e un basso coefficiente di dilatazione termica, per cui le sollecitazioni termiche sono relativamente basse durante l’impiego ad alte temperature o la lavorazione a caldo.

Il titanio presenta un'eccellente resistenza alla corrosione in presenza di acido solforico, acido cloridrico, acido nitrico, idrossido di sodio e altre soluzioni alcaline, in ambienti umidi e in acqua di mare. Non resiste invece all'acido fluoridrico. Il titanio è stabile in atmosfera poiché sulla sua superficie si forma un denso strato di ossido che ne preserva la lucentezza metallica. Al di sopra dei 600 °C, tuttavia, il film perde il suo effetto protettivo.

Il titanio presenta due forme allotropiche. Al di sotto degli 882,5 °C, la struttura stabile è quella esagonale compatta α-Ti. Da 882,5 °C fino al punto di fusione, la struttura stabile è quella cubica a corpo centrato β-Ti.

Il titanio commercialmente puro (titanio CP) è classificato in diversi gradi in base ai livelli ammessi di elementi interstiziali e di impurità. Queste impurità influenzano la resistenza, la duttilità e la resistenza alla corrosione. I gradi comuni nei sistemi ASTM includono i gradi 1, 2, 3 e 4, e la fonte identifica il grado 2 come uno dei gradi più ampiamente utilizzati per le applicazioni industriali generali. La presente dichiarazione descrive il quadro internazionale relativo al titanio CP e non stabilisce una corrispondenza biunivoca con i gradi di titanio CP cinesi.

Il titanio CP combina una buona resistenza alla corrosione con una resistenza meccanica moderata. È indicato per componenti che non richiedono una resistenza meccanica molto elevata ma che devono garantire resistenza alla corrosione, tra cui rivestimenti e strutture aeronautiche, apparecchiature per la lavorazione chimica, reattori, scambiatori di calore e impianti di desalinizzazione dell’acqua di mare.

Il titanio CP normalmente non può essere indurito mediante trattamenti termici convenzionali. La lavorazione a freddo può aumentarne la resistenza. I suoi principali trattamenti termici sono la ricottura di ricristallizzazione e la ricottura di distensione, che ripristinano la duttilità, riducono le tensioni residue e migliorano la stabilità dimensionale.

Composizione, microstruttura, classificazione e denominazioni

Elementi di lega

Al titanio vengono aggiunti elementi di lega per aumentarne la resistenza. Gli elementi disciolti nell’α-Ti formano una soluzione solida α, mentre quelli disciolti nel β-Ti formano una soluzione solida β. L’alluminio, il carbonio, l’azoto, l’ossigeno e il boro aumentano la temperatura di trasformazione allotropica α/β e sono detti elementi stabilizzatori dell’α. Il ferro, il molibdeno, il magnesio, il cromo, il manganese e il vanadio abbassano la temperatura di trasformazione e sono denominati elementi stabilizzatori β. Lo stagno e lo zirconio hanno un effetto minimo sulla temperatura di trasformazione e sono considerati elementi neutri.

Classi microstrutturali

In base alla microstruttura allo stato di servizio, ovvero ricotta, le leghe di titanio si dividono in leghe α, leghe β, leghe (α+β) e leghe near-α contenenti una piccola quantità di fase β. Le denominazioni cinesi delle leghe utilizzano i prefissi TA, TB e TC seguiti da un numero per indicare questi tre gruppi principali di leghe. In base alle prestazioni, le leghe di titanio possono anche essere classificate come leghe a bassa, media o alta resistenza.

Trattamento termico delle leghe di titanio

Ricottura per l'alleviamento delle tensioni

La ricottura di distensione elimina le tensioni interne generate dalla lavorazione meccanica o dalla saldatura. La fonte indica una temperatura tipica compresa tra 450 e 650 °C, un tempo di mantenimento da 1 a 4 ore e un raffreddamento all'aria.

Ricristallizzazione per ricottura

La ricottura di ricristallizzazione elimina l'incrudimento da deformazione. Le temperature tipiche vanno da 550 a 690 °C per il titanio puro e da 750 a 800 °C per le leghe di titanio, con un tempo di mantenimento compreso tra 1 e 3 ore, seguito da un raffreddamento all'aria.

Tempra e invecchiamento

La tempra e l'invecchiamento aumentano la resistenza e la durezza della lega. Le leghe di titanio di tipo α generalmente non vengono sottoposte a tempra e invecchiamento. Per le leghe di tipo β e le leghe (α+β) contenenti livelli relativamente elevati di elementi stabilizzanti, la temperatura di tempra viene solitamente scelta nella parte superiore della regione bifasica α+β. La fonte indica una temperatura compresa tra 760 e 950 °C, un tempo di mantenimento da 5 a 60 minuti e un raffreddamento in acqua.

Dopo la tempra, rimane una parte della fase α mentre la fase β diventa metastabile. Durante l’invecchiamento, la fase α dispersa precipita dalla fase β metastabile, aumentando la resistenza e la durezza. La microstruttura del Ti-6Al-4V sottoposto a tempra e invecchiamento contiene una fase α+β a blocchi e una fase α aciculare. Il riscaldamento deve impedire la contaminazione, l’ossidazione e il surriscaldamento. Una volta che i grani β sono cresciuti eccessivamente, il trattamento termico non è in grado di ripristinare la dimensione originale dei grani.

Tipi comuni di leghe di titanio e relative applicazioni

Leghe di titanio alfa

Le leghe di titanio α sono costituite interamente da una soluzione solida α e presentano quindi una buona tenacità e duttilità. Possono essere lavorate a freddo per ottenere semilavorati quali lamiere e barre. La loro microstruttura è stabile alle alte temperature, con una buona resistenza all’ossidazione e resistenza a caldo. A temperature comprese tra 500 e 600 °C, la loro resistenza è la più elevata tra le tre principali classi di leghe di titanio, sebbene la loro resistenza a temperatura ambiente sia generalmente inferiore a quella delle leghe β e (α+β). Una lega rappresentativa è la Ti-5Al-2,5Sn, utilizzata per i serbatoi di carburante dei missili e per gli involucri delle turbine degli aerei supersonici.

Leghe di titanio beta

Le leghe di titanio interamente in fase β sono raramente utilizzate a livello industriale poiché presentano una densità relativamente elevata, una scarsa resistenza al calore e una bassa resistenza all’ossidazione. Al di sopra dei 700 °C, sono facilmente soggette a contaminazione da gas impuri presenti nell’atmosfera e il loro processo di produzione è complesso. Tuttavia, la struttura cubica a corpo centrato garantisce una buona duttilità, il che ha portato allo sviluppo di leghe di titanio β metastabili. Una lega rappresentativa è la Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al. Viene generalmente impiegata a temperature inferiori a 350 °C per componenti rotanti sottoposti a forti sollecitazioni, quali pale di compressori, alberi e dischi.

Leghe di titanio alfa-beta

Le leghe di titanio (α+β) combinano i vantaggi delle leghe α e β. Offrono una buona resistenza al calore e duttilità, possono essere indurite mediante trattamento termico e sono relativamente semplici da produrre. La Ti-6Al-4V è la lega più diffusa in questo gruppo. È adatta per componenti di motori che richiedono resistenza alle alte temperature inferiori a 400 °C e per componenti di serbatoi di idrogeno liquido utilizzati a basse temperature in razzi e missili.

I turbocompressori per motori automobilistici in lega di titanio e le pale per motori aeronautici forgiate con precisione sono componenti rappresentativi.

Composizioni, proprietà e impieghi tipici