Diversi tipi di leghe di titanio

Le leghe di titanio sono materiali tecnici noti per la loro elevata resistenza, peso ridotto e buona resistenza alla corrosione.

Legando il titanio con vari elementi, queste leghe possono essere sviluppate per soddisfare i requisiti prestazionali specifici di diversi settori.

Questo articolo fornisce una-visione approfondita delle classificazioni delle leghe di titanio, delle loro proprietà meccaniche, fisiche e termiche, dei settori in cui si trovano e delle considerazioni sulla lavorazione e sul trattamento termico.

Le leghe alfa sono materiali mono-fase con una struttura cristallina HCP stabilizzata da elementi chimici come alluminio, ossigeno, azoto e carbonio. Queste leghe forniscono una resistenza moderata, sono altamente resistenti alla corrosione-e funzionano bene alle alte temperature.

Non possono essere trattati termicamente-a causa della loro struttura-monofase, che limita l'indurimento dovuto alle precipitazioni.

Gli elementi chimici alfa-stabilizzanti, invece, favoriscono un'elevata resistenza tramite il rafforzamento della soluzione solida, ma un'eccessiva lega (come l'equivalenza dell'alluminio superiore al 9%) potrebbe far precipitare elementi intermetallici fragili. Le leghe garantiscono tenacità alla frattura e resistenza al creep in ambienti aggressivi.

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Le leghe di titanio quasi-alfa sono composte principalmente dalla fase alfa con l'1–2% di elementi chimici beta-stabilizzanti come molibdeno o silicio, che introducono una piccola quantità di fase duttile della lega beta.

Queste leghe mantengono la resistenza alla corrosione e la tenacità alla frattura delle leghe alfa, migliorando al tempo stesso la lavorabilità a caldo e possedendo una trattabilità termica limitata.

La loro microstruttura, fondamentalmente alfa con piccole particelle beta lungo i bordi del grano, mostra resistenza allo scorrimento viscoso a temperature elevate, rendendoli quindi utili per alcune applicazioni.

Le leghe alfa-beta hanno due fasi nella microstruttura e sono costituite da miscele di fasi alfa e beta attraverso l'aggiunta di elementi chimici alfa-stabilizzanti, come l'alluminio, ed elementi chimici beta-stabilizzanti, come vanadio e molibdeno.

Queste leghe sono trattabili termicamente e possono aumentare significativamente la loro resistenza tramite tempra e invecchiamento. Rispetto alle leghe alfa e quasi alfa, la fase beta offre buona formabilità, resistenza alla fatica e minore resistenza al creep.

La lega alfa-beta Ti-6Al-4V ha proprietà meccaniche bilanciate e utilizza circa il 50% della lega di titanio.

Le leghe di beta titanio hanno una struttura BCC stabilizzata da un'elevata concentrazione di elementi beta-stabilizzanti come molibdeno, vanadio o ferro. Queste leghe sono trattabili termicamente e possono raggiungere resistenze molto elevate attraverso la precipitazione di fini particelle alfa durante l'invecchiamento.

Le leghe beta presentano una buona formabilità a freddo e una buona resistenza alla frattura, ma forniscono duttilità e resistenza alla fatica inferiori se trattate termicamente-

Le leghe beta metastabili con equivalente di molibdeno 10-30, dopo un rapido raffreddamento, rimangono completamente beta e possono fornire un'elevata resistenza per le applicazioni più impegnative.

Ti-6Al-4V (o ASTM grado 5) è una lega di titanio altamente utilizzata composta da circa il 6% di alluminio e il 4% di vanadio, con quantità minori di carbonio, azoto e idrogeno.

È una lega alfa-beta che sviluppa resistenze alla trazione nell'ordine di 895-1100 MPa, è resistente alla corrosione atmosferica e ha un ottimo rapporto resistenza-peso, che la rende preferita nei materiali aerospaziali e biomedici.

I processi di trattamento termico-possono fornire le proprietà meccaniche e fisiche desiderate, con trattamento di soluzione e invecchiamento in equilibrio, promuovendo un'elevata resistenza pur mantenendo una buona duttilità.

La combinazione quasi-alfa, Ti-6242, è stata sviluppata a temperature elevate. Contiene il 6% di alluminio, il 2% di stagno, il 4% di zirconio e il 2% di molibdeno, che gli conferiscono una resistenza allo scorrimento superiore per sostenere un'elevata resistenza a temperature elevate fino a 550 gradi.

La sua microstruttura supporta la resistenza alla corrosione e la stabilità termica, risultando quindi adatta per motori a reazione e altri componenti aerospaziali ad alta-temperatura.

Proprietà meccaniche

Le proprietà meccaniche delle leghe di titanio sono fondamentali per le applicazioni di carico-. Sulla base dei dati MatWeb, la tabella seguente descrive in dettaglio la resistenza alla trazione, il carico di snervamento, l'allungamento e la durezza per i principali gradi di titanio.

Contiene gradi di titanio puro commerciale di media-resistenza e alta-duttilità, di cui il Grado 4 è il più resistente tra i gradi puri commerciali. Le leghe alfa e quasi-alfa, come la Ti-6242, forniscono resistenza media ed elevata tenacità alla frattura.

I tipi alfa-beta come Ti-6Al-4V offrono elevata robustezza e resistenza alla fatica. Al contrario, le leghe beta ad alta temperatura, come la Beta C, possono svilupparsi oltre 1200 MPa, essendo adatte per applicazioni ad alto stress ma avendo una duttilità limitata.

Proprietà fisiche

Le proprietà fisiche influenzano l'idoneità di una lega per applicazioni che richiedono un peso specifico o caratteristiche magnetiche. La tabella seguente, proveniente da MatWeb, descrive in dettaglio la densità e il peso specifico.

Le leghe di titanio con una densità compresa tra 4,4 e 4,8 g/cm³ sono molto più leggere di altri metalli come l'acciaio (7,9 g/cm³), il che spiega la loro leggerezza e grande resistenza. Le leghe di titanio sono buone opzioni laddove è necessaria una bassa interferenza magnetica, ad esempio per requisiti medici e aerospaziali.

Proprietà elettriche

Le leghe di titanio hanno un'elevata resistività elettrica (0,42-1,78 μΩ·m) rispetto ad altri metalli come il rame (0,017 μΩ·m), quindi hanno una conduttività inferiore.

La proprietà può essere un materiale elettricamente isolante in configurazioni in cui la resistenza alla corrosione e la non-conduttività sono maggiormente desiderate, come nelle apparecchiature per il trattamento chimico.

Proprietà termiche

Le proprietà termiche sono fondamentali per le applicazioni che comportano temperature elevate. La tabella seguente descrive in dettaglio la conduttività termica e la temperatura massima di servizio.

Le leghe di titanio fornite con bassa conduttività termica le rendono difficili da lavorare ma accettabili a temperature elevate.

A causa della stabilità di fase, il titanio commercialmente puro è limitato a 350 gradi, mentre leghe come Ti-6Al-4V e Ti-6242 attraversano temperature estreme rispettivamente di 400–550 gradi.

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