Indagini bibliografica su caratteristiche microstrutturali e proprietà meccaniche della lega

Il titanio grazie alla sua elevata resistenza meccanica combinata a bassa densità, alto punto di fusione, ottima resistenza alla corrosione, trova largo impiego in tutti quei settori dell’industria in cui ai componenti vengono richieste elevate prestazioni meccaniche; presenta, inoltre, un’ottima biocompatibilità e pertanto è largamente utilizzato in ambito biomedico per la realizzazione di protesi ossee.

Le applicazioni che fino ad ora hanno permesso lo sviluppo delle leghe di Ti appartengono a svariati settori dell’ingegneria; si pensi infatti al settore automotive in cui questo materiale viene utilizzato per ridurre il peso dei componenti, oppure al settore aereospaziale, dove le leghe di Ti trovano impiego per la produzione di palette per le turbine di motori a reazione, che vengono sollecitate ad alta temperatura e quindi in regime di scorrimento viscoso.

Oltre alle proprietà di elevata resistenza meccanica che lo rendono il migliore candidato per applicazioni in cui i carichi in esercizio sono notevoli, il titanio, possedendo ottima resistenza alla corrosione, è impiegato pure in ambito marino, dove viene utilizzato per la realizzazione di tubi e di componenti, specialmente quando non è possibile la manutenzione a la riparazione dei componenti (Donachie, 2000).

Le ottime caratteristiche di biocompatibilità e la non tossicità degli elementi di lega fanno del Titanio il materiale prescelto per la realizzazione di protesi, di pacemaker e di cuori artificiali (Elias, et al., 2008)

Tuttavia, l’elevata durezza e la scarsa lavorabilità rappresentano il maggiore ostacolo all’utilizzo delle leghe di Ti; infatti, la scarsa lavorabilità richiede costi di produzione molto elevati quando i componenti vengono prodotti con metodi tradizionali basati su tecniche per asportazione di truciolo (Gloria, et al., 2019). Ciò si riflette nei costi di produzione che aumentano significativamente ed in alcuni casi risulta antieconomico il suo utilizzo. A tal fine, la ricerca ha consentito nel tempo un notevole sviluppo delle leghi di Ti nell’ambito della prototipazione rapida, ovvero nello studio e miglioramento di tecniche di additive manifacturing con le quali è possibile ottenere manufatti dalle forme complesse, minimizzando costi di produzione e tempi, massimizzando la resa produttiva, e al contempo riducendo al minimo gli sprechi di materiale.

La lega di Titanio Ti-6Al-4V, considerata in questo lavoro di ricerca, viene applicata in molti settori dell’ingegneria, non solo per le sue notevoli proprietà meccaniche superiori a quelle dei comuni acciai, ma anche grazie al vantaggio che ne deriva a riguardo delle notevoli riduzioni di peso rispetto ai comuni materiali da costruzione. Essa contiene 6% alluminio, 4% vanadio, 0.13% (massimo) di ossigeno. ELI è l'acronimo di Extra Low Interstitial ovvero con ridotti elementi interstiziali, adatta all’utilizzo, come prima citato, in campo biomedico vista l’elevata biocompatibilità.

La struttura cristallina a temperatura e pressione ambiente è una fase α esagonale compatta. La lega di Titanio Ti-6Al-4V solidifica nella fase β con una cella cubica a corpo centrato, che rimane stabile sotto questa struttura fino a 980°C (temperatura di β-transus), mentre a temperature più basse è stabile la fase α avente struttura esagonale.

La trasformazione allotropica dalla fase β alla fase α è condizionata dalla presenza dei due principali elementi di lega: l’alluminio infatti è uno stabilizzante della fase α, mentre il Vanadio stabilizza la fase β. Tale lega può comunque presentare delle differenti trasformazioni microstrutturali, con una risultante combinazione di proprietà, attraverso differenti trattamenti termici e velocità di raffreddamento che permettono l’ottenimento delle migliori proprietà meccaniche per l’applicazione in cui il componente viene utilizzato.

La lega Ti-6Al-4V presenta dunque le seguenti microstrutture, in relazione al trattamento termico e/o termo-meccanico adottato: equiassica uniforme con grani α, lamellare α/β e bi- modale (anche detta duplex) che contiene grani primari α equiassici in una matrice lamellare (Ding, et al., 2002).

La microstruttura equiassica può essere ottenuta con un riscaldamento al di sotto della β transus, seguito da un raffreddamento lento in modo da consentire il completamento della formazione dei grani α. Questa microstruttura presenta una migliore resistenza all’innesco della cricca per fatica, ma una minore resistenza alla sua propagazione se confrontata alla microstruttura lamellare (Fan, et al., 2016).

Per quanto riguarda il miglioramento delle proprietà meccaniche della lega Ti-6Al-4V, i trattamenti termici giocano un ruolo fondamentale: selezionando temperature, tempi di trattamento ed adeguate velocità di raffreddamento, si possono ottenere microstrutture con la morfologia più consona per ottimizzare il comportamento meccanico.

I trattamenti termici al di sopra della β transus portano, in relazione alla velocità di raffreddamento, a strutture completamente lamellari, classificate con il termine “basket weave.

La velocità di raffreddamento è un parametro determinante per la morfologia della lega a temperatura ambiente: con un raffreddamento in aria si ottiene una microstruttura lamellare, classificata come “basket wave” o anche α Widmastatten, che consiste in lamelle della fase α inframezzate con lamelle β. Questa microstruttura presenta un maggiore affinamento, quanto più alta è la velocità di raffreddamento (Vrancken, et al., 2012).

La trasformazione β → α inizia con la nucleazione della fase α al bordo grano della fase β; poiché si hanno differenti solubilità, l’Alluminio diffonde nella fase α e, nello stesso tempo, il Vanadio viene espulso. In questa trasformazione, la velocità di raffreddamento ha una valenza molto importante, poiché l’effetto sulla microstruttura finale, nella trasformazione da β ad α, è controllata da meccanismi diffusivi.

Altre tipologie di trattamento termico possono prevedere il raffreddamento in acqua: in assenza di fenomeni diffusivi, la fase β subisce la trasformazione martensitica in una fase denominata α’. In questo caso, l’elevata velocità di trasformazione (sopra i 450 °C/s (Ahmed, et al., 1998)) da modo alla martensite di crescere senza che venga fornita alcuna attivazione termica, conseguentemente la fase martensitica mantiene la stessa composizione della fase β. Infatti, il movimento cooperativo degli atomi si traduce in una trasformazione microscopicamente omogenea del reticolo cubico a corpo centrato β in reticolo esagonale. Questa fase ha una microstruttura aciculare come nel caso della martensite ferrosa, ma, diversamente da essa, la fase α’ del titanio non è significativamente resistente e nemmeno tanto fragile quanto la martensite ferrosa, come documentato in [Fan et al.]. L’incremento delle proprietà di resistenza meccanica del titanio è moderato se si attua un processo di tempra; in tal caso, per indurire il materiale, si fa ricorso a trattamenti di ricottura. (Pinke, et al., 2005)

Precedenti ricerche hanno mostrato che le microstrutture di tipo lamellare presentano più bassa resistenza meccanica e duttilità, oltre a cattive proprietà a fatica per quanto riguarda le possibilità di innesco della cricca rispetto alla microstruttura equiassica (Leyens, et al., 2003). Infatti, nella microstruttura di tipo basket weave le lamelle costituiscono dei siti preferenziali per la nucleazione del difetto ed il suo innesco.

La microstruttura bimodale, caratterizzata da grani α circondati da colonie di lamelle α-β, si forma effettuando un trattamento termico al di sotto della temperatura di β-transus, seguito da un raffreddamento sufficientemente rapido da evitare la formazione della sola fase α (come documentato dall’autore Ding). La microstruttura bimodale ha ottime proprietà a fatica, essendo in grado di bilanciare l’elevata resistenza all’iniziazione della cricca, propria della microstruttura equiassica, con la capacità delle lamelle α-β a ritardarne la propagazione.

Per tale ragione, essa offre ottime caratteristiche nel caso della fatica ad alto numero di cicli, come riportato nel riferimento (Crupi, et al., 2017).