Profili di proprietà delle differenti classi di leghe

Le proprietà delle leghe di titanio dipendono primariamente dalla disposizione, dalla frazione volumetrica e dalle proprietà individuali delle fasi α e β. [1, 3, 5, 6] Rispetto alla fase β, la fase α è caratterizzata da maggior resistenza alla deformazione plastica, ridotta duttilità, anisotropia delle proprietà fisiche e meccaniche, diffusività sensibilmente inferiore e maggior resistenza al creep. [1] Le diversità di proprietà meccaniche e fisiche delle due fasi del titanio sono alla base del diverso profilo di proprietà posseduto da ciascuna classe di leghe (Tab. 1.5).

Tabella 1.5 Profilo delle proprietà fisiche e meccaniche per le diverse classi di leghe di titanio [1]

Leghe α Leghe α + β Leghe β

Densità (+ indica minore densità) + + -

Resistenza - + ++

Duttilità -/+ + +/-

Tenacità a frattura + -/+ +/-

Resistenza al creep + +/- -

Resistenza alla corrosione ++ + +/-

Resistenza all’ossidazione ++ +/- -

Saldabilità + +/- -

Formabilità a freddo -- - -/+

Le leghe α possiedono innanzitutto una minor densità delle leghe β, poiché nelle prime è contenuto principalmente alluminio, elemento la cui densità è la metà del titanio, mentre nelle seconde sono spesso contenuti elementi pesanti quali molibdeno e vanadio. Per quanto riguarda la resistenza, questa è maggiore nelle leghe α + β e β, soprattutto dopo trattamenti termici di solubilizzazione e invecchiamento che non possono essere effettuati per le leghe α monofasiche. Tuttavia, per le leghe β metastabili, se invecchiate per ottenere valori molto elevati di resistenza, si riscontra una diminuzione sensibile della duttilità, che è invece buona allo stato non invecchiato. Si ricorda comunque come la resistenza delle leghe di titanio aumenti generalmente all’aumentare della quantità di elementi in lega.

Poiché la tenacità a frattura delle leghe di titanio è fortemente correlata alla microstruttura e al trattamento di invecchiamento, non vi sono indicazioni generali per le varie classi di leghe. Questa proprietà verrà approfondita in seguito.

All’aumentare della frazione volumetrica della fase β presente, la resistenza al creep diminuisce: questa è infatti elevata nelle leghe α proprio perché la fase α è più difficilmente deformabile e possiede una diffusività ridotta rispetto alla fase β. Si osserva comunque un’elevata resistenza al creep anche per leghe bifasiche con una distribuzione discontinua di β (soprattutto per microstrutture lamellari e parzialmente per quelle bimodali).

La resistenza alla corrosione diminuisce all’aumentare della quantità di elementi in lega. Tra le classi di leghe, le leghe α esibiscono una maggior resistenza alla corrosione rispetto alle leghe β, specialmente se legate a palladio o rutenio. Un analoga considerazione può essere fatta per l’ossidazione delle leghe di titanio, ovvero la contaminazione da ossigeno e azoto presenti nell’aria che formano uno strato superficiale fragile: questo fenomeno avviene principalmente alle alte temperature, e le leghe β ne sono più suscettibili. Per il medesimo motivo, la saldabilità delle leghe β è inferiore a quella delle leghe α e α + β, e le leghe di titanio devono comunque essere saldate in vuoto o in atmosfera di gas inerte.

L’ultima considerazione riguarda la deformabilità a freddo: mentre le leghe α ed α + β devono essere generalmente deformate a caldo, a causa della limitata deformabilità della fase α, all’aumentare della frazione volumetrica di fase β nella lega diminuisce la temperatura a cui questa può essere deformata. Alcune leghe β metastabili possono subire deformazioni a temperatura ambiente. Infine, per le deformazioni superplastiche, sono richieste microstrutture equiassiche fini immerse in una fase β continua.

La Tab. 1.6 riporta le proprietà di alcune delle principali leghe del titanio.

1.6.2 Resistenza

Tra tutti i materiali metallici, solo gli acciai alto resistenziali più resistenti possiedono una resistenza specifica maggiore delle leghe di titanio. La resistenza allo snervamento delle leghe di titanio convenzionali oscilla tra e , con le leghe β metastabili che esibiscono i valori più elevati (oltre ). [1] Per applicazioni speciali, come bulloni e viti, sono richieste le più elevate resistenza a trazione e a fatica. Come già osservato, per aumentare la resistenza delle leghe di titanio, si può agire sulla composizione della lega, sui trattamenti termomeccanici a cui questa è sottoposta o sull’aggiunta di elementi rinforzanti in lega (MMCs).

Tuttavia, l’aumento della resistenza delle leghe di titanio non viene tipicamente realizzata mediante l’aggiunta di elementi in lega. Un eccezione è rappresentata dalla lega Ti-6V-6Mo-6Fe-3Al (TIMETAL 125), sviluppata per viti ad elevata resistenza. Per questa lega, un doppio trattamento di invecchiamento porta alla formazione di precipitati molto fini nella matrice di fase β. Questa lega può raggiungere livelli di tensione di snervamento e di rottura di e rispettivamente, conservando un’elongazione a rottura del 6%. [1] L’aumento di resistenza mediante trattamenti termomeccanici è evidenziato per la lega “Super-Alpha-2” (Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo), a base del composto intermetallico Ti3Al. Tramite ottimizzazione della deformazione, solubilizzazione e invecchiamento, è possibile incrementare la resistenza a trazione da a circa . [1]

Questi elevati valori di resistenza sono superati solo dai compositi a matrice in titanio. Per esempio, la lega Ti-6Al-4V rinforzata con SiC per una frazione volumetrica del 35% raggiunge facilmente valori di resistenza a trazione superiori a lungo la direzione delle fibre. Nella direzione trasversale, invece, la resistenza è inferiore a quella della matrice, per effetto della debole interfaccia tra fibre e matrice. [1]

In Fig. 1.26 sono riportate la tensione di snervamento e di rottura delle leghe citate in questo paragrafo. Si può notare come un aumento di resistenza sia quasi sempre accompagnato da una diminuzione della duttilità.

In Tab. 1.7 si riportano le proprietà meccaniche ricavate da prove di trazione e la microstruttura a per una lega Ti-6Al-4V sottoposta a differenti trattamenti termici: è evidente, come ribadito più volte, l’influenza dei trattamenti termomeccanici a cui la lega è sottoposta sulle proprietà meccaniche della lega stessa.

Tabella 1.7 Tipiche proprietà meccaniche e microstrutture a 25°C di una lega Ti-6Al-4V per differenti trattamenti termici [3] Trattamento termico Tensione di snervamento [MPa] Tensione di rottura [MPa] Allungamento a rottura [%] Riduzione dell’area [%] Microstruttura a 25°C 955°C Raffreddamento in forno ^{834 937 19 46} 90% fase α 10% fase β 955°C Tempra in acqua ^{951 1117 17 60} 40% fase α primaria 900°C Raffreddamento in forno ^{855 965 17 43} 90% fase α 10% fase β 900°C Tempra in acqua 923 1117 15 54 ^{60% fase α} primaria

Figura 1.26 Variazioni di resistenza e duttilità ottenute per alligaggio (Ti-125), trattamenti termomeccanici (Super-Alpha-2) e aggiunta di elementi rinforzanti (SiC-Ti-6Al-4V) rispetto alla lega Ti-6Al-4V [1]

1.6.3 Rigidezza

Il modulo di Young rappresenta una misura della rigidezza di un materiale. Il suo valore è direttamente correlato ai legami atomici presenti nel reticolo cristallino, e aumenta all’aumentare del grado di ordine presente. All’aumentare della percentuale di alluminio in lega, il modulo elastico aumenta sensibilmente per effetto dei cambiamenti nella struttura cristallina, come evidenziato nella Fig. 1.27.

Figura 1.27 Influenza della temperatura sul modulo di Young per diverse leghe con un contenuto differente di alluminio [1]

Anche le lavorazioni meccaniche che la lega subisce possono alterare la rigidezza delle leghe di titanio. Per effetto del comportamento anisotropo della struttura esagonale della fase α, il modulo elastico di strutture fortemente orientate varia con la direzione di applicazione del carico.

La Fig. 1.28 illustra come un’orientazione trasversale o trasversale/basale prodotta nella lega Ti-6Al-4V attraverso la scelta di opportuni parametri di deformazione possa evidenziare un comportamento anisotropo del materiale in termini di rigidezza, per una struttura omogenea. Nella direzione trasversale il modulo di Young è superiore a quello ricavato nella direzione di laminazione. Generalmente si preferisce evitare un’anisotropia pronunciata delle proprietà; tuttavia, l’utilizzo di componenti con struttura propriamente orientata può essere sfruttato per accrescere la rigidezza del componente attraverso un’attenta progettazione.

Figura 1.28 Influenza dell’orientazione cristallina sul modulo di Young della lega Ti-6Al-4V [1]

L’aumento di rigidezza è lo scopo primario nello sviluppo di compositi a matrice di titanio. I componenti di rinforzo comunemente incorporati nel materiale attraverso processi di metallurgia delle polveri sono particelle di SiC, B4C, TiB2, BN e TiC; un’eccezione è rappresentata dal processo XD (eXothermic Dispersion), in cui i componenti di rinforzo vengono incorporati all’interno della matrice di titanio per precipitazione dal bagno fuso. [1] L’aumento di rigidezza nel titanio rinforzato con fibre lunghe dipende generalmente da regole date dalla frazione volumetrica degli elementi di rinforzo e dal loro modulo elastico. Per rinforzi costituiti da fibre di SiC, una frazione volumetrica del 35% raddoppia la rigidezza del materiale composito rispetto alla matrice di partenza di Ti-6-4, dato che il modulo elastico delle fibre di SiC è più di tre volte maggiore di quello della lega di titanio di partenza. [1]