titanio ti-6al-4v

8/17/2019 titanio ti-6al-4v

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Titanio

Il titanio è situato nel IV gruppo della tavola periodica con numero atomico 22, ha proprietà eccellenti dal punto divista ingegneristico, come:

bassa densità, circa il 50% di quella del rame e il 60 % di quella dell’acciaio, modulo elastico, conducibilità edespansione termica

alta resistenza meccanica (simile all’acciaio e due volte più dell'alluminio), all’impatto, al taglio e ai raggi

elevata resistenza alla corrosione e tensocorrosione (paragonabile ad un ottimo acciaio inox per il titanio puro, equasi pari a quella del platino). Rende praticamente inutili l’utilizzo di rivestimenti o verniciature di protezione da

agenti atmosferici elevata resistenza agli attacchi di erosione (almeno venti volte maggiore delle leghe rame-nichel)

elevata inerzia termica e temperatura di fusione (1678°C), ciò garantisce resistenza ad elevate temperature e alcreep e non infragilisce a basse temperature

facilità di lavorazione poiché molto duttile, tenace e dimensionalmente stabile e buona saldabilità

elevato allungamento a rottura, circa tre volte superiore a quello di alluminio e acciaio

coefficiente di espansione termica significativamente più basso di quello delle leghe ferrose (circa il 50% diquello dell’acciaio inossidabile e del rame); ciò gli permette di essere molto più compatibile con materialiceramici o con vetri rispetto agli altri metalli, specialmente quando sono implicate guarnizioni metallo/vetro ometallo/ceramico.

periodo di dimezzamento radioattivo estremamente corto (che consente il suo uso nei sistemi nucleari)

è riciclabile e atossico

è antistatico e amagnetico

notevole capacità nell’attenuare rumori

Ha la proprietà di essere biocompatibile, in quanto presenta porosità superficiale analoga a quella dei tessutiumani, per cui risulta fisiologicamente inerte. Tuttavia dato l'alto coefficiente di frizione non viene mai utilizzatocome componente di giunzione articolare

Essendo il raggio ionico del titanio simile a quello della maggior parte dei comuni elementi (Al3+, Fe3+, Mg2+), granparte dei minerali, ciottoli e suolo contengono piccole quantità di titanio, benché i veri minerali di titanio, contenentipiù dell'1 % di titanio, si trovano solo in poche località. Il titanio estratto dai minerali, una volta reso puro, si presentabianco e brillante, è duttile solo se contiene quantità di ossigeno trascurabili. Si brucia in aria ed è l'unico elementoche si brucia in azoto puro. Il titanio naturale presenta cinque isotopi, tutti stabili, con masse atomiche da 46 a 50 esono conosciuti altri otto isotopi instabili. Il metallo naturale è noto per diventare molto radioattivo dopo ilbombardamento con i deuteroni, le radiazioni emesse sono principalmente positroni e raggi gamma duri.

Il titanio può esistere in due forme cristalline: la prima è alfa ecorrisponde ad una struttura cristallina esagonale compatta,stabile a basse temperature, mentre la seconda è beta, che hauna struttura cubica a corpo centrato, stabile alle altetemperature. Essa presenta generalmente caratteristiche diduttilità e quindi deformabilità superiori a quelle di un reticoloalfa. La temperatura di transizione è detta “beta transus” e sitrova a 883°C. Esistono elementi che hanno la funzione di

stabilizzare la fase in cui solubilizzano meglio e determinano i diversi gruppi di microstrutture, rispetto alle quali sidefiniscono tre principali categorie di leghe di titanio. A causa dell’esistenza delle sue forme allotropiche il titaniopuò dare, come il ferro, un gran numero di leghe bonificabili.

L’aumento del contenuto di

ossigeno, azoto e idrogenoaumenta la resistenza e diminuiscela durezza. Mentre l’ossigeno èl’unico elemento che viene

aggiunto deliberatamente per dareresistenza maggiore, gli altrielementi insieme con ferro e

carbonio sono introdotti durante la produzione come impurità.Si riporta a seguito una tabella di confronto di alcune proprietà fisiche per alcuni materiali metallici:


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Tra le principali limiti del titanio troviamo invece l’elevata reattività a caldo (che ne rende estremamente critica lasaldatura) e la scarsa resistenza ad usura da strisciamento. Lo sviluppo di uno specifico Know-how ha infatti portatoalla definizione di tecnologie, composizioni e trattamenti che rendono il titanio sufficientemente lavorabile (nonpresenta difficoltà superiori a quelle di un acciaio inox) ed estremamente resistente ad usura. Inoltre la formabilità afreddo è scarsa a causa della forte tendenza del metallo a riacquisire la sua forma originaria.

Il titanio e le sue leghe

I moduli di elasticità e la rigidità aumentano con l'incremento del contenuto di elementi in lega interstiziali e dialluminio, con la temperatura di ricottura, con l’addizione di elementi beta stabilizzanti. Invece decrescono conl'aumento della temperatura. Siccome la struttura cubica del titanio beta contiene un maggior numero di piani discorrimento rispetto a quelli presenti nella forma esagonale alfa, il titanio beta è più facilmente deformabile. Leleghe nelle regioni beta ed alfa-beta sono formabili a caldo. Le leghe beta e alcune leghe alfa-beta contengono, oltre

a molibdeno o vanadio, elementi in lega a causa dei quali la fase beta, nel range di temperatura tra 550°C e unmassimo di 860°C, subisce una decomposizione eutettoidica in fase alfa e in un composto intermetallico. Questoprocesso è usualmente associato ad infragilimento e riduce la stabilità termica. Quindi deve essere evitato durante laproduzione e la lavorazione dato che riduce la deformabilità. Per sistemi che presentano decomposizioneeutettoidica della fase beta, il processo di lavorazione procede più lentamente a temperatura inferiore. In seguitoalla fase di lavorazione, l'indurimento delle leghe di titanio può essere ottenuto in vari modi. Ad esempio, può essereprecipitato un composto intermetallico dalla fase alfa per tempra e ricottura (leghe Ti-Cu), oppure, in leghe conelementi beta stabilizzanti, la fase beta metastabile può essere formata in aggiunta alla fase alfa per solubilizzazione,tempra ed ageing. Nell’ageing la lega viene trasformata, attraverso una fase intermedia omega, in fase alfa e in fase

beta stabilizzata per arricchimento di elementi in lega. Entrambi questi processi sono utilizzati nell'industria permigliorare le proprietà meccaniche delle leghe di titanio. Il titanio commercialmente puro (non legato) costituisce

circa il 35% della produzione, mentre le leghe di titanio coprono il rimanente 65%.A fianco sono presenti trattamenti termiciper la produzione tipica di un α+β titanio.

(A) diagramma di fase parziale – (B)trattamento di solubilizzazione – (C)conseguente invecchiamento

Il titanio commercialmente puro. Ci sono sei tipi di titanio commercialmente puro (CP) ed ognuno contiene unadiversa quantità di impurezze. Il “Grade 1” è il più puro. In generale, sono solo tre le tipologie di maggior rilievo.


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globale). Considerando un basso indurimento, l’alto contenuto di alluminio di quest’ultima le conferisce

un’eccellente resistenza ed ottime proprietà ad elevate temperature. Essa è considerata una lega di titanio per scopigenerici e le può essere attribuita qualsiasi forma attraverso lavorazione o per colata. Alterando i livelli interstiziali diTi-6Al-4V si danno nuove proprietà alla lega, per esempio la riduzione degli elementi interstiziali produceun’eccellente tenacità. Un punto importante nelle applicazioni criogeniche e nelle applicazioni a profondaimmersione è dato da un trattamento termico appropriato. La resistenza della lega Ti-6Al-4V aumenta fino al 35% diquella in condizioni ricotte. Nel 1972 General Electric annuncia una nuova lega alfa-beta, nota come Ti-17, la suacomposizione è Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr. La lega è stata sviluppata per applicazioni in motori aerei, come materiale

per i dischi di eliche e di compressori. Essa presenta migliori proprietà rispetto alle leghe di titanio idonee a subiretrattamento termico utilizzate commercialmente. In aggiunta, la lega Ti-17 ha una buona liscezza, un buoncomportamento a fatica con intaglio sotto carico ciclico e un livello di resistenza a snervamento da 1034 a 1172 MPa.Un’altra sua caratteristica è la capacità di essere indurita attraverso tutto il campione, con proprietà resistenzialiuniformi sulla sezione trasversale da un minimo di 15 mm a un massimo di 150 mm. Attualmente la lega è utilizzabilesolo per fare barre, billette e pezzi forgiati. Un’altra nuova lega alfa-beta è stata sviluppata da RMI (Ohio): si trattadella lega Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0,25Si. Essa ha una combinazione molto migliore di resistenza e tenacità rispettoalle altre leghe profondamente indurite, comprese Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo e Ti-6Al-6V-2Sn. Applicazioni potenziali perquesta nuova lega comprendono complessi d’atterraggio degli aerei, paratie forgiate, dischi di eliche e rotori di

elicotteri. Altre due importanti leghe alfa-beta sono Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo e Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, tra le due, la secondasviluppa una resistenza maggiore. Entrambe queste leghe trovano impiego in componenti per i compressori di

motori a propulsione ed in strutture per missili ed aeroplani. Una lega alfa-beta unica per le sue proprietà è la Ti-3Al-2,5V, è spesso usata per fogli utilizzati nella produzione di strutture a nido d’ape.Le leghe beta

Presentano caratteristiche meccaniche eccellenti (le più elevate tra le leghe di titanio), ma non sono saldabili (operlomeno non senza notevoli complicazioni tecnologiche). Il titanio può esistere completamente in fase beta atemperatura ambiente (fase beta metastabile). L’addizione di alcuni elementi in lega, infatti, può inibire latrasformazione da beta ad alfa. Le leghe beta sono abbastanza ricche di beta stabilizzanti (e povere di alfastabilizzanti), in modo che possa essere ottenuta con velocità di raffreddamento appropriate una microstruttura incui sia presente solo fase beta. Proprio a causa del loro alto contenuto di elementi in lega, le leghe beta hannodensità maggiore (4,84 - 5,06 g/cm3) rispetto alle leghe alfa-beta, quindi i valori dei loro rapporti resistenza -densitànon possono essere alti come quelli delle leghe alfa o alfa-beta. Le leghe beta sono instabili e la precipitazione di fase

alfa nella fase beta metastabile è un metodo usato per rinforzarle. Sono in grado di acquisire una buona durezza,hanno buona lavorabilità a freddo, quando sono invecchiate presentano alta resistenza. Attualmente ci sono quattroleghe beta commercialmente utilizzabili ed una è in fase di sviluppo. Le quattro commercialmente utilizzabili sono:Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr (Beta C), Ti-4,5Sn-6Zr-11,5Mo (Beta III), Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al e Ti-13V-11Cr-3Al. La lega in fasedi sviluppo in “Lockheed Missiles and Space Company” è la Ti-2Al-11V-2Sn-11Zr, nota come Transage 129. Ci siaspetta che questa nuova lega offra buone proprietà per applicazioni a scopo generico nelle strutture aerospaziali. Ilivelli di resistenza a temperatura ambiente di Transage 129 sono circa uguali a quelli della lega Ti-13V-11Cr-3Al. Lalega Beta III lavorata è molto usata per chiodature e dispositivi di fissaggio simili. Affidabili chiodature in Beta IIIpossono essere realizzate in condizioni di sovra-invecchiamento o per trattamento in soluzione. Le secondecondizioni danno una maggior resistenza, un maggior modulo elastico ed eccellente stabilità termica fino a 430°C,con un adeguato margine d’errore nella perforazione. Questa lega è attrattiva per entrambe le applicazioni poiché

possiede alta resistenza e notevole resistenza al stress corrosion e permette di sfruttare i vantaggi produttivi dellaricalcatura a freddo. Un’altra lega beta impiegata per realizzare dispositivi di fissaggio è la T i-8Mo-8V-2Fe-3Al. Essa,ha applicazioni in missilistica e nella struttura degli aerei. La sua resistenza è pari a circa il doppio di quella di Beta III.Le leghe beta possono essere formate prontamente a temperatura ambiente ed a temperature un po’ più alte.Inoltre, hanno miglior saldabilità rispetto alle leghe alfa-beta. Possono essere trattate a caldo in soluzione, formatein condizioni non eccessivamente pesanti ed indurite per invecchiamento nella parte finale della lavorazione,ottenendo alta resistenza. In generale, i componenti prodotti in lega beta non possono essere ottenuti per colata.

A livello commerciale si usa anche fare riferimento alla quantità di alliganti presenti. Si riporta quindi anche unadifferente classificazione:Titanio puro o non legato: È classificato dalla normativa americana ASTM in cinque categorie (grado 1-2-3-4-7) a seconda delle proprietà

meccaniche. In generale all’aumentare del grado si ha un incremento delle caratteristiche meccaniche, ad eccezionedel grado 7 che presenta temperatura di fusione, carico a snervamento e a rottura, allungamento a rottura e durezzapari al grado 2 ma con una maggiore resistenza alla corrosione ed alle alte temperature. Generalmente vieneutilizzato quando è richiesta elevatissima resistenza alla corrosione (superiore a quella di acciaio inox e rame) e


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ottima saldabilità (entrambe caratteristiche peggiorate dall’ aggiunta di elementi in lega), a prezzo però di

caratteristiche meccaniche decisamente inferiori. L’elevato allungamento a rottura lo rende particolarmente adattoanche a tutte quelle applicazioni che richiedono elevata duttilità, anche a temperature elevate, con possibilità diesercizio fino ai 350°C costanti e brevi esposizioni fino a 540°C. L’impiego a temperature inferiori agli 0°C ne

aumenta inoltre le caratteristiche meccaniche. Le principali applicazioni riguardano strutture e recipienti perapparecchiature chimiche, marine, scambiatori di calore, tubazioni di condensatori, attrezzature per galvanica, anodie catodi di diverso tipo, recipienti in pressione, impieghi in edilizia e restauri conservativi, contenitori di prodottialimentari, occhialeria, bigiotteria ed oreficeria.

Titanio basso legato: Si distingue per le diverse percentuali degli elementi alliganti e per le piccole aggiunte di Palladio (0,2%) e di nichel-molibdeno (0,8% Ni, 0,3% Mo) al fine di migliorarne la resistenza meccanica per il grado 12 e la resistenza acorrosione in condizioni riducenti per il grado 7 e 11.Titanio legato:

Comprende il gruppo più numeroso di leghe di interesse industriale ed in particolar modo le Ti-6Al-4V

A titolo riassuntivo e di chiarimento delle sopra esposte classificazioni si riportano nella tabella seguente le alcunedelle qualità di titanio legato e non legato di maggiore impiego industriale e reperibilità sul mercato

Con il titanio si possono anche fare delle superleghe con l’aggiunta di manganese, cromo, vanadio e alluminio chehanno notevoli caratteristiche meccaniche, sono facilmente lavorabili, saldabili e con un ottimo comportamento alfuoco. Tuttavia l’alto prezzo ne limita l’utilizzo. Inoltre forma un carburo che costituisce l'elemento attivo di varieleghe refrattarie, preparate per sinterizzazione del carburo di titanio, miscelato o meno con carburo di tungsteno,con un legante formato da cobalto o nichel. Queste leghe sono impiegate per la produzione di palette per turbine, di

utensili da taglio e anche, data l'elevata durezza e la resistenza agli urti, per la fabbricazione di filiere e di elementi distampi o di utensili

Proprietà meccaniche

Densità


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Dipende dalla quantità degli elementi in lega. Generalmente le leghe beta sono pesanti perché contengono elementiin lega come il molibdeno che ha relativamente un’alta densità.

Resistenza a trazione

È leggermente inferiore a quella di un acciaio di impiego strutturale, rispetto al quale presenta però una densitàinferiore di circa il 40%. Essa varia da 240 MPa per il titanio CP più tenero a oltre 1400 MPa per le leghe ad altaresistenza. A temperature elevate i diversi tipi di titanio CP presentano proprietà a trazione caratteristiche. Tutte leleghe, specialmente quelle ad alta resistenza, mantengono valori convenzionali sia di resistenza a trazione che diresistenza. Normalmente, la duttilità aumenta con l'aumento della temperatura. Tuttavia, c’è una leggera irregolarità

nel caso del titanio CP in quanto la sua duttilità aumenta coerentemente fino a temperature comprese tra 200°C e300°C, ma da lì in poi diminuisce fino a 400-450°C, assumendo valori simili a quelli riscontrati a temperaturaambiente. Quando aumenta, ci sono significative riduzioni nella tenacità della lega. La resistenza a trazione,specialmente ad alta temperatura, può accrescere per rafforzamento della matrice metallica con fibre come SiC.Resistenza a compressione.

In generale, il titanio e le sue leghe sono tanto resistenti a compressione quanto lo sono a trazione. Per il titanio CP,la resistenza a snervamento in compressione è circa uguale a quella in trazione, mentre per le leghe Ti-6Al-4V e Ti-5Al-2,5Sn le resistenze a compressione sono leggermente maggiori di quelle a trazione.Resistenza a taglio

La resistenza a taglio del titanio e delle sue leghe è pari circa al 60 - 70% della loro resistenza ultima a trazione.Resistenza a snervamento portante

La resistenza a snervamento portante di fogli in titanio o in lega di titanio è all’incirca 1,2 - 1,6 volte la resistenza asnervamento in trazione per un valore E/D di 1,5 (rapporto tra la distanza d’angolo E dal centro del foro ed ildiametro D del foro stesso). Inoltre è circa 1,7 - 1,95 volte la resistenza a snervamento in trazione per un valore E/Dpari a 2. La resistenza ultima portante è 1,4 - 1,65 volte la resistenza ultima a trazione per E/D di 1,5 ed è 1,8 - 2,1volte la resistenza ultima a trazione per E/D pari a 2.Resistenza a fatica.

Il titanio presenta limite a fatica (tipico degli acciai ma non di alluminio e magnesio. In condizioni atmosferichenormali, il limite del titanio ricotto e lavorato e delle sue leghe varia da 0,5 a 0,65 volte la resistenza ultima atrazione, come determinato dai test di fatica su campioni non intagliati per 10 milioni di cicli. Il valore precedentenon tiene conto della presenza di stress residui, dovuti ad angoli, intagli, fori, superfici ruvide ed altre discontinuitàche riducono apprezzabilmente la resistenza a fatica. Quando la resistenza a trazione aumenta, tuttavia, ci sono

significative riduzioni nella tenacità della lega. Le curve di fatica non mostrino un ginocchio evidente, come accadenel caso di alcuni metalli. Inoltre l'effetto d’intaglio è minore di quello previsto dai fattori di concentrazione deglisforzi e dalla velocità di propagazione della cricca per fatica. Infine la resistenza statica residua dei campioni criccati èmigliore rispetto a quella degli acciai e delle leghe di alluminio.Durezza

L'assorbimento di ossigeno sulla superficie del titanio, quando il materiale è riscaldato, causa un aumento di durezzanello strato superficiale. Rettifica e lucidatura possono avere un effetto simile sui campioni metallurgici ed è perquesto motivo che i valori di durezza possono essere ingannevoli. Per determinate leghe il rapporto fra durezza eresistenza a trazione è noto, quindi una misura di durezza può essere usata per dare un'indicazione delle proprietàmeccaniche locali o alternativamente per controllare il successo del trattamento termico. La durezza del titanio èsuperiore all'alluminio, nel CP grade 1 lavorato normalmente è minore di 120 Bhn (Brinell), il range di durezza degli

altri tipi di titanio CP varia da 200 a 295 Bhn per materiali lavorati e da 200 a 220 Bhn per materiali ottenuti percolata. La durezza delle leghe di titanio ricotte è nel range da 32 a 38 Rc. Le leghe Ti-5Al-2,5Sn e Ti-6Al-4V hanno unadurezza di 320 Bhn in condizioni as-cast (colata grezza, senza ulteriori lavorazioni o trattamenti termici); la versioneELI di quest’ultima lega ha una durezza di 310 Bhn, sempre in condizioni as-cast.Rigidezza

I valori del modulo elastico variano tipicamente da 80 a 125 GPa, circa 50% di quelli dell’acciaio, che risultacomunque superiore ad alluminio e magnesio. Generalmente da 110 a 117 GPa in condizioni di ricottura. Eccezionisono le leghe Ti-13V-11Cr-3Al (98 GPa) e Ti-8Al-1Mo-1V (127 GPa). Il modulo di Young dipende inoltre dal processodi lavorazione usato per produrre il materiale ed in parte dalla direzionalità della prova sul materiale. C’è unatendenza generale per i materiali contenenti molto alluminio ad avere un modulo abbastanza alto rispetto alle altreleghe. Le leghe che induriscono per invecchiamento, hanno un modulo a trazione un po’ più alto in condizioni

invecchiate che in condizioni ricotte. Il modulo a compressione è uguale o un pò più alto di quello a trazione. Iltitanio CP ha modulo torsionale o di taglio di circa 45 GPa, il modulo di taglio delle leghe di titanio è compreso tra 42e 50 GPa. È difficile dare un valore certo per il rapporto di Poisson delle leghe di titanio poiché l'anisotropia conducea piccole differenze sia nel modulo di taglio che nel modulo elastico, i quali, una volta considerati insieme percalcolare il rapporto di Poisson, possono condurre a valori che variano da 0,29 a 0,39 per i fogli ricotti di ASTM Grade


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5 (Ti-6Al-4V). Il valore generalmente accettato per il titanio CP è 0,36 e quello per ASTM Grade 5 è 0,31. Infine ilbasso modulo significa eccellente flessibilità, che è la proprietà basilare per il suo utilizzo in dispositivi dentali edispositivi protesici umani l’eccellente biocompatibilità del titanio fornisce un motivo supplementare per l’uso perprotesi corporee.Resistenza ad alta temperatura

Per lunghi tempi di servizio, il limite superiore di temperatura per il titanio in aria calda è circa 590°C, poiché è unmetallo reattivo che può accogliere e dissolvere interstizialmente elementi quali ossigeno, idrogeno, azoto.Generalmente trova impiego fino a temperature di circa 540°C, poiché la trasformazione allotropica da struttura HCP

a struttura BCC limita ulteriormente la sua massima temperatura di applicazione. Per applicazioni a breve termine,invece, come le pareti refrattarie che circondano i motori a propulsione di aeroplani ed elicotteri, il titanio èconsiderato utile fino a 1090°C. Per questo metallo, il limite di temperatura inferiore noto è -253°C, cioè latemperatura dell’idrogeno liquido. A questa temperatura, la qualità ELI e le leghe Ti-6Al-4V e Ti-5Al-2,5Sn fornisconomassima tenacità. Le leghe seguono un modello simile, anche se la loro conducibilità termica tende ad aumentaremaggiormente a temperatura elevata, normalmente mostrano un incremento del 60-80% fra temperatura ambientee 500°C. Questo metallo ha una temperatura di ebollizione pari a 3285°C ed un alto punto di fusione 1660°C, in virtùdel quale il titanio può essere considerato per applicazioni in blindature balistiche. Infatti, l’alta temperatura di

fusione, tende a ridurre la predisposizione alla fusione ed all'accensione delle blindature durante l'impatto balistico,la buona durezza e la leggerezza sono fattori aggiuntivi per considerare il titanio in questa applicazione.Creep

Nel 1960 e nei primi anni del 1970, la resistenza al creep delle leghe di titanio viene aumentata sostanzialmente conl’introduzione del silicio, come nella lega IMI-679 (Ti-2,25Al-11Sn-5Zr-1Mo-0,25Si). Questa è buona, fino a circa540°C, tuttavia, le proprietà a creep delle leghe alfa-beta non sono confrontabili con quelle di sistemi ad altatemperatura, come le superleghe a base nichel, in cui può essere mantenuta una buona resistenza fino a 0,8 delpunto di fusione. Alcune leghe di titanio basate su fasi alfa intermetalliche (alfa due e gamma), possono mostrarebuone proprietà a creep fino a 0,6 del punto di fusione, ma leghe alfa-beta, o solo alfa, o solo beta non hannosignificative proprietà a creep, nemmeno a 0,5 del punto di fusione. Esistono poche informazioni pubblicate sulleproprietà a creep del titanio CP, principalmente poiché le applicazioni correnti non richiedono la conoscenzadettagliata di queste proprietà. Generalmente, i valori di resistenza a creep per un materiale che mostra lo 0,1% dideformazione plastica in 100.000 ore di funzionamento sono circa il 50% della resistenza a trazione a temperaturefino a 300°C. Il titanio CP nell'industria chimica a temperature superiori i 150°C, è usato come rivestimento

supportato da acciaio. Generalmente, le leghe alfa-beta normalmente hanno la temperatura massima difunzionamento in condizioni di creep è attorno ai 300-450°C, le quasi alfa trattate termicamente nel campo distabilità della fase alfa-beta: arrivano fino a temperature nel range 450-500°C, quelle trattate termicamente nelcampo di stabilità della fase beta sono adatte ad essere utilizzate fino a 600°C.Tenacità a frattura e resistenza ad impatto

La tenacità dipende dalla resistenza, dalla composizione (quantità di elementi interstiziali presenti), dallamicrostruttura e dalla tessitura. In generale, la tenacità delle leghe di titanio varia inversamente con la resistenza,come quella degli acciai o delle leghe di alluminio. In origine, i trattamenti termici convenzionali a cui vienesottoposto il titanio, sono stati sviluppati per conferirgli proprietà a trazione ottimali, piuttosto che per migliorarne latenacità a frattura. Tuttavia, per determinate leghe alfa-beta, è possibile aumentare significativamente la tenacità afrattura con semplici cambiamenti nella procedura di trattamento termico, o tramite una variazione secondaria nella

chimica della lega, per esempio, riducendo il livello di ossigeno nella lega Ti-6Al-4V per produrre la qualità ELI. Talimiglioramenti producono, soltanto piccole diminuzioni nella resistenza a fatica e a trazione. Altri tipi di leghe, comele quasi alfa trattate termicamente in campo di stabilità della fase beta, hanno miglior tenacità a frattura rispetto alleleghe alfa-beta. Come la tenacità a frattura, anche la resistenza a impatto del titanio e delle sue leghe èinversamente influenzata dall’aumento di resistenza e di quantità di elementi interstiziali. La resistenza a impattoCharpy con intaglio a V per titanio CP lavorato è nel range tra 15 e 54 J, mentre in condizioni di colata grezza, aseconda della qualità, sta circa tra 4 e 11 J, per leghe di titanio ricotte e per i materiali con invecchiamento più bassovaria da 14 a 27 J, per Ti-5Al-2,5Sn d è compresa tra 20 e 23 J.Proprietà elettriche

La resistività elettrica del titanio CP varia nell’intervallo 48 - 60 x 10-6 ohm*cm a temperatura ambiente ed aumentacon l’incremento di temperatura, raggiungendo i 135 - 146 x 10-6 ohm*cm tra i 540 ed i 760°C. A temperatura

ambiente, la resistività elettrica delle leghe di titanio è considerabilmente più alta e varia tra i 92 x 10-6

ohm*cm dellalega Ti-8Mn ed i 199 x 10 -6 ohm*cm della Ti-8Al-1Mo-1V, assumendo valori intermedi se sono presenti un maggiornumero di elementi in lega. La resistività delle leghe di titanio aumenta all’aumentare della temperatura fino ad un

certo punto, ma con velocità minori rispetto al titanio CP nell’intervallo tra 430 e 650°C. Ad un ulteriore aumento ditemperatura, la resistività rimane costante o decresce con velocità moderata.


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Proprietà termiche

La conduttività termica del titanio CP è compresa tra 15,6 e 21,6 W/m*K , che è simile a quella dell’acciaioinossidabile austenitico, ed è abbastanza indipendente dall’aumento di temperatura. Quella delle leghe di titanio ècirca metà di quella del metallo non legato ed aumenta all’aumentare della temperatura. L’espansione termica deltitanio e delle sue leghe è abbastanza bassa, variando da 8,6 x 10-6 m/m/K a 9,5 x 10 -6 m/m/K nell’intervallo ditemperature da -210 a 110°C e da 9,5 x 10 -6 m/m/K a 10,8 x 10-6 m/m/K nel range da 110 a 1530°C.Proprietà magnetiche

Il titanio CP e tutte le sue leghe sono non magnetici. La permeabilità del titanio CP è 1.00005-1.0001 a 955 Hm-1. Ciò

lo rende ideale ad applicazioni in cui l’interferenza elettromagnetica deve essere minimizzata, comealloggiamentiper apparecchiature elettroniche e strumenti di registrazione per pozzi profondi.Resistenza ad usura

Le superfici di titanio e di tutte le leghe di titanio prodotte commercialmente hanno resistenza ad usurarelativamente bassa. In particolare, le superfici di titanio a contatto reciproco tra loro o con altri metalli sidanneggiano velocemente per usura in condizioni di contatto per strisciamento o per attrito. Anche con un leggerocarico e con un piccolo movimento relativo, quindi può avvenire il grippaggio completo delle superfici. Questasituazione è dovuta all’usura adesiva, in cui le asperità microscopiche sulle superfici del metallo entrano in contattotra loro come conseguenza dello strisciamento relativo ed esse tendono a saldarsi insieme, formando un legame chepuò avere resistenza a rottura maggiore della resistenza del metallo sottostante. La frattura, avviene incorrispondenza di una delle asperità, provocando un trasferimento di metallo da una superficie all'altra. I residui

formati originano usura accelerata. Per usare il titanio in condizioni in cui l’usura potrebbe essere un problema, èessenziale l’impiego di rivestimenti protettivi.Proprietà chimiche

Resistenza a corrosione Il titanio e le sue leghe si corrodono rapidamente in ambienti che distruggono il loro film protettivo: acido cloridrico,fluoridrico, solforico, fosforico e formico. L’attacco in tutti questi mezzi, eccetto quello in acido fluoridrico, è ridottodall’addizione di sali acidi, acidi ossidanti ed altri adeguati inibitori. Variazioni di trattamento termico influenzano lareattività di molte leghe. Il titanio è superiore all’acciaio inossidabile per resistenza a corrosione ed al pitting inambienti marini e nella maggior parte delle soluzioni neutre di cloruri. Le eccezioni principali, sono le soluzionibollenti di cloruri di alluminio, i cloruri di stagno, i cloruri di rame, i cloruri di zinco, i cloruri di magnesio ed i cloruri dicalcio, che corrodono per pitting le leghe di titanio. Il titanio non è attaccato da soluzioni di cloruri di ferro e di cloruri

di sodio in condizioni proibitive anche per l’acciaio inossidabile. Gli idrocarburi puri non sono considerati corrosiviper il titanio, inoltre mostra resistenza a corrosione a molti idrocarburi fluorati o clorati e ad altri simili compostiutilizzati come fluidi in scambiatori di calore o in scambiatori idraulici. Non è consigliato per impieghi con ossigenogassoso o liquido, dato che possono avvenire reazioni violente. Quando una superficie di titanio appena creata,come quella dovuta ad una cricca o ad una frattura, viene esposta all’ossigeno gassoso, anche a -160°C ed apressione di circa 0,35 - 0,70 MPa, inizia la combustione (reazione violenta), in ossigeno liquido, il titanio è menosensibile ad impatto rispetto a molti composti organici. Inoltre mostra reazioni piroforiche nell’impatto contrifluoruro di cloro, fluoro liquido e tetraossido di azoto. Il film d’ossido stabile, prevalentemente TiO2 esostanzialmente inerte fornisce al materiale un’eccezionale resistenza a corrosione in una vasta gamma di mezzi

aggressivi. Essendo un materiale estremamente reattivo, ogni volta che il titanio metallico è esposto all'atmosfera oad un ambiente contenente ossigeno libero, esso si ricopre immediatamente di un f ilm d’ossido sottile e tenace. La

presenza di questo, conferisce al materiale la sua eccellente resistenza a corrosione. A condizione che sia presenteuna sufficiente quantità d’ossigeno, il film può autorigenerarsi quasi immediatamente se danneggiato

meccanicamente. Siccome la passivazione del titanio dipende dalla presenza del film d’ossido superficiale, questo

metallo è sensibilmente più resistente a corrosione nelle soluzioni ossidanti, che nei mezzi non ossidanti, in cui cisono alte velocità d'attacco. Inoltre, il materiale è resistente all'attacco in miscele di acidi cromitici, solforici e nitriciforti ed acido cloridrico contente cloro e dalle soluzioni dei composti del cloro come cloriti, ipocloriti, clorati,perclorati, diossido di cloro, alogenuri ed alogeni, in un vasto intervallo di temperature e di concentrazioni. Il titanionon è soggetto a rottura per stress-corrosion o per pitting in soluzioni acquose di cloruri di metalli inorganici ed haun’eccezionale resistenza ad acqua di mare, anche in condizioni di alta velocità o in acqua inquinata. Nonostante il

materiale abbia una significativa velocità di corrosione in mezzi che producono idrogeno per reazione col metallostesso come gli acidi solforici o cloridrici, la presenza in soluzione di ioni di rame o di ferro, riduce la velocità di

corrosione. Ciò accade anche utilizzando metalli nobili, come elementi in lega o adottando tecniche di protezioneanodica. I film d’ossido protettivi sul titanio si formano solitamente quando il metallo entra a contatto con acqua,anche se questa è presente solo in tracce o in forma di vapore. Inoltre, se il titanio è esposto ad ambienti altamenteossidanti in completa assenza di acqua, possono avvenire una rapida ossidazione ed una reazione violenta, spessopiroforica. Esempi di questo tipo di comportamento si trovano nelle reazioni fra titanio ed acido nitrico secco e tra


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titanio e cloro secco, tuttavia la quantità di umidità necessaria per impedire l'attacco in queste condizioni è piccola(anche 550 ppm). Con l'aggiunta di piccole quantità di palladio al titanio CP, migliora la sua resistenza agli acidiriducenti, come solforico, cloridrico e fosforico, ma permette anche di incrementare la temperatura critica dicorrosione per crevice in acqua marina. Ciò è esteso ad alcune leghe ad alta resistenza, in tal modo è possibileassociare buona resistenza a corrosione e buone proprietà a trazione. Altre leghe resistenti a corrosione sviluppatenel corso degli anni includono Ti-0,8Ni-0,3Mo come possibile sostituto delle leghe titanio/palladio e Ti-6Al-7Nb, cheè usata come materiale per impianti chirurgici. Più alta è la contaminazione e maggiore è il contenuto di ionimetallici nell'acido, migliori sono le prestazioni del titanio. Questo è in contrasto con gli acciai inossidabili, che spesso

sono influenzati in modo negativo dagli agenti contaminanti. Siccome il suo stesso prodotto di corrosione (Ti4+) èaltamente inibitore, il titanio presenta spesso alte prestazioni nei flussi di riciclo dell'acido nitrico, come i cicli dellacaldaia. I livelli di concentrazione degli ioni metallici a 20-100 ppm possono fornire un’inibizione estremamenteefficace alla corrosione. Potenti inibitori per il titanio in mezzi acidi riducenti comprendono ossigeno, cloro, bromo,nitrati, cromati, permanganati, molibdati e ioni metallici cationici, come ferrico (Fe3+), rameico (Cu2+), nicheloso (Ni2+)e molti ioni di metalli preziosi. La resistenza utile a corrosione del titanio non legato, aumenta significativamentequando la concentrazione dello ione ferrico viene incrementata di quantità molto piccole, questo potente fenomenodi inibizione, consente al titanio di essere utilizzato con successo in apparecchiature per il trattamento di acidocloridrico (HCl) caldo e di soluzioni acide di H2SO4. Anche se l'inibizione è possibile nella maggior parte degli acidiriducenti, la protezione del titanio dalle soluzioni di acido fluoridrico è estremamente difficile da realizzare. L'acidofluoridrico provoca generalmente una corrosione generalizzata molto veloce in tutte le leghe di titanio e dovrebbe

essere evitato. In conclusione, la resistenza ambientale del titanio dipende soprattutto da un film d’ossidosuperficiale (principalmente TiO2) molto sottile, tenace ed altamente protettivo, molto stabile al di sopra di un certorange di pH, di potenziale e di temperatura, la cui formazione è particolarmente favorita quando il carattereossidante dell'ambiente aumenta. La gamma di applicazione del titanio, già vasta, può essere espansa unendolo inlega con determinati elementi nobili o imponendo potenziali anodici.Stress corrosion

Nonostante il titanio e le sue leghe siano resistenti a corrosione in molti mezzi, lo stress corrosion può avvenire in unnumero limitato di ambienti altamente specifici. Il titanio e le sue leghe sono soggetti a stress corrosion in acidonitrico fumante. Qui, la criccatura è principalmente intergranulare ed il fenomeno si presenta soltanto in condizionianidre, la presenza di una minima quantità d’acqua (anche 1.5 - 2%), inibisce completamente la reazione. Tutte leleghe di titanio sono sensibili a stress corrosion in questo ambiente, ma mentre per alcune è necessaria la presenza

di un eccesso di diossido d'azoto, altre possono criccarsi in assenza di questo componente. L'unico altro ambiente incui il titanio CP e le leghe di titanio mostrano stress corrosion è il metanolo, la rottura avviene di nuovo percriccatura intergranulare e si verifica con maggior probabilità nel caso in cui bromo, cloro o ioni di iodio sianopresenti nell'alcool. La presenza di una piccola quantità d’acqua impedisce ancora completamente l'attacco. Alcune

leghe di titanio possono subire stress corrosion in idrocarburi clorurati. Per esposizioni prolungate ad altatemperatura in presenza di alcuni metalli, i vapori di tricloroetilene possono decomporsi parzialmente per formareacido cloridrico, ciò provoca il fenomeno di stress corrosion in alcune leghe di titanio, specialmente in quelle checontengono alluminio. Si deve, far attenzione quando si sgrassano questi materiali. Nonostante sia stato dimostratocon prove di laboratorio che le leghe di titanio sono sensibili alla criccatura per stress corrosion in sale caldo, non èmai è stata riscontrata alcuna rottura durante la vita dei componenti, anche nel caso d’impiego delle leghe nella

realizzazione di pezzi per applicazioni aerospaziali ad alte temperature (anche 600°C). Questa criccatura può

avvenire in forma intergranulare o transgranulare. Ogni tipo di titanio CP è sensibile in una certa misura a questatipologia di corrosione, le leghe alfa sono apparentemente le più interessate dall’attacco per stress corrosion in salecaldo, le leghe alfa-beta sono meno sensibili, ma la sensibilità cresce all’aumentare del contenuto di alluminio. Lalega Ti-8Al-1Mo-1V, sia laminata che ricotta due volte, ed anche la lega Ti-8Mn, che non contiene alluminio, sonomolto sensibili a questo tipo di corrosione. Leghe con resistenza intermedia sono Ti-6Al-4V, Ti-6Al-6V-2Sn e Ti-13V-11Cr-3Al. Una delle leghe più resistenti alla criccatura per stress corrosion in ambienti caldi e salini è la Ti-4Al-3Mo-1V. Se un campione in lega di titanio contenente una cricca per fatica preesistente è caricato in condizioni di sforzopiano, la presenza di acqua di mare ridurrà la resistenza del materiale alla propagazione della cricca. La sensibilitàdelle leghe di titanio, a questa forma di criccatura, è influenzata in modo negativo dalla presenza di quantità dialluminio, stagno ed ossigeno, mentre alcuni beta stabilizzatori, come niobio e tantalio, riducono il rischio d’attacco.

I diversi tipi di titanio CP, non sono influenzati da livelli di ossigeno inferiori allo 0.32%. Questi contenenti questa

quantità di ossigeno, mostrano una rapida propagazione della cricca in acqua marina, anche soggetto a bassi valori distress. Le leghe che mostrano una certa sensibilità alla rapida propagazione della cricca in acqua salata sono: titanionon legato, Ti-8Mn, Ti-3Al-11Cr-13V, Ti-5Al-2,5Sn, Ti-6Al-4V, Ti-8Al-1Mo-1V; la lega Ti-4Al-3Mo-1V non è interessatada questo tipo di fenomeno. Il grado di sensibilità di alcune leghe di titanio alla formazione di cricche per stresscorrosion in acqua salata, può essere miglioratp con un trattamento termico, cioè un rapido raffreddamento da


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temperature sopra la “beta transus”, mentre un invecchiamento a temperature comprese nell’intervallo 480-750°Ctende a ridurre la resistenza all’accelerazione della criccatura. L’infragilimento da metallo liquido è correlato allacriccatura per stress corrosion: il cadmio fuso, l’argento, il mercurio e le sue, creano criccature. Per ridurre laformazione di cricche, è richiesta deformazione plastica piuttosto che deformazione elastica.Corrosione galvanica

Quando l’area del materiale anodico è piccola rispetto a quella del titanio, si verifica una forte corrosione delmateriale anodico, nel caso in cui i ruoli dei due materiali siano invertiti, l’entità dell’attacco è inferiore. Il titaniodifferisce dalla maggior parte dei materiali in quanto, se accoppiato ad un metallo più nobile in una soluzione

aggressiva, il potenziale d’elettrodo del titanio tende ad aumentare e la velocità di corrosione diminuisce. Comeesempio pratico, si consideri il caso dei sistemi di canalizzazione per il trattamento dell'acqua di mare. Idealmente,questi potrebbero essere fabbricati interamente in titanio ma, dove ciò non è possibile, si usano leghegalvanicamente compatibili con il titanio, come Inconel 625 , Hastelloy C, 254 SMO, Xeron 100, o materiali compositiche possano essere impiegati a contatto diretto con il titanio. Nonostante parecchi acciai inossidabili altamentelegati e molte leghe a base nichel siano soltanto leggermente meno nobili del titanio nella loro condizione passivata,una volta che divengono attivi la velocità dell'attacco localizzato può essere estremamente alta, conducendo ad unarapida rottura.Resistenza ad erosione

L'erosione è una forma d'attacco accelerata, legata ad alte velocità dell'acqua ed a turbolenze locali che eliminanol'ossido superficiale dei metalli che si proteggono con film, esponendoli così all’ambiente corrosivo. A seguito della

sua capacità di riparare rapidamente il film d’ossido protettivo, il titanio ha una resistenza estremamente alta aquesta forma d'attacco. In acqua di mare pura, l'erosione è trascurabile fino ad alte portate (18 m/s). Questo metalloresiste persino ad acqua di mare (fluente a 2 m/s) contenente sabbia e polvere di SiC. La velocità d’erosione inqueste condizioni corrisponde ad una penetrazione di solo 1 mm durante quasi otto anni. È necessario sottolineare,tuttavia, che con polvere di SiC molto grezza ad alte portate, la velocità di erosione del titanio diviene superiore aquella di materiali come il cupro-nichel, poiché in queste condizioni, il film d’ossido non ha sufficiente tempo adisposizione per riformarsi ed il titanio sottostante ha durezza minore del cupro-nichel. Infine è stato ampliamentedimostrato, che il titanio rimane completamente inalterato in condensatori ed in dispositivi di raffreddamento per iltrattamento delle acque che hanno un contenuto elevato di sabbia, mentre nelle stesse condizioni il cupro-nichelpuò giungere a rottura in 2-3 anni.Corrosione per crevice

Il titanio è particolarmente resistente a questa forma di attacco e lo subisce solo in determinati casi specifici. Incondizioni di scambio di calore può verificarsi in soluzioni di cloruro di sodio a temperature inferiori a 70°C, ma ancheil pH della soluzione è importante. In soluzioni di sali di cloruri ad elevate temperature l’attacco avviene oltre i 90°C,con un incremento di frequenza nell’intervallo 150-200°C. Soluzioni acide e neutre provocano massima sensibilità aquesto tipo di corrosione, mentre non è stato osservato attacco a pH 9 o maggiori. Questo attacco avviene con lastessa frequenza per il titanio non legato e per le comuni leghe di titanio. Nel caso del titanio, forma e dimensionidella fessura, hanno un'influenza critica sul comportamento a corrosione, quando le due superfici sono così vicine daessere a contatto tra loro, esse o non sono bagnate dal corrodente o, se sono bagnate inizialmente, il flusso disoluzione è limitato e la corrosione è soffocata prima che il film d’ossido di titanio venga distrutto. Quando lesuperfici sono troppo lontane, la diffusione di ossigeno è sufficientemente veloce da passivare il materiale. Unfattore limitante nell'applicazione del titanio, in ambienti in cui sono presenti cloruri acquosi, può essere evitato con

l'uso di leghe titanio/palladio (2% di palladio) che elimina virtualmente il rischio di corrosione per crevice in acqua dimare, ma esse vengono attaccate fortemente dopo l’esposizione per un lungo periodo ad elevate temperature.

Lavorazioni del titanio

Fusione

Le grandi strutture in Titanio, ottenute per fusione, hanno successo commerciale e tecnico, come applicazionemotoristiche, per turbine sia terrestri che aeronautiche. Il processo di casting avviene per cera persa, con unostampo solitamente in alluminio.Forgiatura

Gli impianti di lavorazione delle leghe di Ti per forgiatura, devono applicare sforzi elevati in ambienti puliti. Infattil’atmosfera di lavoro è mantenuta inerte eper evitare l’interazione tra il Ti e il materiale dello stampo s’interpone unfoglio di materiale bassofondente. I forgiati in lega di titanio, offrendo un’unica combinazione di bassa densità, altaresistenza e durezza, buona resistenza alla corrosione, sono particolarmente usati per la produzione di componentistrutturali e per parti di turbine di aerei sia militari sia commerciali. A differenza delle leghe di alluminio e del ferroche riscontrano problemi nella produzione di forgiati, le leghe del titanio possono essere forgiate in intricate edinusuali forme di dimensioni abbastanza grandi e con proprietà meccaniche superiori. Molte proprietà come la


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duttilità, la resistenza a fatica e a creep, possono essere significativamente influenzate dalla forgiatura, questo unitoad un buon controllo della microstruttura è la chiave del successo della forgiatura delle leghe del titanio. Il maggiorfattore di caratterizzazione della forgiabilità delle leghe del titanio sono le temperature di forgiatura e la loro velocitàdi deformazione, per questo è stata introdotta la forgiatura isoterma che prevede un controllo mascherato dellatemperatura attraverso il riscaldamento della pressa alla stessa temperatura del materiale da lavorare. La maggiorparte del titanio usato per le forgiature è del tipo a-b con la fase a hcp compresa tra il 15% e il 30% in una matrice difase b, anche se esempi di forgiature con leghe in fase b esistono. Il vantaggio delle leghe di tipo b per i forgiati, ènella eccellente forgiabilità, la bassa temperatura di forgiatura, la possibilità di configurazioni complesse rispetto alla

classica lega Ti-6-4. La Ti-10-2-3 è usata anche nell’industria elicotteristica perché superiore alla meno costosa Ti-6-4nella resistenza a fatica (50% in più). Infatti la Westland Helicopter, usa questa lega per la produzione tramiteforgiatura di tre componenti della testa del rotore per l’elicottero Lynx:il mozzo, i bracci, e l’albero. Formatura Superplastica SPF/DB

Una riduzione del 50% dei costi e del 40% del peso, sono possibili con il processo della formatura superplastica con"bonding diffusion", ottenuto dalla North American Aircraft Division della Rockwell International. Il processo forniscedue inusuali proprietà della lega di Titanio 6Al-4V, la superplasticità e la diffusione del bondability, per produrrestrutture con configurazioni complesse. I benefici sono misurabili in comparazione con i componenti in lega dititanio, ottenuti con metodi convenzionali. Le limitazioni nell’efficienza e i costi eccessivi di questi processi di base,ne possono seriamente inibire l’uso per grandi applicazioni, sia come quantità sia come dimensioni, soprattutto nel

caso del titanio e delle possibili applicazioni nell’industria aerospaziale. La formatura superplastica con diffusione di

bonding, è un nuovo processo di fabbricazione che in parte risolve i problemi precedentemente elencati, quindipermette di ottenere strutture con configurazioni complesse unendo proprietà particolari come la superplsaticità acosti fino ad ora sconosciuti. La superplasticità, è un fenomeno dal quale il materiale riceve una straordinariapossibilità di flessibilità unita ad alta resistenza meccanica. I materiali che dimostrano queste proprietà sonocaratterizzati da una dimensione della grana molto fine, tipicamente circa 10 micron. La struttura della grana èuniforme su tutto il materiale e presenta resistenza a elevate temperature. Con qualche eccezione la legacommerciale 6-4 ha tutti requisiti, compreso la dimensione media dei grani, per essere considerato il materialemigliore tra le leghe del titanio lavorabile in SPF/DB. Questa lega è usata essenzialmente in condizioni diricristallizazione da invecchiamentoMetallurgia delle polveri

È possibile ottenere manufatti da polveri di Ti

puro o in lega come piatti e fogli di titanioporoso, che è stato studiato per fungere dasupporto meccanico per membraneelettrolitiche, per alte differenze di pressione,per celle per l’elettrolisi dell’acqua etecnologie simili. Piatti porosi spessi 5-10 mme fogli spessi 2.5-25 m sono prodotti perrullaggio di una billetta di polveri compresse,sinterizzazione, secondo rullaggio, e ricottura.Si sono ottenute una porosità del 50% con poriinterconnessi e una struttura a nido d’ape di

buone proprietà meccaniche, con un buonrapporto qualità-prezzo.

Elementi "Fully Dense" in lega di titanioSi possono ottenere prodotti "Fully Dense" in lega di Ti a partire da polveri prealligate a basso contenuto di Cl. Sirende necessario l’uso di polveri ottenute via HDH o MHR. Sono stati studiati manufatti ottenuti per pressione afreddo a 360 MPa, sinterizzati in vuoto a 1260°C per 2 ore e pressati isostaticamente a caldo a 927°C per 30 minuti.Si sono rilevate proprietà meccaniche analoghe o superiori ai manufatti prodotti in modo tradizionale da trafilati.Laser Forming

La Aeromet Corporation di Eden Prairie (Minnesota), ha sviluppato Lasform, un processo di fabbricazione per

addizione con laser (LAM) per la realizzazione di componenti 3-D densi (porosità residua minore del 2%),direttamente dal modello CAD alla forma finita. Il macchinario lavora come un plotter controllato dal computer: latestina di stampa è costituita da un serbatoio di Ti in polvere (anche in lega) e da un potente laser (circa 20kW) chefonde la polvere depositando uno spot di metallo che si salda sul precedente. Una volta creato, il pezzo necessitasolo di un’eventuale lavorazione superficiale per ridurre la rugosità o aggiustare le tolleranze più strette


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(attualmente il processo ha una precisione di circa 0.8 mm) e di eventuali trattamenti termici. Il processo permettedi produrre pezzi in lega di Ti solo se si parte da polveri già alligate, ottenibili solo dai processi HDH e MHR. Questatecnica non necessita né di sinterizzazione, né dei costosi stampi e calcoli necessari. Si ottengono manufatti dimigliore e più precisa resistenza a fatica grazie alla grana fine e omogenea generata dal processo. Non permette,però, le grandi produttività dei PIM ed è quindi più indicato per piccole produzioni o per realizzare prototipi.Materiali Compositi

I materiali compositi a matrice di Titanio hanno riscosso, soprattutto nell’ultimo decennio, un notevole

interesse nel mondo scientifico per le prospettive d’impiego in condizioni d’operatività contraddistinte da

temperature e sollecitazioni estreme. Le caratteristiche d’alta resistenza a bassa temperatura ed a creep,rispetto alla lega della matrice, elevano le prestazioni dei motori a turbina a livelli non raggiungibili con i

materiali normali. Le matrici che maggiormente sono state studiate nei compositi sono Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn

e Ti-6Al-4V, grande interesse hanno recentemente suscitato le matrici costituite da leghe di Nb e Ti3Al a

fase ortorombica (O) basate sul composito Ti2AlNb. Tra le fibre maggiormente utilizzate troviamo la SCS-6,

fibra di carburo di silicio rivestita di C+SiC. Per quanto riguarda le tecniche di produzione dei compositi a

matrice di Titanio, si possono elencare le seguenti: Tecniche di produzione in situ

Sono le tecniche maggiormente utilizzate per la realizzazione dei compositi a matrice di Titanio a rinforzodiscontinuo (TMC-DR), dove il rinforzo è generato direttamente all’interno della matrice. Un vantaggio di questo tipod’approccio sta nel fatto che l’interfaccia tra rinforzo e matrice tende a rimanere esente da difetti quali

adsorbimento di gas o presenza di strati di reazione, che ne comprometterebbero le caratteristiche. Grandevantaggio di questa famiglia di processo, è che la fase rinforzante e omogeneamente distribuita nella fase matrice eche le dimensioni e le spaziature del rinforzo possono in qualche modo essere controllate attraverso le modalità disolidificazione e dai tempi di reazione. Questa tecnologia offre, a costo relativamente basso, la possibilità dicombinare resistenza e tenacità aumentando il rapporto matrice/rinforzo. Come limite c’è la bassa orientabilità delrinforzo in seno alla matrice e la difficoltà nel controllare la cinetica dei processi chimici o la forma delle fasirinforzanti. Ne fan parte: Solidificazione direzionale di liquidi eutettici, Ingot metallurgy, Rapid solidificationprocessing powder metallurgy (RSP/PM), Sintesi da reazione chimica, Dispersione esotermica (XD), Self-propagatinghigh-temperature synthesis (SHS)Tecnologie di sinterizzazione per la produzione di TMC con rinforzo discontinuo:Powder metallurgy (PM), Gas atomization, Powder blending, Mechanical milling, HIP

Tecnologie di sinterizzazione per la produzione di TMC con rinforzo continuofoil/fibre/foil (diffusion bonding), Powder cloth-metod, Weaving, Filament winding, Spray forming, Electric arc

spraying, Plasma spraying, Physical vapour deposition (PVD), EBED, Sputtering, Triode sputteringTrattamenti Termici

Il titanio e più in particolare le leghe dalla famiglia alfa + beta, può essere trattato termicamente al fine dimigliorarne le proprietà tecnologiche. Per tali operazioni sono generalmente necessari forni sofisticati, in grado dioperare sotto vuoto o dotati di controllo dell’atmosfera, in modo da controllare l’elevata reattività a caldo del titaniocon idrogeno, ossigeno e azoto. La contaminazione da parte di questi ultimi, a temperature elevate, porta in generealla comparsa di fenomeni d’ infragilimento e criccature.Trattamenti di ricottura: Consistono in un riscaldamento del materiale al di sotto della temperatura di transizione alfa-beta (883°C per il

titanio puro e superiore nelle forme legate). Non comportano modificazioni nella microstruttura del materiale.Hanno l’obbiettivo di attivare termicamente dei processi di riassestamento del reticolo cristallino deformato econsentendo di rimuovere le tensioni accumulate durante i processi di formatura per deformazione plastica. Laricottura viene generalmente eseguita sui prelavorati, in modo da “addolcire” il materiale prima delle successive

lavorazioni secondarie, ma può anche essere effettuata come trattamento a termine. In questo caso le proprietàmeccaniche, non saranno quelle massime ottenibili con il titanio ma si disporrà comunque di una elevata duttilità.Trattamenti di bonifica (tempra + invecchiamento): Comportano delle trasformazioni di fase: si effettuano riscaldando il materiale al di sopra della temperatura ditransizione alfa-beta con una permanenza di 10-30 minuti nel campo di stabilità bifasico (alfa+beta) o monobasico(beta) a seconda dei casi. La tempra fa si che una parte della fase beta metastabile, non abbia il tempo di ritornarealla configurazione stabile alfa rimanendo “intrappolata” nel reticolo cristallino, anche a temperatura ambiente. La

percentuale di fase beta residua, può essere variata a piacimento (gestendo temperature, tempi di permanenza evelocità di raffreddamento) ed in generale un suo aumento comporta miglioramenti di resistenza a trazione esnervamento e modulo elastico, a prezzo di una minore duttilità. L’effetto combinato della presenza di fase beta edelle notevoli tensioni residue generate dal trattamento, possono però rendere estremamente fragile il componenteche viene quindi nuovamente riscaldato (rigorosamente al di sotto la temperatura di transizione) e raffreddato in


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modo lento, in quello che viene generalmente indicato con trattamento di invecchiamento. Con la bonifica si riescead ottenere ottime proprietà meccaniche (resistenza a trazione superiori ai 1000Mpa), con buone doti di duttilità. Itrattamenti superficiali, a differenza di ricottura e bonifica, non modificano direttamente le caratteristichemorfologiche o microstrutturali del materiale di base ma si limitano ad alterarne le caratteristiche nella zonasuperficiale, ricoprendo quest’ultima con materiali di riporto dalle specifiche caratteristiche.Rivestimenti e Trattamenti Superficiali

Rivestimenti antiossidazione L’elevata reattività a caldo del titanio ne compromette la resistenza a corrosione. Infatti, a temperatura ambiente lo

strato di ossido che si forma in superficie è compatto e stabile, a temperature superiori ai 400°C circa questocomincia a dissolversi andando a formare un composto a base di ossidi di titanio e alluminio poroso non protettivo.Per ovviare a questi problemi sono stati sviluppati specifici processi di rivestimento antiossidante che negarantiscono l’integrità a temperature superiori. Questo tipo di tecnologia risulta in genere meno sofisticata e quindipiù economica rispetto ai rivestimenti PVD.Incremento del film superficiale.

Lo spessore del film d’ossido naturale presente sul titanio può essere aumentato artificialmente per fornire unrivestimento, che ha lo scopo di evitare l’usura in situazioni di contatto per scorrimento, che coinvolgono carichileggeri a basse velocità. Il metodo più comune, è l’anodizzazione in elettroliti acidi o alcalini. L’anodizzazione insoluzione acida provoca un film di spessore dipendente dalla tensione applicata. Per mezzo di un elettrolita alcalino,invece può essere prodotto un ossido poroso di un certo spessore, all'interno del quale possono essere incorporati

lubrificanti solidi convenzionali, come bisolfuro di molibdeno. Pur non essendo adatto ad applicazioni in cuicompaiono alti carichi, l’incremento dello spessore del film d’ossido superficiale, presenta il vantaggio di essererelativamente poco costoso, di essere effettuato a temperatura ambiente, in modo da non provocare la completadeformazione del componente e di non aver alcun effetto negativo sulla resistenza a fatica del titanio stesso.Recentemente, è possibile aumentare lo spessore del film d’ossido tramite riscaldamento controllato del materiale.Ciò ha un effetto benefico sulla resistenza ad usura e permettere l’utilizzo del titanio in condizioni molto più gravoserispetto a quelle in cui possono essere utilizzati i film d’ossido prodotti convenzionalmente. Conversione dei rivestimenti

Durante trattamenti termici a temperatura relativamente elevata, numerosi elementi possono diffondere all’interno

della superficie del titanio per fornire uno strato superficiale duro. Un esempio è la carbonitrurazione, che avvieneimmergendo il componente da trattare in un bagno fuso di cianuro a circa 800°C. Anche se questo processo migliora

sostanzialmente la resistenza ad usura, la temperatura a cui viene effettuato può causare problemi di deformazionedel componente trattato, inoltre la maggior parte dei rivestimenti di conversione provoca una forte diminuzionedelle proprietà a fatica del titanio. Forme alternative del rivestimento di conversione son: borodizzazione,carburazione, cianurizzazione e trattamenti di diffusione di alluminio, rame, cromo e stagno. L'ultima versione diquesti processi è il laser o l’alligazione superficiale con fasci elettronici. In questo caso, il rivestimento superficiale sultitanio viene fuso e successivamente lo strato fuso è raffreddato velocemente.Processi di deposizione per riduzione o per elettrolisi

È difficile depositare metalli sul titanio a causa della presenza del film d’ossido stabile sulla sua superficie. Tuttavia, letecniche che si stanno sviluppando attualmente permettono di depositare rivestimenti aderenti alla superficie edalcuni di questi, come la deposizione di cromo duro, forniscono al titanio buona resistenza ad usura. Similmente, unadeposizione di nichel per riduzione può consentire un miglioramento nella resistenza ad usura, specialmente se nel

rivestimento vengono incorporati PTFE o materiali ceramici. A seguito del miglioramento della resistenza ad usurapuò verificarsi un deterioramento delle proprietà a fatica del titanio, le quali possono essere in gran parte ristabiliteattraverso la pallinatura del componente prima dell’operazione di deposizione. Fiamma, plasma e rivestimenti a spruzzo con pistola per detonazione

La tecnica è ampliamente usata nell'industria aeronautica. Può essere ottenuta una soddisfacente aderenza tra ilsubstrato ed il rivestimento. Normalmente la resistenza a trazione e la resistenza a fatica del titanio, vengono ridottein seguito a questi rivestimenti. Le caratteristiche superficiali del prodotto finale sono quelle del rivestimento epossono essere selezionate a seconda dell'applicazione grazie alla versatilità dei processi attraverso cui sonorealizzati i rivestimenti stessi. La spruzzatura di molibdeno al plasma ed alla fiamma è stata effettuata in modosoddisfacente per sviluppare e proteggere le superfici di titanio in contatto per scorrimento, per esempio, sugli stelidelle valvole delle automobili e sulle facce scorrenti delle bielle in lega di titanio.

PallinaturaRiduce attrito ed usura, può essere molto utile per ristabilire le proprietà a fatica del materiale trattato mediantealtre tecniche. Viene effettuata prima dell’operazione di rivestimento, ma può dover essere eseguita in seguito alrivestimento stesso se quest’ultimo coinvolge il riscaldamento del titanio, che provocherebbe il rilassamento degli

sforzi introdotti durante la pallinatura.


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Rivestimenti di nitruro Hanno durezza di circa 2000 HV e basso coefficiente d’attrito. Sonostati sviluppati per il trattamento degli acciai da utensili, possonoavere un effetto benefico sulla resistenza ad usura, a scapito di unariduzione delle proprietà meccaniche, principalmente della resistenzaa fatica, che può essere recuperata tramite pallinatura. Nellanitrurazione al plasma, la superficie è attivata da plasma in atmosferadi azoto o di ammoniaca. Altre tecniche per introdurre azoto

all’interno della superficie sono l'impianto ionico e la nitrurazione congas ad alta pressione, però il procedimento oggigiorno più diffuso pereseguire rivestimenti in materiali duri, quali nitruro di titanio (TiN),carbonitruro di titanio (TiCN), nitruro di titanio ed alluminio (AlTiN),nitruro di cromo (CrN) e nitruro di zirconio (ZrN) è quello denominatoPVD, ossia Physical Vapour Deposition. Questa tecnologia hal’obbiettivo di aumentare la resistenza all’usura d’attrito e di adesione,portando anche ad apprezzabili incrementi di resistenza allacorrosione acida. Queste caratteristiche ne fanno una delle tecnologieindispensabili nella produzione di componenti in lega di titanio

soggetti a strisciamento, che altrimenti andrebbero incontro ad una rapidissima usura generando tra l’altro

surriscaldamenti per attrito inaccettabili. La profondità varia generalmente tra i 20 e i 120μm.Questo procedimentoviene eseguito in camere ermetiche a temperature di circa 400°C in cui una scarica elettrica è fatta passareattraverso un gas rarefatto, generalmente di 0.00003 bar. Queste condizioni consentono di realizzare un arcoelettrico tra il componente da rivestire (polo positivo), ed il materiale di riporto (polo negativo), in genere inseritonel forno sotto forma di pastiglie. Con differenze di potenziale di 250V e correnti prossime agli 80A si determina lavaporizzazione della pastiglia e la conseguente migrazione dei vapori verso la superficie del componente da rivestire,per effetto del campo elettrico. Le proprietà dei rivestimenti in materiali estremamente duri sono molto utili perridurre l’usura e, dunque, per aumentare la vita operativa di utensili e stampi. Tali rivestimenti, si possono applicaresoltanto su materiali metallici, in quanto il processo fa capo a fenomeni elettrici che presuppongono una buonaconducibilità del supporto da rivestire. Dal momento che le temperature in gioco durante la deposizione dello stratosono relativamente elevate (circa 400° C), il metallo da trattare non deve subire trasformazioni strutturali o chimico-

fisiche tali da alterarne le caratteristiche meccaniche finali. I rivestimenti possono solo essere fatti su materiali durigià in partenza poiché, se venissero eseguiti su materiali teneri, a cedere sarebbe non il rivestimento ma il materialesottostante. Nel settore dei rivestimenti ceramici anti-usura il riporto PVD più utilizzato a livello industriale è ancorasicuramente il Nitruro di Titanio (TiN)

Proprietà del Nitruro di Titanio (TiN) - PVD

Proprieta` Fisiche Proprietà Chimiche

Punto Fusione: 2.930-2.950 °CDurezza: 2.200-2.500 HV a 20 °C 200 HV a 1.000 °CCoefficiente dilatazione termica: 9,35 x.10-6 x °C-1Conducibilità termica (25°C): 0,046 cal-cm/sec-cm2 °CConduttività termica: 0,07 cal x s-1 x cm-1 x °C-1

Modulo di Young: 30 x 10 4 Kg/mm.2Densità: 5,4 gm/cm3Resistività elettrica (25°C): 25 w x cmCoefficiente d’attrito dinamico: 0,05-0,10 (TiN su TiN)Coefficiente d’attrito statico: 0,13-0,15 (TiN su TiN)Coefficiente d’attrito contro 100C6: 0,65Carico Critico di adesione: 70-80 NRugosità superficiale su substrato: Ra: 0,10; Rz: 3,2(spessore TiN 5 mm) con Ra: 0,02 e Rz: 0,12

Il TiN non è attaccato dai seguenti acidi: HCL, HNO3,H2SO4Il TiN si dissolve facilmente in acqua regiaIl CO, H2, N2 non reagiscono con il TiNIl NO e O2 ossidano rapidamente il TiN ad elevata

temperatura (1.200 °C), mentre la reazione è più lentain presenza di CO2Il TiN si ossida a partire da 320 °C in presenza di misceleO2-Ar, e tale ossidazione accellera progressivamentecon l'aumentare della temperatura

Ottimi risultati sono stati ottenuti anche nel campo della deformazione plastica a freddo, con il rivestimento dipunzoni e matrici aventi tolleranze dimensionali strette o con requisiti di rugosità superficiali molto elevati

(lappatura). Nelle applicazioni sugli utensili i film di TiN sono utilizzati per le loro caratteristiche di refrattarietà comebarriere termiche per la dissipazione del calore sviluppato durante le lavorazioni. Inoltre i riporti di TiN riducononotevolmente le forze d'attrito tra utensile e materiale lavorato, limitano le interazioni fisico-chimiche fra utensile etruciolo e di incollaggio del materiale sugli spigoli taglienti. Infine l'elevata durezza del TiN riduce i fenomeni dicraterizzazione e limita i fenomeni di abrasione e usura. L'effetto globale dei riporti di TiN sugli utensili in generale si


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traduce in un incremento della vita utensile, in un miglioramento della qualità delle superfici lavorate, in un aumentodella produttività delle macchine utensili. Inoltre l'evoluzione tecnologica dei processi PVD ha portato allacostruzione di impianti di dimensioni sempre maggiori con la possibilità di rivestire utensili di lunghezza fino a 2-3 m.,e un numero di componenti molto elevato nella stessa carica di rivestimento. Un'altra caratteristica moltoimportante dei riporti PVD è la possibilità di rivestire più volte lo stesso utensile. Oltre a questi campi di applicazionel'utilizzo dei rivestimenti PVD-TiN si sta estendendo in campi molto diversificati fra loro per migliorare lecaratteristiche superficiali antiusura, anticorrosione o decorative di componenti costruiti soprattutto in acciaio e incarburo. Per quanto riguarda le applicazioni nell'industria biomedica, il rivestimento di protesi con strati di TiN riduce

notevolmente il coefficiente d'attrito, aumenta la durezza superficiale e la resistenza alla corrosione riducendol'interazione dei liquidi biologici con i metalli base, e diminuendo il rischio di rigetto.Attualmente al rivestimento standard con TiN si sono affiancati i seguenti rivestimenti:TiCN: con caratteristiche elevate di tenacità e di durezza il carbonitruro di Titanio è adatto per il rivestimento diutensili nella lavorazione di materiali acciaiosi, soprattutto nelle operazioni con taglio interrotto (fresatura).TiAlN: possiede un'elevata resistenza all'usura e all'ossidazione ad alta temperatura; inoltre forma uno stratoesterno di Ossido d'alluminio (Al203), quando questo riporto viene esposto ad elevate temperature. La formazione ditale ossido riduce i fenomeni di diffusione sulla superficie rivestita e diminuisce l'usura per diffusione presente sugliutensili. Per quanto riguarda la resistenza all'ossidazione, mentre il TiN inizia ad ossidarsi a temperature inferiori a500 °C, il TiAlN inizia ad ossidarsi solo a temperature oltre i 700 °C. Il TiAlN è adatto per il rivestimento di utensilinella lavorazione di materiali altamente abrasivi (ghise, superleghe…) e operazioni ad elevata velocità di taglio.

Ti2N: questo rivestimento di colore grigio-argento, possiede delle caratteristiche, non ancora del tutto esplorate, chesono soprattutto un’elevata tenacità e un basso coefficiente d’attrito.Colorazione

È dovuta a fenomeni di interferenza ottica, in funzione del potenziale finale raggiunto. Se il potenziale finale vienemantenuto per un certo tempo, ad esempio alcuni minuti, lo spessore dell’ossido cresce di alcune decine dinanometri e quindi si ottengono colori posizionati più in alto nella scala cromatica. Le proprietà dei film colorati chesi formano durante il processo di anodizzazione del titanio sono fortemente condizionate dalla fase iniziale deltrattamento. Se il primo film si forma con adeguata morfologia e nano struttura, anche il film che si accrescesuccessivamente conserva tali proprietà. Se invece il primo film si forma in modo incontrollato, il film che si accrescesu di esso diviene non aderente e fragile. Seguendo le stesse procedure e le stesse condizioni operative, e se ilmateriale dipartenza è identico, si ottiene una perfetta riproducibilità del colore. Utilizzando leghe di titanio e non il

metallo commercialmente puro si ottengono colori molto simili, ma non identici almeno per colori superioriall’azzurro. Differenze spesso modeste tanto, praticamente impercettibili si osservano anche su campioni di titaniodiversamente incrudito. Molto importante nel determinare la brillantezza dei colori è la lucentezza di partenza delmateriale. La sensazione cromatica è fortemente dipendente dalla finitura superficiale. Colori lucidi si ottengono solopartendo da superfici lucide. Superfici sabbiate o rugose tendono a dare colori pastello.

COLORI ottenibili con i Processi PVD

TiNxTiCxNxTiZrNxTiCxTiAl based

giallo leggero/oro/giallo ottone/bronzooro/violetto/marrone/rossastrooro/giallo/verde/ rossogrigio chiaro/ grigio scuromarrone/giallo/grigio/violetto/blu-rame-marrone/rossastro

Titanio nel campo BiomedicoSono stati fatti veloci e significanti progressi nello sviluppo di strumentazioni mediche e impianti che raggiungonoanche la durata di più di venti anni. I materiali richiesti devono essere sempre più sofisticati e il titanio e le sue leghesono stati sperimentati in numerose situazioni. Il successo “clinico” è dovuto alle buone proprietà meccaniche, allaresistenza alla corrosione e una superiore biocompatibilità.Biocompatibilità

Avendo estremamente bassa tossicità è ben tollerato sia dai tessuti ossei che molli. Inoltre, esami istopatologici nonhanno rilevato cellule mutate vicino agli impianti. È stato osservato con analisi spettrochimiche un aumento dielementi metallici nei tessuti adiacenti. Comunque non sono stati rilevati effetti clinici negativi. Si ha un inscurimentodel tessuto molle adiacente all’impianto di titanio CP, che può essere dovuto alla bassa durezza e alla scarsaresistenza all’abrasione del materiale non legato. Il titanio forma prontamente ossido di titanio o ossidi complessi e

composti idruri. Quindi è possibile che parte del materiale rimosso dall’impianto sia immediatamente stabilizzatodalla formazione di questi composti inerti e i tessuti non danno risposta agli ossidi di titanio inerti chimicamente.L’ossido di titanio è usato in creme per trattamenti dermatologici. Attenti esami dei tessuti adiacenti alla lega Ti6Al4Vhanno rilevato né cellule grandi non macrofaghe, né altri segni di infiammazione. Il materiale si è rivelato quindisicuro in applicazioni intravascolari grazie alla alta elettronegatività e alla superficie passive.


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Figura 4: processi chimici che avvengono all’interfaccia impianto biotessuti. LA LEGA TI-6AL-4V:

Questa designazione identifica tutte quelle leghe a base di titanio il cui contenuto di alluminio e vanadio èrispettivamente compreso tra 5.5-6.75% per l’alluminio e 3.5-5% per il vanadio. In realtà la definizione dellacomposizione di tali leghe impone limiti anche su diversi altri elementi (carbonio, ferro, idrogeno, azoto, ossigeno ealtri) e, come già accennato nella prima sezione, per ciascuna nazione esistono diverse specifiche con limitileggermente diversi per alcuni elementi.

I trattamenti termici, le lavorazioni ed eventuali rivestimenti superficiali a cui viene sottoposta una lega con una

determinata composizione possono determinare caratteristiche anche molto differenti. Parlando di Ti6Al4V siintenderà quindi una famiglia di materiali le cui esatte caratteristiche saranno di volta in volta progettate in funzionedelle specifiche esigenze. Tra i titani legati la lega in esame è certamente quella che ha trovato maggiore sviluppo incampo industriale ed il suo consumo è pari a circa il 50% della produzione totale di titanio. L’industria aerospaziale


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ne impiega oltre l’80%, il settore delle protesi mediche circa il 3% mentre il resto si divide tra i restanti impieghiindustriali. Questa lega è caratterizzata da un’elevata versatilità, ed è utilizzabile anche a temperature comprese tra i400 e i 500°C. Tra le principali varianti di questa lega si nominano la Ti-6Al-4V Grado Eli (Extra Low Interstitial), chepresenta tolleranze più strette per quanto riguarda presenza di ossigeno e ferro (0,13% maxO, 0,25% maxFe), ed ècaratterizzata da ottima duttilità e resistenza fino a temperature criogeniche (-190°C: azoto liquido; -224°C elio).Un’altra variante, ottenuta con l’aggiunta dello 0’2% di palladio, è la Ti-6Al-4V Pd che garantisce invece eccellentidoti di resistenza a corrosione, peraltro già ottime nella formulazione di base.CARATTERISTICHE DELLA LEGA TI6AL4V:

Sotto è presente un Illustrazione schematica della formazione della classica struttura nella lega Ti6Al4V mediantelento raffreddamento da una temperatura superiore a beta transus. La microstruttura finale è determinata da piattidi fase alfa separati tra loro da fase beta

La densità, la temperatura di fusione e modulo elasticovarino dal titanio puro del 2.4%. Il calore aumenta di circa il10%. Mentre, il Ti6Al4V assume proprietà termicamente edelettricamente isolanti (in termini relativi) grazie ad unaconducibilità termica dimezzata ed una resistività, più chetripla nei confronti del Ti puro.Confontandolo con altri materiali:- bassa densità rispetto agli acciai (circa –45%), ma

maggiore rispetto alle leghe di alluminio e di magnesio(rispettivamente +36% e +61%), con un rapportoprestazioni-peso comunque favorevole- elevata temperatura di fusione, superiore anche aquella di acciai legati e inox (circa +7% e + 14%rispettivamente), oltre che, ovviamente alle leghe dafonderia di alluminio e magnesio- modulo elastico inferiore rispetto agli acciai (circa lametà) ma superiore a quello di alluminio e magnesio legati(rispettivamente di circa +55% e +145%)

- calore specifico paragonabile agli acciai e di quasi il 70% inferiore alle leghe di alluminio e magnesio;

- conducibilità termica bassa, gli acciai ed il magnesio presentano valori circa doppi e quelli tipicidell’alluminio sono superiori di circa il 50%

- coefficiente di espansione termica della Ti6Al4V è appena inferiore a quella del metallo puroNella lega Ti6Al4V la resistenza a corrosione, subisce un decadimento ma rimane comunque al di sopra deglistandard di leghe leggere e acciai, compresi gli inox. L’allungamento a rottura, da cui dipendono duttilità e tenacità èinferiore mediamente 15 %, rispetto il CP, che rimane comunque un valore superiore a quello dei già buoni acciai dabonifica (7-10%).In ogni caso i valori rimangono compresi tra il 5 e il 15% per le leghe di magnesio e tra il 2 e il 10%per quelle di alluminio e quindi garantiscono una duttilità mediamente inferiore a quella del Ti6Al4V. Questagarantisce il miglior compromesso nelle leghe di titanio per la facilità nel saldare, lavorare ad utensile e per ladeformazione plastica, versatilità e costo.Resistenza a trazione (o carico di rottura):

Per la lega Ti6Al4V può superare il valore di 1200 Mpa incomponenti allo stato ricotto, risulta generalmenteinferiore ai valori ottenibili con acciai altoresistenziali (finoa 1500 Mpa per gli acciai da bonifica), ma superiore aquella delle leghe di alluminio (non più di 700 Mpa) eancor più del magnesio che anche nel caso di componentilaminati a freddo non supera i 260 GPa. Tale valore risultaperaltro notevolmente influenzato dai trattamenti termicieffettuati, con cui si possono ottenere guadagnidell’ordine dei 200 Mpa e, se pur in modo minore, daltenore di ossigeno che permette di avere incrementi di

70-100 Mpa. A fianco è riportato l’andamento dellaresistenza a trazione e di resistenza allo snervamento, infunzione del contenuto di ossigeno, misurato su campioni

sottoposti ad annealing e successivo raffreddamento in aria. Anche la presenza di fibrature indotte da lavorazioni incampo plastico possono indurre considerevoli aumenti della resistenza a trazione, dell’ordine circa di quelli ottenibili


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con trattamenti termici. A titolo di esempio si riportano i valori di resistenza a trazione e snervamento di un provinomisurati in direzione rispettivamente parallela e perpendicolare alla fibratura.

Resistenza a compressione Varia considerevolmente in funzione dei trattamenti termici eseguiti sul materiale e dei processi produttivi. I valorimassimi ottenibili sono paragonabili a quelli dei migliori acciai inox austenitici, inferiori di circa il 40% rispetto agliacciai altolegati e più che doppi di quelli tipici delle leghe di alluminio.

Decisamente interessante è inoltre la resistenza a snervamento in compressione delle leghe Ti6Al4V, cheraggiungono valori leggermente superiori alla rispettiva grandezza misurata in trazione, cosa che invece non siriscontra in materiali più prestazionali quali gli acciai da bonifica, per i quali il carico di snervamento a compressioneè di circa due terzi rispetto a quello di trazione.

Comportamento a fatica Generalmente riferito al limite a fatica, che èdefinito come il carico per il quale si garantisce al90% l’indennità del componente dopo 2X106 cicli disollecitazione. Tale grandezza che per le legheTi6Al4V può variare tra i 500 e i 700Mpa, è difondamentale importanza nella progettazione diparti soggette a sollecitazioni variabili con elevatefrequenze e non è propria di tutti i materiali. Per lamaggior delle leghe leggere sottoposte a carichiciclici, infatti non esiste un valore di tensione al di

sotto del quale è garantita una vita indefinita delcomponente e la progettazione deve quindi esserefatta per un certo numero di cicli. Le curve a fiancoriportate consentono di osservare come ilcomportamento fatica del Ti6Al4V sianotevolmente influenzato dalla morfologia delmateriale. In linea generale si può affermare chetutte le modifiche che comportano un incrementodella resistenza a snervamento inducono anche unmiglioramento della resistenza a fatica. Inparticolar modo risultano favorevoli microstrutture

alfa aciculari e morfologie a grana fine. In relazionea quest’ultima si osservano infatti valori di tensionilimite decisamente superiori in campioni sottopostia raffreddamenti rapidi (durante i quali la velocità

di nucleazione dei grani prevale su quella di accrescimento degli stessi, producendo morfologie a grana fine) durante


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trattamenti termici di solubilizzazione da temperature di stabilità della fase beta. Nel grafico sotto è rappresentatoesplicitamente l’effetto della dimensione dei grani per leghe di titanio preparate con diversi trattamenti termici.

Tenacità a frattura

Tale proprietà è descritta attraverso unparametro K detto fattore di intensificazionedegli sforzi. Esso fornisce una stima dell’effettivo

stato di sforzo cui è soggetto il materiale nel casodi presenza di cricche, che chiaramentedeterminano a livello locale delle condizioni dimaggiore criticità. Tale valore è quindiconfrontato con un parametro sperimentale (Kc,ovvero K critico), che altro non è che il valoreassunto da K in condizioni di incipientepropagazione instabile della cricca (in altre

parole se per un certo carico applicato K=Kc vuoldire che il componente si sta rompendo). La legaTi6Al4V presenta una buona tenacità a frattura(che vuol dire alti valori di Kc), superiore a quelle

delle leghe di alluminio e magnesio ma inferiore a quelle eccellenti degli acciai. In termini generali si può affermareche le condizioni favorevoli all’incremento di tali caratteristiche sono l’assenza di fase beta non trasformata e lapresenza di morfologie lamellari della fase alfa beta. Per impieghi inoltre che richiedono una elevatissima tenacità afrattura si ricorre all’uso della lega Ti6Al4V Grado Eli può presentare valori di Kc anche doppi rispetto a quelli delleTi6Al4V con normali tenori di ossigeno. I valori tipici di Kc per la lega Ti6Al4V variano tra i 33 e gli oltre 110 Mpa*m1/2 e risultano quindi estremamente variabili in funzione del tenore di ossigeno e dei trattamenti termici eseguiti sulmateriale. In particolar modo trattamenti di solubilizzazione da fase beta, quindi superiori ai 980°C, possono

produrre, a parità di resistenza allo snervamento, valori di Kc superiori del 50% rispetto a trattamenti analoghieseguiti da temperature distabilità bifasica alfa-beta.Per quanto riguarda latemperatura deltrattamento di annealing siregistrano valori crescenticol crescere dellatemperatura comemostrato a fianco.

Resistenza all’impatto

I valori tipici delle legheTi6Al4V per le due prove condotte a temperatura ambiente sono rispettivamente di 20J e 24J circa. All’aumentare


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della temperatura il favorito comportamento plastico del materiale permette assorbimenti di energia superiori comemostrato dai due grafici sottostanti, tracciati da prove rispettivamente Izod e Sharpy condotte a diverse temperatureper provini rinvenuti di Ti6Al4V.

Resistenza alle alte temperature

Si caratterizza valutando la variazione delle precedenti grandezze all’aumentare della temperatura. La Ti6Al4Vpresenta un buon comportamento meccanico fino a temperature ed è comunemente impiegato a temperatureanche superiori ai 300-350°C. Rispetto agli altri materiali di riferimento, risulta inoltre inferiore ai migliori acciai dabonifica ed inox austenitici, ma nettamente superiore rispetto a alluminio e magnesio, come è del resto logicoaspettarsi da materiali che hanno trovato largo impiego in fonderia grazie proprio alle basse temperature di fusione.Particolarmente importanti ai fini del mantenimento dalle caratteristiche meccaniche, sono i trattamenti termicieseguiti sul materiale. A seguito si riportano a fine comparativo le resistenze a trazione di campioni di Ti6Al4V fino atemperature di quasi 600°C, precedentemente sottoposti a trattamento di annealing e tempra (1 ora a 955°C,raffreddamento in acqua, invecchiamento di 4 ore a 525°C e raffreddamento finale in aria).

Analogo discorso per la resistenza a rottura e a snervamento in compressione i cui valori in funzione dellatemperatura sono riportati nei grafici a seguito:

Da notare nel grafico a fianco, lasostanziale ininfluenza del tempodi permanenza ad altatemperatura al di sopra dei 30minuti, poiché il decadimentodelle proprietà meccanicheavviene in modo rapido nei primiminuti di esposizione.


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Resistenza a creep

L’ elevata resistenza termica della lega in esame simanifesta anche in un’ottima resistenza al creep. Ingenerale si può affermare che la fase alfa conferiscemigliori doti di resistenza a creep rispetto alla fasebeta e che quindi risulta importante valutareattentamente le temperature di annealing, da cuidipendono i prodotti di tempra, a cui sottoporre ilmateriale. Un modo per incrementare le doti diresistenza a creep della lega Ti6Al4V, buona macomunque inferiore rispetto a quella di altre leghedi titanio appositamente formulate), senzaaumentare troppo la frazione di fase beta,producendo un’infragilimento del materiale, èquello di indurre un’alterazione della struttura

cristallina da equiassica ad acculare.Modulo di Young

Il valore del modulo elastico per questa lega oscilla in unrange abbastanza ampio e comunque intermedio tra ivalori tipici dei materiali a base di Titanio. In letteraturasono riportati valori compresi tra i 100 ed i 130 GPa per laTi6Al4V, valore abbastanza elevato ma non eccezionaleper materiali di impiego strutturale. Per un raffronto dimassima si ricorda che per gli acciai superanogeneralmente i 200-210 Gpa mentre per le principalileghe di alluminio e magnesio i valori tipici sonorispettivamente di 70 e 45 Gpa. In generale si puòaffermare che per questi tipi di lega multifase il valore delmodulo elastico è determinato dalla media dei valoridelle due fasi quindi dalle rispettive frazioni in volume,e che aumenta all’aumentare della concentrazione di

stabilizzanti della fase alfa. Anche i trattamenti termicidi bonifica hanno una notevole influenza sul valorefinale di E, in particolar modo l’ageing risultaindispensabile per un ripristino a valori accettabili delmodulo elastico dopo le operazioni di tempra condottedalla temperatura di 800°C. In queste condizioni siassiste infatti ad un brusco calo del modulo elastico Conle operazioni di ageing si può recuperare in buona partetale variazione con aumenti anche dell’ordine dell’8%.

Piccole variazioni si possono inoltre avere per lapresenza di impurità (non oltre il 3% con normalistandard qualitativi di produzione), ed in particolarmodo di ossigeno come rappresentato a fianco.


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Un ulteriore modo per intervenire sulle proprietàelastiche del materiale è quello di sottoporlo adeformazione plastica, inducendola formazione localedi martensite secondaria, che gli conferisce unaelevatissima rigidezza. A fianco è riportato un esempiorelativo ad un provino ottenuto per sinterizzazione a1260°C sottoposto a tempra in acqua einvecchiamento. Sempre attraverso deformazione

plastica è possibile indurre nel reticolo del materialeuna fibratura orientata in modo da esaltarne lecaratteristiche elastiche in una particolare direzione.Ad esempio dell’anisotropia indotta da processi diestrusione e laminazione si riportano i valori di Eottenuti da provini ricavati da una medesima lastralaminata in

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