Produzione di titanio metallico puro.

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1 Leghe di Titanio

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4 Produzione di titanio metallico puro.

5 Il titanio e le sue leghe sono classificati in tre grandi categorie in base alle fasi predominanti presenti nella microstruttura a temperatura ambiente. A temperatura ambiente il titanio ha struttura cristallina esagonale a massimo impacchettamento, chiamata alfa; a circa 882 C, la fase alfa si trasforma in una struttura cubica a corpo centrato, chiamata beta, che è stabile fino al punto di fusione, che varia tra 1650 C e 1700 C

6 La temperatura di tale trasformazione allotropica è funzione del contenuto di elementi in lega ed è fortemente influenzata dagli elementi interstiziali ossigeno ed azoto; gli elementi in lega favoriscono o la fase alfa o la fase beta oppure sono neutrali. L alluminio, che và in soluzione solida nel titanio come elemento sostituzionale, stabilizza la fase alfa, innalzando la temperatura di trasformazione alfa-beta; tra gli altri alfa stabilizzatori ci sono carbonio, ossigeno ed azoto, che formano soluzioni solide interstiziali nel titanio.

7 I beta stabilizzanti, come idrogeno (interstiziale), rame, silicio, palladio, cromo, niobio, ferro, manganese, molibdeno, tantalio e vanadio, abbassano la temperatura di trasformazione alfa-beta, rendendo la fase beta stabile alle basse temperature; stagno e zirconio, infine, sono altamente solubili in entrambe le fasi e sono sostanzialmente neutrali nelle quantità presenti nelle leghe attuali, agendo come rinforzanti della fase alfa.

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11 Titanio puro

12 Titanio puro Ci sono sei tipi di titanio commercialmente puro (CP) ed ognuno contiene una diversa quantità di impurezze; il titanio CP Grade 1 è il più puro. In generale, sono solo tre le tipologie di maggior rilievo; queste contengono dal 99.01% al 99.5% di titanio, più piccole quantità di ferro, carbonio, idrogeno, azoto ed ossigeno.

13 Nonostante le diverse tipologie di titanio CP non abbiano resistenza simile alle leghe di titanio, esse coprono un intervallo relativamente ampio di livelli di resistenza e sono utilizzate sia per applicazioni strutturali che non strutturali. Le qualità a bassa resistenza sono usate generalmente in applicazioni in cui resistenza a corrosione ed ottima formabilità, piuttosto che resistenza, siano i requisiti primari; le qualità ad alta resistenza sono utilizzate spesso per applicazioni simili, ma con requisiti resistenza maggiore. Tutti i tipi di titanio CP sono prontamente saldabili; essi sono ottenibili attraverso tutte le possibili lavorazioni al laminatoio, per colata o per metallurgia delle polveri. Questo tipo di titanio è, quindi, utilizzato per rivestimenti degli aerei, elementi di rinforzo, pareti refrattarie, pannelli per esplosione di proiettili, anelli ed elementi di fissaggio nei motori

14 Le leghe alfa. Le leghe alfa sono un meno resistenti a corrosione rispetto al titanio non legato, ma possiedono resistenza maggiore sia di quest ultimo che di tutte le altre leghe di titanio; inoltre, resistono all ossidazione ad alte temperature (300 C C) e presentano miglior saldabilità rispetto ai vari tipi di titanio CP.

15 Le leghe alfa-beta. Le leghe alfa-beta contengono sia elementi alfa stabilizzanti che beta stabilizzanti; queste leghe possono essere rinforzate con trattamento termico o con lavorazioni termo-meccaniche.

16 Le leghe alfa-beta più comuni presentano composizioni molto diverse tra loro e, quindi, le loro caratteristiche generali sono piuttosto variabili. Questo range di composizione comprende leghe fortemente stabilizzate con beta e leghe profondamente indurite, quali Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo e Ti-6Al-6V-2Sn, che forniscono alta resistenza a temperatura ambiente ed a temperature intermedie; ci sono, inoltre, composizioni più povere di elementi in lega, come Ti-6Al-4V, che è la lega di titanio maggiormente utilizzata (rappresenta infatti circa il 45% della produzione globale).

17 Le leghe beta. Il titanio può esistere completamente in fase beta a temperatura ambiente (fase beta metastabile); l addizione di alcuni elementi in lega, infatti, può inibire la trasformazione da beta ad alfa. Le leghe beta sono abbastanza ricche di beta stabilizzanti (e povere di alfa stabilizzanti), in modo che possa essere ottenuta con velocità di raffreddamento appropriate una microstruttura in cui sia presente solo fase beta. Proprio a causa del loro alto contenuto di elementi in lega, le leghe beta hanno densità maggiore (4,84-5,06 g/cm 3 ) rispetto alle leghe alfa-beta e, quindi, i valori dei loro rapporti resistenza/densità non 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, quindi, leghe in grado di acquisire una buona durezza, hanno buona lavorabilità a freddo quando sono trattate in soluzione e presentano alta resistenza quando sono invecchiate.

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21 Leghe di Nichel

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25 Le leghe di Nichel in commercio attualmente e sotto sviluppo sono di varia natura; esse spaziano tra le leghe a fase singola e le superleghe ottenute per indurimento per precipitazione o per dispersione di ossidi.

26 La leghe a base Nichel sono raggruppate in due categorie: la prima comprende quelle a base Ni-Fe, dove il Nichel è il principale elemento in soluzione e la seconda quelle a base Ni, dove è presente almeno per il 50%. Le più complesse sono le superleghe, nelle quali si riscontrano una dozzina di elementi. Elementi quali selenio e piombo devono essere tenuti entro limiti ristretti, essenzialmente in tracce.

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32 Le superleghe a base Nichel sono le più complesse, le più ampiamente usate per elementi che lavorano ad alta temperatura. Il loro uso si estende fino a temperature impensabili per i più comuni sistemi di leghe e costituiscono per esempio più del 50% dei componenti dei motori dei più avanzati aerei oggi in commercio.

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34 La maggior parte delle superleghe a base Nichel contiene dal 10 al 20% in peso di Cr, fino al 8% tra Al e Ti, dal 5 al 10% di cobalto, e una piccola quantità di boro, zirconio e carbonio. Altri elementi che normalmente sono aggiunti sono molibdeno, niobio, tungsteno, tantalio e afnio, i quali giocano un doppio ruolo di rafforzatori del soluto e formatori di carburi. Cromo e alluminio inoltre sono necessari per indurre la passivazione superficiale, attraverso la formazione di Cr 2 O 3 e di Al 2 O 3 rispettivamente.

35 Le fasi più importanti che possono essere presenti nelle leghe a base Nichel sono: Matrice Gamma (g). Si tratta di una matrice a struttura cristallina fcc che può contenere un alta percentuale di elementi in soluzione solida come cobalto, ferro, cromo, molibdeno e tungsteno. Tutte le leghe a base Nichel presentano questa fase. Gamma primo (g ). Alluminio e titanio sono aggiunti in quantità tale da far precipitare la fase fcc g (Ni 3 Al, Ti), che è coerente con la matrice gamma austenitica. Altri elementi come niobio, tantalio e cromo si trovano pure nella g. Tale fase è richiesta in applicazioni per alta temperatura e per la resistenza al creep. Gamma seconda (g"). La combinazione di Nichel e niobio, in presenza di ferro, forma una struttura ccc di Ni 3 Nb, il quale è coerente con la matrice gamma sebbene induca grandi deformazioni nelle zone di bordofase (mismatch). Tale fase garantisce ottime proprietà resistenziali a basse e a medie temperature ma è instabile sopra gli 815 o C.

36 Carburi. Il carbonio aggiunto in percentuali variabili tra 0.05 e 0.2% in peso si combina con altri elementi reattivi quali titanio, tantalio e afnio per formare carburi (MC). Durante il trattamento termico e anche durante l utilizzo dei componenti realizzati con tali leghe, i carburi suddetti tendono a decomporsi in M 23 C 6 e/o M 6 C, che precipitano a bordograno. I carburi sono presenti in tutte le superleghe, tranne che in quelle a cristalli singoli. g a Bordograno. Nel caso di materiali altolegati il trattamento termico e l esposizione all atmosfera durante l utilizzo possono generare un film di g lungo il bordograno, che si pensa degeneri in qualche modo le proprietà. Boruri. Il boro segrega a bordograno formando particelle di boruri di relativa bassa densità. Fasi TCP. Per alcune composizioni, e sotto certe condizioni, si possono formare fasi a forma di placchette di s e m; esse provocano una bassa perdita di proprietà e duttilità.

37 Gamma Primo g Gamma primo è il composto intermetallico Ni 3 Al, stabile solo in un intervallo ristretto di composizione; esso precipita come particelle sferoidali nelle leghe semplici del Nichel e con una bassa frazione volumetrica rispetto alla matrice, mentre nelle leghe ad alto contenuto di Al e Ti si trova sotto forma di precipitati cuboidali.

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41 Leghe di Rame

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