L'ALLUMINIO E LE SUE LEGHE

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1 BCAPITOLO 5 L'ALLUMINIO E LE SUE LEGHE Sinossi S ebbene l'alluminio sia uno degli metalli più abbondanti sulla Terra, le difficoltà e i costi di produzione ne hanno impedito un suo largo impiego fino alla fine del Lo sviluppo dei processi elettrolitici e la disponibilità di energia elettrica hanno poi consentito una rapida espansione delle applicazioni di questo metallo e un forte sviluppo delle sue leghe che trovano impiego in campi anche molto diversi, come imballaggi per alimenti, apparecchiature domestiche, impianti chimici di processo, componenti di veicoli e natanti, elementi strutturali e funzionali dell'edilizia, impianti per la trasmissione di energia elettrica, velivoli e strutture aerospaziali. In particolare, la nascita e la crescita dell'industria aerospaziale, soprattutto nei primi decenni del secolo scorso, ha costituito una fondamentale spinta per lo sviluppo di nuove leghe leggere con caratteristiche meccaniche sempre più avanzate. In questo capitolo vengono presentate le caratteristiche generali dell'alluminio e delle sue leghe, le loro classificazioni, i loro comportamenti caratteristici. 5.2 L'alluminio e le sue leghe L' alluminio possiede una combinazione unica di caratteristiche che lo rendono uno di materiali più versatili dal punto di vista delle possibilità applicative. Viene ottenuto per riduzione elettrolitica dell'allumina (Al 2 O 3 ) e viene generalmente sottoposto a successivi processi per aumentarne la purezza o per ottenerne leghe leggere. L'alluminio ha densità di 2,7 g/cm 3, cioè circa un terzo rispetto agli acciai mentre la resistenza meccanica di alcune sue leghe è superiore a quella di molti acciai di buone prestazioni. Il suo modulo elastico è pari a circa 70 GPa e, a parte alcuni casi particolari, è poco dipendente dalla presenza di elementi di lega. Altra particolare caratteristica è l'elevato coefficiente di dilatazione termica, pari a circa 25 * 10-6 m/m, superiore a quello della maggior parte degli altri materiali di interesse strutturale. La temperatura di fusione relativamente bassa (660 C) ne limita l'impiego a caldo; i limiti di temperatura sono ulteriormente ridotti nel caso di leghe sottoposte a trattamenti termici. L'alluminio di elevata purezza (alluminio superpuro 99,99%) trova impieghi soprattutto nel campo elettronico, dei conduttori e dei condensatori elettrolitici, in campo ottico. La conducibilità elettrica dell'alluminio e molto alta, ma si riduce all'aumentare delle impurità presenti. L'alluminio, insieme alla maggior parte delle sue leghe, ha struttura cristallina CFC, che lo rende particolarmente duttile, deformabile e con ottima risposta a indurimento per deformazione plastica. La struttura CFC consente, inoltre, di mantenere caratteristiche di buona tenacità e deformabilità anche a temperature molto basse: serbatoi per gas liquefatti (ad esempio azoto, ossigeno, idrogeno liquidi) sono spesso in leghe di alluminio. Tuttavia l'alluminio, diversamente da altri materiali come ad esempio gli acciai, non presenta limite di fatica, per cui la resistenza a fatica diminuisce continuamente all'aumentare dei cicli di sollecitazione; questo significa che in applicazioni critiche, come ad esempio 1

2 in campo aerospaziale, la progettazione di componenti in leghe di alluminio deve essere condotta a numero di cicli previsto e, in generale, sono necessarie verifiche e controlli periodici. L'alluminio ha bassa durezza e, di conseguenza, bassa resistenza all'abrasione. L'alluminio puro presenta ottima resistenza a ossidazione e corrosione dovuta alla formazione di uno strato di ossido (allumina) continuo e compatto che protegge la superficie da ulteriore ossidazione (passivazione). Tale resistenza si riduce, peraltro, a seguito della presenza di elementi di lega. La presenza di elementi di lega nell'alluminio consente di incrementare in modo importante le prestazioni meccaniche del materiale. Già la presenza di impurità, determina un aumento significativo della resistenza (Tab.5.1). Tab Caratteristiche meccaniche dell'alluminio a diverso grado di purezza e di leghe di alluminio L'aggiunta di elementi di lega serve, oltre che a migliorare le prestazioni meccaniche, a modificare altre caratteristiche particolari al materiale come ad esempio la fluidità del fuso, la lavorabilità all'utensile, la facilità di forgiatura, il coefficiente di espansione termica. Gli elementi di lega maggiormente impiegati sono Mg, Si, Cu, Mn, Zn. Altri elementi frequentemente impiegati sono Ti e B (come affinatori di grano in fase di solidificazione). La presenza di Mn, Cr e Zr consente di ridurre l'ingrossamento dei grani a seguito di ricristallizzazione. Il controllo delle dimensioni dei grani serve, oltre ad incrementare la resistenza a snervamento, anche a migliorare la resistenza a frattura e allo stress cracking (resistenza a frattura sotto sforzo continuo) e la formabilità. L'efficienza degli elementi di lega nel miglioramento della resistenza del materiale è legata alla loro solubilità e alla loro capacità di formare fasi disperse molto fini (dispersoidi). Gli elementi di lega comunemente impiegati presentano una forte diminuzione della solubilità nel solido al diminuire della temperatura (Fig.5.1). L'effetto di rinforzo per soluzione solida aumenta al crescere della differenza di dimensioni atomiche; nello stesso tempo, tuttavia, anche la solubilità in fase solida diminuisce: a causa della scarsa solubilità elementi 2 Fig Solubilità nell'alluminio di diversi alliganti come Fe, Ni, Ti, Mn, Cr danno origine a precipitati piuttosto grossi, con un effetto di rinforzo inferiore rispetto a quello ottenuto per incrudimento o con elementi che danno soluzione solida o dispersoidi come nelle leghe con Mn, Mg o Si.

3 L'incrudimento per deformazione plastica consente un notevole incremento della resistenza dell'alluminio e delle leghe non trattabili termicamente; al contempo, però, la duttilità del materiale si riduce sensibilmente limitando l'ulteriore possibilità di deformazione (Fig.5.2). Fig Effetto dell'incrudimento sulle proprietà meccaniche di leghe di alluminio Le leghe trattabili termicamente (per precipitazione o invecchiamento) consentono di raggiungere prestazioni meccaniche sensibilmente superiori. Perché una lega sia induribile per trattamento termico è necessario che l'elemento di lega presenti diminuzione di solubilità, come mostrato in Fig.5.1(già citata). Questo però non è sufficiente, ma è necessario che gli elementi di lega siano in grado di formare precipitati fini, coerenti: leghe contenenti Mg, Si, Zn, Cr, Mn non presentano apprezzabile miglioramento a seguito di trattamento termico. Leghe Al- Cu, Al-Mg-Si, Al-Zn-Mg mostrano invece un miglioramento progressivo di resistenza, dopo tempra di solubilizzazione, dovuto a invecchiamento; alcune di queste leghe possono essere invecchiate a temperatura ambiente (invecchiamento naturale). La velocità del processo può essere aumentata effettuando l'invecchiamento a temperature medie, tipicamente tra 120 C e 230 C per il tempo necessario (invecchiamento artificiale). Le Fig.5.3 e 5.4 mostrano rispettivamente l'effetto dell'invecchiamento a 150 C di leghe Al-Cu con diverso contenuto di Cu e la variazione nel tempo della resistenza a snervamento di una lega Al-Si-Mg in funzione della temperatura di trattamento. 3

4 Fig Effetto dell'invecchiamento a 150 C di leghe Al-Cu con diverso contenuto di Cu Fig Curve di invecchiamento di una lega Al-Si-Mg Si osserva che all'aumentare della temperatura di invecchiamento si raggiunge la resistenza di picco in tempi inferiori, ma il valore raggiunto risulta inferiore. Continuando il trattamento oltre il tempo necessario, si ha sovrainvecchiamento con riduzione della resistenza. Si osserva anche che a temperature di trattamento elevate il tempo di invecchiamento si riduce a poche decine di minuti: l'esposizione del materiale in condizioni di servizio a tali livelli di temperatura (ben inferiore alla temperatura di fusione) anche per tempi relativamente brevi può comportare una sensibile riduzione delle prestazioni del materiale. Questo deve essere anche tenuto in considerazione nell'effettuare trattamenti termici su componenti di grosso spessore: la diversa velocità di riscaldamento e raffreddamento nello spessore determina una differenza di trattamento 4

5 che può comportare disomogeneità nel processo di precipitazione e nelle caratteristiche finali del materiale; queste disomogeneità, come evidenziato nella Fig.5.3 saranno maggiori quanto maggiore è la temperatura di invecchiamento. Il forte aumento di resistenza a seguito del trattamento termico è accompagnato, in generale, da perdita di deformabilità e resistenza a frattura. 5.3 Classificazione delle leghe di alluminio e leghe di alluminio possono essere suddivise in L due classi principali in funzione delle loro tecniche di lavorazione: le leghe da deformazione plastica e le leghe da fonderia. Le leghe da deformazione plastica a freddo o a caldo hanno composizione e microstruttura diversa rispetto alle leghe da fonderia a causa dei diversi requisiti imposti dalla loro lavorazione. All'interno di queste classi principali si possono individuare come sottoclassi le leghe trattabili e quelle non trattabili termicamente. La Tab.5.2 mostra la classificazione secondo il sistema IADS (International Alloy Designation System) adottato in molte nazioni. La classificazione secondo la Aluminum Association (americana) è analoga, salvo il fatto che le leghe da fonderia vengono classificate con tre cifre seguite da un decimale (ad esempio 1xx.x); il significato delle cifre resta invariato. Le leghe da deformazione plastica sono classificate con quattro cifre, di cui la prima è indicativa dell'elemento di lega principale (1-solo Al più eventuali impurezze, 2-Cu, 3-Mn, 4-Si, 5-Mg, 6- Mg+Si, 7- Zn+Mg, 8-Li e/o altri elementi). Nel caso del gruppo 1 la seconda cifra indica eventuali controlli effettuati sulle impurezze. Le ultime due cifre sono indicative del contenuto di Al. Nel caso dei gruppi 2 e successivi le cifre dopo la prima identificano gli sviluppi della lega e non sono indicativi del contenuto di elementi. Il carattere X che precede la sigla numerica indica uno stadio sperimentale di sviluppo (ad esempio X2080). Tab Classificazione delle leghe di alluminio sulla base della composizione La sigla numerica è seguita da caratteri alfanumerici indicativi dei trattamenti termici e/o meccanici applicati (Tab.5.3). Il carattere F indica grezzi di lavorazione ottenuti per fusione, deformazione plastica a caldo o a freddo; il carattere O indica trattamento di ricottura; H indica trattamenti di incrudimento a freddo; W indica trattamento di solubilizzazione; T indica i trattamenti di invecchiamento naturale o artificiale, eventualmente in combinazione con deformazione plastica. Le lettere H e T sono seguite da cifre indicative del tipo di trattamento. Si osserva che la classificazione prevede la possibilità di trattamenti di sovrainvecchiamento (T7) utili per stabilizzare il materiale e, in alcuni casi, migliorare il comportamento a stress cracking. La Tab.5.4 riporta le caratteristiche meccaniche e le applicazioni di alcune leghe di alluminio diversamente trattate. Le leghe 1xxx e 3xxx sono essenzialmente a singola fase e indurite per soluzione solida, sebbene possano essere presenti piccole quantità di fasi disperse e inclusioni. D'altra parte l'effetto di rafforzamento è abbastanza limitato a causa della scarsa solubilità degli elementi di lega. Trovano impiego soprattutto nell'industria chimica ed alimentare (serbatoi, imballaggi) a seguito della buona formabilità e resistenza a ossidazione. Le leghe Al+Mg del gruppo 5xxx sono indurite per dispersione a seguito della presenza di precipitati del composto intermetallico Mg 2 Al 3 non coerenti. Tipici impieghi di queste leghe, che associano buona resistenza a corrosione, buona resistenza meccanica e saldabilità, sono in campo marino, edile ed alimentare. Anche le leghe del gruppo 4xxx sono indurite per dispersione a seguito della formazione di fase dispersa di Si non coerente. Si osserva che mentre la presenza di solo Mg o Si non consente indurimento a seguito di trattamento termico, la presenza contemporanea di Si e Mg (leghe del gruppo 6xxx) permette la formazione di precipitati coerenti Mg 2 Si e trattamento di invecchiamento. 5

6 TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI Tab Classificazione delle leghe di alluminio sulla base dei trattamenti termici e meccanici Tab Caratteristiche meccaniche e le applicazioni di alcune leghe di alluminio Le leghe dei gruppi 2xxx, 6xxx e 7xxx sono invecchiabili. Con rame (2xxx) si formano precipitati θ' (CuAl2), con silicio+magnesio (6xxx) si formano precipitati β' (Mg2Si), con zinco+magnesio (7xxx) si formano precipitati η' (MgZn2). Le leghe invecchiabili presentano le migliori prestazioni in termini di resistenza e resistenza a snervamento, che in alcuni casi possono raggiungere i 700 MPa, ma subiscono sovrainvecchiamento a seguito di riscaldamento già a temperature superiori a 150 C C. Questo limita fortemente la possibilità di saldatura di questi materiali e richiedono normalmente l'impiego di tecniche di giunzione alternative (rivettature, incollaggi). Leghe invecchiabili sono impiegate per la costruzione di 6 strutture aerospaziali, di componenti automobilistici e sportivi. Le leghe da fonderia sono molto simili a quelle da deformazione plastica e, tranne l'incrudimento, vengono sfruttati gli stessi meccanismi di rinforzo. Per applicazioni elettriche ed elettroniche, in cui è importante una elevata conducibilità elettrica, vengono impiegate leghe del gruppo 1xx (alluminio commercialmente puro). Leghe del gruppo 5xx sono preferite per componenti esposti ad atmosfera marina e quando viene richiesta buona resistenza a corrosione in generale (edilizia, componentistica marina e aeronautica). Leghe dei gruppi 2xx, 7xx oltre ad alcune del gruppo 3xx possono essere rafforzate per invecchiamento e vengono impiegate quando è

7 richiesta elevata resistenza meccanica; presentano applicazioni in campo motoristico, aeronautico, della componentistica industriale. Quasi tutte le leghe dei gruppi 2xx, 5xx, 7xx e 8xx presentano difficoltà di colata che richiedono l'impiego di tecniche opportune per l'ottenimento di forme complesse. Spesso le leghe da fonderia (gruppi 3xx e 4xx) contengono elevati tenori di Si in quanto questo elemento aumenta la fluidità, riduce la temperatura di fusione, migliora la colabilità del fuso e riduce il ritiro di solidificazione. La quantità di Si varia tra il 4% e il 12%. Le leghe più diffuse appartengono al gruppo 3xx e contengono, oltre al Si, altri elementi di lega come Mg e Cu che ne aumentano al resistenza e la durezza già nello stato di grezzo di fusione ma che possono ulteriormente rafforzare il materiale a seguito di invecchiamento. Leghe con contenuto di Si superiore al 12 % (ipereutettiche) presentano buona resistenza ad usura e trovano applicazione in campo motoristico (pistoni, corpi pompa). Le proprietà delle leghe da colata vengono generalmente modificate mediante rafforzamento per soluzione solida, per formazione di una fase dispersa e, durante la solidificazione, per controllo della dimensione dei grani. Un aumento della resistenza a seguito di formazione di grani fini può essere ottenuto adottando elevate velocità di solidificazione, ad esempio con tecniche di colata in stampo permanente (vedi cap. 10) o mediante aggiunta di elementi affinatori di grano come boro e titanio. L'aggiunta di elementi come sodio (Na), stronzio (Sr) e fosforo (P) consente di modificare la struttura della fase eutettica Al-Si o della dispersione di silicio primario in leghe ipereutettiche (Fig.5.5). Fig Modifica con fosforo di una lega ipereutettica Al-Si: (a) precipitati grossolani di Si primario; (b) precipitati affinati per aggiunta di fosforo lega 1100 a seguito di esposizione in ambiente 5.4 Resistenza a corrosione industriale e marino. Le leghe contenenti rame richiedono protezione per il loro impiego in atmosfera n generale l'alluminio e le sue leghe presentano marina o industriale. Anche in condizioni di I ottima resistenza a corrosione in ambiente ossidante. immersione la resistenza è molto alta in acqua pura e si L'alluminio forma un ossido superficiale di allumina riduce in parte in presenza di sali (ad esempio cloruri, (Al 2 O 3 ) compatta, dello spessore di alcune decine di solfati ecc.). Le leghe dei gruppi 5xxx e 5xx sono le più angstrom. L'ossido perde la sua capacita protettiva in usate per applicazioni a contatto con acqua di mare sia ambienti particolarmente acidi (ph<4) o basici (ph>9) per l'alta resistenza chimica che per la loro saldabilità. (con l'eccezione di acido nitrico e solforico). La presenza di elementi di lega, in particolare del rame, riduce sensibilmente la resistenza a corrosione. Tale effetto diventa particolarmente importante a contenuti di rame superiori al 1%. La presenza di ferro, generalmente considerato un contaminante, riduce marcatamente la resistenza dello strato di ossido protettivo aumentando la velocità di corrosione. La velocità di corrosione è inferiore a 5μm/anno, meno del 5% rispetto ad un acciaio al carbonio. La limitata resistenza a corrosione delle leghe 2xxx, 2xx, 7xxx, 7xx ne suggerisce l'impiego a contatto con ambiente marino solo se protette superficialmente. La protezione superficiale può essere ottenuta mediante rivestimento superficiale con un'altra lega di alluminio maggiormente resistente; in questo caso i materiali A seguito di esposizione all'aria, la velocità di vengono chiamati ALCLAD. Il rivestimento, ossidazione, normalmente già molto bassa, si riduce fino a raggiungere un valore costante. La Fig.5.6 tipicamente applicato a lamiere, può essere effettuato su una o su entrambe le superfici. mostra a titolo di esempio la velocità di attacco di una 7

8 Fig Velocità di attacco di una lega 1100 a seguito di esposizione in ambiente industriale e marino La Tab. 5.5 riporta alcuni accoppiamenti tipici utilizzati. Il rivestimento è anodico rispetto al materiale intero con potenziali che differiscono di alcune decine di mv ( mv). Tab Accoppiamenti tipici utilizzati in ALCLAD Nel caso in cui il rivestimento venga danneggiato, la corrosione, comunque lenta, propaga orizzontalmente lungo l'interfaccia tra rivestimento e lamiera; si evita così la corrosione passante, particolarmente dannosa soprattutto nel caso di lamiere sottili. La protezione può essere effettuata con verniciatura, solitamente dopo trattamento di preparazione della superficie mediante primer a base di cromati o fosfati. Un comune trattamento di protezione dell'alluminio e delle leghe è costituito da anodizzazione. A seguito di trattamento elettrolitico viene formato uno strato superficiale di allumina compatto e di spessore superiore a quello naturale (normalmente di pochi nm). Lo spessore di ossido (fino ad alcune decine di μm) è costituito da Al 2 O 3 con struttura compatta (strato barriera) a contatto col metallo e porosa nello strato superficiale. La presenza di pori del diametro di alcune centinaia di angstrom costituisce un ottima base di aggrappaggio per rivestimenti e adesivi: superfici di incollaggio vengono trattate mediante anodizzazione allo scopo di incrementarne l'efficienza di adesione; la successiva applicazione di primer garantisce in genere un ottima compatibilità del metallo con adesivi o vernici. L'impiego di pigmenti o particolari prodotti di reazione nel bagno elettrolitico consente di ottenere superfici già finite con un'ampia gamma di colorazioni. 5.5 Sviluppo delle leghe di alluminio in campo aeronautico L a nascita dell'industria aeronautica e la necessità di materiali ad elevate prestazioni specifiche per la produzione di velivoli ha avviato lo sviluppo di leghe leggere di alluminio ad alta resistenza a partire dai primi anni del secolo scorso e lo ha diretto lungo il corso degli anni fino ad oggi. Di seguito viene riportata una breve storia dell'impiego di leghe di alluminio nel campo aeronautico e spaziale, che evidenzia come le diverse tecniche di controllo delle proprietà, presentate nei capitoli precedenti, sono state sviluppate ed applicate per ottenere materiali sempre più prestanti. La Tab.5.6 riporta le composizioni delle principali leghe di alluminio di interesse dell'industria aerospaziale. 8

9 Tab Composizioni delle principali leghe di alluminio di interesse dell'industria aerospaziale Le caratteristiche richieste alle leghe per impieghi aeronautici e spaziali si possono riassumere essenzialmente in elevata resistenza specifica, durabilità e tolleranza al danneggiamento, uniti alla economicità. Le prime leghe indurite per precipitazione impiegate in campo aeronautico, sviluppate a valle della prima Guerra Mondiale, sono state le leghe Al-Cu (2017-T4 - duralluminio, 2014-T6, 2024-T3). Nello stesso periodo sono nati gli ALCLAD, costituiti da lamiere in lega di Al (2024-T3) rivestiti da alluminio puro, allo scopo di aumentare la resistenza a corrosione. ALCLAD 2024-T3 fu impiegato già nel 1936 per la produzione dei DC3 ed il suo impiego è continuato fino ad anni recenti nella costruzione di velivoli commerciali. La duttilità dopo tempra e il successivo indurimento a seguito di deformazione plastica e invecchiamento naturale o artificiale consentivano di unire facilità di formatura a elevata resistenza dei componenti finali. Si osservò anche che il raffreddamento a bassa temperatura dopo tempra di soluzione consente di ritardare il processo di precipitazione. Questo portò ad esempio all'impiego di rivetti in 2017-T4 che erano conservati in freezer prima dell'utilizzo, in modo da mantenere buona deformabilità, e assumevano le caratteristiche di resistenza desiderate una volta posizionati, a seguito dell'invecchiamento naturale. In anni successivi sono state sviluppate le prime leghe contenenti Zn e Mg (7075) con resistenze nettamente superiori rispetto a quelle contenti solo Zn o Mg. Inoltre queste leghe, a differenza delle leghe con Cu e Mg che raggiungono valori di resistenza prossimi al limite dopo alcuni giorni di invecchiamento naturale, presentano un continuo aumento della resistenza nel tempo. Trattamenti di invecchiamento artificiale (T6) consentono di raggiungere in minor tempo valori di resistenza stabili (fino a 700 MPa), ma con scarsa resistenza a corrosione sotto sforzo (SCC - stress corrosion cracking) e resistenza a fatica inferiore rispetto a 2024-T3. La resistenza a SCC della lega 7075-T6 risultò migliorata con una riformulazione di composizione, portando al loro impiego su velivoli durante la Seconda Guerra Mondiale (il primo impiego fu sui B29). Dopo la guerra, leghe 7075-T6 furono utilizzate in molte parti strutturali sottoposte a compressione (lato superiore delle ali, elementi strutturali) ma la loro maggiore velocità di propagazione delle cricche fece si che leghe Al-Cu (2024-T3) continuarono ad essere impiegate nelle parti maggiormente sollecitate a fatica (lato inferiore delle ali). I successivi sviluppi di formulazione e di trattamenti termici per migliorare le prestazioni di leghe Al-Zn-Mg hanno evidenziato come i problemi di resistenza a fatica e corrosione sotto sforzo fossero esaltati soprattutto dalla presenza di concentrazioni di sollecitazioni pluriassiali (giunti rivettati, elementi di irrigidimento) e a disomogeneità nel trattamento di invecchiamento artificiale nelle 9

10 sezioni ad elevato spessore; in queste sezioni, infatti, la diversa velocità di raffreddamento locale durante tempra di solubilizzazione determina la nascita di tensioni residue e diversa precipitazione dei dispesoidi. Un deciso miglioramento del comportamento a SCC è stato ottenuto a partire dagli anni '60 con trattamenti di sovrainvecchiamento (7075-T73) a spese di una riduzione della resistenza di circa il 15%. Si osserva che una limitata resistenza a corrosione e a fatica comporta ispezioni frequenti con importante impatto sui costi operativi di esercizio. Successivi sviluppi nei trattamenti termici di 7075 (T76) e di 2024 (T8) portarono ad un miglioramento della resistenza a corrosione da esfoliazione evidenziata nelle leghe 7075-T6 e 2024-T3, sebbene a spese di minore resistenza, tenacità e resistenza a fatica. Questo tipo di corrosione, che determina separazione di strati e formazione di blister sotto superficie in laminati sottoposti a elevata deformazione plastica, è particolarmente critica in quanto di difficile osservazione e rilevamento durante le ispezioni. A valle degli anni '60, a seguito del rapido incremento del trasporto aereo commerciale, la pressante richiesta di prestazioni elevate in termini di resistenza a snervamento, resistenza a corrosione sotto sforzo, tenacità, resistenza a fatica, portarono alla nascita di nuove leghe, soprattutto Al-Zn-Mg; questo fu possibile anche grazie all'aiuto dei modelli di valutazione della tenacità e della propagazione delle cricche sviluppati nel frattempo. Nuove formulazioni in termini di contenuto Mg e Zn, l'aggiunta di piccole quantità di zirconio, modifiche nei trattamenti termici hanno successivamente portato alle leghe 7050 e 7475 e ai trattamenti di stabilizzazione T74 e T76. In particolare, il migliore comportamento a frattura e la minore sensibilità a tempra e SCC di 7050-T74 lo hanno reso il materiale standard per componenti di grossa sezione. L'avvio dei programmi di progetto, che avrebbero poi portato alla produzione di B757 e B767 da parte di Boeing, pose come richiesta primaria materiali dotati di superiore resistenza rispetto ai precedenti, così da consentire risparmi di peso, ma al contempo migliore tolleranza al danno, così da non dovere incrementare la frequenza degli interventi di ispezione a seguito dei più elevati livelli di carico. Queste richieste condussero allo sviluppo delle leghe 7150-T6 e T61 impiegate da Boeing per le strutture superiori delle ali. Laminati ed estrusi in 7150-T61 sono state impiegate sui velivoli MD 11 (McDonnell-Douglas). Naturalmente anche le leghe a base Al-Cu furono soggette a modifiche di composizione e di processo per incrementarne le prestazioni. L'aumento del livello di deformazione plastica fino al 9%, rispetto a quanto impiegato nelle leghe 2024-T351 (solitamente 1-3%), accompagnato da un controllo della composizione e della microstruttura ha portato allo sviluppo delle leghe 2324-T39 e 2224-T3 con migliore resistenza e ugualmente buona resistenza a fatica e tenacità. Questi materiali vengono impiegati da Boeing per la struttura inferiore delle ali, sottoposta a prevalenti carichi tensili. Grazie ad una maggiore conoscenza dei meccanismi microstrutturali che influenzano la proprietà delle leghe, ne è seguito lo sviluppo per migliorare la resistenza a corrosione, SCC ed esfoliazione di leghe Al-Mg-Zn-Cu senza dovere sacrificare il 10-15% di resistenza meccanica per effetto dei trattamenti di stabilizzazione per sovrainvecchiamento precedentemente adottati (trattamenti T76 e T73). Uno stretto controllo delle quantità e delle proporzioni degli elementi di lega principali combinati con l'impiego di speciali trattamenti termomeccanici ha portato alle leghe 7150-T77 e 7055-T77. Laminati ed estrusi con quest'ultimo materiale sono stati selezionati per i principali componenti sottoposti a compressione della struttura superiore delle ali nei Boeing 777. La Fig.5.7 mostra lo sviluppo negli anni della resistenza a snervamento di leghe impiegate per la costruzione di elementi strutturali del lato superiore delle ali di velivoli commerciali e militari. È interessante notare come, dopo un iniziale periodo di rapido incremento delle caratteristiche di resistenza dei materiali fino agli anni '50, segue un lungo periodo in cui la richiesta di superiore resistenza non rappresenta un fattore critico. Le necessità di miglioramento di altre proprietà, quali ad esempio la tenacità, la resistenza a fatica, a corrosione e corrosione sotto sforzo diventano determinanti per l'impiego operativo. Solo in anni più recenti, le maggiori conoscenze nel campo della metallurgia dell'alluminio consentono un ulteriore incremento delle prestazioni delle leghe a livello globale. Leghe avanzate e materiali ibridi Dopo una breve produzione di leghe Al-Cu contenenti litio negli anni '50, la crisi energetica e l'incremento nel costo del combustibile degli anni '70 riaccese l'interesse nelle leghe d'alluminio contenenti litio. Il litio presenta una densità di 0,534 g/cm 3 e la sua aggiunta all'alluminio consente una riduzione della densità delle leghe anche del 10%. Inoltre, a differenza degli altri elementi di lega, il Li determina un consistente aumento della rigidezza del materiale. Per ogni unità percentuale aggiunta la densità si riduce di circa il 3%, mentre il modulo elastico aumenta di circa il 5%. La Fig.5.8 mostra l'effetto del litio sulla densità e sul modulo elastico delle leghe con l'alluminio. La Fig.5.9 riporta il diagramma di fase Al-Li. Leghe contenenti Li in piccole quantità possono essere sottoposte a trattamento di invecchiamento secondo i processi tradizionali, con la formazione di precipitati coerenti (Al 3 Li); queste leghe possono raggiungere valori di resistenza specifica molto elevati, pari o superiori a quelli delle altre leghe di alte prestazioni. 10

11 Fig Sviluppo nel tempo della resistenza a snervamento di leghe impiegate in elementi strutturali dell estradosso delle ali di velivoli. Fig Effetto del litio sulla densità e sul modulo elastico delle leghe di alluminio Fig Diagramma di fase Al-Li Il litio è fortemente reattivo con aria e acqua; la produzione di queste leghe richiede tecniche di lavorazione particolari. Un fattore limitante per il loro impiego è rappresentato dalla limitata tenacità, in particolare per materiali ad alto contenuto di Li e sezioni di grosso spessore. Diverse leghe Al-Li con contenuti di Li di circa il 2% (ad esempio le leghe 2090, 8090, 2091) hanno trovato applicazione su velivoli commerciali e militari in forma di laminati o estrusi di basso spessore. Leghe con contenuti di Li superiori, fino al 4%, dotate di caratteristiche di resistenza, rigidezza e leggerezza ancora maggiori, possono essere ottenute con tecniche di solidificazione rapida. Tali tecniche, in cui il fuso in forma di piccole gocce viene solidificato rapidamente, combinate con tecniche di metallurgia delle polveri, consentono inoltre di ottenere nuove leghe con microstruttura controllata. La lega 7093, ad esempio, consiste di estrusioni e forgiati ottenuti da polveri atomizzate dotati di elevata resistenza a snervamento e a SCC. Leghe di alluminio contenenti dispersoidi a base ferro, cromo, e altri elementi mantengono caratteristiche di elevata resistenza ad alte temperature, dove le leghe convenzionali subiscono effetti di sovrainvecchiamento, e costituiscono i materiali di interesse per i velivoli di futura produzione. L'opportunità di combinare sinergicamente le proprietà di laminati compositi a matrice polimerica con quelle di leghe di alluminio ha portato allo sviluppo di laminati ibridi metallo-composito costituiti da strati di lamiera in lega con interposti laminati compositi in epossidica/fibra arammidica (ARALL) o epossidica/fbra vetro (GLARE). Questi materiali, di cui si parlerà più dettagliatamente in seguito, consentono di ottenere superiori caratteristiche di resistenza e leggerezza rispetto alle sole lamiere in lega, fornendo al tempo stesso ottima resistenza a fatica e tolleranza al 11

12 danneggiamento. Inoltre questi materiali presentano facilità di formatura e giunzione simili a quelle dei laminati in solo metallo. 5.6 Applicazioni spaziali olte delle caratteristiche richieste per la M produzione di velivoli, come la resistenza meccanica, la tenacità, la bassa densità, corrispondono anche alle necessità delle strutture spaziali. Molte leghe sviluppate per il campo aeronautico sono quindi impiegate anche per queste applicazioni. Tuttavia i componenti spaziali sono generalmente saldati e, ad esempio, i serbatoi di combustibile liquido o di ossidante spesso operano in condizioni criogeniche. Molte leghe di alluminio di elevata resistenza non sono saldabili e/o presentano ridotta tenacità a basse temperature. La lega Al-Cu 2219-T87 risulta il materiale maggiormente impiegato per la costruzione di serbatoi a seguito della possibilità di saldatura e delle buone caratteristiche a temperature criogeniche. Una possibile alternativa è rappresentata dalla T87 che possiede superiori caratteristiche di resistenza. Le leghe Al-Li, nonostante il maggiore costo, vengono normalmente prese in considerazione nei sistemi di lancio grazie ai consistenti risparmi di peso resi possibili dal loro impiego. Le leghe di maggiore interesse sono la 2090 che offre minore densità e la 2095 che possiede maggiore resistenza. Leghe 8090 sono anche impiegate in diversi componenti spaziali. Altra lega Al-Li,, saldabile, sviluppata in tempi recenti è la UL40, lavorata per solidificazione rapida, che offre densità inferiori del 11-14% rispetto a leghe convenzionali, elevata rigidezza, media resistenza. Bibliografia Askeland, D.: "The Science and Engineering of Materials", 3 rd SI ed. Chapman and Hall, London, 1996 ASM Metals Handbook, ASM, 2 nd ed., vol. 2, 1998 Davis, J.R.: ASM International Handbook, 1993 Smith, W. F.: "Scienza e Tecnologia dei Materiali", 3 a ed. McGraw-Hill, Milano, 2008 Staley, J.T.: Encyclopedia of Advanced Materials, pg. 66, Elsevier, 1994 Starke, E.A. Jr., Staley, J.T.: Application of Modern Aluminium alloys to Aircraft Aerospace Technologies, Prog. Aerospace Sci., vol 32,