Leghe del titanio
Le leghe di Ti combinano grande leggerezza legate e resistenza meccanica molto elevata, paragonabile a
quella dell’acciaio.
Le principali caratteristiche delle leghe del Ti sono:
• ottimo rapporto tra resistenza e densità (vedi figura), in particolare nel campo delle temperature tra
200÷500 °C;
Rapporto resistenza-densità
[MPa/kg/dm3]
300
Leghe di Ti
200
Berillio
Leghe
di Al
100
Acciaio e leghe del Ni
Titanio
T [°C]
0
•
•
•
•
•
200
400
600
800
buona resilienza, anche a basse temperature;
elevato carico di snervamento, in alcune leghe valori paragonabili a quelli degli acciai a alta
resistenza;
ottima resistenza alla corrosione;
brevissimo tempo di perdita della radioattività;
amagneticità.
A temperatura ambiente il titanio presenta una cella esagonale compatta, che viene comunemente indicata
come fase α. A 885 °C, la cella esagonale α si trasforma in cubica a corpo centrato, chiamata fase β, stabile
fino al punto di fusione.
Nelle leghe a base di titanio, la temperatura della trasformazione allotropica è fortemente influenzata dagli
elementi in lega, i quali possono favorire la fase α, allargandone il campo di esistenza, o al contrario
possono incrementare la fase β, abbassando la temperatura di trasformazione. Altri elementi infine non
intervengono sulla temperatura di trasformazione, risultando pertanto neutrali rispetto alla trasformazione
allotropica.
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A. Pandolfo, G. Degli Esposti
Tecnologie meccaniche di processo e di prodotto
© 2012 RCS RCS Libri S.p.A., Milano - Calderini
T
β
α+β
α
T
T
β
α
β
α
Elementi α stabilizzanti
Elementi neutri
α+β
Elementi β stabilizzanti
Rappresentazione schematica dell’effetto degli elementi di lega sul diagramma di stato delle leghe del titanio
Ad esempio l’alluminio, che si trova in soluzione nel Ti come elemento sostituzionale, tende a stabilizzare la
fase α, spostando la temperatura di trasformazione verso valori più alti, mentre il rame ha l’effetto opposto:
abbassando tale temperatura favorisce la formazione della fase β.
Gli elementi che favoriscono la fase α sono, oltre all’ Al già citato, il C, l’O e N, questi ultimi danno luogo a
soluzioni interstiziali; gli elementi che favoriscono la formazione della fase β sono H, Cu, Si, Cr, Nb, Fe, Mn,
Mo, Ta e V. Lo Sn e Zr nelle quantità che comunemente compaiono nelle leghe di uso industriale, sono
sostanzialmente neutri, non favorendo né la formazione della fase α né di quella β e la loro presenza è
giustificata dal fatto che, essendo solubili in entrambe le fasi, migliorano la resistenza meccanica.
Le leghe di titanio sono classificate in tre grandi categorie in base alle fasi predominanti presenti nella
microstuttura a temperatura ambiente. Si hanno così Leghe Alfa, Leghe Beta e Leghe Alfa-Beta.
Le leghe alfa
Le leghe α presentano una percentuale di fase β<5% Questa tipologia di leghe hanno una resistenza
meccanica relativamente bassa, e non è possibile migliorarla con trattamenti termici, in quanto la
temperatura di trasformazione, a causa della notevole presenza di elementi stabilizzanti α, è elevata (circa
1000°C), rendendo pertanto impossibile l’utilizzo di trattamenti termici.
Per migliorare le caratteristiche di resistenza, si possono aggiungere elementi come lo stagno, per indurire la
matrice α, oppure si può ricorrere a elementi che stabilizzino la fase β (ad esempio Mo, V, Ta, in tenori
inferiori al 2%), ottenendo così nella fase α la presenza di una piccola percentuale residua di fase β. Queste
leghe prendono il nome di superalfa.
Le leghe alfa sono meno resistenti alla corrosione a temperatura ambiente rispetto al titanio non legato, ma
possiedono resistenza maggiore, sia di quest’ultimo che di tutte le altre leghe di titanio, all’ossidazione ad
alte temperature (300°C ÷ 540°C) e miglior saldabilità rispetto ai vari tipi di titanio ed ottima duttilità.
Le leghe alfa-beta
Le leghe alfa-beta contengono sia elementi che stabilizzano la fase α sia elementi che stabilizzano la fase β;
quest’ultima fase è presente in percentuale compresa tra il 10 e il 20%. Le leghe α-β sono le leghe di titanio
più diffuse (circa il 70% del titanio impiegato industrialmente è utilizzato per la fabbricazione di queste
leghe), presentano un’alta resistenza meccanica anche se sono meno lavorabili delle leghe alfa. La lega Ti6Al-4V è quella che trova il più largo impiego (circa il 45% della produzione complessiva).
Le leghe alfa-beta possono essere trattate termicamente per migliorare le caratteristiche di resistenza
meccanica.
Prima di sottoporre i componenti a trattamento termico, è necessario eseguire un’accurata pulizia,
sgrassatura e asciugatura per evitare la contaminazione del materiale, con conseguenti pericoli di
infragilimento e tendenza alla corrosione sotto sforzo.
I principali trattamenti termici che si eseguono sulle leghe α-β sono i seguenti:
Distensione: serve per ridurre gli effetti delle tensioni residue generate da lavorazioni per deformazione
plastica, saldatura e trattamenti termici precedenti, favorisce il mantenimento della stabilità geometrica e
dimensionale del pezzo realizzato.
Ricottura in campo β: è sostanzialmente una ricottura di ricristallizzazione. Il ciclo di lavorazione è riportato
in figura.
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temperatura
β
α+β
omogeneizzazione
deformazione
Ricottura in campo β
invecchiamento
tempo
Ciclo di ricottura in campo β
La scelta della temperatura di trattamento incide sulle dimensioni dei grani β, mentre la velocità di
raffreddamento determina principalmente la dimensione delle lamelle di fase α.
Per velocità di raffreddamento molto elevate si può avere una trasformazione di tipo martensitica
Tempra di soluzione - La tempra di soluzione da elevata temperatura seguita da un rinvenimento a bassa
temperatura (invecchiamento) può migliorare sostanzialmente le caratteristiche meccaniche della lega
rispetto a quelle dello stato ricotto. La tempra di soluzione è tanto più efficace quanto più è drastica la
velocità di raffreddamento. E’ necessario perciò adottare liquidi drastici come l’acqua o l’acqua salata con
vasche molto agitate.
Invecchiamento - L’invecchiamento è essenzialmente un processo di indurimento per precipitazione,
dipende quindi dal tempo e dalla temperatura. L’invecchiamento completa inoltre la decomposizione della
fase beta soprassatura che proviene dalla tempra.
Leghe β
Le leghe beta, ricche di elementi atti a stabilizzare la fase beta, possono presentare a temperatura ambiente
unicamente questa fase operando con una velocità di raffreddamento appropriata. A causa dell’elevato
3
contenuto degli elementi β-stabilizzanti, le leghe beta hanno densità maggiore (4,84 - 5,06 g/cm ) rispetto
alle leghe alfa e alfa-beta. Di conseguenza i valori del rapporto resistenza/densità sono inferiori rispetto a
quelli delle altre leghe di Ti.
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.
Poiché la struttura cubica del titanio β contiene più piani di scorrimento rispetto alla forma esagonale α, il
titanio β è più facilmente deformabile.
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Leghe del Ti
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