TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI CAP.7 IL TITANIO E LE SUE LEGHE

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CAPITOLO

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IL TITANIO E LE SUE LEGHE

Sinossi

l titanio a le sue leghe vengono selezionate per molte applicazioni grazie al loro elevato rapporto

prestazioni/peso e alla resistenza a corrosione. Lo sviluppo delle leghe di titanio e delle tecnologie, soprattutto di colata, correlate è stato in gran parte diretto dalla richiesta di metodi di produzione quasi net-shape di componenti geometricamente complessi da parte dell'industria aerospaziale. A causa delle difficoltà di produzione e di lavorazione, il titanio è un metallo costoso: oltre 5 volte rispetto all'alluminio; questo limita i suoi impieghi in settori di alta tecnologia. Le principali applicazioni del titanio sono nell'industria aerospaziale, nell'industria chimica e petrolchimica, nella nautica, nella biomedica, soprattutto grazie alla sua biocompatibilità, nella produzione di componenti automobilistici e sportivi. In questo capitolo vengono descritte le principali proprietà del titanio e delle sue leghe. 7.2 Microstruttura e proprietà

l titanio possiede una densità di 4,5 g/cm3, superiore rispetto ad altri metalli leggeri di interesse strutturale

come alluminio o magnesio, ma quasi la metà rispetto a quella degli acciai e delle superleghe. Queste doti di leggerezza sono accoppiate ad un’ottima resistenza meccanica, elevato modulo elastico e resistenza ad ossidazione e corrosione. Grazie a tali proprietà il titanio trova numerose applicazioni funzionali e strutturali sia come metallo puro che in forma di lega. Leghe di titanio possono raggiungere resistenze superiori a 1200 MPa con modulo elastico che, in

funzione della struttura della lega e delle modalità di lavorazione, può variare tra 80 e 145 GPa. Queste caratteristiche, associate alla bassa densità, posizionano le leghe di titanio tra le leghe leggere con più elevate proprietà specifiche, proprietà che vengono mantenute fino a valori di temperature superiori a 400 - 500 °C. In alcune applicazioni aerospaziali leghe di titano vengono impiegate a temperature anche superiori ai 700 °C. La Fig.7.1 mostra il confronto tra le proprietà meccaniche specifiche di diverse leghe metalliche al variare della temperatura. Il titanio possiede coefficienti di conducibilità termica e di dilatazione termica molto bassi, rispettivamente pari a circa 26 W/mK e 6,9 * 10-6 °C-1, cioè circa un nono il primo e un terzo il secondo, rispetto all'alluminio; inoltre presenta reattività molto elevata con la maggior parte degli altri elementi. Queste caratteristiche impongono l'uso di opportune tecniche ed accorgimenti nelle lavorazioni sia per fusione che per deformazione plastica che per lavorazione meccanica. Il titanio è allotropico; possiede struttura cristallina esagonale compatta (fase α) fino a 882 °C che corrisponde alla temperatura di β transus per Ti puro. A temperatura superiore la struttura stabile è cubica corpo centrata (fase β). La fusione avviene a 1670 °C. L'aggiunta di elementi di lega può modificare la temperatura di fusione e la temperatura di trasformazione α <---> β. Alcuni elementi inducono un aumento della temperatura di trasformazione, stabilizzando la fase α. Alcuni elementi danno soluzione solida senza modificare sostanzialmente la temperatura di β transus.

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Figura 7.1: Resistenza specifica di diversi materiali in funzione della temperatura

Figura 7.2: Effetto di diversi elementi di lega sulle trasformazioni del titanio

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Altri elementi riducono la temperatura della trasformazione, stabilizzando β, e determinando la formazione di un eutettoide. Infine alcuni elementi stabilizzano la fase β, senza indurre la formazione di eutettoide; al variare del contenuto di questi alliganti è possibile ottenere leghe completamente α, oppure leghe bifasiche con la presenza contemporanea di fase α e β, oppure leghe completamente β. - Al, O, N, C, gallio (Ga), germanio (Ge) stabilizzano la fase α. - Zr e Sn non modificano la temperatura di trasformazione. - Mn, Cr, Fe stabilizzano la fase β con formazione di eutettoide. - vanadio (V), molibdeno (Mo), tantalio (Ta), columbio (o niobio -Nb) stabilizzano la fase β senza formazione di eutettoide a temperatura ambiente. La Fig.7.2 mostra i diagrammi di fase nelle diverse situazioni. Le leghe di titanio non vengono classificate secondo un sistema universalmente riconosciuto, ma vengono utilizzati diversi sistemi nazionali; inoltre sono di uso corrente diverse denominazioni che non fanno riferimento a classificazioni ufficiali. Ti commercialmente puro (indicato secondo ASTM come CP-grade x, dove x è una cifra indicativa delle impurezze presenti) viene impiegato soprattutto per le sue caratteristiche di resistenza a corrosione. La presenza di impurezze, come l'ossigeno, aumenta sensibilmente la resistenza meccanica, ma ne riduce la resistenza a corrosione e la duttilità. L'aggiunta di piccole quantità di elementi come palladio e rutenio

(CP grade 7, grade 11) consente di migliorarne la resistenza a ossidazione. Trova applicazione soprattutto nell'industria chimica per la costruzione di scambiatori di calore, reattori, serbatoi di stoccaggio, pompe e valvole a contatto con liquidi corrosivi. La superiore resistenza a ossidazione del titanio è garantita dalla passivazione a seguito della formazione di uno strato di ossido superficiale (TiO2) resistente fino alla temperatura di circa 530 °C. A temperature superiori lo strato di ossido perde di continuità, riducendo drasticamente la resistenza a corrosione del materiale. In ambiente atmosferico, quindi, questa temperatura rappresenta un limite per l'impiego del titanio. La Tab.7.1 riporta le caratteristiche meccaniche del titanio e di alcune leghe. Si osserva come un aumento di solo 0,5% nelle impurità determina un incremento di oltre il 100% del carico di rottura e della resistenza a snervamento. Tra leghe di tipo α, quella contenente 5% Al e 2,5% Sn è la più comune. Gli alliganti, completamente solubilizzati, danno rafforzamento della struttura cristallina esagonale per soluzione solida. Le leghe α possono essere sottoposte a trattamento termico di riscaldamento in fase β, seguito da raffreddamento. Il controllo della velocità di raffreddamento permette di modificare la microstruttura ottenuta a seguito della trasformazione: a causa della diversa velocità di crescita e della presenza di direzioni di preferenziali di accrescimento dei cristalli all'interno dei grani matrice ospite, si vengono a formare strutture orientate ed allungate in forma di aghi, piattelli, ecc. (strutture di Windmanstatten).

Tabella 7.1: Caratteristiche meccaniche del titanio e di alcune leghe

La presenza di tali strutture può interferire con i meccanismi di attivazione e propagazione delle cricche influenzando marcatamente il comportamento meccanico del materiale. Strutture di Windmanstatten

si formano, ad esempio, anche durante l'invecchiamento di leghe di alluminio. Un raffreddamento rapido determina la formazione di una struttura aciculare dei grani α che conferisce maggiore resistenza a fatica. Un raffreddamento lento, in forno, produce una struttura prevalentemente in forma di

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piattelli che conferisce migliori proprietà di resistenza a creep. In Fig. 7.3 sono schematizzati i trattamenti

termici ed è mostrata la struttura risultante a seguito di raffreddamento veloce.

Figura 7.3: Trattamenti termici e struttura a grani aciculari risultante a seguito di raffreddamento veloce di una lega α

Figura 7.4: Resistenza a snervamento di diverse leghe di titanio in funzione della temperatura

Le leghe β richiedono l'aggiunta di elementi β stabilizzanti come vanadio o molibdeno. In realtà non è necessario raggiungere gli elevati tenori previsti dai diagrammi di fase, poiché anche con aggiunte più limitate il raffreddamento rapido produce una struttura metastabile prevalentemente β. Il rafforzamento deriva

dall'effetto di soluzione solida a seguito della notevole quantità di alliganti aggiunti (vedi ad esempio Tab.7.1). Sono considerate β anche leghe in cui viene consentita la precipitazione di una parte di α con ulteriore effetto di rafforzamento. Le leghe β consentono di raggiungere i valori di resistenza più

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elevati, competitivi con quelli di acciai da precipitazione, anche se a spese di una riduzione della deformazione a rottura. Tra queste, una lega con particolari caratteristiche di resistenza, superiori a 1300 MPa, è la Beta C (Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr). La Fig.7.4 mostra un confronto tra la resistenza a snervamento di diverse leghe in funzione della temperatura. Questi materiali trovano applicazione soprattutto in strutture aerospaziali, che includono collegamenti ad alta resistenza, profili strutturali (travi, longheroni, ecc.) ed altri componenti sottoposti ad elevate sollecitazioni meccaniche. Un'opportuna aggiunta di elementi α stabilizzanti e β stabilizzanti consente di ottenere struttura mista α+β a temperatura ambiente, tipica delle leghe α−β. La lega Ti-6Al-4V (o lega Ti64), contenente 6% Al e 4% V, è certamente la lega di titanio maggiormente impiegata. Altre leghe comunemente utilizzate sono Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti6242) e Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo (Ti6246). A seguito della presenza di due fasi, è possibile applicare diversi trattamenti termici per modificare la microstruttura e, di conseguenza, le proprietà meccaniche del materiale. La ricottura fornisce una buona combinazione di elevata duttilità, proprietà uniformi, buona resistenza. La lega viene riscaldata poco al di sotto della temperatura di β-transus; la piccola quantità di α non convertito consente di limitare l'accrescimento dei grani. La Fig.7.5 mostra la presenza di isole di α primario in matrice β a seguito di riscaldamento poco al di sotto della temperatura di β-transus. La temperatura di trattamento dipende dalla composizione, essendo maggiore per le leghe a maggiore contenuto di fase α ed è generalmente superiore a 700 °C. Un successivo raffreddamento lento determina la formazione di grani α equiassici dispersi in matrice β continua; questa struttura è caratterizzata da buona duttilità, formabilità, resistenza alla nucleazione di

cricche di fatica. Diversamente, il riscaldamento in fase β, al di sopra della temperatura di β-transus, seguito da raffreddamento più veloce, produce una struttura aciculare, in forma di reticolo di α.

Figura 7.5: Lega α−β riscaldata poco sotto la temperatura di β-transus. Si nota la presenza di isole di α non convertito Sebbene questa struttura favorisca la nucleazione di microcricche, la maggiore resistenza alla propagazione a causa delle discontinuità delle superfici di interfaccia e della "tortuosità" del percorso delle cricche rendono conto di una bassa velocità di propagazione a fatica, di una buona tenacità e resistenza a creep. La Fig.7.6 mostra schematicamente un possibile processo di ricottura di una lega α−β e la microstruttura che si forma a seguito di raffreddamento lento (b) o veloce (c).

Figura 7.6: Schema di un processo di ricottura di una lega α−β (a). La microstruttura è costituita da grani α equiassici in β a seguito di raffreddamento lento (b) o da grani α aciculari in β a seguito di raffreddamento veloce (c)

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Le migliori caratteristiche di resistenza di leghe α−β vengono ottenute dopo trattamenti di riscaldamento e tempra seguiti da ulteriore ciclo termico. In funzione della composizione della lega e del trattamento termico possono essere ottenuti due tipi di microstrutture. Le leghe α−β con maggiore contenuto di fase α e le leghe quasi α (in cui la frazione β è molto limitata), a

seguito di tempra, possono subire una trasformazione in cui si forma una fase martensitica α' soprassatura, derivata dalla struttura esagonale α. La Fig.7.7 mostra i possibili trattamenti di tempra e successivo riscaldamento possibili per le leghe α−β; sul diagramma di fase è indicata la linea di inizio formazione della martensite. La martensite del titanio è relativamente duttile e tenace.

Figura 7.7: Trattamenti termici (a) e microstruttura di leghe α−β. (b). Si nota la presenza di grani di α primario (chiaro) dispersi in matrice continua (scura) costituita da β e α aciculare formatosi a seguito di invecchiamento

Il successivo riscaldamento a temperature medie, dell'ordine di 400-500 °C) consente la precipitazione della fase β come dispersione all'interno di matrice continua α; la trasformazione può essere scritta come segue: α' ----> α + precipitati β Al contrario di quanto avviene nel rinvenimento della martensite negli acciai, la formazione di precipitati dispersi β aumenta la resistenza rispetto alla fase α'. La resistenza si riduce a seguito di rinvenimento a temperature troppo elevate (Fig.7.8). Le leghe α-β con maggiore contenuto di alliganti β stabilizzanti, e quindi minore contenuto di fase α, possono essere soggette a trattamenti di invecchiamento. Queste comprendono anche diverse leghe commerciali, pur denominate β. Il trattamento consiste in un riscaldamento e tempra di solubilizzazione, e successivo invecchiamento artificiale (Fig.7.7). Il mantenimento alla temperatura di solubilizzazione (alcune decine di minuti a temperature di 900-950 °C) viene seguito da tempra in acqua: in queste condizioni la fase β non si trasforma e rimane soprassatura (βss)a temperatura ambiente. Il

materiale può eventualmente essere lavorato plasticamente a freddo. Il successivo riscaldamento a temperature medie (tipicamente tra 540 e 675 °C) per alcune ore consente l'invecchiamento e la formazione di precipitati α in una struttura di Windmanstatten all'interno di una matrice β secondo la trasformazione: βss ----> β + precipitati α La Fig.7.7 (b) mostra la microstruttura ottenuta, costituita dalla fase continua β, scura, all'interno della quale si riconoscono grani di α primario, chiari, e la fase ad aghi α dispersi formatisi a seguito di invecchiamento artificiale. Un accurato controllo dei tempi e delle temperature di lavoro consente di limitare gli effetti di accrescimento dei grani. Ne risultano leghe di alta resistenza e buona tenacità di interesse per componenti aerospaziali sottoposti ad elevate sollecitazioni come elementi strutturali, carrelli, componenti motori, elementi di lanciatori, protezioni termiche. A causa dell'affinità del titanio con ossigeno, azoto, idrogeno, i trattamenti termici, come anche le altre lavorazioni, vengono generalmente effettuati in

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atmosfera protetta o in vuoto. La presenza di ossigeno durante i trattamenti termici provoca la formazione di uno strato superficiale (alfa-case) ricco di ossigeno con struttura α, duro e fragile. La rimozione di questo strato richiede l'impiego di trattamenti di asportazione meccanica e/o chimica (sabbiatura, decapaggio).

Figura 7.8: Caratteristiche meccaniche di una lega α-β in funzione della temperatura di invecchiamento

Poiché la presenza di ossido superficiale riduce la possibilità di diffusione dell'idrogeno ed i conseguenti effetti di infragilimento, soprattutto nel caso leghe β e α-β, è opportuno operare con atmosfera leggermente ossidante. Allo scopo di aiutare la rimozione dell'idrogeno dallo strato più esterno delle fusioni (fino a profondità di 1,25 cm) il trattamento termico viene in molti casi effettuato in vuoto. 7.3 Tecniche di lavorazione

l titanio le sue leghe vengono utilizzati prevalentemente per la produzione di componenti

mediante tecniche da colata. Le caratteristiche di resistenza meccanica delle fusioni sono infatti simili, e a volte superiori, rispetto a quelle ottenute a seguito di deformazione plastica. La Tab.7.2 riporta le caratteristiche meccaniche del titanio e di alcune leghe lavorate per colata, per deformazione plastica, mediante tecniche di metallurgia delle polveri (P/M). Tuttavia i componenti ottenuti a seguito di deformazione presentano generalmente migliori caratteristiche di resistenza a fatica e tenacità, a seguito delle minori dimensioni dei grani. Le principali problematiche legate alla deformazione plastica derivano dalle particolari caratteristiche di affinità con l'ossigeno, con la possibilità di assorbimento ad alta temperatura, e dalla forte dipendenza della deformabilità dalla temperatura.

Tabella 7.2: Caratteristiche meccaniche di diverse leghe di Ti da fonderia, da deformazione plastica da metallurgia delle polveri

Per le leghe α e α-β, all'approssimarsi della temperatura di β-transus e all'aumentare della quantità della fase β, duttile, si riduce drasticamente la resistenza a scorrimento e diventano possibili

importanti deformazioni (Fig.7.9). Allo stesso tempo, tuttavia aumenta la velocità di assorbimento di ossigeno, e la velocità di ricristallizzazione e crescita dei grani. Nelle leghe α-β la modalità, l'entità, la

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direzione della deformazione, che può essere effettuata sia in condizioni di temperatura per cui è presente solo β, sia a temperature inferiori (con presenza di α + β),

influisce in modo significativo sulle caratteristiche ottenute.

Figura 7.9: Riduzione della resistenza a scorrimento all'approssimarsi della temperatura di β-transus in leghe α e α-β

Gage Tensile strength

Yield strength

Elongation(a)

Tensile

modulus mm MPa MPa % GPa

Longitudinal direction 0.737 945 870 7.0 100 1.016 970 855 6.5 106 1.168 915 860 6.5 105 1.524 985 925 6.5 104 1.778 995 915 8.0 105

Transverse direction 0.737 1105 1061 7.5 130 1.016 1195 1105 7.5 145 1.168 1225 1165 7.5 140 1.524 1125 1090 8.0 125 1.778 1095 1055 9.5 135

(a) 50 mm

Tabella 7.3: Caratteristiche meccaniche di lamiere in Ti-6Al-4V di diverso spessore. La Tab.7.3 riporta le caratteristiche meccaniche di lamiere in Ti-6Al-4V di diverso spessore. La possibilità di ricristallizzazione e la velocità di crescita dei grani dipendono, come in tutti i materiali, dall'entità della deformazione plastica subita e dalla temperatura del trattamento termico successivo. La Fig.7.10 mostra l'effetto della deformazione plastica e della temperatura sulla dimensione dei grani. Un

eccessivo ingrossamento del grano può determinare una marcata riduzione della resistenza e della risposta a fatica, pregiudicando le prestazioni per alcune applicazioni. La Fig.7.11 mostra la dipendenza del comportamento a fatica dalle dimensioni dei grani. L'insieme di questi fenomeni impone un accurato controllo delle modalità di deformazione e di eventuale trattamento termico.

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Le leghe α-β, ad esempio la Ti-6Al-4V, presentano forte dipendenza della deformabilità dalla velocità di deformazione. Materiali con particolari microstrutture a grano fine, in opportune condizioni di temperatura e soggetti a velocità di deformazione relativamente bassa, possono essere sottoposti a processi di deformazione superplastica che consentono di raggiungere deformazioni molto alte, anche di alcune

centinaia di unità %. Queste possibilità di deformazione, eventualmente associate a tecniche di saldatura per diffusione, vengono impiegate per ottenere componenti complessi per impieghi aerospaziali. La Fig.7.12 mostra la possibilità di produzione di pannellature con elementi di irrigidimento integrati ottenuti per deformazione superplastica/diffusion bonding.

Figura 7.10: Effetto della deformazione plastica e della temperatura del successivo trattamento termico sulla dimensione dei grani.

Figura 7.11: Dipendenza del comportamento a fatica dalle dimensioni dei grani La produzione di componenti mediante fusione in stampo consente la realizzazione di forme complesse, ottimizzando l'utilizzo del materiale, che, come già accennato, è piuttosto costoso. A causa dell'alta reattività con gli altri materiali, la facilità di assorbimento di ossigeno, azoto e idrogeno, le lavorazioni per fusione, così come i trattamenti termici, richiedono l'impiego di materiali particolari per gli

stampi, atmosfere protette e procedure specifiche di lavoro. La colata in cera persa (vedi cap.10) è la tecnica primaria di produzione di fusioni in titanio. Un modello in cera viene utilizzato per produrre lo stampo, solitamente in ceramica, in cui sarà successivamente colato il metallo fuso. L'opportuna scelta e applicazione dei materiali ceramici dello stampo è

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critica per ottenere fusioni di buona qualità a causa della reattività del titanio allo stato fuso. In genere vengono impiegate ceramiche ad alta stabilità a base di ossidi di zirconio, torio, ittrio legati da silice per controllare l'espansione termica e la resistenza meccanica dello stampo. In alcune situazioni possono

elettrico sotto vuoto (VAR - Vacuum arc remelting) in

per deformazione perplastica/diffusion bonding (SPF/DB)

ti per favorire il riempimento. Il

ento a fatica ottenuto a seguito di colata, colata seguita da HIP, lavorazione per deformazione plastica.

essere impiegati rivestimenti metallici in tungsteno. Sempre a causa della reattività del fuso con tutti gli altri materiali, il metallo viene fuso mediante arco

Fig. 7.12 – Produzione di pannellature con elementi di irrigidimento integrati ottenuti su

crogiuoli di rame raffreddato in cui si forma uno strato di titanio solido sulla parete (il rame ha temperatura di fusione inferiore a Ti). La lega fusa si trova a temperatura poco superiore alla temperatura del liquidus. Questo comporta una fluidità piuttosto bassa, inferiore a quella dell'alluminio e del nichel, ad esempio; di conseguenza le parti di piccolo spessore (inferiore a 2-3 mm) possono presentare difficoltà di riempimento. Il preriscaldamento e/o la messa in rotazione dello stampo (colata centrifuga) vengono generalmente impiegapreriscaldamento varia da 300 °C, nel caso di colata centrifuga, a 980 °C. Generalmente la fusione di titanio richiede lavorazioni successive per controllarne le caratteristiche meccaniche e di resistenza a corrosione. Il primo passo di lavorazione principale per quasi tutti i componenti da colata è un trattamento di applicazione di pressione a caldo (HIP-hot isostatic pressure) per consentire la saldatura per diffusione e conseguente eliminazione di microvuoti interni. Il processo viene condotto tipicamente a 900-960 °C e 104 MPa di pressione in atmosfera di argon e consente di migliorare in modo sensibile le caratteristiche di tenacità e resistenza a fatica. La Fig.7-13 mostra un confronto tra il comportam

Fig. 7.13 – Comportamento a fatica di leghe di Ti ottenute per colata, colata seguita da HIP, lavorazione per deformazione plastica Il secondo passo principale è l'asportazione chimica della superficie. A causa della reazione con le ceramiche dello stampo si ha la formazione di uno strato superficiale (alfa-case) ricco di ossigeno con struttura α, analogamente a quanto avviene durante i trattamenti termici o durante altre operazioni di post-lavorazione come saldature di riparazione. Il trattamento di asportazione chimica superficiale con acido viene ridotto allo stretto necessario per limitare l'assorbimento di idrogeno, la variazione dimensionale

e l'aumento di rugosità superficiale. La Fig.7.14 mostra un esempio di fusione in lega di titanio. Componenti che consentono maggiori tolleranze dimensionali possono essere prodotti in stampi in grafite secondo le stesse procedure utilizzate nella colata in cera persa. In questo caso il metallo può subire contaminazioni per reazione con carbonio dello stampo.

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Figura 7.14: Componente complesso in lega di Ti ottenuto per fusione in cera persa Componenti di dimensioni limitate possono essere ottenuti con tecniche di metallurgia delle polveri. Elementi ottenuti per sinterizzazione, che richiede atmosfera controllata per evitare ossidazione e assorbimento di idrogeno, posseggono in genere caratteristiche di resistenza simili a quelle ottenute in fusioni, ma tenacità e deformabilità più limitate (Tab.7.2). Tutte le leghe commerciali sono saldabili anche se sono richieste particolari condizioni operative. Le saldature richiedono l'impiego di atmosfera inerte (argon o vuoto), per evitare o limitare l'assorbimento di gas e particolari accorgimenti a causa della possibilità di fenomeni di risolubilizzazione, invecchiamento, sovrainvecchiamento, ingrossamento dei grani, nascita di tensioni residue in prossimità della zona di saldatura. Queste difficoltà risultano anche a seguito della conducibilità termica particolarmente bassa del materiale, che impone tempi operativi di riscaldamento/raffreddamento lenti per evitare eccessive disomogeneità di temperatura. Trattamenti termici, effettuati dopo saldatura, consentono in genere di ripristinare buone caratteristiche meccaniche, prossime a quelle del materiale originale. Anche la lavorazione all'utensile, per asportazione, richiede particolari accorgimenti e risulta in generale difficoltosa. La bassa conducibilità termica rende difficile l'asportazione del calore generato nella lavorazione, con possibilità di surriscaldamenti localizzati; la forte reattività del metallo con i materiali degli utensili, associata all'alta temperatura, determina una veloce usura e degradazione degli utensili; la facilità di assorbimento a caldo di gas come ossigeno o idrogeno durante la lavorazione porta a indurimento e infragilimento del materiale. Questi comportamenti impongono basse velocità di asportazione e l'uso di lubrificanti a base di emulsioni oleose, i cui residui devono essere accuratamente asportati prime di eventuali trattamenti termici successivi. La Fig.7.15 riporta i tempi di usura di un utensile di taglio in funzione della velocità di lavorazione.

Figura 7.15: Tempi di usura di un utensile per la lavorazione di lega in titanio in funzione della velocità di taglio 7.4 Applicazioni delle leghe di titanio in campo aerospaziale

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'industria aerospaziale rappresenta il mercato di maggiore consumo del titanio, grazie alle

eccezionali caratteristiche meccaniche specifiche, di resistenza a corrosione, di prestazioni ad alta temperatura. Le applicazioni di maggiore interesse sono in componenti dei propulsori jet e componenti strutturali sottoposti a temperature fino a 500 °C e oltre. L'utilizzo del metallo è ampio nella maggior parte di velivoli commerciali e militari. Il titanio è impiegato anche in ambito spaziale, dove a causa della bassa concentrazione o assenza di ossigeno ne vengono sfruttate le prestazioni anche a temperature superiori a 700-800 °C (ad esempio in elementi di protezione termica riutilizzabili). Lo sviluppo di prodotti e tecnologie ha reso vantaggioso l'impiego delle leghe di titanio in sostituzione di acciai inossidabili in molte applicazioni aeronautiche. Leghe di titanio sono largamente utilizzate per componenti di elevato spessore o sezione, grazie alla possibilità di ottenere alte prestazioni specifiche con diverse tecniche di lavorazione. Uno dei maggiori utilizzi del titanio è per la produzione di componenti dei motori a turbina. Nella maggior parte dei moderni motori jet, e prevalentemente nel compressore, i componenti in titanio costituiscono il 20-30% del peso. Questi sono rappresentati da palettature, rotori o statori, condotti interni, struttura esterna (case), elementi operanti a temperature fino a 600 °C. Il metallo è competitivo con le leghe di Al e gli acciai ad alta resistenza anche in molti elementi strutturali: sono in titanio elementi strutturali alari, primari e altamente sollecitati,

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componenti del carrello di atterraggio, rotori di elicotteri, elementi di giunzione critici, ecc. La Fig.7.16 mostra ad esempio un moderno velivolo militare (F22-Raptor), in cui 39% del peso è costituito da leghe di titanio.

Figura 7.16: Esempio di utilizzo di leghe di titano: i velivoli F22 sono costituiti prevalentemente da leghe di Ti (39%) e Al (16%) oltre che compositi (24%) Gli impieghi spaziali, iniziati con un ampio utilizzo nei veicoli Apollo e Mercury, continuano nei recenti ed attuali programmi, sia civili che militari. Gran parte della struttura primaria dello Shuttle (struttura della fusoliera e del timone di coda, elementi e collegamenti strutturali, rivestimenti sandwich di alettoni, ecc.) è costituita da leghe di titanio; tra gli ulteriori e numerosi esempi si possono citare serbatoi per combustibile liquido e la struttura primaria (case) di propulsori a combustibile solido di razzi vettori. Altre applicazioni- Tra le diverse applicazioni avanzate delle leghe di titanio vanno segnalate quelle nel campo biomedico. La resistenza a corrosione, la compatibilità con i tessuti organici, la leggerezza, il ridotto modulo elastico rispetto ad altri materiali alternativi (acciai inossidabili, leghe di cobalto ecc.), la possibilità di ottenere componenti complessi con diverse tecniche di lavorazione, rendono il titanio un materiale primario per protesi ortopediche, viti, collegamenti, protesi e apparecchi dentali. Bibliografia Askeland, D.: "The Science and Engineering of Materials", 3rd SI ed. Chapman and Hall, London, 1996 ASM “Metals Handbook”, 2nd ed., vol. 2, 1998 Colvin G.N., London B., in Encyclopedia of Advanced Materials, p.2868-2874, Elsevier, 1994 Smith, W. F.: "Scienza e Tecnologia dei Materiali", 3a ed. McGraw-Hill, Milano, 2008