Studio dei processi di invecchiamento di un materiale composito a matrice metallica di titanio con rinforzo particellare

Capitolo 1                                                        Introduzione e obiettivi della ricerca 
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1.1 Introduzione e obiettivi della ricerca. 
La metallurgia ha sempre avuto come fine primo quello di fornire materiali adatti 
ai tempi, possiamo affermare con sicurezza che, insieme alla medicina, sia la 
scienza più legata ai bisogni contingenti dell’uomo. 
Essendo una scienza che nasce dalla ricerca incessante essa è sempre motivata dal 
bisogno contingente e mai dalla mera astrazione ed è così anche oggi in cui ogni 
innovazione non può nascere senza una tecnologia che la supporti nei materiali. 
Al contrario della medicina che ha ancora oggi sconfinati campi di indagine per 
quel che riguarda le sue “ materie prime” la metallurgia deve lavorare con mattoni 
oramai ben identificati per pregi e difetti. 
La molteplicità delle combinazioni disponibili lascia ampi margini di 
miglioramento per quel che riguarda la possibilità di arrivare a traguardi sempre 
più ambiziosi che vengono posti davanti da altre discipline. 
Tutti, dai medici agli architetti, si rivolgono alla scienza dei materiali per avere i 
mezzi per superare ostacoli di difficoltà sempre crescente e scopo della ricerca è 
soddisfare queste richieste per migliorare sensibilmente la vita dell’uomo. 
Gli obiettivi di questa tesi sono dunque quelli di venire incontro alle pressanti 
richieste dell’industria aerospaziale sempre alla ricerca di un materiale leggero, 
lavorabile, resistente alla corrosione e con proprietà meccaniche dello stesso ordine 
di grandezza degli acciai spesso inadatti perché troppo pesanti. 
Questo lavoro analizzerà come l’esposizione prolungata ad alte temperature 
influenzi le proprietà di un materiale composito a matrice di Titanio 6Al 2Sn 4Zr 
2Mo 0.1Si  rinforzata con del Carburo di Titanio (TiC) in forma di particolato 
mettendo in luce l’evoluzione delle proprietà meccaniche, della durezza, delle 
curve di ossidazione e della sensibilità dell’ossidazione alla finitura superficiale. 
L'analisi, inoltre, metterà in luce, con l'ausilio del microscopio a scansione e 
dell'analisi E.D.S., la diffusione del carbonio all'interno della matrice tracciandone 
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i profili di concentrazione e cercherà correlazioni fra questa diffusione e la 
variazione delle proprietà meccaniche. 
 
 
1.2 La scelta del Titanio 
Il Titanio è uno degli elementi più presenti nel nostro universo. Sono state trovate 
tracce di Titanio nella polvere interstellare, su meteoriti e persino su stelle. 
La sua concentrazione nella crosta terrestre è di circa lo 0.6%, percentuale che lo 
colloca al quarto posto, dopo alluminio, ferro e magnesio, nella lista dei metalli 
strutturali presenti sul nostro pianeta. 
Contrariamente a quanto si può pensare, è presente quasi ovunque ed in percentuali 
sensibilmente superiori rispetto a metalli più familiari. 
Basti pensare che la presenza del Titanio è di venti volte superiore a quella del 
cromo, di trenta a quella del Nickel e di sessanta rispetto al Rame [1.1]. 
Se il Titanio però non è stato da subito al centro di un massiccio sfruttamento lo si deve 
alla sua scarsa facilità di estrazione, difficilmente, infatti, esso si presenta in 
concentrazioni tali da poter essere estratto in condizioni economicamente accettabili. Si 
presenta generalmente in presenza di alcuni materiali come la Ilmenite, la 
Titanomagnetite ed il Rutile. 
I pregi del Titanio sono essenzialmente due: un ottimo coefficiente resistenza/peso 
ed una buona resistenza a corrosione. 
Queste qualità lo rendono appetibile  per usi aerospaziali, dal telaio ai rivestimenti, 
e per applicazioni più vicine alla meccanica classica come palette per turbine a 
vapore. 
La possibilità di ottenere leghe di Titanio mediante sistemi alternativi alla fusione 
ha incrementato il rapporto buy to flight che normalmente era molto basso. Con 
questa espressione si intende il rapporto fra la quantità di materiale grezzo 
acquistato e il peso del prodotto finito. 
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La metodologia classica prevedeva, infatti, una forgiatura di un pezzo di 
dimensioni maggiori che doveva essere poi sgrossato. 
Tecnologie come L’HIP invece permettono di tagliare molto i costi e quindi di 
riportare il Titanio prepotentemente sul mercato non solo come materiale d’élite 
ma anche come metallo per usi più comuni. 
 
1.3 Sviluppi sulle leghe di Titanio 
Durante l’ultima decade, l’obiettivo sullo sviluppo delle leghe di Titanio si è 
spostato dalle applicazioni aerospaziali a quelle industriali. 
L’industria del Titanio è sempre stata legata a filo doppio al mercato aerospaziale e 
questo settore costituirà una percentuale significativa del consumo totale del 
Titanio prodotta per gli anni a venire. 
Tuttavia il Titanio è sempre maggiormente scelto per i prodotti industriali in base 
al valore di analisi mirate più sui costi del ciclo di vita che sul solo prezzo iniziale. 
Lo sforzo di riuscire a spostare l’uso del Titanio dagli utilizzi più sofisticati ad 
applicazioni di massa è proprio di tutti i produttori di Titanio. 
Questo obiettivo è influenzato da molti fattori come: 
• La sotto utilizzazione e commercializzazione delle leghe aerospaziali 
precedentemente sviluppate 
• La natura ciclica e poco affidabile dell’economia legata all’aerospaziale ed i 
suoi effetti sui prezzi ed i profitti dei produttori. 
• L’incremento della disponibilità di spugne e Titanio grezzo proveniente dalla 
CSI che ha prodotto un aumento delle capacità del mercato. 
 
Oggi giorno, solo una piccola parte della ricerca è mirata alla ricerca e sviluppo di 
leghe radicalmente nuove. La strategia è centrata sullo sviluppo e miglioramento 
dei processi produttivi per offrire il prodotto sempre in nuove forme. 
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L’obiettivo è quello di espandere l’uso del Titanio nel mercato aerospaziale o di 
conquistarne dei nuovi aperti da sviluppi della ricerca [1.2]. 
 
1.3.1 Turbine a gas 
L’utilizzazione del Titanio in questo campo sembra avere molti sbocchi in vari 
campi con molteplici sfaccettature. 
Nelle parti che operano alle temperature più basse le leghe di Titanio devono 
competere con la sempre crescente capacità termica dei composti intermetallici. 
D’altro canto per gli usi ad alta temperatura le rivali più agguerrite delle leghe di 
Titanio sono le leghe di Nickel per ragioni legate la creep ed alla stabilità 
metallurgica. 
Lo svi luppo della ricerca ed il taglio progressivo dei costi di fabbricazione però 
hanno permesso alle leghe più comuni come la 6Al 4V di resistere e di trovare 
posto nel mercato delle palette per i compressori delle turbine. 
Leghe più spinte come la 6Al 2Sn 4Mo 2Zr 0.1Si  hanno cominciato a rimpiazzare 
la 6-4 perché più leggere e meglio resistenti alle alte temperature. 
Per migliorare ancora di più le prestazioni in temperatura, come nel caso analizzato 
in questa tesi, si è fatto ricorso a rinforzi di ceramici stabili alle alte temperature ed 
essenziali per migliorare le capacità di resistenza al creep. 
 
1.3.2 Sviluppi nelle strutture 
aerospaziali 
Per capire l’importanza rivestita 
dal Titanio basta pensare che in 
poco meno di trent’anni le due 
maggiori compagnie produttrici di 
aeroplani del mondo, la Boeing® e 
la McDonnel-Douglas®, hanno  
Figura 1.1 
Capitolo 1                                                        Introduzione e obiettivi della ricerca 
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quadruplicato l’impiego di questo materiale nei loro aerei. 
Il Boeing 777 (fig. 1.1) ha una percentuale di Titanio di peso a vuoto del 8% 
contro il 2% del 727 prodotto nel 1962. 
Anche la Pratt & Whitney® [1.3] 
utilizza il Titanio per gli 
spruzzatori del suo motore 
aeronautico PW 4168 (fig. 1.2) 
perché riduce sensibilmente il peso 
del componente e garantisce 
margini più sicuri sui tempi di 
manutenzione. 
Un ulteriore incentivo proviene dal 
programma HSCT (trasporto civile 
ad alta velocità) che rappresenta un ottima opportunità per i produttori di Titanio 
per commercializzare il loro prodotto. L’attuale meta consiste nel rendere la 
produzione del Titanio industrialmente più competitiva mentre la ricerca di leghe 
totalmente nuove non sembra essere oggetto di massicci investimenti. 
 
1.3.3 Impieghi balistici 
Le applicazioni del Titanio per 
corazze balistiche sono 
significativamente aumentate 
negli ultimi anni ma presentano 
ancora un largo margine di 
crescita. 
E' noto che l'industria bellica è 
sempre stata un grosso polo per lo 
Figura 1.2 
Figura 1.3 
 
Capitolo 1                                                        Introduzione e obiettivi della ricerca 
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sviluppo di nuovi materiali e il Titanio non è sfuggito alla sua forza attrattiva. Il 
primo impiego su scala industriale è stato per il portello del comandante del carro 
A2 della Bradley® (fig.1.3) [1.4] 
La stessa Bradley ha in cantiere un nuovo mezzo, l'A3, con l'obice leggero in 
Titanio e i progettisti del famoso carro M1 stanno studiando una nuova 
configurazione con la torretta interamente in Titanio. 
Le attrattive del Titanio sono molteplici e vanno dalla drastica riduzione di peso a 
migliori caratteristiche di scudo balistico a performance più elevate del veicolo 
specificamente la velocità di punta. 
Le applicazioni del Titanio non si fermano però solo ai veicoli terrestri; il ponte di 
coperta della nuova portaerei Charles De Gaulle è in larga parte realizzato in 
Titanio.  
La lega più largamente usate è la Ti 6-4 comunque le industrie del settore non 
hanno abbandonato la ricerca per l'uso di leghe alternative al fine di migliorare la 
lavorabilità con conseguente abbattimento dei costi e miglioramento delle 
proprietà balistiche. 
 
1.3.4 Strutture geotermali e piattaforme off-shore 
L'ottima resistenza a corrosione in 
presenza di ambienti acidi ricchi di 
zolfo ha sempre fatto del Titanio 
un materiale competitivo per 
queste applicazioni. 
Negli ultimi anni, però, il Titanio è 
stato fortemente utilizzato anche 
come materiale strutturale 
(Fig.1.5) [1.5] vista la sua bassa 
densità e il suo basso modulo di Young che gli permette di assecondare gli 
assestamenti della struttura. 
Figura 1.5 
Capitolo 1                                                        Introduzione e obiettivi della ricerca 
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L'unico limite all'utilizzo massiccio del Titanio per le tubazione è rappresentato 
dalla scarsa fiducia delle compagnie petrolifere sulle reali capacità produttive delle 
aziende anche se si stanno sviluppando delle sinergie come quella fra la Timet® e 
la SINTEF® volte alla massificazione della produzione dei tubolari. 
 
  
 
 
                      
 
 
 
 
 
 
 
            CAPITOLO DUE 
Presentazione del materiale 
Capitolo 2                                                                        Presentazione del materiale  
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2.1 Introduzione ai Compositi a Matrice Metallica o MMC 
Per materiali compositi si intendono materiali caratterizzati dall’abbinamento di 
due o più macro costituenti, eterogenei tra di loro. 
Si tratta di una famiglia molto ampia di materiali sviluppati a partire dagli anni 
sessanta, con lo scopo di ottenere l’effetto sinergico derivante dall’unione di due 
materiali (matrice e rinforzo) con caratteristiche diverse tra loro, esaltandone le 
proprietà. 
Questi materiali nascono dalla necessità di disporre di componenti con 
caratteristiche superiori rispetto a quelle che si potrebbero raggiungere con le 
rispettive matrici metalliche. 
Nella panoramica dei materiali di nuova concezione, i compositi rappresentano 
sicuramente quelli in grado di soddisfare meglio le esigenze dei settori industriali 
tecnologicamente più avanzati. 
Fra questi, i compositi a matrice metallica (MMC) rinforzati con ceramici o 
intermetallici si sono proposti come materiali strutturali di particolare interesse. 
Le prestazioni di questi materiali dipendono largamente sia dalla natura dei due 
componenti (composizione chimica, struttura cristallina, e nel caso del rinforzo, 
forma e dimensioni) sia dalla tecnologia di produzione. 
I MMC si realizzano accoppiando leghe leggere, generalmente leghe di alluminio e 
Titanio, con fibre o whiskers di allumina, Carbonio, Boro, nitruro di Boro, carburo 
di Silicio o con particelle ceramiche. 
Il prodotto che si realizza, in funzione della quantità di rinforzo utilizzata, è 
caratterizzato, rispetto al componente base metallico, da elevati valori di resistenza 
meccanica specifica, rigidità, resistenza all’usura, resistenza a fatica ed al creep, 
resistenza agli shock termici e alla corrosione in particolari ambienti aggressivi; 
diminuiscono però duttilità e tenacità alla frattura ed i coefficienti di dilatazione e 
di conducibilità termica. 
Si tende in generale a classificare i compositi in base al tipo di rinforzo che viene 
impiegato ed in particolare in base alle sue caratteristiche geometriche. Una prima 
Capitolo 2                                                                        Presentazione del materiale  
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distinzione può quindi essere fatta raggruppando i compositi in due categorie 
fondamentali: 
• Compositi con rinforzo continuo, cioè contenenti fibre o filamenti continui. 
(Fig. 2.1) 
• Compositi con rinforzo discontinuo (che saranno quelli esaminati in questo 
lavoro), contenenti fibre corte, whiskers o particelle. (Fig. 2.2) 
L’impiego dei compositi a matrice metallica in sostituzione dei materiali avanzati 
tradizionali (leghe di Alluminio e di Titanio) permette di conseguire riduzioni di 
peso fino al 40%, un simile beneficio è estremamente importante in un settore 
come quello dei trasporti (industria automobilistica ed aeronautica). 
Ogni gruppo di materiali ha caratteristiche peculiari dal punto di vista fisico e 
meccanico che dipendono dal tipo di rinforzo e dalla sua frazione volumetrica, 
dalla composizione della lega e dalla tecnologia di produzione impiegata. 
I compositi con rinforzo discontinuo hanno caratteristiche di maggior isotropicità 
rispetto a quelli con rinforzo a fibre lunghe e lasciano intravedere potenzialità di 
gran lunga superiori grazie soprattutto al loro costo inferiore che li rende adatti ad 
applicazioni in settori a larga diffusione quali quello automobilistico, motoristico, 
aeronautico e dei trasporti in generale. 
Per la produzione dei materiali compositi a matrice metallica si possono impiegare 
processi col metallo allo stato liquido (liquid pressing, liquid infiltration, squeeze 
 
 
Figura 2.1 
 
 
Figura 2.2 
Capitolo 2                                                                        Presentazione del materiale  
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casting, ecc.), allo stato solido (metallurgia delle polveri), oppure allo stato 
semiliquido, ma in ogni caso, la scelta del processo deve essere fatta in funzione 
della combinazione matrice/rinforzo utilizzata e della qualità del materiale da 
produrre. Infatti, i processi in fase solida consentono di impiegare temperature 
inferiori a quelli in fase liquida e quindi provocano un minor degrado del rinforzo. 
I materiali compositi, in funzione delle tecnologie utilizzate per la loro produzione, 
presentano proprietà fisico-meccaniche piuttosto differenti tra loro; queste 
differenze contribuiscono a determinare e diversificare i loro campi di 
applicazione. 
Nell’ambito del discorso relativo alle applicazioni è comunque necessario tenere 
conto del fattore costo, sia riferito alle materie prime, sia alle metodologie di 
produzione, che concorre ovviamente a determinare i settori di utilizzo del 
prodotto composito. 
E’ fondamentale, nella realizzazione di un MMC, creare dei legami tra rinforzo e 
matrice per consentire il bilanciamento dei carichi dalla matrice al rinforzo, 
cercando di evitare il degrado del rinforzo a causa di interazioni chimiche con la 
matrice. 
Infatti, i fenomeni chimico-fisici che si realizzano all’interfaccia fra matrice e 
rinforzo sono spesso responsabili del decadimento delle proprietà meccaniche del 
composito stesso. Tali fenomeni sono particolarmente attivi alle alte temperature, 
per questo motivo anche la tecnologia di produzione adottata svolge un ruolo 
importante in questo senso. 
In presenza di sistemi matrice-rinforzo estremamente reattivi si può ricorrere alla 
ricopertura del rinforzo con elementi maggiormente compatibili con la matrice, 
oppure variare opportunamente le modalità di fabbricazione. 
Un altro aspetto importante riguardante le interfacce tra fibre e matrice nei 
compositi, è rappresentato dalle modificazioni microstrutturali della matrice 
presenti in prossimità del rinforzo. Poiché spesso la matrice metallica ed il rinforzo 
ceramico presentano coefficienti di dilatazione termica marcatamente differenti, 
Capitolo 2                                                                        Presentazione del materiale  
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fin dal momento della produzione del materiale e in seguito a raffreddamenti più o 
meno bruschi, in prossimità delle interfacce insorgono tensioni che si risolvono 
almeno parzialmente nella deformazione plastica della matrice. L’incrudimento di 
una parte della matrice contribuisce da un lato ad accrescere la resistenza del 
materiale, d’altra parte però, lo stato di tensione all’interfaccia potrebbe 
determinare una perdita di adesione tra i due componenti o addirittura la 
formazione di microcricche. 
La prima importante applicazione su scala commerciale dei MMC, si è 
concretizzata nella produzione di pistoni per motori diesel ottenuti con tecnologia 
“Squeeze Casting” rinforzati con whiskers di SiC. Successivamente ai whiskers di 
carburo di Silicio si sono sostituiti altri elementi di rinforzo come ad esempio fibre 
di allumina, alluminosilicati, con costi largamente inferiori. 
Possiamo trovare numerose altre applicazione nel settore aerospaziale ed in quello 
dei turbogas dove la resistenza al creep è una necessita come il mantenere ridotto il 
peso sia del materiale da portare in quota (nel primo caso) sia delle masse in 
rotazione (nel secondo caso). 
 
2.2 L’HIP (Hot Isostatic Process)  
Il processo isostatico a caldo (HIP) è un procedimento relativamente nuovo per la 
metallurgia.  
La ricerca in questo campo si focalizza più spesso nell’ottimizzazione dei processi 
già esistenti piuttosto che sulla creazione di procedimenti completamente nuovi 
che richiederebbero decine d’anni per essere impiegati su scala industriale. 
Spesso però, le tecnologie nascono per caso o, caso ancora più comune, nascono 
ideate per un fine diverso da quello per cui assurgono all’uso comune quando la 
produzione industriale le fa proprie ed è proprio il caso dell’HIP [2.1]. 
L’HIP nasce nei laboratori della Battelle, a Columbus Ohio, agli inizi degli anni 
’60 grazie a H. Saller, R. Dayton, S. Paprocki e E. Hodge e viene concepita come 
Capitolo 2                                                                        Presentazione del materiale  
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un processo per scarsissimi volumi per la produzione di combustibile nucleare ad 
alti costi. 
Le potenzialità dell’HIP però sono state subito capite e sfruttate al meglio 
reindirizzando questa tecnologia per la produzione intensiva e molto veloce anche 
di materiali a basso costo come gli acciai veloci per utensili. 
Di seguito si illustreranno i punti fondamentali del processo facendo riferimento 
alle peculiarità dell’HIP nella preparazione di componenti in Titanio. 
 
2.2.1 Descrizione del processo  
Il procedimento è molto semplice da descrivere. Si sfrutta la combinazione di 
un’elevata temperatura e di una pressione molto forte, in genere di un gas inerte, 
applicata sul corpo da lavorare. [2.1] 
Il processo si svolge all’interno di una camera pressurizzata contenente all’interno 
le fonti di calore necessarie. La camera ha un unico collegamento che viene 
utilizzato per fornire gas, combustibile e regolare il controllo. 
L’HIP è utilizzato normalmente per tre diversi impieghi 
1. La consolidazione delle polveri, chiamata hot isostatic pressing, hot isostatic 
compaction o isostatic hot pressing. 
2. La saldatura per diffusione, chiamata saldatura da gas in pressione, saldatura 
isostatica per diffusione o saldatura HIP. 
3. Il risanamento dei difetti di colata o Defect Healing 
 
2.2.1.1 Consolidamento delle polveri mediante HIP  
Il consolidamento delle polveri è l’impiego maggiormente sfruttato dell’HIP e 
serve a realizzare dei pezzi di forma complicata con un’elevata finitura. Lo 
sviluppo di questa tecnica ha permesso di superare l’uso precedente dell’HIP che 
prevedeva di realizzare forme semplici, come le billette, da lavorare 
successivamente. 
Capitolo 2                                                                        Presentazione del materiale  
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Il pezzo esce dal processo quasi finito (near net shape); ciò rappresenta un 
importante traguardo per tutti quei componenti che devono essere realizzati in 
materiali che risentono molto delle lavorazioni meccaniche o che non permettono 
un riciclaggio consistente degli scarti (come il Titanio). 
 
2.2.1.2 I Passi fondamentali del processo  
Il processo si compone di pochi passi fondamentali (fig. 2.3) [2.1] 
• Le polveri vengono pre formate in un contenitore flessibile della forma 
desiderata ma leggermente sovra dimensionato  
• Le polveri sono state degassate in alta temperatura e sotto vuoto per fare 
espellere tutti i gas solubilizzati nel metallo 
• Viene fatto il vuoto nell’involucro flessibile e poi lo stesso viene sigillato. 
• Si inserisce il contenitore nella camera pressurizzata fino a che il processo non 
si ultima combinando temperatura ed alta pressione (fig. 2.4). 
 
Figura 2.3