dei motori aeronautici (turbofan); ad esempio, la IMI 230 (Ti-2.5 Cu) è stata
usata per la produzione di uno stadio intermedio del compressore del motore
Rolls-Royce Olympus del CONCORDE.
Le leghe quasi-α contengono fino al 3% di alliganti β -stabilizzanti che introducono
un piccolo quantitativo di fase β nella microstruttura ed aumentano la forgiabilità.
La variazione delle caratteristiche meccaniche non dipende però dalla fase β (troppo
limitata), ma dalla manipolazione della microstruttura e dalla presenza della fase α
martensitica (una fase secondaria metastabile che si forma dalla fase β ).
La resistenza al creep è elevata (T<450°C) se viene attentamente controllato il range
della velocità di tempra.
La lega quasi-α più importante è la Ti-8Al-1Mo-1V (8% peso di Al, 1 di Mo e 1 di
V, chiamata Ti-811), utilizzata per dischi e lame dei compressori dei motori
aeronautici; da notare che possiede la più alta quantità di Alluminio di tutte le leghe
commerciali più diffuse.
Altri esempi importanti sono la Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si o Ti-1100 per alte
temperature (fino a 600°C, mentre la Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo, o IMI-679,
sviluppata negli anni '60 è stata ormai sostituita, vedi par. 1.2.2), le IMI-230, IMI-
685, IMI-829 e IMI-834 per impieghi aerospaziali, e la Ti-3Al-2.5V, o grado 9 (detto
anche "mezzo grado 5"), dalle molteplici applicazioni, ad esempio tubature ad alta
pressione per impianti idraulici in campo aerospaziale (C-5, CONCORDE, B-757, B-
767, vedi par. 1.6).
Negli USA, in questa categoria si fa rientrare anche la Ti-6242S, descritta più avanti,
anche se è a tutti gli effetti una lega α /β [6] .
Per tutte e due le sottoclassi, esistono dei limiti alla percentuale massima di
α -stabilizzante che è possibile alligare al Titanio, perchè oltre certi valori si innesca
la precipitazione di una fase α
2
di composizione generale TiX3 (es. TiAl3) che causa
un forte abbassamento della duttilità della lega; la sua presenza, che aveva fatto ben
sperare in un miglioramento del comportamento delle leghe di Ti alle alte
temperature, appare uno dei vincoli più forti allo sviluppo di leghe termoresistenti.
Un aumento della duttilità in presenza della fase α
2
è causato dal Ga, ed infatti sono
state studiate leghe sperimentali Ti-Al-Ga, anche se il loro sviluppo è frenato sia
dall’elevato costo e tossicità del Ga sia dalle difficoltà di fusione.
Leghe α /β
Sono state sviluppate a causa delle difficoltà di formabilità e di raggiungimento di
valori elevati di resistenza meccanica tramite aggiunta di α -stabilizzante (a causa
della precipitazione della fase α
2
).
Possiedono infatti elevata resistenza meccanica e buona forgiabilità, mentre le doti di
saldabilità e resistenza al creep sono solo discrete.
Rispetto alle leghe α , hanno una minore resistenza alla corrosione (comunque
generalmente superiore a quella degli inox, e aumentabile tramite aggiunta di
Palladio), una minore densità, una maggiore resistenza meccanica (soprattutto a
caldo) ed un saldabilità in gas inerte simile.
Un’aggiunta massiccia di alliganti β -stabilizzanti può portare alla possibilità di
ottenere una struttura β a temperatura ambiente; questa possibilità assume una
notevole importanza poiché la struttura cubica a corpo centrato è più facilmente
deformabile di quella esagonale, e può essere invecchiata dopo il processo di
deformazione fornendo elevati valori di resistenza meccanica, aumentabile anche del
50%, se il raffreddamento è rapido (questo vale per tutte le leghe povere di
β -stabilizzante).
Tuttavia, elevati tenori di β -stabilizzanti causano notevoli problemi durante la
fusione (segregazione), e aumentano leggermente la densità.
Le leghe α /β sono impiegate principalmente in campo aerospaziale, nella costruzione
di apparecchiature per i processi chimici (CPI) e per applicazioni che richiedono alta
resistenza meccanica a temperature superiori a 300°C.
La lega 6Al-4V, o grado 5, appartenente a questa categoria, è sicuramente la più
conosciuta in tutto il campo delle leghe di Ti (vedi par. 1.2.1); altre leghe α /β di
grande importanza commerciale sono la Ti-6Al-6V-2Sn, che ha una maggiore
resistenza meccanica, le Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si (Ti-6242S o Ti-6242Si) per
alte temperature (T limite di esercizio: 470°C) e Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo (Ti-6246) per
applicazioni a temperature intermedie, le Ti-4Al-4Mo-2Sn-0.5Si e Ti-4Al-4Mo-4Sn-
0.5Si (IMI-550 e IMI-551) per impieghi aerospaziali, e le recenti Ti-6Al-2Sn-2Zr-
2Mo-2Cr-0.25Si (Ti-6-22-22 o Ti-6-22-22-S), la cui prima significativa applicazione
riguarda il supercaccia F-22, e Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe (SP-700) [9] .
Leghe β
Il loro impiego non è, almeno per ora, molto diffuso, soprattutto a causa dell'elevato
costo degli elementi β -stabilizzanti isomorfi.
Rispetto alle leghe α , possiedono maggiore resistenza meccanica, soprattutto alle alte
temperature (600-650°C), una maggiore deformabilità, una maggiore dipendenza
delle caratteristiche meccaniche dalla microstruttura, una minore saldabilità e, in
certi casi, una maggiore resistenza alla corrosione (anche per loro l'effetto del
Palladio è positivo).
Tra queste leghe, le più interessanti sono la Ti-10V-2Fe-3Al (Ti-10-2-3) utilizzata
soprattutto nel settore aerospaziale, la Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn (Ti-15-3 o Ti-15-5-3)
dalle svariate applicazioni, le Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn (β -III) e Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-
4Zr (β -C, grado 19) per impieghi a più bassa tecnologia, e le recenti
TIMETAL®21S, TIMETAL®62S e TIMETAL®LCB (Low Cost Beta).
L'applicazione più importante della Ti-15-3 è stata senz'altro quella riguardante il
bombardiere supersonico da penetrazione a bassa quota Rockwell International B-1B
(100 esemplari prodotti attorno alla metà degli anni ottanta), quello che ha avuto il
difficile e tutt'ora incompiuto compito di sostituire l'immortale (1° volo: 1952!) B-52.
La prima lega prodotta commercialmente (metà anni '50, oggi è considerata obsoleta)
fu la 13V-11Cr-3Al, conosciuta anche come B120VCA, impiegata dalla C.I.A. a
partire dai primi anni '60 per la costruzione dello straordinario Lockheed A-12 (vedi
allegato 1).
Per anni, fino all'avvento delle Ti-10-2-3, Ti-15-3 e β -C (anni '60-'70), è stata l'unica
lega β di una certa importanza commerciale.
Tale composizione mostrò tuttavia una notevole combinazione di difetti:
infragilimento per la precipitazione della fase TiCr
2
, limitata saldabilità, difficoltà di
processo sia durante la fusione sia nelle lavorazioni successive.
Le successive leghe sono state migliorate, ed in particolare in alcune di esse:
- sono stati aggiunti elementi (Al, Zr e Sn) che risolvono i problemi di fragilità a
caldo
- sono stati eliminati gli elementi (Cr) che stabilizzano la trasformazione eutettoide,
causando la comparsa di fasi fragili come il TiCr
2
; la stabilizzazione
dell’eutettoide causa inoltre una rallentata risposta all’invecchiamento.
1.2.1 CLASSIFICAZIONE ASTM
Tra le varie classificazioni esistenti per il Titanio non legato e le sue leghe (IMI,
DIN, GOST, ASTM, …), si è scelta quest'ultima (American Standard for Testing and
Materials) per dare, con la tabella 5 [2, 4, 6, 8, 10, 11] , la composizione di alcune
delle leghe più note:
Composizione (% peso)
Grado
ASTM
Nome comune
Tipo di
lega
O
max
N
max
H
max
C
max
Fe
max
Al V Altri
1 CP o non legato
α
0.18 0.03 0.015 0.10 0.20
2 "
α
0.25 0.03 0.015 0.10 0.30
3 "
α
0.35 0.05 0.015 0.10 0.30
4 "
α
0.40 0.05 0.015 0.10 0.50
5 Ti-6Al-4V, Ti-6-4
α /β
0.20 0.05 0.015 0.08 0.40 6.0 4.0
6 Ti-5-2.5
α
0.20 0.05 0.015 0.10 0.50 5.0 2.0-3.0 Sn
7 Ti-Pd
α
Vedi grado 2 0.12-0.25 Pd
9 Ti-3-2.5
α
0.15 0.03 0.015 0.08 0.25 3.0 2.5
11 Ti-Pd
α
Vedi grado 1 0.12-0.25 Pd
12 Ti.-CODE 12®
α
Vedi grado 2
0.2-0.4 Mo
0.6-0.9 Ni
16 Ti-Pd Lean
α
Vedi grado 2 0.04-0.08 Pd
17 Gr.1+Pd
α
Vedi grado 1 0.04-0.08 Pd
18
Ti-3-2.5 + Pd
Gr.9+Pd
α
Vedi grado 9 0.04-0.08 Pd
19
Ti-38644
(Beta-C®)
β
0.12
0.03 0.03 0.05
0.30 3.5
8.0
5.5-6.5 Cr
3.5-4.5 Mo
3.5-4.5 Zr
20 Gr.19+Pd
β
Vedi grado 19
5.5-6.5 Cr
3.5-4.5 Mo
3.5-4.5 Zr
0.04-0.08 Pd
21 TIMETAL 21S®
β
0.11
0.17
0.03
0.05
0.015
0.02
0.05
0.17
0.40
3.0
14.0-16.0 Mo
2.2-3.2 Nb
0.15-0.25 Si
23 Ti-6-4ELI
α /β
0.13 0.03 0.015 0.08 0.25 6.0 4.0
26 Gr.2+0.1 Ru
α
Vedi grado 2 0.08-0.14 Ru
27 Gr.1+0.1 Ru
α
Vedi grado 1 0.08-0.14 Ru
28 Gr.9+0.1 Ru
α
Vedi grado 9 3.0 2.5 0.08-0.14 Ru
29 Ti-6-4ELI+Ru
α /β
Vedi grado 23 6.0 4.0 0.08-0.14 Ru
Tab.5: composizione di alcune leghe ASTM
La tabella 5a [2, 4, 6, 8, 10, 11] mostra invece la composizione di altre leghe che
hanno una grande importanza commerciale, alcune delle quali non sono comprese
nella classificazione ASTM:
Grado
ASTM
Nome comune
Tipo di
lega
O
max
N
max
H
max
C
max
Fe
max
Al V Altri
13
α
0.10 0.03 0.015 0.08 0.20
0.04-0.06 Ni
0.04-0.06 Ru
14
α
0.15 0.03 0.015 0.08 0.30
0.04-0.06 Ni
0.04-0.06 Ru
15
α
0.25 0.05 0.015 0.08 0.30
0.04-0.06 Ni
0.04-0.06 Ru
30
α
Vedi grado 2 0.2-0.8Co, 0.04-0.08Pd
31
α
Vedi grado 3 0.2-0.8Co, 0.04-0.08Pd
32 Ti-5111
α
0.11 0.03 0.015 0.08 0.30 5.0 1.0
0.6-1.4 Sn, 0.6-1.2 Mo
0.6-1.4 Zr, 0.06-0.14Si
33
α
Vedi grado 2
0.1-0.2Cr, 0.02-0.04Ru
0.01-0.02Pd
0.35-0.55Ni
34
α
Vedi grado 3
0.1-0.2Cr, 0.02-0.04Ru
0.01-0.02Pd
0.35-0.55Ni
IMI-230
α
0.20 0.05 0.010 0.08 0.20 2.0-3.0 Cu
IMI-679
α
0.20 0.04 0.008 0.04 0.12 2.3
10.5-11.5Sn, 4.0-6.0Zr,
0.8-1.2Mo, 0.15-0.27Si
IMI-829
α
0.15 0.03 0.006 0.08
0.05
5.5
3.0-4.0 Sn, 2.5-3.5 Zr
0.7-1.3 Nb, 0.2-0.5 Si
0.15-0.35 Mo
IMI-834
α
0.15 0.03 0.006 0.06 0.05 5.5
4.0-5.0 Sn, 3.5-4.5 Zr
0.5-1.0 Nb, 0.2-0.6 Si
0.25-0.75 Mo
Ti-811
α
0.12 0.05 0.015 0.08 0.03 8.0 1.0 0.7-1.3 Mo
Ti-1100
α
0.07 0.07 n.d. 0.007 0.03 6.0
2.25-3.25 Sn,3.5-4.5Zr,
0.2-0.6 Mo, 0.2-0.6 Si
24 Gr. 23+Pd α /β 0.20 0.05 0.015 0.08 0.40 6.0 4.0 0.04-0.08 Pd
25
α /β 0.20 0.05 0.015 0.08 0.40 6.0 4.0 0.3-0.8Ni, 0.04-0.08Pd
IMI-550 α /β
O2+2N2 =
0.27
0.015 0.02 0.20 4.0
1.5-2.5 Sn, 3.5-4.5Mo
0.4-0.8 Si
IMI-551 α /β
O2+2N2 =
0.27
0.015 0.02 0.20 4.0
3.5-4.5 Sn, 3.5-4.5Mo
0.4-0.8 Si
SP-700
α /β
0.15 0.05 0.01 0.08 2.3 5.0 3.0
1.8-2.2 Mo
6-2-4-2 α /β
0.15 0.05 0.015 0.05 0.25 6.0
1.8-2.2 Sn, 3.5-4.5Zr
1.8-2.2 Mo
6-2-4-2S α /β
0.15 0.05 0.015 0.05 0.25 6.0
1.8-2.2 Sn, 3.5-4.5Zr
1.8-2.2 Mo,0.06-0.10Si
6-2-4-6 α /β
0.15 0.04 0.015 0.04 0.15 6.0
1.75-2.25 Sn
3.75-4.25 Zr
5.75-6.25 Mo
6-22-22 α /β
0.14 0.03 0.015 0.05 0.25 6.0
1.75-2.25 Sn
1.75-2.25 Zr
1.75-2.25 Cr
5.75-6.25 Mo
0.20-0.27Si
Ti-17 α /β
0.13 0.04 0.015 0.05 0.30 5.0
1.6-2.4 Sn, 1.6-2.4 Zr
3.5-4.5 Mo, 3.5-4.5 Cr
β -I
13-11-3
β
0.17 0.05 0.025 0.05 0.35 3.0 13 10.5-11.5 Cr
β -III β
0.18 0.05 0.02 0.10 0.35
4.0-5.0 Sn, 5.5-6.5 Zr
11.0-12.0 Mo
Ti-15-3
β
0.13 0.05 0.015 0.05 0.25 3.0 15 2.5-3.5 Cr, 2.5-3.5 Sn
Ti-10-2-3 β
0.16 0.05 0.015 0.05 2.5 3.0 10
TIMETAL
LCB
β
0.15 0.05 0.015 0.05
4.0
5.0
1.5 6.4-7.2 Mo
TIMETAL
21S
β
0.15 0.05 0.015 0.05 0.40 3.0
0.15-0.25Si,2.4-3.0 Nb
14.0-16.0 Mo
TIMETAL
62S
β
0.20 0.04 0.015 0.08
1.3
2.0
6.0
3.0-4.0 Sn, 2.5-3.5 Zr
0.7-1.3 Nb
0.07-0.13Si
0.20-0.35Mo
Tab.5a: composizione di alcune leghe di Titanio
Naturalmente, alcune leghe possono essere assimilate ad altre appartenenti a
differenti classificazioni; ad esempio, il grado 6 corrisponde alla IMI-315, e alla
sovietica VT5-1.
Come si vede dalla tabella, l'unica differenza tra i primi quattro gradi è data dal
contenuto di Ossigeno, Azoto e Ferro.
Il Titanio non legato (unalloyed) è quindi classificato nei primi quattro gruppi, dal
grado 1, il più puro, al grado 4 , mentre i gradi 7 e 11 introducono in lega il Palladio,
che migliora la resistenza alla corrosione (soprattutto interstiziale) in ac. cloridrico,
ac. fosforico, ac. solforico e in ambienti riducenti, ma sono anche molto costosi, e
quindi hanno portato allo sviluppo (1974) del grado 12, contenente Nickel e
Molibdeno, che ha una simile resistenza alla corrosione interstiziale in molti
ambienti (fino a pH 3).
Successivamente, sono state introdotte le leghe Ti-Pd Lean (Gr. 16 e 17) contenenti
solo lo 0.05% di Palladio, e le Ti-0.1 Ru (Gr. 26 e 27), che offrono un'alta resistenza
alla corrosione a costi decisamente inferiori rispetto ai gradi 7 e 11.
In particolare, i gradi 26 e 27 sono candidati a sostituire i più costosi 7 e 11 nelle
applicazioni CPI.
Infine, c'è da rilevare che secondo alcune fonti [3, 12] il Titanio non legato
corrisponde ai gradi 1-4, mentre altre fanno rientrare in questa categoria anche i gradi
7, 11 e 12.
1.2.2 CARATTERISTICHE CHIMICO-FISICHE E
MECCANICHE
La tabella 6 [6, 11] mostra le principali caratteristiche chimico-fisiche di alcune
leghe di Ti:
Gradi ASTM
Proprietà
1, 11,
17
2, 7,
16
3 4 5, 23 6 9 12 19 21 29
Densità (g/cm
3
) 4.52 4.52 4.52 4.52 4.43 4.48 4.48 4.52 4.82 4.94 4.42
T di transiz. (°C) 888 910 920 950
Gr. 5 : 995
Gr. 23 : 980
1060 935 890 730 805 980
T fus 1670 1665 1660 1660 1650 1590 1700 1660 1600 n.d. 1670
Cond. termica
(W/m K) a 20°C
22.0
16.4-
21.8
21.8 17.2 7.0 7.8 8.3 19 6.2 7.6 n.d.
Coeff. espans.
(µ m/m K) a 20°C
8.7 8.7 8.7 8.7
Gr. 5 : 8.7
Gr. 23 : 9.0
9.4 9.6 8.6 8.3 7.1 9.0
Calore specifico
(J/g°C)
0.523 0.523 0.523 0.530 0.580 0.530 0.525 0.555 0.515 0.490 0.586
Resistività el.ca
(µ ohm m)
0.45-
0.55
0.50-
0.55
0.54 0.60 1.68 1.60 1.27 0.52 1.6 1.35 1.68
Tab. 6: principali caratteristiche chimico-fisiche di alcune leghe di Ti (a temperatura ambiente)
Come si vede, tra i vari gradi la densità non cambia di molto (circa il 10%), ed è
sempre all'incirca il 60% di quella degli acciai inox (AISI 316: circa 7.9) e delle
leghe di Nickel (Hastelloy C: circa 8,9), del 50% superiore a quella delle leghe di Al
(75S-T6: 2.8) e 2,5 volte quella del Magnesio (1,7).
Per quanto riguarda invece la conducibilità termica dei gradi 2 e 12 (i più utilizzati
per gli scambiatori di calore), c'è da dire che, pur essendo piuttosto bassa (circa 1/10
di quella dell'Alluminio), è tuttavia superiore a quella di molti acciai inox (ad
esempio, tutti gli austenitici), a differenza di quanto si è creduto fino a pochi anni fa.
Questo perché è stata volutamente sottostimata fino al 1993 di un buon 30% dai
produttori di leghe per scambiatori di calore, molto probabilmente per limitare o
perlomeno ritardare l'introduzione del Titanio nel settore [29] .
Il coefficiente di dilatazione termica, prendendo ad esempio quello dei gradi 2 e 5 (i
più utilizzati), è molto basso, simile a quello di molti materiali da costruzione (vetro,
pietra, marmo, materiali ceramici e compositi), con i quali quindi questo metallo ha
un'ottima compatibilità (vedi par.1.6).
Infine, il calore specifico del Titanio e delle sue leghe è simile a quello degli acciai
inox, e pari a circa il 60% di quello delle leghe di Alluminio.
La tabella 7 [6, 10, 11, 13, 14, 16] contiene invece i valori delle principali proprietà
meccaniche di alcune leghe, sempre utilizzando la classificazione ASTM:
Grado R (Mpa) Rs (Mpa) A (%)
Modulo
elastico (Gpa)
Durezza
1, 11, 17,
27
240-345 170-310 24-35 102-120 100-150 HV, ca. 110-170 HB
2, 7, 16,
26, 30,
33
340-510 250-450 20-28 102-120
140-210 HV, 150-210 HB
ca. 11 HRC
3, 31, 34 450-585 380-520 18-25 102-120
180-280 HV, 150-270 HB
16-26 HRC
4 550-680 480-590 15-23 102-120
200-280 HV, 200-275 HB
ca. 23 HRC
6 800-1060 720-1000 15-17 110-125 30-36 HRC, 300-340 HB
5 895-1270 830-1075 10-20 105-120
Ca. 350 HV, 300-370 HB
Ca. 36 HRC
9, 18, 28 620-1140 480-720 8-30 105-120 15-25 HRC
12 450-620 345-480 12-22 102-120
170-240 HV, 180-240 HB
ca. 11 HRC
19, 20 790-1400 760-1270 6-15 97-105 250-300 HB
23, 29 830-860 760 6-10 105-120 Ca. 30 HRC, 310-340 HB
Tab. 7: caratteristiche meccaniche di alcune leghe ASTM a temperatura ambiente (le variazioni
sono dovute al trattamento termico subito e al tipo di provino)
La tabella 7a riguarda infine alcune proprietà meccaniche di altre leghe di Titanio,
alcune delle quali non sono comprese nella classificazione ASTM:
Lega R (Mpa) Rs (Mpa) A (%)
Modulo
elastico (Gpa)
Durezza
Gr. 7 345 275 20 n.d. n.d.
Gr. 13 275 170 24 102-105 n.d.
Gr. 14 410 275 20 102-105 n.d.
Gr. 15 480 380 18 102-105 n.d.
Gr. 17 345 206 35 n.d. 120 HB
Gr. 18 620-760 480-655 15 n.d. 25 HRC
Gr. 21 790-1310 760-1270 8-15 72-110 n.d.
Gr. 24, 25 890 790-830 10 112 n.d.
Gr. 28 620 480 15 n.d. n.d.
Gr. 32 810-960 710-890 10-15 n.d. n.d.
Ti-6-2-4-2 1000-1100 830-930 10-15 115 n.d.
Ti-6-2-4-2S 970-1150 950-1050 7-16 n.d. n.d.
Ti-6-2-4-6 1030-1300 970-1120 7-16 115 38-40 HRC
Ti-6-22-22 1120 1010 14 n.d. n.d.
Ti-811 900-1080 830-1030 12-15 116-135 27-35 HRC, 320-370 HB
IMI-230 540-920 400-600 10-24 105-120 n.d.
IMI-550 1080-1200 930-1070 9-14 110-120 n.d.
IMI-551 1310-1450 1180-1210 10 110-120 n.d.
IMI-679 1000-1110 880-970 8-10 105-110 n.d.
IMI-829 930-980 820-860 9-13 120 320 HV, 32 HRC
IMI-834 1025-1070 900-970 5-13 120 350 HV, 30 HRC
SP-700 970-1380 940-1240 10-21 n.d. 280-510 HV
10-2-3 970-1400 900-1280 7-15 103-107 300-470 HV, 32-41 HRC
15-3 790-1340 770-1240 8-20 70-107 61-67 HRA
β -I
920-1540 860-1490 6-25 n.d. 30-48 HRC, 260-380 HV
β -III
690-1590 620-1540 8-22 n.d. n.d.
β -C 830-1450 780-1350 7-20 n.d. 350-430 HV
Ti-17 1120-1180 1055-1150 10 110 n.d.
TIMETAL 21S 820-1580 770-1470 3-21 83-102 n.d.
TIMETAL LCB 1035-1550 n.d. 5-25 110-118 n.d.
Ti-1100 910-1100 870-930 8-10 110 n.d.
TIMETAL 62S 930-1020 895-980 10-18 128 n.d.
Tab. 7a: caratteristiche meccaniche di alcune leghe di Titanio a temperatura ambiente (le
variazioni sono dovute al trattamento termico subito e al tipo di provino)
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