9
film protettivo di Al2O3 creando cos una barriera come ulteriore difesa alla
corrosione. Infatti tra tutte le fasi presenti, quella TiAl3, come si pu notare dal
diagramma di figura 1, Ł la piø ricca di alluminio nell’intero sistema TiAl e durante
il processo di ossidazione, essa favorisce la produzione dello strato continuo di
Al2O3 che garantirebbe la resistenza all ossidazione a tutto il materiale
intermetallico. Nella seguente tabella si sono riassunte le propriet necessarie di una
lega per essere idonea all impiego ad elevate temperature. Sono state inserite le
propriet di resistenza meccanica (cioŁ gli alti valori di carico di rottura R, di
snervamento Rs, del limite di fatica Lf, della resilienza K per sopportare i carichi
statici, variabili e gli urti). Sono state inserite le propriet di lavorabilit , quali la
saldabilit , la formabilit per fusione e sinterizz azione, la lavorabilit per
asportazione di truciolo; cioŁ quelle propriet che rendono il materiale idoneo ad
essere modificato secondo le specifiche tecniche di un progetto. Queste propriet
meccaniche elencate possono essere polivalenti, cioŁ per esempio una paletta di una
turbina si pu ottenere sia mediante una lavorazion e per asportazione di truciolo, sia
attraverso uno stampaggio o anche con una saldatura di parti differenti.
Tabella 1: propriet ottimali e necessarie richiest e ad un materiale per elevate temperature.
10
1.2 Generalit
Con il termine composto intermetallico viene indicato un insieme particolare di
composti chimici che non rispettano le classiche regole della valenza e nemmeno
la legge delle proporzioni multiple di Dalton (la pressione totale esercitata da una
miscela ideale di gas ideali Ł uguale alla somma delle pressioni parziali che
sarebbero esercitate dai gas se fossero presenti da soli in un eguale volume),
pertanto questi possono essere definiti anche composti elettronici o composti non
daltonici. Tali composti vengono ottenuti per solidificazione di fusioni metalliche.
Ad esempio, solidificando una soluzione in fase liquida di rame e stagno, Ł possibile
ottenere i seguenti composti intermetallici: Cu5Sn, Cu31Sn8 e Cu3Sn; quindi risulta
evidente che rame e stagno non si legano seguendo semplici rapporti di
combinazione multipli e nemmeno seguendo le regole della valenza chimica.
1.3 Le leghe intermetalliche TiAl
I principi geometrici dell impacchettamento di sfere rigide non si applicano solo ai
metalli puri, ma anche quando vengono combinati atomi simili, specialmente
nell ambito della grande famiglia dei composti intermetallici. Metalli diversi
possono spesso essere mescolati tra loro allo stato fuso; essi formano cioŁ soluzioni
omogenee. Si ottiene una soluzione solida per raffreddamento rapido del liquido;
nella lega disordinata cos ottenuta gli atomi sono distribuiti in modo casuale. Un
raffreddamento lento pu portare talvolta a soluzio ni solide, ma Ł piø comune che si
verifichi una segregazione, in uno dei seguenti modi:
11
• i metalli cristallizzano separatamente (completa segregazione);
• cristallizzano due tipi di soluzioni solide (miscibilit limitata);
• cristallizza una lega di composizione definita (si forma un composto
intermetallico).
La composizione del liquido cambia durante il processo di cristallizzazione e
possono cristallizzare altri composti intermetallici di diversa composizione. Il
diagramma di fase mostra quali sono le possibilit . La tendenza a dare soluzioni
solide dipende essenzialmente da due fattori, cioŁ la relazione chimica tra i due
metalli e i raggi relativi tra i loro atomi. Due metalli chimicamente simili con atomi
di dimensioni vicine formano leghe disordinate e formano soluzioni solide se i raggi
non differiscono di piø del 15% circa. Se i metalli sono meno simili ci pu essere
una miscibilit limitata, come nel caso di Zn in Cu che formano anche composti
intermetallici. Se gli atomi sono diversi in dimensioni o natura chimica sono molto
piø probabili strutture con distribuzioni atomiche ordinate. PoichØ la transizione da
disordine ad ordine comporta una diminuzione entropica: ∆G = ∆H - T∆S <0 deriva
che il ∆H deve essere negativo, cioŁ che la struttura ordinata Ł favorita
energeticamente. Se gli atomi hanno dimensioni diverse, anche quando Ł possibile
una miscibilit completa allo stato solido, le stru tture ordinate (composti
intermetallici) sono favorite ad opportune composizioni. Il grado di ordine dipende
dalla temperatura: aumentando la temperatura, l ordine diminuisce in modo
continuo. Quindi non vi Ł una transizione di fase con una ben definita temperatura di
transizione. Nel caso dei composti ionici, gli atomi in un composto intermetallico
binario mostrano la tendenza meno pronunciata ad essere circondati da atomi
dell altro tipo. Ci , tuttavia, non si pu realizza re simultaneamente per entrambi i
tipi di atomi se formano un impacchettamento compatto. Per composizioni MXn con
n < 3 non si pu realizzare sia per M che per X: in tutti i casi ogni atomo deve avere
come vicini anche atomi dello stesso tipo. Solo con un maggiore contenuto di X, a
cominciare con MX3 (n > 3), sono possibili arrangiamenti in cui ogni atomo M Ł
12
circondato solo da atomi X; gli atomi X, per , cont inuano ad avere altri atomi X
come vicini. E comune che la stechiometria dei composti si realizzi in ciascuno
degli strati esagonali compatti della struttura. Ci facilita una classificazione
razionale dei dati, che sono assai numerosi: Ł necessario solo fare un grafico della
disposizione degli atomi in uno strato e poi specificare quale sia la sequenza degli
strati. Le strutture piø importanti sono:
• strutture MX3 con disposizione esagonale degli atomi M in uno strato;
• strutture MX3 con disposizione rettangolare degli atomi M in uno strato;
• strutture MX con filari alternati dei due atomi.
Si formano leghe disordinate quando si mescolano due metalli bcc non troppo
diversi per raggio atomico (K e Rb). E per favori ta la tendenza a dare leghe
ordinate (salvo diventare disordinate ad alte temperature). Anche se i metalli non
cristallizzano bcc quando sono mescolati con stechiometria appropriata possono
assumere tale arrangiamento. Piø di 130 sono i composti intermetallici
rappresentativi di questo tipo, tra cui MgAg, CaHg, AlFe, e CuZn.
1.4 Il diagramma di stato TiAl
Si pu osservare inserito qui di seguito il diagram ma di stato TiAl riportato nella
figura 1. Si possono notare in ascissa le due differenti scali: una indica la
percentuale in atomico dell alluminio, l altra inve ce, indica di questo percentuale in
peso. In ordinata Ł riportata la temperatura in gradi Celsius.
13
Figura 1: diagramma di stato titanio-alluminio.
Le sette fasi solide del sistema di equilibrio TiAl sono rispettivamente:
• soluzione solida di fase β che rappresenta una struttura cubico corpo centrato
(c.c.c.) e fase α che possiede invece una struttura reticola esagonale compatta (e.c.),
l alluminio stabilizza tale fase rispetto a quella β con una massima solubilit del
45% e del 48%;
• Ti3Al con una struttura esagonale ordinata, basata sulla fase α detta anche fase α2;
• TiAl o fase γ detta fase gamma che deriva dalla reazione peritettica L+βTi↔TiAl,
dove L indica la fase di liquidus;
• TiAl2 e la fase δ detta fase delta che sono caratterizzate da una struttura ordinaria
cubico facce centrate (c.f.c.);
• TiAl3 una fase stechiometrica anch essa con una struttura cubica facce centrate
detta fase η o fase eta;
14
• soluzione solida di Al in cui la solubilit massima del titanio Ł molto ridotta e
giunge al massimo allo 0,7%.
L esistenza di queste fasi Ł stata accertata sebbene le aree di stabilit delle varie fasi
non siano determinate con certezza. Il diagramma Ł caratterizzato da tre reazioni
peritettiche di cui due, L+βTi↔TiAl e L+TiAl3↔Al sono con certezza descritte.
Inoltre sono presenti due eutettoidi a 1125 C e a 1265 C, sono presenti due
peritettoidi e quattro peritettici.
1.5 Le fasi di Hume-Rothery
Sono una classe di leghe con le strutture dei diversi tipi di ottone (leghe Cu-Zn).
Sono dei classici esempi dell influenza sulla struttura della concentrazione degli
elettroni di valenza (VEC) nei metalli. La VEC (Valence Electron Concentration) Ł
definita come VEC=(numero di elettroni di valenza/numero di atomi).
L interpretazione teorica della relazione VEC/struttura Ł stata fornita da H. Jones.
Se partiamo dal rame e aggiungiamo sempre maggiori quantit di zinco, la VEC
cresce. Gli elettroni aggiunti devono occupare livelli energetici superiori, cioŁ
l energia del livello di Fermi viene aumentata e arriva piø vicino ai limiti della
prima zona di Brillouin. Ci si verifica circa per un valore di VEC=1,36. Valori
superiori di VEC richiedono la popolazione di stati antileganti; in queste condizioni
il reticolo bcc diviene piø favorito poichŁ permette valori maggiori della VEC nella
prima zona di Brillouin, fino a circa VEC=1,48.
15
1.6 Le fasi di Laves
Il termine fasi di Laves Ł usato per certe leghe di composizione MM 2, con gli
atomi M piø grandi degli atomi M . L esempio protot ipico Ł MgCu2. Pu essere
considerata una superstruttura del tipo CsCl. Oltre a questa fase di Laves cubica,
esiste una variante con gli atomi Mg disposti come nel diamante esagonale
(lonsdaleite) nel tipo MgZn2, e altri politipi sono noti. Le fasi di Laves vengono
considerate convenzionalmente in modo distinto; sono noti circa 170 composti
intermetallici con la struttura di MgCu2 e la maggior parte non segue la regola di
valenza di Zintl. Le densit delle fasi di Laves so no notevoli: sono maggiori delle
densit dei componenti (in alcuni casi fino al 50%) . Per esempio, la densit di
MgCu2 Ł 5,75 g/cm3, cioŁ il 7% maggiore della densit , pari a 5,37 g/cm3, per una
mole di Mg piø 2 moli di Cu. Quindi, gli atomi hanno un impacchettamento piø
denso in MgCu2 che negli elementi puri. Secondo il modello a sfere rigide, MgCu2
non si dovrebbe formare del tutto, avendo uno space filling del 71%, inferiore di
quello sia del magnesio che del rame, che cristallizzano entrambi in
impacchettamenti compatti di sfere (74% di efficienza). La compressione atomica Ł
ovviamente a carico principale degli atomi di Mg. L aumento di densit Ł
espressione di un guadagno in energia reticolare dovuta a forze di legame piø
intense tra atomi diversi. Queste forze di legame hanno contributi polari poichØ le
fasi di Laves mostrano una maggiore compressione quanto maggiore Ł la differenza
di elettronegativit tra gli atomi. La polarit Ł u n argomento a favore del considerare
le fasi di Laves simili alle fasi di Zintl. Tra i nuovi materiali impiegati per
componenti di turbine a gas, gli intermetallici hanno rivelato di possedere
caratteristiche interessanti sia dal punto di vista delle propriet meccaniche ad
elevata temperatura, sia del loro peso specifico sensibilmente inferiore a quello delle
superleghe di nichel normalmente impiegate per componenti di turbine a gas per
aerotrasporto o produzione di energia. In particolare le leghe intermetalliche TiAl
hanno mostrato un ottimo comportamento meccanico nell’intervallo di temperatura
600-800 C rispetto ad altre superleghe di nichel (a d esempio IN738LC) che sono di
16
impiego corrente. L’attivit di ricerca in tale settore Ł focalizzata nello studio delle
propriet di creep, fatica e propagazione di cricca ad elevata temperatura (fino a
800 C) ed allo studio dei meccanismi di danneggiame nto (innesco e propagazione
di cricche in fatica ed in creep, evoluzione microstrutturale ecc.). La possibilit di
eseguire prove in vuoto od in atmosfera controllata consente di esplorare il
comportamento del materiale all ossidazione. Un settore non trascurabile della
ricerca riguarda la determinazione dei parametri di creep e fatica che possono essere
utilizzati dai progettisti per il dimensionamento dei componenti, nonchØ
l’applicazione di vari modelli di previsione di vita dei materiali in condizioni simili a
quelle di esercizio. Sono conosciuti tre composti intermetallici titanio-alluminio:
Ti3Al, TiAl e TiAl3. In particolare, le fasi α2-Ti3Al (esagonale) e γ-TiAl
(tetragonale) esibiscono bassa densit e buona resi stenza alle alte temperature e sono
scelte perci per lo sviluppo di materiali da costr uzione. I principali scopi sono
accrescere la duttilit a temperatura ambiente di q ueste fasi fragili e migliorare la
resistenza alla corrosione nell intervallo di temperatura di 500-900 C. Le leghe del
tipo α2-Ti3Al sono state sviluppate negli U.S.A. e utilizzate commercialmente negli
anni 90. Queste hanno rimpiazzato nella maggior parte dei casi le convenzionali
leghe di titanio, permettendo applicazioni sopra i 500 C. La duttilit Ł accresciuta
con l’aggiunta di 8‚18% in peso di Nb. Gli altri possibili elementi in lega sono Mo,
V, Ta, e Ni. In aggiunta a Ti3Al, possono anche essere presenti le fasi β-NiAl
(cubica) e Ti2AlNb. La lega α2-Ti3Al Ł prodotta fondendo in vuoto in forni ad arco.
Possono essere adoperate sopra agli 850 C e con la loro densit di 3,9 g/cm 3
possono potenzialmente rimpiazzare le superleghe di nichel negli aerei e nelle
turbine. Un’altra potenziale applicazione Ł come materiale per valvole di
combustione nei motori. Le leghe γ-TiAl leghe consistono di due fasi: γ-TiAl
(tetragonale a facce centrate) e una piccola quantit di α2-Ti3Al (struttura
esagonale). Il contenuto di alluminio Ł del 45-48%; Cr H, Mn e V sono aggiunti per
aumentare la duttilit a temperatura ambiente,mentr e Nb, Ta, Mo e W migliorano la
resistenza a creep alle alte temperature e la resistenza alla corrosione. Si, B e C
possono essere utilizzati come raffinatori di grano. Il contenuto totale di elementi in
17
lega Ł usualmente nel range del 2,7%. I materiali bifasici γ-TiAl possono essere
prodotti con la metallurgia delle polveri o con fusione in forni ad arco in vuoto.
Nella tabella compaiono le propriet delle leghe Ti Al comparate con quelle delle
convenzionali leghe di titanio e delle superleghe di nichel.
Tabella 2: propriet meccaniche delle leghe interme talliche TiAl e TiAl3 confrontate con quelle del titanio puro e di
una superlega di Nichel.
Le leghe del Ti basate sulle fasi TiAl e Ti3Al possono essere in generale classificate
come leghe monofasiche (γ) o bifasiche (α2+γ) in relazione alle composizioni:
• leghe monofasiche: Ti-(50÷58)Al-(1÷2)X1; dove X1=W,Nb,Ta;
• leghe bifasiche: Ti(44÷49)Al-(1÷3)X1-(1÷4)X2-(0.1÷1)X3; dove X1=V,Mn,Cr;
X2=Nb, W, Ta, Mo; X3=Si, B, NP, Sc, Tc, Ni, Fe.
L attivit di ricerca si sta di recente concentrand o sulle leghe bifasiche, in cui sono
presenti sia TiAl sia Ti3Al, avendo queste mostrato migliori propriet mecca niche
rispetto alle leghe basate sulla sola fase γ. Originariamente le leghe γ-TiAl
18
presentavano applicabilit ristretta a causa dei ba ssi valori a temperatura ambiente di
resistenza a frattura e duttilit . Studi recenti ha nno mostrato come si possano
raggiungere significativi miglioramenti di tali propriet attraverso modificazioni
chimiche, principalmente tramite l aggiunta di elementi β-stabilizzanti, la selezione
di appropriati metodi di processo e trattamenti termici. Tutto questo porta a pensare
che questi materiali possano diventare, con tecnologie di processi per la
fabbricazione ancora non chiari, la risposta alla domanda di maggiori prestazioni
dell industria aeronautica. L alluminio ricopre un importante ruolo anche nelle
leghe in titanio per uso aeronautico ed aerospaziale. Infatti, l alluminio Ł il piø
importante elemento in lega per il titanio, Ł molto solubile in esso e tende a ridurre il
peso specifico delle sue leghe. Nella formazione delle leghe in titanio ci che risulta
importante Ł che la quantit di alluminio equivalente non superi il 9%. Nelle leghe
in titanio commerciali non si supera solitamente il 6%; ci garantisce la formazione
della fase intermetallica Ti3Al. In tabella sono mostrate le piø comuni leghe in
titanio usate in campo aeronautico. La cifra antistante al simbolo dell alluminio Ł la
percentuale di alluminio contenuta nella lega in titanio.
Tabella 3: leghe in titanio commerciali.
19
1.7 I materiali intermetallici
L interesse per i materiali intermetallici Ł cresciuto negli ultimi anni, nonostante la
fragilit intrinseca di questo tipo di materiali, s oprattutto per l elevato risparmio di
peso ottenibile. I materiali intermetallici piø attraenti sono le leghe TiAl, utilizzabili
in sostituzione delle superleghe base Nickel per i componenti piø freddi delle
turbine, fino a temperature di circa 650 C. Il moto re GenX Ł il primo motore civile
che utilizza intermetallici TiAl come rivestimento per le pale del rotore dell ultimo
stadio turbina di bassa pressione. Altri materiali intermetallici potenzialmente
interessanti sono gli intermetalli a base Nickel Alluminio, che pur presentando
vantaggi limitati per la riduzione di peso rispetto agli intermetallici TiAl, sono
potenzialmente adatti per impieghi ad elevate temperature (oltre i 1100 C). Le
attivit di ricerca nel settore aeronautico sulle l eghe intermetalliche TiAl sono
mirate alla valutazione dei metodi di fabbricazione piø adatti alla realizzazione dei
componenti di interesse specifico (turbina di bassa pressione), alla messa a punto dei
trattamenti termici per l ottenimento della microstruttura ottimale, alla valutazione
delle propriet meccaniche, anche in relazione alle possibili difettosit , alle tecniche
di giunzione.
1.8 Applicazioni e sviluppi
Le leghe di titanio, grazie alle loro propriet di resistenza meccanica, tenacit alla
frattura e resistenza in ambienti corrosivi, sono quelle richieste per applicazioni
aerospaziali. Tuttavia gli alti costi di produzione, insieme all instabilit del mercato
20
e alla difficolt di approvvigionamento dei materia li, rendono il loro impiego solo
verso determinati casi. Nel settore degli aeromobili, il titanio viene usato
specialmente nei motori a getto, pareti taglia fiamma e quelle parti che esercitano
per brevi periodi ad elevate temperature (T>500 C) . Le strutture di titanio, invece,
sono necessarie per gli aeromobili avanzati in cui la temperatura Ł troppo alta per
consentire anche l impiego dell alluminio. Nel sett ore aeronautico l uso della lega di
titanio comprende componenti di turbogetti, come le palette dello statore e quelle
del rotore, i dischi del compressore e le strutture del motore. Sopra i 350 C Ł il
criterio di resistenza al creep che incide sulla scelta della lega. Per quanto concerne i
componenti strutturali, la difficolt e l alto cost o di approvvigionamento e di
lavorazione restringono l impiego del titanio rispetto alle leghe di alluminio
sostituite solo in caso di elevate temperature. Le leghe piø utilizzate sono quelle
delle fasi alfa-beta in lastre, pezzi estrusi e forgiati. Nel settore civile il titanio ha
avuto ultimamente un grosso sviluppo legato all aeroplano Concorde, invece nel
settore militare si ricorda il bombardiere strategico B1.
Ricevi informazioni sui nostri servizi, sulle offerte e non perdere news e consigli su università e lavoro.