Il titanio e le sue leghe: Tutto quello che c'è da sapere

1. Fonte di titanio

Il titanio fu scoperto per la prima volta nel 1791 da un mineralogista dilettante del Regno Unito di nome Gregor. Nel 1795, un chimico tedesco di nome Klaproth diede a questa sostanza metallica sconosciuta il nome degli dei greci, i Titani, che in inglese si traduce in "Titanium".

Il titanio è abbondante sulla Terra, con oltre 140 tipi di minerali di titanio conosciuti. Tuttavia, le principali applicazioni industriali provengono dall'ilmenite e dal rutilo. La Cina detiene 28% delle riserve mondiali di ilmenite, al primo posto a livello globale.

Il titanio, un elemento non tossico universalmente riconosciuto, è costoso a causa degli elevati costi di estrazione e produzione. Grazie alla sua capacità di resistere alle alte e basse temperature, agli acidi e alle basi forti, all'elevata forza e alla bassa densità, è diventato un materiale specializzato per i razzi e i satelliti della NASA.

Viene utilizzato anche nei super progetti del nostro Paese, come il Jade Rabbit, il J-20 e la portaerei Shandong. Dopo l'ingresso nel mercato dei consumatori negli anni '80, le sue proprietà antibatteriche e biocompatibili naturali lo hanno reso il "re d'onore" dell'industria delle stoviglie.

L'industria cinese del titanio ha avuto inizio negli anni Cinquanta. A metà degli anni Sessanta, la Cina aveva creato impianti di lavorazione del titanio spugnoso e del titanio a Zunyi e Baoji, rispettivamente, segnando la Cina come una delle potenze globali dell'industria del titanio.

Nel XXI secolo, l'industria cinese del titanio è entrata in un nuovo periodo di sviluppo accelerato, con una capacità di produzione di titanio leader a livello mondiale.

2. Differenza tra titanio puro e leghe di titanio

Titanio puro

Noto anche come titanio puro industriale o titanio puro commerciale, è classificato in base al contenuto di elementi di impurità. Ha un'eccellente lavorabilità di stampaggio e saldabilitàè insensibile ai trattamenti termici e ai tipi di organizzazione e presenta una certa resistenza in condizioni di plasticità soddisfacenti. La sua resistenza dipende principalmente dal contenuto degli elementi gap ossigeno e azoto.

Le proprietà del titanio puro industriale 99,5% sono: densità P=4,5g/cm³Il punto di fusione è di 1800°C, la conducibilità termica λ=15,24W/(M.K), la resistenza alla trazione σ b=539MPa, l'allungamento: δ =25%, il tasso di ritiro trasversale ψ=25%, il modulo elastico E=1,078×105MPa, la durezza HB195.

Lega di titanio

La lega di titanio è una lega composta da titanio come base e altri elementi. È un metallo relativamente giovane, con una storia di soli sessanta-settanta anni dalla scoperta ad oggi. I materiali in lega di titanio hanno caratteristiche quali leggerezza, elevata resistenza, piccola elasticità, resistenza alle alte temperature e alla corrosione.

Sono utilizzati principalmente per parti di motori aeronautici, razzi, missili, ecc. Il titanio presenta due tipi di cristalli birifrangenti omomorfi. Il titanio è un isomorfo omomorfico, con un punto di fusione di 1720°C. Al di sotto degli 882°C, presenta una struttura cristallina esagonale densa, chiamata α titanio; al di sopra degli 882°C, presenta una struttura reticolare cubica a corpo centrato, chiamata β titanio.

Utilizzando le diverse caratteristiche delle due strutture di titanio sopra citate, aggiungendo elementi di lega appropriati e modificando gradualmente la temperatura di transizione di fase e il contenuto di fase, si ottengono diverse organizzazioni di leghe di titanio (leghe di titanio).

Gli elementi della lega di titanio possono essere suddivisi in tre categorie in base al loro impatto sulla temperatura di transizione di fase:

Gli elementi che aumentano la temperatura di transizione di fase sono gli elementi stabilizzanti α, come l'alluminio, il magnesio, l'ossigeno e l'azoto. Tra questi, l'alluminio è il principale elemento di lega delle leghe di titanio e ha effetti evidenti sul miglioramento della resistenza a temperatura ambiente e ad alta temperatura della lega, sulla riduzione del peso specifico e sull'aumento del modulo elastico.

② Fase β stabile, gli elementi che diminuiscono la temperatura di transizione di fase sono elementi β-stabilizzanti. Possono essere suddivisi in isomorfi ed eutettici. I primi includono molibdeno, niobio, vanadio, ecc.; i secondi includono cromo, manganese, rame, silicio, ecc.

Gli elementi neutri che hanno un effetto limitato sulla temperatura di transizione di fase sono lo zirconio, lo stagno, ecc.

Tabella delle marche e della composizione chimica del titanio e delle leghe di titanio

I gradi più comunemente utilizzati:

TA1 (American Standard: Gr1)

Il titanio TA1 (Gr1) è il primo dei quattro gradi industriali di titanio puro. È il più morbido e duttile di questi gradi. Ha la massima formabilità, un'eccellente resistenza alla corrosione e un'elevata tenacità agli urti. Il grado TA1 è il materiale preferito per tutte le applicazioni che richiedono una facile formabilità, in genere utilizzato per piastre e tubi in titanio.

TA2 (American Standard: Gr2) Grado

Grazie alla sua ampia e diversificata disponibilità, il titanio di grado TA2 è conosciuto come il "cavallo di battaglia" dell'industria commerciale del titanio puro. Condivide molte qualità con la lega di titanio di grado TA1, ma è leggermente più resistente. Entrambi sono ugualmente resistenti alla corrosione.

Questo grado presenta buone caratteristiche di saldabilità, resistenza, duttilità e formabilità. Ciò rende le barre e le piastre di titanio di grado TA2 la scelta migliore per molte applicazioni nell'edilizia, nella produzione di energia e nell'industria medica.

TA3 (American Standard: Gr3) Grado

Questo grado è il meno utilizzato tra i gradi commerciali di titanio puro, ma ciò non ne diminuisce il valore. Il grado TA3 è più resistente dei gradi TA1 e TA2, con una duttilità simile e una formabilità solo leggermente inferiore. Ma ha proprietà meccaniche più elevate rispetto ai suoi predecessori.

Il grado TA3 è utilizzato in applicazioni che richiedono una forza moderata e una resistenza primaria alla corrosione, come nel settore aerospaziale, nella lavorazione chimica e nell'industria navale.

TA4 (American Standard: Gr4) Grado

Il grado TA4 è considerato il più resistente dei quattro gradi di titanio puro in commercio. È noto anche per l'eccellente resistenza alla corrosione, la buona formabilità e la saldabilità. Viene utilizzato in applicazioni che richiedono un'elevata resistenza, come ad esempio alcuni componenti della cellula, recipienti a bassa temperatura, scambiatori di calore, ecc.

TA9 (American Standard: Gr7) Grado

Il grado TA9 è meccanicamente e fisicamente equivalente al grado TA2, ma l'aggiunta di palladio lo rende una lega. Il grado 7 ha caratteristiche e saldabilità eccellenti, essendo il più resistente alla corrosione di tutte le leghe di titanio.

Infatti, è il più resistente alla corrosione negli acidi riducenti. Il grado TA9 è utilizzato per i componenti dei processi chimici e delle apparecchiature di produzione. Il TA9 ha una resistenza alla corrosione estremamente forte, soprattutto in ambienti acidi riducenti.

TA9-1 (American Standard: Gr11) Grado

Il grado TA9-1 è molto simile al grado TA1, con l'aggiunta di una piccola quantità di palladio per migliorare la resistenza alla corrosione, rendendolo una lega. Questa resistenza alla corrosione può essere utilizzata per prevenire la corrosione interstiziale e ridurre l'acido in ambienti con cloruri.

Altre proprietà utili sono la duttilità ottimale, la formabilità a freddo, la resistenza utile, la tenacità all'impatto e l'eccellente saldabilità. Questa lega può essere utilizzata per le stesse applicazioni del titanio di grado 1, soprattutto quando è richiesta la corrosione.

Ti 6Al-4V (standard cinese TC4, standard americano Gr5) Grado

Spesso definito il "pilastro" delle leghe di titanio, il titanio Ti 6Al-4V o grado 5 è il più comunemente utilizzato tra tutte le leghe di titanio. Rappresenta il 50% dell'utilizzo totale di titanio nel mondo. La sua popolarità deriva dai suoi numerosi vantaggi.

Il Ti 6Al-4V può essere trattato termicamente per aumentarne la resistenza. Può essere utilizzata per saldare strutture a temperature di utilizzo fino a 600°F. La lega ha un'elevata resistenza, un'utile formabilità e un'alta resistenza alla corrosione, pur essendo leggera. La versatilità del Ti 6Al-4V lo rende una lega ottimale per vari settori come quello aerospaziale, medico, marino e chimico. Può essere utilizzata per creare i seguenti contenuti tecnici:

• Turbine per aerei
• Parti del motore
• Componenti strutturali dell'aeromobile
• Elementi di fissaggio aerospaziali
• Componenti automobilistici ad alte prestazioni
• Applicazioni marine
• Attrezzature sportive

Ti 6AL-4V ELI (standard cinese TC4ELI, standard americano Gr23) Grado

Il grado Ti 6AL-4V ELI o TC4ELI è una forma più pura di Ti 6Al-4V. Può essere trasformato in bobine, fili a trefoli, fili elettrici o fili piatti. È la scelta migliore per tutte le situazioni che richiedono alta resistenza, leggerezza, buona resistenza alla corrosione ed elevata tenacità. Ha un'eccellente tolleranza ai danni rispetto ad altre leghe.

Questi vantaggi rendono il grado TC4ELI il grado di titanio dentale e medicale per eccellenza. Grazie alla sua biocompatibilità, alla buona resistenza alla faticae basso modulo, può essere utilizzato per applicazioni biomediche come i componenti impiantabili. È utile anche per procedure chirurgiche dettagliate, come ad esempio:

• Perni e viti ortopediche
• Cavi ortopedici
• Legature
• Impianti chirurgici
• Apparecchi ortodontici
• Sostituzioni articolari
• Vasi criogenici
• Dispositivi di fissazione ossea

TA10 (American Standard Gr12) Grado

Il grado TA10 del titanio è classificato come "eccellente" per la sua saldabilità di alta qualità. È una lega altamente resistente che offre un'immensa forza alle alte temperature. Il titanio di grado TA10 ha caratteristiche simili alla serie 300 dell'acciaio inossidabile.

Questa lega può essere formata a caldo o a freddo mediante stampaggio, idroformatura, stiratura o martellatura. La sua capacità di essere formata in vari modi la rende utile in molte applicazioni. L'elevata resistenza alla corrosione di questa lega le conferisce inoltre un valore inestimabile per le apparecchiature di produzione che devono tenere conto della corrosione interstiziale. Il grado TA10 può essere utilizzato nei seguenti settori e applicazioni:

• Gusci e scambiatori di calore
• Applicazioni idrometallurgiche
• Produzione chimica ad alta temperatura
• Componenti marini e aeronautici

Ti 5Al-2,5Sn

Ti 5Al-2,5Sn è una lega non trattabile termicamente che offre una buona saldabilità e stabilità. Presenta inoltre stabilità alle alte temperature, elevata forza, buona resistenza alla corrosione e buona resistenza al creep. Per creep si intende il fenomeno della deformazione plastica che si verifica per lungo tempo ad alte temperature. Il Ti 5Al-2,5Sn è utilizzato principalmente in applicazioni per aerei e fusoliere e per applicazioni a bassa temperatura.

Infine, si allega un confronto tra i vecchi e i nuovi gradi di titanio e le loro composizioni chimiche secondo gli standard esteri e nazionali.

3. Applicazioni del titanio e delle leghe di titanio

Sebbene il titanio e i materiali in lega di titanio siano abbondanti, i loro prezzi sono molto elevati. Questo perché il titanio ha una bassa attività chimica alle alte temperature, il che rende la sua tecnologia di fusione e il suo ambiente operativo piuttosto impegnativi. Deve essere fuso in condizioni di alta temperatura e sotto vuoto, raggiungendo spesso temperature superiori a 800℃.

Ciò lo rende molto più impegnativo della fusione dell'acciaio. Per questo motivo, ogni volta che si parla di leghe di titanio, lo si percepisce come un materiale metallico di fascia alta, con una bassa produzione e prezzi elevati, e quindi raramente utilizzato.

Attualmente, grazie alle eccellenti proprietà delle leghe di titanio - leggerezza, alta resistenza e resistenza al calore - il titanio e i materiali in lega di titanio sono ampiamente utilizzati nella produzione di armi all'avanguardia e di importanti strumenti nazionali, in particolare nell'industria aerospaziale. Ecco alcuni esempi di applicazioni nell'industria chimica:

1. Industria della produzione di alcali

L'introduzione dei raffreddatori in titanio nell'industria della produzione di alcali ha risolto efficacemente il problema del cloro gassoso di qualità inferiore a quello prodotto a causa dell'irragionevole processo di raffreddamento tradizionale. Ha anche cambiato il volto dell'industria dei cloro-alcali, poiché i raffreddatori in lega di titanio investiti possono avere una durata di vita fino a 20 anni.

2. Industria di produzione del sale

La tecnologia più avanzata attualmente utilizzata per la produzione di sale è la produzione di sale sotto vuoto. La salamoia concentrata ad alta temperatura prodotta durante questo processo può danneggiare gravemente le strutture in acciaio al carbonio, causando perdite nelle apparecchiature.

L'implementazione di una struttura composita in acciaio e titanio nelle camere di riscaldamento e di evaporazione può prevenire efficacemente l'incrostazione del sale, migliorare la qualità del sale e ridurre l'impatto della corrosione della salamoia ad alta concentrazione sulle pareti dei tubi durante il processo di evaporazione, prolungando così il ciclo di manutenzione.

Industria aerospaziale

1. Industria aeronautica

Le leghe di titanio utilizzate nell'aviazione si dividono in leghe di titanio strutturali per aerei e leghe di titanio strutturali per motori. Le principali applicazioni delle strutture in lega di titanio sugli aeromobili comprendono i componenti dei carrelli di atterraggio, i telai, le travi, i rivestimenti della fusoliera e gli scudi termici. L'aereo Il-76 della Russia utilizza la lega di titanio BT22 ad alta resistenza per produrre componenti chiave come il carrello di atterraggio e le travi portanti.

La traversa del carrello di atterraggio principale del Boeing 747 è realizzata in materiale Ti-6Al-4V, con un pezzo forgiato che misura 6,20 metri di lunghezza e 0,95 metri di larghezza, per un peso di 1545 chilogrammi. La lega di titanio Ti-62222S, ad alta resistenza e tenacità, viene utilizzata in parti cruciali dell'asse dello stabilizzatore orizzontale dell'aereo C-17.

Per quanto riguarda i motori degli aerei, le leghe di titanio sono utilizzate nei dischi dei compressori, nelle pale, nei tamburi, nei rotori dei compressori ad alta pressione e negli involucri dei compressori. Il bordo d'attacco e la punta della pala della ventola del motore Boeing 747-8GENX sono protetti da un involucro in lega di titanio, che è stato sostituito solo tre volte in un periodo di servizio di 10 anni.

2. Industria dei veicoli spaziali

Le condizioni di lavoro dei veicoli spaziali sono estremamente difficili. Oltre alla necessità di una progettazione tecnica superiore dei materiali, sono fondamentali anche le eccellenti caratteristiche e funzioni dei materiali stessi, che fanno sì che le leghe di titanio si distinguano da molti altri materiali.

Nel campo dell'equipaggiamento spaziale, durante il programma Apollo degli Stati Uniti negli anni '60, la cabina per due uomini, le travi alari della cabina chiusa e le centine erano tutte realizzate in Ti-5Al-2,5Sn, con rivestimenti in titanio puro.

La società tedesca MT Aerospace ha prodotto un serbatoio di stoccaggio del sistema di propulsione in lega Ti-15V-3Cr ad alta resistenza, utilizzato sulla piattaforma gigante del satellite di comunicazione europeo Alpha.

Ci sono molti esempi di applicazione delle leghe di titanio russe nell'ingegneria spaziale, come l'uso di una grande forgiatura in lega di titanio BT23 da 3,5 tonnellate e la forgiatura nel razzo cargo Energia. Inoltre, le leghe di titanio sono utilizzate anche nei serbatoi dei motori a razzo a combustibile liquido, nei serbatoi di stoccaggio dei liquidi a bassa temperatura e nelle giranti delle pompe a idrogeno liquido.

Allo stesso modo, nel rapido sviluppo dell'ingegneria spaziale nazionale, le leghe di titanio sono ampiamente utilizzate. Dal satellite Dongfang 1 del 1970 alle attuali navicelle della serie Shenzhou e alle sonde lunari Chang'e, sono state utilizzate leghe di titanio.

Inoltre, la bombola di gas a bassa temperatura in lega di titanio TA7ELI, sviluppata dalla Cina per l'uso in un ambiente di idrogeno liquido, è stata utilizzata nella serie di veicoli di lancio Long March. L'Istituto di Tecnologia di Harbin ha utilizzato la lega di titanio TC4 per realizzare i cerchioni dei rover lunari. Inoltre, la Cina ha utilizzato la lega BT20 e altre leghe di titanio ad alta resistenza per produrre gli involucri dei motori e gli ugelli dei missili.

3. Applicazioni marittime

Il titanio e le sue leghe sono ampiamente utilizzati nei sottomarini nucleari, nei sommergibili profondi, nei rompighiaccio atomici, negli aliscafi, negli hovercraft, nei dragamine, nelle eliche, nelle antenne a frusta, nelle condutture dell'acqua di mare, nei condensatori, negli scambiatori di calore, nei dispositivi acustici e nelle attrezzature antincendio. Ad esempio, gli Stati Uniti

Il sommergibile profondo "Sea Cliff" è dotato di una cabina di osservazione e di una cabina di controllo in titanio, in grado di immergersi fino a 6100 m di profondità. La giapponese Toho Titanium Company, in collaborazione con la Fujin Shipbuilding, ha costruito il "Mori Support Heaven II", un motoscafo in titanio che ha goduto di un periodo di grandi vendite negli Stati Uniti. Il primo sommergibile cinese con equipaggio integrato e autoprogettato, il "Jiaolong", impiega anch'esso leghe di titanio e copre il 99,8% delle regioni oceaniche del mondo.

4. Problemi attuali e prospettive del titanio e delle sue leghe

Nonostante i significativi progressi nello sviluppo del titanio e delle sue leghe, persistono alcune sfide. Queste sfide rientrano principalmente in tre categorie:

1) Aspetto produttivo

La Cina è uno dei principali attori dell'industria del titanio, ma la quantità di prodotti di alta qualità che produce è bassa e c'è una scarsità di prodotti in titanio con caratteristiche speciali.

Inoltre, la Cina non è ancora in grado di produrre in serie nastri di titanio e profili estrusi di titanio. Questa limitazione ostacola lo sviluppo e l'utilizzo del titanio e delle sue leghe nei settori aerospaziale e navale. L'obiettivo di aumentare ulteriormente l'uso del titanio nei motori aeronautici fino a circa 50% rimane una sfida considerevole.

2) Aspetto delle prestazioni

Il titanio è altamente attivo dal punto di vista chimico, il che lo rende suscettibile alla contaminazione da parte di altri elementi. Ciò richiede un elevato livello di precisione nella lavorazione e nella produzione delle leghe di titanio.

Inoltre, i prodotti ad alte prestazioni che ne derivano richiedono una valutazione completa delle loro proprietà meccaniche, fisiche, chimiche e tecnologiche. La drastica riduzione della resistenza al creep e la resistenza all'ossidazione ad alta temperatura oltre i 600°C sono i due principali ostacoli all'ampliamento dell'applicazione delle leghe di titanio esistenti.

3) Aspetto dei costi

Attualmente, in tutto il mondo si stanno compiendo sforzi per ridurre i costi di applicazione delle leghe di titanio e sono stati compiuti notevoli progressi.

Tuttavia, per quanto riguarda la situazione attuale della Cina, i livelli gestionali e tecnologici del Paese non hanno ancora raggiunto uno stato ideale. I prodotti in lega di titanio di produzione nazionale non hanno prezzi competitivi a livello internazionale, il che ne pregiudica un uso più ampio.

Attualmente, i principali campi di applicazione delle leghe di titanio rimangono i settori industriale aerospaziale e militare. Tuttavia, le prospettive di sviluppo di nuovi campi di applicazione, come le automobili, i treni, le ferrovie ad alta velocità e persino i settori civili quotidiani, sono ancora vaste.

Inoltre, la sostituzione di elementi di lega costosi con altri più economici e la riduzione del costo dei componenti in lega di titanio attraverso mezzi tecnologici sono argomenti importanti per la ricerca futura sulle leghe di titanio. Una volta che le applicazioni di alto livello delle leghe di titanio raggiungeranno una produzione a basso costo, troveranno impiego in diversi campi.