Leghe di titaniopresentano proprietà diverse in base alla loro composizione e struttura. Il titanio ha due strutture cristalline: -titanio, con un reticolo esagonale inferiore a 882 gradi, e -titanio, con una struttura cubica a corpo centrato superiore a 882 gradi. Aggiungendo elementi di lega appropriati, il contenuto di fase e le temperature di transizione possono essere manipolati per ottenere vari tipi di leghe di titanio. A temperatura ambiente, le leghe di titanio possono essere classificate in tre categorie.
1. Lega di titanio: Questa lega monofase è costituita da una soluzione solida bifase. Mantiene la sua struttura bifasica sia a temperature normali che elevate. La lega di titanio presenta un'organizzazione stabile, una minore resistenza all'usura rispetto al titanio puro ed un'eccellente resistenza all'ossidazione. Sebbene mantenga la sua robustezza e resistenza allo scorrimento viscoso tra 500-600 gradi, non può essere rafforzato mediante il trattamento termico. La resistenza a temperatura ambiente della lega di titanio non è particolarmente elevata.
2. Lega di beta titanio: Questa lega monofase è composta da una soluzione solida bifase. Possiede un'elevata resistenza anche senza trattamento termico. Inoltre, la lega può essere ulteriormente rafforzata attraverso processi come la tempra e l’invecchiamento. La resistenza alla trazione della lega di beta titanio a temperatura ambiente può raggiungere 1372-1666 MPa.
3. Lega di titanio alfa-beta: Questa lega duplex presenta eccellenti prestazioni complessive, tra cui buona stabilità organizzativa, tenacità, plasticità e proprietà di deformazione ad alta temperatura. È adatto per la lavorazione a pressione a caldo, la tempra e l'invecchiamento per migliorarne la resistenza. La lega di titanio alfa-beta trattata termicamente mostra un aumento di resistenza del 50-100% rispetto allo stato ricotto. Può resistere al funzionamento a lungo termine a temperature di 400-500 gradi e mostra una notevole stabilità termica, seconda solo alla lega alfa titanio.
Tra questi tre tipi di leghe di titanio, le più comunemente utilizzate sono la lega di titanio e la lega di titanio alfa-beta. In termini di lavorabilità, la lega di titanio offre prestazioni migliori, seguita dalla lega di titanio alfa-beta, mentre la lega di titanio beta è in ritardo. I codici corrispondenti per queste leghe sono TA per lega di titanio, TB per lega di titanio beta e TC per lega di titanio alfa-beta.
Caratteristiche prestazionali delle leghe di titanio:
1. Elevata resistenza: le leghe di titanio hanno una densità di circa 4,51 g/cm³, che corrisponde solo al 60% dell'acciaio. Alcune leghe di titanio ad alta resistenza superano la resistenza di molti acciai strutturali legati. Di conseguenza, la resistenza specifica (resistenza/densità) delle leghe di titanio supera quella di altri materiali strutturali metallici. Queste leghe sono ideali per la produzione di componenti leggeri con elevata resistenza e rigidità, come parti di motori aeronautici, scheletri, rivestimenti, elementi di fissaggio e carrelli di atterraggio.
2. Elevata resistenza termica: le leghe di titanio possono resistere a temperature più elevate rispetto alle leghe di alluminio. Possono mantenere la resistenza richiesta anche a temperature medie e mostrare una resistenza eccezionale tra 150-500 gradi. Al contrario, le leghe di alluminio subiscono una significativa riduzione della resistenza a 150 gradi. L'intervallo di temperature di lavoro delle leghe di titanio si estende fino a 500 gradi, mentre le leghe di alluminio sono limitate a temperature inferiori a 200 gradi.
3. Eccellente resistenza alla corrosione: le leghe di titanio possiedono una resistenza alla corrosione superiore in atmosfere umide e acqua di mare, superando l'acciaio inossidabile. Presentano una solida resistenza alla corrosione per vaiolatura, alla corrosione acida e alla tensocorrosione. Le leghe di titanio dimostrano anche un'eccellente resistenza agli alcali, ai cloruri, alle sostanze organiche clorate, all'acido nitrico, all'acido solforico, ecc. Tuttavia mostrano una scarsa resistenza alla corrosione in ambienti riducenti contenenti ossigeno e sali di cromo.
4. Buone prestazioni a bassa temperatura: le leghe di titanio mantengono le loro proprietà meccaniche anche a temperature basse e ultra-basse. A causa del loro basso coefficiente di dilatazione termica, alcune leghe di titanio, come TA7, mantengono un grado di plasticità anche a -253 gradi. Pertanto, le leghe di titanio sono materiali strutturali cruciali per applicazioni a bassa temperatura.
5. Attività chimica significativa: il titanio mostra un'elevata attività chimica, reagendo fortemente con gli elementi atmosferici come ossigeno, azoto, idrogeno, monossido di carbonio, anidride carbonica, vapore acqueo e ammoniaca. Ad esempio, quando il contenuto di carbonio supera il 0,2%, all'interno della lega si formano carburi di titanio duri (TiC). Allo stesso modo, a temperature più elevate, la reazione con l’azoto porta alla formazione di strati superficiali duri di nitruro di titanio (TiN). Il titanio assorbe facilmente l'ossigeno sopra i 600 gradi, provocando la formazione di uno strato indurito. Inoltre, un maggiore contenuto di idrogeno può portare allo sviluppo di uno strato fragile. Queste reazioni possono provocare fenomeni di adesione con superfici di attrito.
6. Bassa conduttività termica ed elasticità: il titanio possiede una bassa conduttività termica (circa 15,24 W/(m·K)). La sua conduttività termica è circa 1/4 del nichel, 1/5 del ferro e 1/14 dell'alluminio. Le leghe di titanio presentano una conduttività termica ancora più bassa rispetto al titanio puro.
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