Introduzione alle proprietà delle leghe di titanio
Le leghe di titanio sono una classe di metalli, caratterizzata dalle loro prestazioni, che sono influenzate dalla presenza di impurità come carbonio, azoto, idrogeno e ossigeno. La forma più pura del titanio ha un contenuto di impurità inferiore allo 0,1%, con conseguente elevata plasticità ma bassa resistenza. Il titanio puro industriale, con una purezza del 99,5%, presenta le seguenti proprietà: densità (ρ) di 4,5 g/cm3, punto di fusione di 1725 gradi, conduttività termica (λ) di 15,24 W/(m·K), resistenza alla trazione ( σb) di 539 MPa, allungamento (δ) del 25%, ritiro della sezione (ψ) del 25%, modulo elastico (E) di 1.078×105 MPa e durezza (HB) di 195.
1. Bassa densità ed elevata resistenza: le leghe di titanio ad alta resistenza hanno tipicamente una densità di circa 4,5 g/cm3, che è solo il 60% di quella dell'acciaio. Il titanio puro mostra una resistenza paragonabile all'acciaio ordinario, mentre alcune leghe di titanio ad alta resistenza superano la resistenza di molti acciai strutturali legati. Di conseguenza, le leghe di titanio possiedono una resistenza specifica (rapporto resistenza/densità) significativamente più elevata rispetto ad altri materiali strutturali metallici. Questa caratteristica consente la produzione di parti e componenti leggeri con elevata resistenza unitaria, rigidità e durata. Le leghe di titanio trovano applicazioni in componenti di motori, scheletri, rivestimenti, elementi di fissaggio e carrelli di atterraggio.
2. Elevata resistenza termica: le leghe di titanio possono mantenere la resistenza richiesta a temperature elevate, superando le capacità delle leghe di alluminio di diverse centinaia di gradi Celsius. Tra 150 gradi e 500 gradi, mantengono la loro elevata resistenza specifica, mentre le leghe di alluminio vedono un notevole calo della resistenza specifica a 150 gradi. Le leghe di titanio possono funzionare a temperature 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 mostrano una resistenza alla corrosione superiore rispetto all'acciaio inossidabile in atmosfere umide e ambienti con acqua di mare. Eccellono particolarmente nella resistenza alla vaiolatura, alla corrosione acida e alla tensocorrosione. Inoltre, le leghe di titanio hanno una notevole resistenza all'acido solforico, all'acido nitrico, ai cloruri e ai composti organici clorurati. Tuttavia, in condizioni di diminuzione dell’ossigeno e dei sali di cromo, il titanio ha una bassa resistenza alla corrosione.
4. Buone prestazioni a bassa temperatura: le leghe di titanio mantengono le loro proprietà meccaniche a temperature basse e ultra-basse. Alcune leghe di titanio, come TA7, funzionano eccezionalmente bene alle basse temperature e mantengono parte della loro plasticità anche a -253 gradi. Pertanto, le leghe di titanio sono materiali strutturali cruciali per applicazioni a bassa temperatura.
5. Reattività chimica: il titanio mostra un'attività chimica significativa, reagendo prontamente con ossigeno, azoto, idrogeno, monossido di carbonio, anidride carbonica, vapore acqueo e gas di ammoniaca presenti nell'atmosfera. Il TiC duro si forma nelle leghe di titanio con contenuti di carbonio più elevati (oltre 0,2%). Quando il TiN interagisce con l'azoto ad alte temperature, si forma uno strato superficiale duro. Il titanio assorbe l'ossigeno a temperature superiori a 600 gradi, determinando la formazione di uno strato indurito con elevata durezza. L'aumento del contenuto di idrogeno porta alla formazione di uno strato infragilente. La profondità della superficie fragile indurita causata dall'assorbimento di gas può raggiungere 0,1-0,15 mm, con un grado di indurimento del 20%-30%. Il titanio mostra anche una significativa affinità chimica, formando facilmente adesione con superfici di attrito.
6. Conduttività termica e modulo elastico: il titanio possiede una bassa conduttività termica, circa un quarto di quella del nichel, un quinto di quella del ferro e un quarto di quella dell'alluminio. La conduttività termica delle diverse leghe di titanio è inferiore di circa il 50% rispetto a quella del titanio puro. Poiché le leghe di titanio hanno un modulo elastico che è circa la metà di quello dell’acciaio, sono meno rigide e più soggette a deformazione. Di conseguenza, è necessario evitare barre sottili e componenti con pareti sottili poiché le superfici di taglio e lavorazione hanno un volume di rimbalzo elevato, circa due o tre volte quello dell'acciaio inossidabile. Questo rimbalzo può causare intenso attrito, adesione e usura dell'incollaggio sulla superficie dell'utensile.
Le leghe di titanio sono composte da titanio come metallo base, integrato con altri elementi. Esistono due tipi di strutture cristalline di titanio: il titanio, che presenta una struttura esagonale compatta al di sotto di 882 gradi, e il titanio, che possiede una struttura cubica centrata sul corpo al di sopra di 882 gradi.
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