Introduzione ai metalli in polvere - titanio

1. Fonte del titanio

Il titanio fu scoperto per la prima volta nel 1791 da Gregor, un mineralogista dilettante del Regno Unito. Nel 1795, il chimico tedesco Klaprous diede a questa sostanza metallica sconosciuta il nome dei Titani, divinità della mitologia greca, da cui deriva il termine "titanio" in cinese e in inglese. Il titanio è abbondante sulla Terra. Sono noti più di 140 minerali di titanio, ma le principali applicazioni industriali riguardano l'ilmenite e il rutilo. Tra questi, le riserve cinesi di ilmenite rappresentano il 28% delle riserve mondiali, collocando la Cina al primo posto nel mondo.

Il titanio è riconosciuto in tutto il mondo come elemento non tossico, con costi di estrazione e produzione elevati e prezzi alti. Grazie a una serie di proprietà, tra cui la resistenza alle alte e basse temperature, agli acidi e agli alcali forti, l'elevata resistenza e la bassa densità, è diventato un materiale speciale per i razzi e i satelliti della NASA ed è stato utilizzato anche nel rover Yutu, nel J-20, nella portaerei Shandong e in altri grandi progetti del mio Paese. Dopo essere entrato nel settore civile negli anni '80, è diventato il "re onorario dei metalli" nell'industria alimentare grazie alle sue proprietà antibatteriche naturali e biocompatibili.

2. Differenza tra titanio puro e lega di titanio

Il titanio puro, chiamato anche titanio puro industriale o titanio puro commerciale, viene classificato in base al contenuto di elementi impuri. Presenta eccellenti proprietà di stampaggio e saldatura, è insensibile al trattamento termico e al tipo di struttura e possiede una determinata resistenza in condizioni di plasticità soddisfacenti. La sua resistenza dipende principalmente dal contenuto degli elementi interstiziali ossigeno e azoto. Le proprietà del titanio puro industriale al 99,5% sono: densità P=4,5g/cm3, punto di fusione 1800°C, coefficiente di conducibilità termica λ=15,24W/(M.K), resistenza a trazione σ b=539MPa, allungamento: δ =25%, strizione ψ=25%, modulo elastico E=1,078×105MPa, durezza HB195. La lega di titanio è una lega composta da titanio e altri elementi. È un metallo relativamente giovane, con una storia di soli sessanta o settant'anni dalla scoperta a oggi. I materiali in lega di titanio presentano leggerezza, elevata resistenza, bassa elasticità, resistenza alle alte temperature e alla corrosione. Sono utilizzati principalmente nei motori degli aerei, nei razzi, nei missili e in altri componenti. Il titanio presenta due forme allotropiche. Il titanio è un allotropo con punto di fusione di 1720°C. Al di sotto di 882°C presenta una struttura reticolare esagonale compatta, chiamata fase α del titanio; al di sopra di 882°C presenta una struttura reticolare cubica a corpo centrato, chiamata fase β del titanio. Sfruttando le diverse caratteristiche delle due strutture del titanio sopra descritte, si aggiungono opportuni elementi di lega per modificare gradualmente la temperatura di trasformazione di fase e il contenuto delle fasi, ottenendo leghe di titanio con strutture diverse. Gli elementi delle leghe di titanio possono essere suddivisi in tre categorie in base alla loro influenza sulla temperatura di trasformazione di fase:

①Gli elementi che stabilizzano la fase α e aumentano la temperatura di trasformazione di fase sono elementi stabilizzanti α, tra cui alluminio, magnesio, ossigeno e azoto. Tra questi, l'alluminio è il principale elemento di lega del titanio; migliora significativamente la resistenza della lega a temperatura ambiente e ad alta temperatura, riduce il peso specifico e aumenta il modulo elastico.

② Gli elementi che stabilizzano la fase β e riducono la temperatura di trasformazione di fase sono elementi stabilizzanti β. Si dividono in tipi isomorfi ed eutettoidi. I primi includono molibdeno, niobio, vanadio, ecc.; i secondi includono cromo, manganese, rame, silicio, ecc.

③ Gli elementi che hanno un effetto ridotto sulla temperatura di trasformazione di fase sono elementi neutri, come zirconio e stagno.

Spiegazione dettagliata dei gradi comuni:

TA1 (standard americano Gr1)

Il titanio TA1 (Gr1) è il primo dei quattro gradi di titanio puro industriale. È il più morbido e duttile di questi gradi. Offre la massima formabilità, un'eccellente resistenza alla corrosione e un'elevata tenacità all'impatto. Il grado TA1 è il materiale preferito per qualsiasi applicazione che richieda una facile formabilità ed è comunemente utilizzato per piastre e tubi in titanio.

Grado TA2 (standard americano Gr2)

Il titanio di grado TA2 è noto come il "cavallo di battaglia" dell'industria del titanio puro commerciale grazie alla sua ampia disponibilità e ai numerosi impieghi. Possiede molte delle stesse qualità della lega di titanio di grado TA1, ma è leggermente più resistente. Entrambi hanno la stessa resistenza alla corrosione. Questo grado offre buona saldabilità, resistenza, duttilità e formabilità. Per questo, la barra e la lamiera di titanio TA2 sono la prima scelta per molte applicazioni nell'edilizia, nella produzione di energia, nell'industria medicale e in altri settori.

Grado TA3 (ANSI Gr3)        

Questo è il grado di titanio puro commerciale meno utilizzato, ma ciò non lo rende meno prezioso. Il grado TA3 è più resistente dei gradi TA1 e TA2, con duttilità simile e una formabilità solo leggermente inferiore. Tuttavia, presenta proprietà meccaniche superiori a quelle dei gradi precedenti. Il grado TA3 viene utilizzato in applicazioni che richiedono una resistenza moderata e un'elevata resistenza alla corrosione, come l'aerospazio, la lavorazione chimica, l'industria navale e altri settori.

Grado TA4 (ANSI Gr4)        

Il grado TA4 è considerato il più resistente dei quattro gradi di titanio puro commerciale. È inoltre noto per l'eccellente resistenza alla corrosione, la buona formabilità e la saldabilità. Viene utilizzato in alcuni componenti delle strutture degli aeromobili, recipienti criogenici, scambiatori di calore e in altre applicazioni che richiedono prestazioni elevate.

Grado TA9 (ANSI Gr7)        

Il grado TA9 è meccanicamente e fisicamente equivalente al grado TA2, ad eccezione dell'aggiunta dell'elemento interstiziale palladio, che lo rende una lega. Il grado 7 offre eccellente saldabilità e proprietà elevate ed è il più resistente alla corrosione tra tutte le leghe di titanio. È infatti il più resistente alla corrosione negli acidi riducenti. Il grado TA9 viene utilizzato per componenti di apparecchiature di processo e produzione chimica. TA9 presenta una resistenza alla corrosione estremamente elevata, soprattutto in ambienti con acidi riducenti.

Grado TA9-1 (standard americano Gr11)

Il grado TA9-1 è molto simile al grado TA1, ma contiene una piccola quantità di palladio per aumentare la resistenza alla corrosione e trasformarlo in una lega. Questa resistenza alla corrosione può essere sfruttata per prevenire la corrosione interstiziale e la riduzione degli acidi in ambienti contenenti cloruri. Altre proprietà utili includono duttilità ottimale, formabilità a freddo, resistenza utile, tenacità all'impatto ed eccellente saldabilità. Questa lega può essere utilizzata nelle stesse applicazioni del titanio di grado 1, soprattutto quando è richiesta resistenza alla corrosione.

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

Noto come il "cavallo di battaglia" delle leghe di titanio, il titanio Ti6Al-4V o di grado 5 è il più utilizzato tra tutte le leghe di titanio. Rappresenta il 50% del titanio totale utilizzato nel mondo. La sua diffusione è dovuta ai numerosi vantaggi. Il Ti6Al-4V può essere trattato termicamente per aumentarne la resistenza. Può essere utilizzato in strutture saldate a temperature di esercizio fino a 600°F. La lega combina elevata resistenza, leggerezza, buona formabilità e alta resistenza alla corrosione. La disponibilità del Ti6AI-4V lo rende una lega ottimale per diversi settori, come l'aerospazio, l'industria medicale, quella navale e la lavorazione chimica. Può essere utilizzato per realizzare i seguenti componenti tecnici: componenti di motori a turbina per aeromobili, componenti strutturali per aeromobili, elementi di fissaggio aerospaziali, componenti automobilistici ad alte prestazioni, applicazioni marine, attrezzature sportive

Grado Ti 6AL-4V ELI (GB TC4ELI, ANSI Gr23)

Il grado Ti 6AL-4V ELI o TC4ELI è una forma più pura del Ti 6Al-4V. Può essere prodotto sotto forma di bobine, trefoli, fili o fili piatti. È la prima scelta in qualsiasi situazione che richieda elevata resistenza, leggerezza, buona resistenza alla corrosione ed elevata tenacità. Offre un'eccellente tolleranza al danneggiamento rispetto alle altre leghe. Questi vantaggi fanno del grado TC4ELI il titanio dentale e medicale per eccellenza. Grazie alla biocompatibilità, alla buona resistenza a fatica e al basso modulo elastico, può essere utilizzato in applicazioni biomediche, ad esempio per componenti impiantabili. Può inoltre essere utilizzato in applicazioni chirurgiche specifiche, come: perni e viti ortopedici, cavi ortopedici, impianti chirurgici per legature, dispositivi ortodontici, protesi articolari, contenitori criogenici, dispositivi per la fissazione ossea

Grado TA10 (standard americano Gr12)

Al titanio di grado TA10 viene assegnata una valutazione "eccellente" grazie all'elevata saldabilità. È una lega altamente durevole che garantisce grande resistenza alle alte temperature. Il titanio di grado TA10 presenta proprietà simili a quelle degli acciai inossidabili della serie 300. La lega può essere formata a caldo o a freddo mediante stampaggio, idroformatura, formatura per stiramento o forgiatura a maglio. La possibilità di formarla in vari modi la rende utile in numerose applicazioni. L'elevata resistenza alla corrosione di questa lega la rende inoltre preziosa per la produzione di apparecchiature in cui la corrosione interstiziale costituisce un problema. Il grado TA10 può essere utilizzato nei seguenti settori e applicazioni: involucri e scambiatori di calore, applicazioni idrometallurgiche, produzione chimica ad alta temperatura, componenti navali e per biglietterie

Ti 5Al-2.5Sn     

Il Ti 5Al-2.5Sn è una lega non trattabile termicamente che offre buona saldabilità e stabilità. Presenta inoltre stabilità alle alte temperature, elevata resistenza, buona resistenza alla corrosione e buona resistenza al creep. Il creep si riferisce al fenomeno della deformazione plastica che si verifica a lungo termine alle alte temperature. Il Ti 5Al-2.5Sn viene utilizzato principalmente in applicazioni aeronautiche e per fusoliere, nonché in applicazioni a bassa temperatura.

3. Applicazioni del titanio e delle leghe di titanio

Sebbene il titanio e le leghe di titanio siano abbondanti in natura, sono molto costosi. Questo perché il titanio presenta una bassa attività chimica in condizioni di alta temperatura, mentre la tecnologia di fusione e l'ambiente operativo sono estremamente complessi. Deve essere fuso in condizioni di alta temperatura e sotto vuoto, e la temperatura raggiunge spesso oltre 800℃, rendendo il processo molto più difficile rispetto alla fusione dell'acciaio. Pertanto, quando si parla di lega di titanio, si pensa a un materiale metallico di alta qualità, con produzione ridotta, prezzo elevato e poche applicazioni.

Attualmente, grazie alle eccellenti proprietà delle leghe di titanio, come leggerezza, elevata resistenza e resistenza alle alte temperature, i materiali in titanio e in lega di titanio sono ampiamente utilizzati nella produzione di armi avanzate e di importanti apparecchiature strategiche in diversi Paesi, risultando particolarmente adatti all'impiego nel settore aerospaziale. Alcuni esempi di applicazione sono i seguenti: industria chimica

1. Industria degli alcali

L'introduzione dei refrigeratori in titanio nell'industria degli alcali può risolvere efficacemente il problema della produzione di gas di cloro non conforme dovuto a processi di raffreddamento tradizionali inadeguati. Allo stesso tempo, ha trasformato il panorama produttivo dell'industria cloro-alcalina e la durata dei refrigeratori in lega di titanio installati può arrivare fino a 20 anni.

2. Industria del sale

Il processo più avanzato per la produzione del sale è la produzione sotto vuoto e la salamoia concentrata ad alta temperatura generata da questo processo provoca gravi danni alle strutture in acciaio al carbonio e perdite nelle apparecchiature. L'utilizzo di strutture composite titanio-acciaio nelle camere di riscaldamento e di evaporazione può prevenire efficacemente le incrostazioni saline, migliorare la qualità della produzione del sale e ridurre la corrosione della parete dei tubi causata dalla salamoia ad alta concentrazione durante l'evaporazione, prolungando il ciclo di manutenzione. Aerospazio 1. Industria aeronautica L'applicazione delle leghe di titanio nell'aviazione si divide in leghe di titanio per strutture aeronautiche e leghe di titanio per strutture dei motori. Le principali parti strutturali degli aeromobili realizzate in lega di titanio sono componenti del carrello di atterraggio, telai, travi, rivestimenti della fusoliera, scudi termici, ecc. Gli aerei russi Il-76 utilizzano la lega di titanio ad alta resistenza BT22 per realizzare componenti fondamentali come il carrello di atterraggio e le travi portanti; la trave di trasmissione del carrello principale del Boeing 747 è realizzata in Ti-6Al-4V, il forgiato è lungo 6,20 metri, largo 0,95 metri e pesa 1545 chilogrammi; la lega di titanio ad alta resistenza e tenacità Ti-62222S viene utilizzata nelle parti fondamentali dell'albero dello stabilizzatore orizzontale dell'aereo C-17. Nei motori aeronautici, le leghe di titanio sono utilizzate per dischi del compressore, palette, tamburi, rotori del compressore ad alta pressione, involucri del compressore, ecc. Il bordo d'attacco e la punta delle pale del ventilatore del motore Boeing 747-8GENX utilizzano manicotti protettivi in lega di titanio, sostituiti solo tre volte durante i 10 anni di vita utile.

2. Industria aerospaziale

Le condizioni operative dei veicoli spaziali sono estremamente severe. Oltre alla progettazione strutturale del materiale, che richiede una tecnologia avanzata, sono molto importanti anche le eccellenti caratteristiche e funzioni intrinseche del materiale. Per questo le leghe di titanio si distinguono tra molti altri materiali. Per quanto riguarda le apparecchiature aerospaziali, negli anni '60 le travi alari e le centine dei moduli a doppia cabina e a cabina chiusa del programma Apollo statunitense erano realizzate in Ti-5Al-2.5Sn, mentre il rivestimento era in titanio puro; la società tedesca MT Aerospace ha realizzato un serbatoio del sistema propulsivo in lega di titanio ad alta resistenza Ti-15V-3Cr e lo ha applicato alla grande piattaforma del satellite europeo per comunicazioni Alpha; esistono molti esempi di applicazioni delle leghe di titanio russe nell'ingegneria aerospaziale, come il veicolo di lancio Energia, che utilizza un grande forgiato e una grande fucinatura in lega di titanio BT23 da 3,5 t. Inoltre, le leghe di titanio sono utilizzate nei serbatoi del carburante dei motori a razzo a propellente liquido, nei serbatoi di stoccaggio di liquidi criogenici, nelle giranti delle pompe di alimentazione dell'idrogeno liquido, ecc.

Analogamente, con il rapido sviluppo dell'ingegneria aerospaziale nazionale, anche le leghe di titanio sono state ampiamente utilizzate. Dal satellite Dongfang-1 del 1970 agli attuali veicoli spaziali della serie Shenzhou e alle sonde Chang'e, sono state impiegate leghe di titanio. Inoltre, i cilindri in lega di titanio TA7ELI per basse temperature, destinati all'uso in ambienti con idrogeno liquido e sviluppati dal mio Paese, sono stati utilizzati nei veicoli di lancio della serie Long March; l'Harbin Institute of Technology ha utilizzato la lega di titanio TC4 per realizzare i cerchioni del rover lunare; il mio Paese utilizza inoltre leghe di titanio ad alta resistenza come la BT20 per produrre involucri dei motori dei missili, ugelli e altri componenti. Settore navale Il titanio e le leghe di titanio sono ampiamente utilizzati nei sottomarini nucleari, nei sommergibili, nei rompighiaccio atomici, nelle navi aliscafo, nei veicoli a cuscino d'aria, nei dragamine, nonché nei propulsori a elica, nelle antenne a frusta, nelle condotte per acqua di mare, nei condensatori, negli scambiatori di calore, nei dispositivi acustici e nelle apparecchiature antincendio. Ad esempio, il sommergibile statunitense "Sea Cliff" è dotato di una cabina di osservazione e di una cabina di comando in titanio e può raggiungere una profondità di immersione di 6100m; la Toho Titanium Company giapponese e la Fujishin Shipbuilding hanno costruito insieme il motoscafo interamente in titanio "Marishiten II", molto popolare negli Stati Uniti per un certo periodo; anche il primo sommergibile con equipaggio "Jiaolong", progettato e integrato autonomamente dal mio Paese, utilizza leghe di titanio e il suo raggio operativo copre il 99,8% dell'area oceanica mondiale.

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

Sebbene il titanio e le leghe di titanio abbiano compiuto progressi significativi, sono emersi anche problemi e lo sviluppo delle leghe di titanio deve affrontare notevoli sfide. Ciò si riflette principalmente nei tre aspetti seguenti:

• Produzione     

Sebbene il mio Paese sia una grande potenza nell'industria del titanio, il numero di prodotti di alta qualità realizzati non è elevato e sono pochi i tipi di prodotti in titanio con proprietà speciali. In secondo luogo, il mio Paese non è in grado di produrre nastri di titanio e profili estrusi in titanio in modo stabile e su larga scala, limitando lo sviluppo e l'utilizzo del titanio e delle leghe di titanio nei settori aerospaziale, marino e in altri ambiti. È ancora molto difficile aumentare ulteriormente il contenuto di titanio nei motori aeronautici fino a circa il 50%.

2) Prestazioni Poiché il titanio metallico presenta un'elevata attività chimica ed è facilmente contaminato da altri elementi, il processo di lavorazione e fabbricazione delle leghe di titanio è molto complesso. Allo stesso tempo, per i prodotti lavorati ad alte prestazioni è necessario considerare complessivamente le proprietà meccaniche, fisiche, chimiche e tecnologiche. Il forte calo della resistenza al creep e della resistenza all'ossidazione ad alta temperatura delle leghe di titanio esistenti oltre i 600°C costituisce i due principali ostacoli all'ampliamento delle applicazioni delle leghe di titanio.

3) Costi Attualmente, tutti i Paesi si impegnano a ridurre i costi di applicazione delle leghe di titanio e sono stati raggiunti numerosi risultati. Tuttavia, considerando la situazione attuale del mio Paese, il livello gestionale e tecnico non ha ancora raggiunto il livello ideale. Il prezzo dei prodotti nazionali in lega di titanio è meno competitivo sul mercato internazionale, cosa che non favorisce un'ulteriore espansione del loro utilizzo.

Attualmente, i principali settori di applicazione delle leghe di titanio sono ancora quelli dell'industria militare, come l'aerospazio. Lo sviluppo di nuovi ambiti applicativi, come automobili, treni e ferrovie ad alta velocità, nonché le prospettive di applicazione nei settori civili comunemente utilizzati nella vita quotidiana, sono ancora molto ampi. Inoltre, sostituire gli elementi di lega costosi con elementi meno costosi e ridurre il costo dei componenti in lega di titanio attraverso approcci tecnologici sono temi importanti per la ricerca futura sulle leghe di titanio. Una volta che in futuro le leghe di titanio utilizzate nelle applicazioni di fascia alta saranno prodotte a basso costo, verranno applicate in diversi settori.