Principio: il titanio fuso viene versato in stampi prefabbricati e solidificato per formare componenti di forma quasi-netta-, in genere utilizzando la fusione a cera persa (fusione a cera persa-) per geometrie complesse.
Struttura interna
Il titanio fuso (incluso il titanio commercialmente puro e leghe come GR.5) ha una microstruttura grossolana e direzionale dominata da grani colonnari o equiassici, con un alto grado di segregazione degli elementi di lega (ad esempio, Al e V in GR.5) ai bordi dei grani. La struttura come-colata contiene spesso difetti di fusione come porosità da ritiro, pori di gas (H₂, N₂) e inclusioni non-metalliche (TiO₂). Per + leghe come GR.5, la microstruttura as-colata è principalmente + lamellare (struttura Widmanstätten), senza un significativo affinamento del grano o sviluppo della struttura.
Densità
La densità teorica del titanio è 4,51 g/cm³, ma il titanio fuso ha adensità relativa del 95–98%a causa della porosità intrinseca e dei difetti di ritiro. Forti cavità da ritiro o pori di grandi dimensioni possono ridurre ulteriormente la densità al di sotto del 95%, portando alla concentrazione delle sollecitazioni e al degrado delle prestazioni.
Proprietà meccaniche
Forza e duttilità: il titanio fuso ha una resistenza alla trazione a bassa-temperatura ambiente (ad esempio, poiché-il GR.5 fuso ha una resistenza alla trazione di 700–750 MPa, circa il 15% inferiore rispetto al GR.5 forgiato ricotto) e scarsa duttilità (allungamento del 5–8%, meno della metà dei gradi forgiati) a causa dei grani grossi e della segregazione. Anche il suo limite di snervamento è basso (600–650 MPa) con una significativa anisotropia causata dalla solidificazione direzionale.
Tenacità e fatica: La resistenza alla frattura del-GR.5 grezzo è di soli 30–40 MPa·m¹/² (rispetto a. 60 MPa·m¹/² del materiale forgiato) e la resistenza alla fatica (10⁷ cicli) è di 200–250 MPa (una riduzione del 37–50% rispetto ai gradi forgiati), poiché i difetti agiscono come siti di inizio delle cricche.
Prestazioni ad alta-temperatura: La struttura lamellare fornisce una moderata resistenza allo scorrimento viscoso a 300–400 gradi, ma la resistenza complessiva alle alte-temperature è inferiore al titanio lavorato a causa della bassa densificazione.
Principio: Le billette di titanio sono sottoposte a deformazione plastica ad alta-temperatura (sotto il -transus per + leghe) tramite forgiatura a martello o presso pressa, rompendo i grani fusi grossolani e formando una microstruttura deformata.
Struttura interna
Il titanio forgiato ha araffinato, deformato + microstrutturacon flusso direzionale del grano (tessitura fibrosa) lungo la direzione di forgiatura. La struttura come-forgiata elimina i difetti di fusione (porosità, segregazione) e scompone i grani lamellari grossolani in grani equiassici o bimodali + (a seconda della temperatura di forgiatura e della velocità di raffreddamento). Per GR.5, la ricottura dopo la forgiatura produce una struttura equiassica + uniforme con granulometrie di 5–10 μm (vs. 50–100 μm per il materiale as-colato).
Densità
La forgiatura elimina i pori interni e compatta il materiale, ottenendo adensità relativa maggiore o uguale al 99,5%, vicino alla densità teorica del titanio. La densificazione garantisce l'assenza di vuoti interni che potrebbero causare concentrazione di stress.
Proprietà meccaniche
Forza e duttilità: GR.5 forgiato e ricotto ha una resistenza alla trazione di 860–900 MPa, un carico di snervamento di 800 MPa e un allungamento del 10–15%, che rappresenta una combinazione equilibrata di elevata resistenza e duttilità. Il flusso direzionale del grano porta ad una moderata anisotropia (la resistenza lungo la direzione di forgiatura è superiore del 5–10% rispetto alla direzione trasversale).
Tenacità e fatica: La resistenza alla frattura raggiunge 55–65 MPa·m¹/² e la resistenza alla fatica a 10⁷-cicli è 350–400 MPa, significativamente superiore rispetto al titanio fuso, grazie all'affinamento della grana e all'eliminazione dei difetti.
Prestazioni ad alta-temperatura: La microstruttura bimodale del GR.5 forgiato fornisce un'eccellente resistenza al creep a 300–400 gradi (deformazione al creep<0.1% at 200 MPa for 1000 h), outperforming cast and rolled grades.
Principio: I lingotti o le billette di titanio vengono lavorati tramite laminazione a caldo/freddo per produrre fogli, piastre o strisce, con deformazione plastica che avviene lungo la direzione di laminazione per formare una microstruttura appiattita e testurizzata.
Struttura interna
Il titanio- laminato a caldo ha unricristallizzato equiassico + microstrutturacon grani allungati lungo la direzione di laminazione (formando una tessitura laminata). Il titanio-laminato a freddo (prima della ricottura) ha una struttura deformata,-indurita con un'elevata densità di dislocazioni; la ricottura dopo la laminazione a freddo affina i grani a 3–5 μm (più fini del titanio forgiato). Per le lastre GR.5, la struttura laminata ha una forte tessitura basale {0001}, che porta ad una significativa anisotropia nella formabilità e nelle proprietà meccaniche.
Densità
Il rotolamento raggiunge la completa densificazione con adensità relativa maggiore o uguale al 99,8%, in quanto la continua deformazione compressiva elimina le porosità residue e garantisce un impaccamento uniforme del materiale. La laminazione a freddo migliora ulteriormente la densità riducendo gli spazi intergranulari.
Proprietà meccaniche
Forza e duttilità: Annealed hot-rolled GR.5 sheets have a tensile strength of 850–880 MPa, yield strength of 780–800 MPa, and elongation of 12–18% (higher ductility than forged titanium due to finer grains). Cold-rolled (unannealed) GR.5 has ultra-high strength (tensile strength >1000 MPa) ma bassa duttilità (allungamento<5%) due to work hardening.
Tenacità e fatica: La resistenza alla frattura del GR.5 laminato è 50–60 MPa·m¹/² (leggermente inferiore a quella dei gradi forgiati a causa dell'anisotropia-indotta dalla struttura), mentre la resistenza alla fatica è 380–420 MPa (superiore a quella del materiale forgiato a causa della granulometria più fine e della finitura superficiale liscia).
Formabilità: I fogli laminati hanno un'eccellente formabilità a freddo (ad es. piegatura, stampaggio) lungo la direzione di laminazione, ma la formabilità è scarsa nella direzione trasversale a causa della forte struttura, limitando il loro utilizzo in componenti di forma-complessa.
Principio: la polvere di titanio (prodotta tramite atomizzazione con gas o metodi con idruro-deidruro (HDH)) viene compattata e sinterizzata ad alte temperature per formare componenti completamente densi, consentendo una produzione di forma quasi-netta-e il controllo della microstruttura.
Struttura interna
PM titanio ha unmicrostruttura equiassica uniforme e a grana fine-(dimensione della grana 2–5 μm) senza struttura direzionale o segregazione, poiché le particelle di polvere vengono completamente ricristallizzate durante la sinterizzazione. Per PM GR.5, la microstruttura è una matrice omogenea + con particelle di fase - fine uniformemente distribuite. Tuttavia, pori residui (una frazione in volume inferiore o uguale all'1%) e inclusioni minori di ossidi (dall'ossidazione della superficie della polvere) possono rimanere ai bordi dei grani.
Densità
La densità del titanio PM dipende dai parametri di sinterizzazione: il titanio PM sinterizzato sotto vuoto ha adensità relativa del 98–99,5%, mentre il post-trattamento con pressatura isostatica a caldo (HIP) può aumentare la densità fino a un valore maggiore o uguale al 99,8%, corrispondente ai livelli di titanio lavorato. La polvere HDH (forma irregolare) produce una densità inferiore rispetto alla polvere atomizzata in gas- (forma sferica) a causa della scarsa efficienza di impaccamento.
Proprietà meccaniche
Forza e duttilità: Il PM GR.5 sinterizzato ha una resistenza alla trazione di 800–850 MPa, un carico di snervamento di 750–780 MPa e un allungamento dell'8–12% (leggermente inferiore ai gradi lavorati a causa della porosità residua). Il PM GR.5 trattato con HIP- raggiunge una resistenza alla trazione di 850–900 MPa e un allungamento del 10–15%, paragonabile al titanio forgiato.
Tenacità e fatica: La resistenza alla frattura del PM GR.5 è 45–55 MPa·m¹/² (inferiore a quella del materiale lavorato a causa delle inclusioni di ossido) e la resistenza alla fatica è 300–350 MPa (migliorata a 380–400 MPa con HIP). La struttura a grana fine- conferisce al titanio PM un'eccellente resistenza all'usura, superiore a quella dei gradi forgiati.
Costo e personalizzazione: la PM consente la produzione di componenti complessi con uno spreco di materiale minimo, ma l'ossidazione della polvere e la porosità ne limitano l'uso in applicazioni aerospaziali ad alta-fatica, rendendolo adatto per componenti industriali e medici (ad es. impianti ortopedici) con requisiti di prestazioni moderati.
