1. Resistenza all'ossidazione della lega di titanio di grado 5 alle alte temperature
La lega di titanio di grado 5 mostra una buona resistenza all'ossidazione a temperature moderate, ma le sue prestazioni dipendono dalla temperatura.
A temperature fino a 300 gradi – 350 gradi, la lega forma uno strato di ossido sottile, denso e aderente composto principalmente da TiO₂. Questo strato protettivo impedisce un'ulteriore diffusione dell'ossigeno nel substrato, con conseguente cinetica di ossidazione lenta e prestazioni stabili durante il servizio a lungo termine.
Quando la temperatura supera i 400 gradi, l'ossidazione accelera notevolmente. Lo strato di ossido diventa più spesso, meno uniforme e può perdere adesione, portando ad una maggiore dissoluzione dell'ossigeno nella matrice di titanio. Al di sopra di 450 gradi – 500 gradi, la penetrazione dell'ossigeno provoca infragilimento da parte dell'ossigeno: gli atomi di ossigeno si dissolvono interstizialmente nel reticolo del titanio, aumentando la durezza ma riducendo gravemente la duttilità e la resistenza agli urti. Questo fenomeno è noto come infragilimento interstiziale.
Pertanto, il grado 5 non è consigliato per l'uso continuo al di sopra dei 400 gradi se sono richieste integrità strutturale e duttilità. Per applicazioni superiori a 400 gradi, sono preferibili rivestimenti resistenti all'ossidazione o leghe di titanio a temperature più elevate come IMI 834 o Ti‑6242.
2. Servizio a lungo termine: degrado della resistenza e della corrosione
(1) Degrado della resistenza a lungo termine
Durante l'esposizione a lungo termine alle alte temperature, la lega di titanio di grado 5 subisce cambiamenti microstrutturali che influiscono sulle proprietà meccaniche.
Nell'intervallo da 300 gradi a 350 gradi, la resistenza alla trazione e la resistenza allo snervamento rimangono relativamente stabili per migliaia di ore.
Il mantenimento prolungato tra 400 gradi e 550 gradi provoca l'ingrossamento della fase alfa e il rilassamento termico, portando a una graduale diminuzione della resistenza alla trazione e alla fatica.
La diffusione dell’ossigeno e l’infragilimento interstiziale riducono ulteriormente la duttilità e la resistenza alla frattura.
Per prestazioni affidabili a lungo termine, il settore generalmente accetta un limite di servizio continuo di 315 gradi per il Grado 5. Oltre questa temperatura, il degrado della resistenza diventa significativo e limita la durata dei componenti.
(2) Resistenza alla corrosione a lungo termine
Nella maggior parte degli ambienti, inclusi ambienti marini, atmosfere neutre e sostanze chimiche leggere, il Grado 5 mantiene un'eccellente resistenza alla corrosione dopo un uso a lungo termine.
Lo strato protettivo di TiO₂ si riforma spontaneamente se danneggiato, garantendo una resistenza alla corrosione persistente.
Tuttavia, due fattori possono ridurre le prestazioni:
Infragilimento da ossidazione ad alta temperatura:Come accennato, la penetrazione profonda dell'ossigeno degrada la tenacità superficiale e può favorire la formazione di crepe sotto stress.
Interazione corrosione da scorrimento:A temperature elevate e sollecitazioni prolungate, la deformazione da scorrimento può rompere localmente il film passivo, accelerando la corrosione localizzata in mezzi aggressivi.
In normali condizioni di servizio inferiori a 300 gradi, non si verifica alcun degrado significativo della resistenza alla corrosione per lunghi periodi.
Riepilogo
La lega di titanio di grado 5 ha una resistenza all'ossidazione soddisfacente fino a 350 gradi - 400 gradi. Al di sopra dei 400 gradi, l'ossidazione e l'infragilimento da ossigeno diventano fattori limitanti.
L'esposizione a lungo termine alle alte temperature porta a una graduale riduzione della resistenza a causa dell'ingrossamento microstrutturale e dell'infragilimento interstiziale, mentre la resistenza alla corrosione rimane stabile nei tipici ambienti di servizio. Per la massima affidabilità, la temperatura operativa continua dovrebbe essere limitata a circa 315 gradi.
