1. Requisiti prestazionali chiave per le-leghe di titanio ad alta temperatura
Conservazione della forza: Mantenere una resistenza alla trazione e allo snervamento sufficiente alle temperature target senza un degrado significativo.
Resistenza allo scorrimento: riduce al minimo la deformazione permanente sotto carichi statici o ciclici a lungo-termine ad alte temperature (una modalità di guasto fondamentale per i componenti strutturali ad alta-temperatura).
Resistenza all'ossidazione: Forma una pellicola di ossido densa e stabile per prevenire gravi ossidazioni e incrostazioni in aria ad alta-temperatura o atmosfere corrosive.
Stabilità microstrutturale: evitare trasformazioni di fase (ad es. → transizione di fase o precipitazione di fasi intermetalliche fragili) che potrebbero compromettere le prestazioni durante un'esposizione prolungata alle alte-temperature.
2. Leghe primarie di titanio ad alta-temperatura per 400 gradi + servizio
2.1 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti-6242)
Composizione chimica e microstruttura: Contiene alluminio (-stabilizzante), stagno (rinforzante neutro), zirconio (affinatore del grano) e molibdeno (-stabilizzante moderato). La sua microstruttura è costituita da una matrice di fase - primaria con una piccola frazione di fase - (5–10%) ai bordi dei grani, garantendo stabilità alle alte-temperature e duttilità moderata.
Prestazioni ad alta-temperatura:
A 450 gradi, la sua resistenza alla trazione rimane superiore a 700 MPa (rispetto a<600 MPa for Grade 5 at the same temperature), and its yield strength exceeds 600 MPa.
Presenta un'eccellente resistenza al creep: sotto una sollecitazione di 300 MPa a 450 gradi, la velocità di deformazione al creep è inferiore a 1×10^-7/h, molto inferiore a quella del Grado 5 (che supera 1×10^-5/h nelle stesse condizioni).
La sua resistenza all'ossidazione è superiore al Grado 5: dopo 1000 ore di esposizione a 500 gradi, lo spessore dello strato di ossido è di soli ~15 μm, senza scheggiature o ossidazione interna.
Scenari applicativi: ampiamente utilizzato nei componenti dei motori aeronautici-come pale dei compressori (stadi di pressione da bassa-a-media), palette guida e involucri di scarico, nonché parti strutturali ad alta-temperatura per turbine a gas e componenti del sistema di alimentazione dei motori a razzo.
2.2 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo (Ti-6246)
Composizione chimica e microstruttura: Ha gli stessi elementi di base del Ti-6242 ma con un contenuto di molibdeno più elevato (6% contro il. 2% in Ti-6242), che aumenta la frazione di fase (10–15%) e migliora il rafforzamento delle precipitazioni durante il trattamento termico. La sua microstruttura presenta grani equiassici e una matrice bifase con precipitati fini dopo l'invecchiamento.
Prestazioni ad alta-temperatura:
A 500 gradi, la sua resistenza alla trazione è di ~ 650 MPa e la resistenza allo snervamento è di ~ 580 MPa, rendendolo del 10–15% più resistente del Ti-6242 a questa temperatura.
La sua resistenza allo scorrimento viscoso è eccezionale: sotto una sollecitazione di 250 MPa a 500 gradi, la deformazione allo scorrimento viscoso di 1000-ore è inferiore allo 0,1%, soddisfacendo i requisiti dei componenti dei motori aeronautici ad alto-carico.
La resistenza all'ossidazione è paragonabile al Ti-6242, con uno strato protettivo di ossido che si forma a temperature fino a 550 gradi per un servizio a breve termine.
Scenari applicativi: utilizzato principalmente per componenti di motori aeronautici-ad alta sollecitazione-, inclusi dischi di compressori ad alta-pressione, alberi di rotori e radici di pale di turbine (per motori con temperature di ingresso della turbina inferiori a 600 gradi), nonché parti strutturali per aerei supersonici.
2.3 Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr (Ti-52244)
Composizione chimica e microstruttura: Contiene alti livelli di -stabilizzanti (molibdeno e cromo), che mantengono una matrice di fase -metastabile a temperatura ambiente e formano fini precipitati durante l'invecchiamento. La lega ha una microstruttura uniforme, non-direzionale, senza infragilimento dei bordi dei grani.
Prestazioni ad alta-temperatura:
A 450 gradi, la sua resistenza alla trazione raggiunge ~750 MPa e mantiene un'elevata resistenza alla fatica (maggiore o uguale a 350 MPa sotto carico ciclico), superando le leghe quasi- in scenari di carico dinamico.
La sua resistenza al creep è sufficiente per un servizio a 450 gradi (deformazione al creep<0.2% at 300 MPa for 1000 hours) and it has good oxidation resistance in air, with minimal scaling up to 500°C.
Scenari applicativi: Ideale per componenti saldati ad alta-temperatura come collettori di scarico di motori aero-, strutture di postcombustione di aerei e recipienti a pressione ad alta-temperatura in impianti di lavorazione chimica (per mezzi corrosivi ad alta-temperatura).
2.4 Ti-1100 (Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si)
Composizione chimica e microstruttura: Incorpora silicio (un elemento resistente allo scorrimento-che forma fini precipitati di siliciuro) per migliorare le prestazioni allo scorrimento viscoso alle alte-temperature. La sua microstruttura è una matrice di fase - primaria con particelle di siliciuro disperse e una fase -in tracce, che garantisce stabilità microstrutturale a lungo-termine a 600 gradi.
Prestazioni ad alta-temperatura:
A 550 gradi, la sua resistenza alla trazione è di ~680 MPa e la sua resistenza allo scorrimento viscoso non ha eguali tra le leghe di titanio: sotto una sollecitazione di 200 MPa a 600 gradi, la deformazione allo scorrimento viscoso di 1000 ore è<0.15%.
La sua resistenza all'ossidazione è migliorata dalla formazione di uno strato di ossido ricco di Si-, che inibisce l'ulteriore diffusione dell'ossigeno; dopo 500 ore a 600 gradi, lo strato di ossido rimane denso e aderente.
Scenari applicativi: riservato a componenti avanzati di compressori ad alta{{1}pressione per motori aeronautici-ad alta-pressione (per motori ad alta-spinta), parti strutturali termiche di veicoli ipersonici e componenti ad alta-temperatura nei sistemi di propulsione spaziale (dove la riduzione del peso è fondamentale e le superleghe a base di nichel-sono troppo pesanti).
3. Linee guida per la selezione delle leghe di titanio ad alta-temperatura
Per un servizio di 400–450 gradi: Ti-6242 è la scelta conveniente-, in grado di bilanciare prestazioni e producibilità per la maggior parte delle applicazioni industriali e di motori aeronautici.
Per un servizio di 450–550 gradi: Ti-6246 è preferito per i requisiti di elevata resistenza, mentre Ti-52244 è ottimale per i componenti saldati.
Per un servizio di 550–600 gradi: Ti-1100 è l'unica opzione valida per la lega di titanio, sebbene richieda un trattamento termico specializzato e abbia costi di produzione più elevati (un compromesso-per le sue prestazioni a temperature estremamente elevate).
4. Limitazioni e note integrative
Le leghe di titanio generalmente non sono consigliate per un servizio continuo superiore a 600 gradi, poiché la loro resistenza all'ossidazione e le prestazioni al creep si degradano rapidamente (le superleghe a base di nichel-diventano l'alternativa principale per condizioni di temperatura di 600 gradi + ultra-alta-).
Per il servizio ad alta-temperatura in atmosfere corrosive (ad esempio con contaminanti di zolfo o cloruro), è possibile applicare rivestimenti superficiali (ad esempio rivestimenti di alluminuro o siliciuro) per migliorare ulteriormente la resistenza all'ossidazione e alla corrosione di queste leghe.
