Leghe TiAl, la svolta grazie all’AM

In questo articolo verranno analizzate le proprietà meccaniche degli alluminuri di titanio, leghe molto performanti utilizzate nei settori automotive ed aereospace per le loro superlative proprietà specifiche.

di Salvatore Milana

Le leghe TiAl vengono utilizzate negli ultimi stadi di turbina di un gruppo turbo gas, in quanto le condizioni di temperatura e stress dinamici non sono così severe da richiedere necessariamente una superlega a base Nichel. Quest’ultima, infatti, può andar bene all’interno di una generica turbina, ma se questa deve “volare”, come nel caso degli aerei, l’utilizzo delle superleghe a base Nichel va benissimo dal punto di vista termomeccanico, ma non in termini di densità. Pur avendo le proprietà specifiche che servono, se si è in grado di ottenere le stesse proprietà, ma con un peso ridotto, anche della metà, ovviamente i vantaggi sarebbero innegabili. Già negli anni ’90, erano stati fatti degli studi su materiali alternativi alle superleghe. Dopo anni di ricerca, la GE ha brevettato una composizione di una lega particolare di Ti con altissimo contenuto di Al (struttura intermetallica tra Ti e Al) che si chiama TiAl (Alluminuro di Titanio) così composto:

1. 48% di titanio;
2. 48 % di alluminio;
3. 2 % di cromo;
4. 2 % di molibdeno.

Questa lega, a livello teorico e di proprietà meccaniche testate sperimentalmente su dei provini, garantisce le stesse proprietà della superlega base Nichel, ma con una densità che invece di stare nell’intorno del 9,5 kg/m³ (tipica delle superleghe di Nichel) sta nell’intorno del 5,5 kg/m³ (trovando così spazio nella nicchia di mercato dei propulsori aeronautici). Ogni elemento pala costa circa un migliaio di euro ed ogni stadio di turbina porta dalle 70 alle 120 pale, in funzione delle dimensioni del propulsore, pertanto si ha una drastica riduzione delle masse in gioco che, in termini di cicli di volo, si traduce in risparmio di carburante e maggior efficienza nel dimensionamento del gruppo turbogas.

Una volta trovato il materiale con le caratteristiche volute, è necessario implementare una tecnologia di lavorazione per ottenere la forma delle pale termodinamicamente efficiente (molto convessa e difficile da gestire).

A livello di processo, quello più ecosostenibile per la realizzazione di pale, è la colata. Tale processo, però, dà vita ad un materiale fragile, poco tenace e molto sensibile alla presenza di difetti. Dunque, quando si va a gestire una struttura che ha uno spessore di 1-2 mm, per una lunghezza di 20 cm, riuscire a mantenere lo stampo nelle condizioni sufficienti per evitare che il pezzo si condensi in maniera disomogenea, creando vuoti all’interno, è molto complicato.

Per questo, uno dei maggiori colossi del settore aereospace, GE (General Electric), ha sondato i processi di casting, in tutte le direzioni possibili, costruendo, addirittura, un centro di ricerca in Germania grazie all’appoggio di BCC, colosso mondiale nei processi di colata.

Sia il Ti che l’Al, inoltre, sono molto affini all’ossigeno, per cui una volta finito il processo di colata, non è facile riciclare il materiale, perché ha avuto un pick up (assorbimento) di ossigeno rilevante. Se si volesse riutilizzare il materiale, bisognerebbe fare dei trattamenti tali da poter evacuare tutto l’ossigeno e tornare alle condizioni originali. Si capisce bene, quindi, come il costo di tutta l’operazione sia molto alto. Questo divenne il caso perfetto per l’additive: componente con geometria complessa e materiale difficile da lavorare con i processi tradizionali (l’unica alternativa al casting è la forgiatura, ma forgiare un materiale che di per sé non è tenace ha dei costi elevatissimi, cioè occorrono macchine di forgiatura capaci di arrivare a temperature che rendano plastico questo materiale, dunque molto vicino alla temperatura di fusione, ma non troppo altrimenti perderebbe di consistenza).

Analisi e confronto delle proprietà specifiche

Nela Figura 1, è possibile vedere le proprietà dei materiali di cui sopra, in cui vengono messe in evidenza le differenze tra le superleghe e gli alluminuri di titanio. La lega utilizzata per le pale di turbina avrà valori intermedi tra quelli del Ti₃Al e TiAl.

Si noti subito il valore della densità: quello degli alluminuri ha un valore pari a circa la metà di quello delle superleghe. Realizzare, ad esempio, un settimo stadio di una turbina con questa lega rappresenterebbe un’enorme riduzione di peso: si andranno a risparmiare dagli 80 ai 90 chili.

Le σ di compressione risultano poco significative per tale materiale e molto variabili per le superleghe, perché dipendono dalle percentuali dei leganti. Si presenta come un materiale abbastanza rigido e con un modulo elastico che sarà tra i 160-170 GPa. La σ a flessione è più bassa perché è un materiale meno tenace e lo si vede dal K_ic: quella della superlega è pari a 25 MPa m^1/2 , tipico di un materiale metallico e quindi capace di assorbire una grande quantità di energia. Gli alluminuri di titanio hanno, invece, una capacità di assorbire le deformazioni molto più bassa ed infatti il valore di 10 MPa m^1/2 è compatibile con le migliori tenacità a frattura dei ceramici (cioè dei materiali fragili). 20 MPa m^1/2 è a metà strada tra un comportamento di un materiale duttile ed uno fragile. Si avrà, dunque, una matrice più gamma che alfa, pertanto si mira a valori tra i 14 ed i 16 MPa m^1/2, dunque di molto inferiori ai 25 delle superleghe. Questo impone una presenza di difetti più bassa all’interno del componente e soprattutto una diminuzione dei difetti di dimensione critica che devono stare sotto una certa dimensione per essere tollerati. Con l’additive manufacturing, è molto più semplice riuscire a gestire una problematica legata ad eventuali porosità residue, rispetto ad una tecnologia come la colata, con le problematiche che sono state illustrate in precedenza.

Alta resistenza a creep

L’altra grande differenza, che è anche la principale ragione per cui questo materiale viene utilizzato per il settimo stadio (quello più freddo), è la sua resistenza al creep. Da una parte si ha un limite di resistenza a creep di 760°C, dall’altra un limite di utilizzo per ossidazione attorno ai 650 °C. Questi valori non si riferiscono alla matrice che costituisce l’intermetallico, ma allo strato superficiale, quindi non così limitanti nei confronti del sistema. Se poi si considera che queste pale girando vengono sottoposte anche a fatica, allora ogni degrado delle parti superficiali comporta una diminuzione del limite a fatica del materiale. Questo rappresenta intrinsecamente una riduzione della resistenza ai carichi termici del materiale. Se si osservano le caratteristiche delle superleghe, la resistenza a creep è decisamente superiore ed infatti vengono utilizzate in zone in cui si mantiene la temperatura al massimo di 1100 °C. Laddove si hanno gli stadi più caldi della turbina, si procede andando a forare la pala facendo passare dentro dell’aria, per garantire un corretto funzionamento alle temperature esterne più alte e mantenendo quelle interne più basse. Nello stadio più caldo, cioè il primo, dove si ha il valore massimo delle temperature, si cerca di ricoprire la pala, alla fine della produzione, con delle barriere termiche, costituite da strati ceramici, che hanno come effetto quello di diminuire la temperatura sulla superficie del metallo sottostante.

Nella Figura 2 è possibile osservare l’andamento delle diverse temperature di esercizio di un gruppo turbo gas. Nel compressore, ci sono temperature più basse con un andamento crescente man mano che ci si avvicina al combustore. Oltrepassato quest’ultimo, si procede con una decrescita progressiva della temperatura, che porta agli ultimi stadi dove trova applicazione l’alluminuro di titanio.

Conclusioni

Gli alluminuri di titanio vengono utilizzati per la loro bassa densità e le loro particolari proprietà fisiche. Si tratta di materiali che hanno una resistenza specifica compatibile con quella del Nichel, soprattutto se si tiene in considerazione il rapporto resistenza/densità. I TiAl hanno, inoltre, una buona resistenza alla corrosione ed all’ossidazione fino ai 700 °C e sono, pertanto, adatti per essere utilizzati negli ultimi stadi di turbina. Si è cercato, poi, di estendere l’utilizzo della lega a mercati più ampi: ne è un esempio il turbocharger dei motori diesel. Tuttavia, il vero problema risiede nei costi: il costo di una macchina diesel sta, generalmente, attorno ai 14000-40000 euro, pertanto un particolare realizzato in TiAl andrebbe ad incidere pesantemente sul costo finale del veicolo. Si tratta, comunque, di un’applicazione interessante, soprattutto in ottica riduzione masse e consumi, ma occorrerà attendere ancora un po’ di tempo.

Proprietà	Ti3Al	TiAl	Superlega di Nichel
Densità ( g/cm3 )	4,1-4,7	3,7-3,9	7,9-9,1
E a 20°C (GPa)	100-145	160-180	195-220
σc a 20 °C (MPa)	700-990	400-650	250-1310
σf a 30 °C (MPa)	800-1140	450-800	620-1620
Limite di T per creep (°C)	760	1000	1090
Limite di T per ossidazione (C°)	650	900	1090
εr (%) a 20 °C	2-26	1-4	3-50
εr (%) ad alta T	10-20	10-60	8-125
Kic a 20 °C (MPa m ½ )	13-42	10-20	25

Figura 1: Riepilogo delle principali caratteristiche fisiche e meccaniche delle superleghe di Nichel e degli alluminuri di titanio.