{"id":19780,"date":"2020-09-22T03:01:37","date_gmt":"2020-09-22T01:01:37","guid":{"rendered":"https:\/\/cfdfeaservice.it\/index.php\/2020\/09\/22\/leghe-tial-la-svolta-grazie-allam\/"},"modified":"2020-09-22T03:01:37","modified_gmt":"2020-09-22T01:01:37","slug":"leghe-tial-la-svolta-grazie-allam","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/test.cfdfeaservice.it\/index.php\/2020\/09\/22\/leghe-tial-la-svolta-grazie-allam\/","title":{"rendered":"Leghe TiAl, la svolta grazie all\u2019AM"},"content":{"rendered":"
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In questo articolo verranno analizzate le propriet\u00e0 meccaniche degli alluminuri di titanio, leghe molto performanti utilizzate nei settori automotive ed aereospace per le loro superlative propriet\u00e0 specifiche.<\/em><\/strong><\/p>\n

di Salvatore Milana<\/em><\/p>\n

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 cos\u00ec severe da richiedere necessariamente una superlega a base Nichel. Quest\u2019ultima, infatti, pu\u00f2 andar bene all\u2019interno di una generica turbina, ma se questa deve \u201cvolare\u201d, come nel caso degli aerei, l\u2019utilizzo delle superleghe a base Nichel va benissimo dal punto di vista termomeccanico, ma non in termini di densit\u00e0. Pur avendo le propriet\u00e0 specifiche che servono, se si \u00e8 in grado di ottenere le stesse propriet\u00e0, ma con un peso ridotto, anche della met\u00e0, ovviamente i vantaggi sarebbero innegabili. Gi\u00e0 negli anni \u201990, 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) cos\u00ec composto:<\/p>\n

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  1. 48% di titanio;<\/li>\n
  2. 48 % di alluminio;<\/li>\n
  3. 2 % di cromo;<\/li>\n
  4. 2 % di molibdeno.<\/li>\n<\/ol>\n

    Questa lega, a livello teorico e di propriet\u00e0 meccaniche testate sperimentalmente su dei provini, garantisce le stesse propriet\u00e0 della superlega base Nichel, ma con una densit\u00e0 che invece di stare nell\u2019intorno del 9,5 kg\/m3<\/sup> (tipica delle superleghe di Nichel) sta nell\u2019intorno del 5,5 kg\/m3<\/sup> (trovando cos\u00ec 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.<\/p>\n

    Una volta trovato il materiale con le caratteristiche volute, \u00e8 necessario implementare una tecnologia di lavorazione per ottenere la forma delle pale termodinamicamente efficiente (molto convessa e difficile da gestire).<\/p>\n

    A livello di processo, quello pi\u00f9 ecosostenibile per la realizzazione di pale, \u00e8 la colata. Tale processo, per\u00f2, d\u00e0 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\u2019interno, \u00e8 molto complicato.<\/p>\n

    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\u2019appoggio di BCC, colosso mondiale nei processi di colata.<\/p>\n

    Sia il Ti che l\u2019Al, inoltre, sono molto affini all\u2019ossigeno, per cui una volta finito il processo di colata, non \u00e8 facile riciclare il materiale, perch\u00e9 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\u2019ossigeno e tornare alle condizioni originali. Si capisce bene, quindi, come il costo di tutta l\u2019operazione sia molto alto. Questo divenne il caso perfetto per l\u2019additive: componente con geometria complessa e materiale difficile da lavorare con i processi tradizionali (l\u2019unica alternativa al casting \u00e8 la forgiatura, ma forgiare un materiale che di per s\u00e9 non \u00e8 tenace ha dei costi elevatissimi, cio\u00e8 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).<\/p>\n

    Analisi e confronto delle propriet\u00e0 specifiche<\/strong><\/p>\n

    Nela Figura 1, \u00e8 possibile vedere le propriet\u00e0 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 avr\u00e0 valori intermedi tra quelli del Ti3<\/sub>Al e TiAl.<\/p>\n

    Si noti subito il valore della densit\u00e0: quello degli alluminuri ha un valore pari a circa la met\u00e0 di quello delle superleghe. Realizzare, ad esempio, un settimo stadio di una turbina con questa lega rappresenterebbe un\u2019enorme riduzione di peso: si andranno a risparmiare dagli 80 ai 90 chili.<\/p>\n

    Le \u03c3 di compressione risultano poco significative per tale materiale e molto variabili per le superleghe, perch\u00e9 dipendono dalle percentuali dei leganti. Si presenta come un materiale abbastanza rigido e con un modulo elastico che sar\u00e0 tra i 160-170 GPa. La \u03c3 a flessione \u00e8 pi\u00f9 bassa perch\u00e9 \u00e8 un materiale meno tenace e lo si vede dal Kic<\/sub>: quella della superlega \u00e8 pari a 25 MPa m1\/2 <\/sup>, tipico di un materiale metallico e quindi capace di assorbire una grande quantit\u00e0 di energia. Gli alluminuri di titanio hanno, invece, una capacit\u00e0 di assorbire le deformazioni molto pi\u00f9 bassa ed infatti il valore di 10 MPa m1\/2 <\/sup>\u00e8 compatibile con le migliori tenacit\u00e0 a frattura dei ceramici (cio\u00e8 dei materiali fragili). 20 MPa m1\/2 <\/sup>\u00e8 a met\u00e0 strada tra un comportamento di un materiale duttile ed uno fragile. Si avr\u00e0, dunque, una matrice pi\u00f9 gamma che alfa, pertanto si mira a valori tra i 14 ed i 16 MPa m1\/2<\/sup>, dunque di molto inferiori ai 25 delle superleghe. Questo impone una presenza di difetti pi\u00f9 bassa all\u2019interno del componente e soprattutto una diminuzione dei difetti di dimensione critica che devono stare sotto una certa dimensione per essere tollerati. Con l\u2019additive manufacturing, \u00e8 molto pi\u00f9 semplice riuscire a gestire una problematica legata ad eventuali porosit\u00e0 residue, rispetto ad una tecnologia come la colata, con le problematiche che sono state illustrate in precedenza.<\/p>\n

    Alta resistenza a creep<\/strong><\/p>\n

    L\u2019altra grande differenza, che \u00e8 anche la principale ragione per cui questo materiale viene utilizzato per il settimo stadio (quello pi\u00f9 freddo), \u00e8 la sua resistenza al creep. Da una parte si ha un limite di resistenza a creep di 760\u00b0C, dall\u2019altra un limite di utilizzo per ossidazione attorno ai 650 \u00b0C. Questi valori non si riferiscono alla matrice che costituisce l\u2019intermetallico, ma allo strato superficiale, quindi non cos\u00ec 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 \u00e8 decisamente superiore ed infatti vengono utilizzate in zone in cui si mantiene la temperatura al massimo di 1100 \u00b0C. Laddove si hanno gli stadi pi\u00f9 caldi della turbina, si procede andando a forare la pala facendo passare dentro dell\u2019aria, per garantire un corretto funzionamento alle temperature esterne pi\u00f9 alte e mantenendo quelle interne pi\u00f9 basse. Nello stadio pi\u00f9 caldo, cio\u00e8 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.<\/p>\n

    Nella Figura 2 \u00e8 possibile osservare l\u2019andamento delle diverse temperature di esercizio di un gruppo turbo gas. Nel compressore, ci sono temperature pi\u00f9 basse con un andamento crescente man mano che ci si avvicina al combustore. Oltrepassato quest\u2019ultimo, si procede con una decrescita progressiva della temperatura, che porta agli ultimi stadi dove trova applicazione l\u2019alluminuro di titanio.<\/p>\n

    Conclusioni<\/strong><\/p>\n

    Gli alluminuri di titanio vengono utilizzati per la loro bassa densit\u00e0 e le loro particolari propriet\u00e0 fisiche. Si tratta di materiali che hanno una resistenza specifica compatibile con quella del Nichel, soprattutto se si tiene in considerazione il rapporto resistenza\/densit\u00e0. I TiAl hanno, inoltre, una buona resistenza alla corrosione ed all\u2019ossidazione fino ai 700 \u00b0C e sono, pertanto, adatti per essere utilizzati negli ultimi stadi di turbina. Si \u00e8 cercato, poi, di estendere l\u2019utilizzo della lega a mercati pi\u00f9 ampi: ne \u00e8 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\u2019applicazione interessante, soprattutto in ottica riduzione masse e consumi, ma occorrer\u00e0 attendere ancora un po\u2019 di tempo.<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n
    Propriet\u00e0<\/strong><\/td>\nTi3<\/sub>Al<\/strong><\/td>\n\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 TiAl<\/strong><\/td>\n\u00a0\u00a0 Superlega di Nichel<\/strong><\/td>\n<\/tr>\n
    Densit\u00e0 ( g\/cm3<\/sup> )<\/strong><\/td>\n4,1-4,7<\/td>\n3,7-3,9<\/td>\n7,9-9,1<\/td>\n<\/tr>\n
    E a 20\u00b0C (GPa)<\/strong><\/td>\n100-145<\/td>\n160-180<\/td>\n195-220<\/td>\n<\/tr>\n
    \u03c3c<\/sub> a 20 \u00b0C (MPa)<\/strong><\/td>\n700-990<\/td>\n400-650<\/td>\n250-1310<\/td>\n<\/tr>\n
    \u03c3f<\/sub> a 30 \u00b0C (MPa)<\/strong><\/td>\n800-1140<\/td>\n450-800<\/td>\n620-1620<\/td>\n<\/tr>\n
    Limite di T per creep (\u00b0C)<\/strong><\/td>\n760<\/td>\n1000<\/td>\n1090<\/td>\n<\/tr>\n
    Limite di T per ossidazione (C\u00b0)<\/strong><\/td>\n650<\/td>\n900<\/td>\n1090<\/td>\n<\/tr>\n
    \u03b5r<\/sub> (%) a 20 \u00b0C<\/strong><\/td>\n2-26<\/td>\n1-4<\/td>\n3-50<\/td>\n<\/tr>\n
    \u03b5r<\/sub> (%) ad alta T<\/strong><\/td>\n10-20<\/td>\n10-60<\/td>\n8-125<\/td>\n<\/tr>\n
    Kic<\/sub> a 20 \u00b0C (MPa m \u00bd<\/sup> )<\/strong><\/td>\n13-42<\/td>\n10-20<\/td>\n25<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

    Figura 1:\u00a0Riepilogo delle principali caratteristiche fisiche e meccaniche delle superleghe di Nichel e degli alluminuri di titanio.<\/p>\n

    \u00a0<\/p>\n<\/div>\n

    L’articolo Leghe TiAl, la svolta grazie all\u2019AM<\/a> sembra essere il primo su Il Progettista Industriale<\/a>.<\/p>\n<\/div>\n

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    Autore: Emanuela Bianchi<\/p>\n

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