Titanio forte e duttile

Natura volume 618, pagine 63–68 (2023) Citare questo articolo

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Le leghe di titanio sono materiali leggeri avanzati, indispensabili per molte applicazioni critiche1,2. Il pilastro dell’industria del titanio sono le leghe di titanio α–β, che sono formulate attraverso aggiunte di lega che stabilizzano le fasi α e β3,4,5. Il nostro lavoro si concentra sullo sfruttamento di due dei più potenti elementi stabilizzanti e rinforzanti per le leghe di titanio α–β, ossigeno e ferro1,2,3,4,5, che sono facilmente abbondanti. Tuttavia, l'effetto infragilente dell'ossigeno6,7, descritto colloquialmente come "la kriptonite che trasforma il titanio"8, e la microsegregazione del ferro9 hanno ostacolato la loro combinazione per lo sviluppo di leghe α-β titanio-ossigeno-ferro forti e duttili. Qui integriamo la progettazione della lega con la progettazione del processo di produzione additiva (AM) per dimostrare una serie di composizioni di titanio-ossigeno-ferro che presentano eccezionali proprietà di trazione. Spieghiamo le origini su scala atomica di queste proprietà utilizzando varie tecniche di caratterizzazione. L’abbondanza di ossigeno e ferro e la semplicità del processo per la produzione a forma di rete o quasi a forma di rete mediante AM rendono queste leghe di titanio-ossigeno-ferro α-β attraenti per una vasta gamma di applicazioni. Inoltre, offrono la possibilità di utilizzare su scala industriale la spugna di titanio di scarto o la spugna di titanio-ossigeno-ferro10,11, attualmente un prodotto di scarto industriale. Il potenziale economico e ambientale per ridurre l’impronta di carbonio della produzione ad alta intensità energetica di spugna di titanio12 è sostanziale.

La maggior parte delle leghe industriali di titanio (Ti) possiedono microstrutture basate sulle due fasi fondamentali del Ti, quella esagonale compatta (HCP) α e quella cubica a corpo centrato (BCC) β. Rappresentate da Ti–6Al–4V (% in peso utilizzata ovunque se non diversamente specificato), le leghe di Ti α–β sono la spina dorsale dell'industria del Ti1,2. Possono formare microstrutture comprendenti 2,3,4,5 (1) α-β lamellare con una relazione di orientamento quasi di Burgers, (2) α e β equiassici o (3) α globulare tra le lamelle α-β. Ognuna di queste microstrutture presenta pregi e svantaggi, rendendo le leghe Ti α–β versatili per diverse applicazioni industriali1,2,3,4,5. Di questi, è stata comunemente applicata la microstruttura lamellare α – β.

Le leghe di Ti α–β sono formulate legando Ti con stabilizzanti di fase α e fase β. Gli stabilizzatori della fase α sono limitati a Al, N, O, C, Ga e Ge (rif. 3,4,5), di cui N e C sono impurità strettamente controllate (0,05% N, 0,08% C)2,3 , mentre Ga e Ge non sono commercialmente redditizi. Quindi, oltre ad Al, O è l’unica altra opzione pratica. La tabella supplementare 1 elenca le principali leghe Ti α-β che utilizzano Al come stabilizzante della fase α. In particolare, O supera Al in (1) rafforzando la fase α di un fattore di circa 20 (calcolato secondo i dati forniti nella Tabella 4 a pagina 16 del rif. 1), (2) stabilizzando la fase α di un fattore di circa 10 (basato sulla formula di equivalenza dell'alluminio fornita a pagina 380 del rif. 5) e (3) limitando la crescita dei grani β precedenti durante la solidificazione di un fattore superiore a 40 (10,8 contro 0,26)13. Tuttavia, questi attributi dell’O2 sono rimasti sottoutilizzati nello sviluppo delle leghe Ti α–β.

Il problema con l'O come principale stabilizzatore della fase α nel Ti è il suo effetto infragilente dovuto alle sue forti interazioni con le dislocazioni durante la deformazione6,7. Inoltre, O modifica gli equilibri di fase, promuovendo la formazione della fragile fase α2 (Ti3Al)14. Questi vincoli hanno portato alla seguente regola di progettazione empirica per le leghe di Ti industriali: Al + 10(O + C + 2N) + 1/3Sn + 1/6Zr < 9,0% (rif. 5). Per Ti–6Al–4V, questa regola di progettazione richiede meno dello 0,12% O (rif. 15) a 0,05% N e 0,08% C, che è stato ridotto a 0,13% O per Ti–6Al–4V di grado 23 e 0,20% O per Grado 5 Ti–6Al–4V. Seguendo questa regola, un contenuto di Al inferiore consente un contenuto di O più elevato. Infatti, la più recente lega industriale α–β Ti ATI 425 (Ti–4.5Al–3V–1.8Fe–0.3O)16, consente un massimo dello 0,3% di O a causa del suo contenuto inferiore di Al, per il quale la regola empirica di cui sopra accetta un massimo di 0,31% O. Se non è incluso Al, questa regola consente un massimo di 0,72% O.