Ti6242: la lega di titanio per applicazioni in alta temperatura

Negli ultimi mesi Gruppo Beamit ha parametrizzato la lega Ti6242 prodotta via LPBF (fusione laser a letto di polvere), una lega di titanio che mantiene eccellenti proprietà meccaniche anche a 550°C.

Perfetta per la componentistica dei motori aeronautici e per il motorsport, trova impiego in tutto le applicazioni che richiedono componenti leggeri e in grado di offrire prestazioni elevate anche ad alte temperature.

Laboratorio

Le leghe di titanio per impiego ad alte temperature sono state sviluppate dopo la seconda guerra mondiale per essere utilizzate sui nuovi aerei supersonici. All’epoca erano disponibili leghe di titanio Ti64 che permettevano un utilizzo a temperature fino a 400°C per parti e componenti soggetti a sollecitazioni venivano realizzati in acciaio o in leghe base nichel. Le nuove leghe di titanio vengono dunque sviluppate con lo scopo di ottenere alte prestazioni anche a temperature elevate, con l’ulteriore vantaggio di ridurre il peso degli elementi così prodotti.

Titanio e additive manufacturing

Lavorare meccanicamente il titanio, da blocco o da barra, non è un procedimento banale e, alle difficoltà di lavorazione, si unisce la produzione di materiale di scarto particolarmente onerosa. A questo si aggiunge una reperibilità non ottimale della materia prima.

Per questo l’additive manufacturing viene sempre più utilizzato per la produzione di elementi e strutture in titanio: le tecnologie additive permettono di ottenere risultati pari, se non migliori in termini di proprietà meccaniche, a quelli ottenibili con le medesime leghe e le tecnologie tradizionali, con materiale di scarto nullo. Non da ultimo, i componenti così realizzati possono beneficiare delle geometrie complesse e dei canali interni ottenibili solo con la produzione additiva.

Negli ultimi mesi Gruppo Beamit ha parametrizzato la lega Ti6242 prodotta via LPBF (fusione laser a letto di polvere), una lega di titanio per applicazioni in alta temperatura con eccellenti proprietà meccaniche anche a 550°C.

Ambiti applicativi e caratteristiche della lega Ti6242

Le leghe di titanio per applicazione ad alta temperatura sono state appositamente sviluppate per la componentistica di motori aeronautici, ma trovano ampio impiego anche nel motorsport per scarichi e marmitte e per tutte quelle applicazioni che richiedono componenti leggeri e con ottime caratteristiche meccaniche ad alte temperature.

In particolare, la lega di titanio Ti6242 è una lega near-alpha con proprietà meccaniche molto elevate: caratterizzata da un'ottima resistenza all'usura e dalla capacità di mantenere nel tempo le performance meccaniche, performa egregiamente fino a temperature di 550°C, permettendo la produzione di elementi dal peso ridotto.

Microstrutture

La lega di titanio Ti6242 viene solitamente sottoposta a due trattamenti termici, il primo di ricottura, il secondo di invecchiamento, per formare la microstruttura più adatta per le proprietà meccaniche che la caratterizzano; la microstruttura è solitamente bimodale, ma grazie ai trattamenti sviluppati dal Gruppo Beamit è stato possibile ottenere anche altre tipologie di strutture.

Per processare le leghe di titanio con le tecnologie additive laser è necessario utilizzare l’argon come gas inerte, mentre i trattamenti termici devono essere realizzati con forni ad alto vuoto e tempra in argon.
Gruppo Beamit realizza tali trattamenti in forni ad alto livello di vuoto, fondamentale per evitare contaminazioni, accreditati Nadcap e in classe 2 secondo AMS2750.

Proprietà meccaniche: tecnologie additive vs tecnologie sottrattive

Il Ti6242 realizzato tramite produzione additiva tende, in condizioni di temperatura superiori ai 350°C, ad offrire proprietà meccaniche superiori rispetto allo stesso materiale ottenuto da forgiatura (processo utilizzato tradizionalmente su questa lega). In caso, invece, di temperature inferiori ai 350°C le prestazioni tra le due metodologie produttive saranno assolutamente paragonabili.

Il Ti6242 prodotto tramite AM mostra proprietà di trazione simili o superiori a quelle raggiunte da Ti6242 e IMI834 prodotti tramite forgiatura

I vantaggi più significativi dell'additivo, tuttavia, rimangono la possibilità di progettare forme complesse e il non presentare le tipiche difficoltà della lavorazione meccanica del titanio oltre a ridurre il buy-to-fly ratio, vale a dire il rapporto fra la quantità di materiale richiesto e la quantità di materiale di cui il componente è effettivamente composto (parametro che, nel caso di materiali costosi come le leghe di titanio, è molto importante).

Con le tecnologie additive si utilizza solo la materia prima strettamente necessaria, senza lo scarto che inevitabilmente si produce con produzione sottrattiva o fusione: dal minore uso di materia prima derivano ovvi vantaggi.

La tecnologia LPBF

La tecnologia LPBF risulta ideale per lavorare con le polveri di Ti6242 grazie alla possibilità di mantenere una standard di processo costante, alla versatilità geometrica e a un’ottima scalabilità produttiva.

Considerato che le applicazioni tipiche della lega Ti6242 sono spesso legate all’ambito fluidodinamico, una rugosità maggiore, tipica di altre tecnologie, impatterebbe negativamente ed è pertanto più opportuno adottare la tecnologia LPBF.

Ricerca e sviluppo

L’attività di ricerca e sviluppo per la lega Ti6242 si è svolta nell’arco di un anno all’interno del progetto di tesi del dottor Gabriele Boari, supervisionato dal Professor Riccardo Casati del Politecnico di Milano.
La prima fase ha visto un’approfondita analisi dello stato dell'arte dei materiali volta ad individuare quali leghe ad alta temperatura fossero più interessanti, più facilmente processabili e facilmente reperibili. A seguito di questa analisi, la scelta è ricaduta sul Ti6242, materiale molto promettente dal punto di vista della saldabilità.

Laboratorio

Individuato il materiale, il passo successivo ha riguardato la ricerca del fornitore della materia prima e l’approvvigionamento primo lotto.
Sul primo lotto di materiale sono stati sviluppati i parametri di processo laser attraverso il design of experiment (DOE), una serie di tecniche statistiche che permettono di variare i parametri di processo in maniera controllata e ottimizzata, con l’obiettivo di aumentare la densità del materiale.

Nella fase successiva, sempre tramite DOE, l’obiettivo è stato quello di sviluppare il trattamento termico, variando tempi e temperature sia della ricottura che dell'invecchiamento, con lo scopo di migliorare le proprietà meccaniche studiando le conseguenti variazioni della microstruttura del materiale. Selezionate le microstrutture più promettenti, i trattamenti termici sono stati applicati ad un set di provini più ampio su cui è stata svolta anche la parte di caratterizzazione del materiale effettuando prove di trazione sia temperatura ambiente che a temperatura di 350°C, 550°C e 750°C (quest'ultima per analizzare il materiale oltre limite di applicabilità).

I valori più alti di YS e UTS si ottengono per materiale ricotto a 940 ° C

Una risposta puntuale alle richieste del cliente

La lega Ti6242, studiata e parametrizzata dal gruppo Beamit, nasce dalle richieste dei clienti che operano in ambito motorsport e si inserisce in un servizio di consulenza e di partnership volto a fornire soluzioni su misura grazie ad un consolidato know-how.

L’additive manufacturing è un metodo produttivo recente, che richiede un’importante attività di ricerca e sviluppo per essere sfruttato in modo versatile e scalabile, ampliando le possibilità di applicazione.
Per questo motivo Gruppo Beamit investe continuamente in tale direzione, sfruttando un parco macchine fra i più grandi in Europa e un ampio numero di reparti che consente un controllo completo di tutte le fasi del ciclo produttivo.

Per le tre aziende del Gruppo, Beamit, Zare e Pres-X, produrre in additivo non significa semplicemente stampare il componente, ma implica la fornitura di un processo tailor-made, su misura per il cliente, con caratterizzazioni e parametri specifici dal punto di vista meccanico, estetico e dimensionale, e con trattamenti di post-processo appositamente studiati. Tutto questo all’interno di una filiera corta che permette di comprimere i tempi di produzione ottenendo rapidamente pezzi ad alto valore aggiunto.