Il titanio: leggero e resistente, perfetto per l'additive manufacturing

Il titanio, metallo fra i più diffusi in natura, presenta proprietà meccaniche elevate e permette di realizzare componenti e strutture molto leggeri con una ottima resistenza alla corrosione.
L’additive manufacturing viene sempre più utilizzato per la produzione di elementi e strutture in titanio, che possono così beneficiare anche delle forme complesse e dei canali interni ottenibili solo con la produzione additiva.

Additive Manufacturing Titanio

Titanio

Il titanio, scoperto nel 1791, è un elemento chimico piuttosto diffuso sulla crosta terrestre, ma di difficile estrazione: poiché si combina facilmente con ossigeno, azoto, carbonio e idrogeno, l’ottenimento di metallo puro è possibile solo a seguito di complicati processi produttivi, particolarmente onerosi dal punto di vista energetico.

Tra le caratteristiche del titanio troviamo quella di essere un metallo leggero, resistente, duttile e malleabile e con una elevata resistenza alla corrosione, per questo trova sempre maggiore impiego in diversi settori industriali. Inoltre è biocompatibile e può quindi essere utilizzato anche in ambito medicale e dentale.

Titanio - La Fabbrica

Leghe di Titanio

Confrontando le caratteristiche del titanio con quelle di altri metalli è possibile notare come, rispetto al ferro, all’alluminio o all’acciaio, il titanio presenti proprietà specifiche più alte: pertanto, le leghe di titanio risultano molto prestazionali e consentono la realizzazione di manufatti più resistenti e leggeri.

Il titanio viene solitamente alligato con piccole percentuali di altri elementi come nichel, vanadio, alluminio creando leghe con elevata resistenza meccanica e a fatica, elevata durezza e ottima resistenza alla corrosione, consentendo comunque la creazione di elementi e strutture molto leggeri.

I gradi del Titanio

In base alla presenza di elementi alliganti e/o interstiziali, il titanio viene classificato comunemente in “gradi”; in ambito industriale i gradi più utilizzati sono il grado 1, 2, 5 e 23. Oltre a questi gradi più comuni, sono stati sviluppati negli anni altre leghe, con proprietà meccaniche migliorate, che vengono classificate secondo la loro composizione chimica. Esempi di questi materiali sono il Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti-6242), Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo (Ti-6246) e Ti–6Al–2Zr–1Mo–1V (TA 15).

I gradi 1 e 2 rientrano nella categoria dei commercialmente puri (CP) e presentano proprietà meccaniche basse, ma elevatissima resistenza alla corrosione grazie allo strato di ossido di titanio che si crea sulla superficie e che risulta molto resistente agli agenti corrosivi. Questa tipologia di titanio è molto utilizzata nei settori chimico e oil&gas, in particolare per le tubazioni.

Stampa 3D Titanio

Tra i gradi più prestazionali, il grado 5 e 23 sono tra i più comunemente usati.
Noto anche come Ti6Al4V, il titanio grado 5 è composto al 6% di alluminio, al 4% di vanadio, e per il resto da titanio (con uno 0,25% massimo di ferro e uno 0,2% massimo di ossigeno), ha un’alta resistenza alla corrosione, buone proprietà meccanica e alta tenacità.

Anche il grado 23, noto anche come Ti-6Al-4V-ELI , presenta elevate proprietà: ELI è l’acronimo di Extra Low Interstitial, ad indicare come questa lega presenti una bassissima quantità di elementi interstiziali (carbonio, ossigeno, azoto, idrogeno). Gli elementi interstiziali si inseriscono nel reticolo cristallino del materiale rendendo la struttura più fragile e riducendo l’allungamento a rottura; tuttavia comportano anche un innalzamento delle proprietà meccaniche, per questo, a seconda dell’uso previsto per la lega è preferibile averne in numero maggiore o minore.

Se è necessario un materiale molto duttile e tenace è opportuno ridurre il più possibile gli elementi interstiziali, proprio come è stato fatto per il titanio grado 23 che contiene il 6% alluminio, il 4% vanadio, il 0,13% (massimo) di ossigeno e titanio per il rimanente.

I gradi 5 e 23 sono fra i più prestazionali e vantano ottime proprietà meccaniche e ottima resistenza alla corrosione; perfetti per l’alleggerimento delle strutture, anche caricate meccanicamente e fortemente sollecitate, trovano applicazione in settori come l’aeronautica, il motorsport, l’oil&gas e il biomedicale.

Additive Manufacturing Titanio

Dove non bastano le pur elevate proprietà meccaniche dei gradi 5 e 23, troviamo le leghe Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo e Ti–6Al–2Zr–1Mo–1V (TA 15). Queste leghe sono alligate con alluminio e vanadio, come i gradi 5 e 23, ma anche con altri elementi quali zirconio, stagno e molibdeno, che determinano una maggiore resistenza meccanica, soprattutto negli impieghi a caldo (T>350°C, cioè la massima temperatura d’utilizzo continuativo dei gradi 5 e 23).

Queste leghe sono infatti impiegate in vari settori high-tech come il motorsport e aerospace, per la realizzazione di parti di motori da corsa, di telai e di palette per compressori e giranti per turbine, fortemente sollecitati.

Titanio, additive manufacturing, sottrattivo, microfusione sottovuoto

Lavorare meccanicamente il titanio non è un procedimento banale e, alle difficoltà di lavorazione, si unisce la produzione di materiale di scarto particolarmente onerosa.

Anche il processo di microfusione sottovuoto, tipico dei materiali reattivi, implica tempi mediamente lunghi per la complessità ed il numero delle fasi, oltre a soffrire della non ampia diffusione in numero di aziende che possono svolgere questo delicato compito.

L’additive manufacturing viene sempre più utilizzato per la produzione di elementi e strutture in titanio, che possono così beneficiare anche delle forme complesse e dei canali interni ottenibili solo con la produzione additiva.

A questo proposito è però necessaria una progettazione apposita per la produzione in additive manufacturing: un co-design che veda la collaborazione del progettista e del tecnico specialista nella produzione in additivo in modo da ottimizzare il progetto ed evitare strutture massive e spessori parete troppo elevati che potrebbero generare eccessive tensioni residue durante la stampa.

Vista reparto

Il titanio si presta ad un’ampia gamma di trattamenti termici che permettono il miglioramento di molte proprietà: sottoposto a tali trattamenti, il prodotto realizzato in titanio tramite additive manufacturing, presenta proprietà meccaniche identiche o superiori a quelle dei prodotti ottenuti con la lavorazione dal pieno.

Trattamenti termici e laboratorio di analisi

Il laboratorio di analisi interno svolge qui un ruolo di fondamentale importanza validando e sviluppando i trattamenti termici che determinano le proprietà meccaniche del componente finito e garantendo che le prestazioni si mantengano per ogni job realizzato, tutto questo con tempi di risposta ridotta e assoluta riservatezza; allo stesso modo, il controllo qualità verifica periodicamente le proprietà meccaniche della polvere di titanio, che essendo molto affine all’ossigeno potrebbe presentare un decadimento, per garantire prestazioni e proprietà costanti.

Laboratorio analisi

Applicazioni

Il titanio viene utilizzato per strutture alari, parti di carlinga e in generale per parti molto sollecitate degli aeromobili, per turbine, palette dei compressori, per componenti utilizzati nel motorsport dove può sostituire anche elementi in materiale composito, per protesi nel settore biomedicale e in tutte quelle applicazioni dove sia richiesta leggerezza, resistenza meccanica e a corrosione.