Leghe di titanio nell'aviazione

Il trasporto aereo è diventato una parte integrante della nostra vita quotidiana, sia attraverso la logistica del trasporto aereo di merci sia viaggiando in aereo. Quando alziamo lo sguardo al cielo e osserviamo gli aeromobili che sorvolano le nostre teste, sorge spontanea una domanda: quali materiali vengono utilizzati per costruire gli aerei in grado di trasportare carichi così massicci e operare ad alta quota?
Esploriamo insieme i materiali alla base di questa straordinaria capacità.

Panoramica sul titanio

Nel 1948, la DuPont riuscì con successo a produrre industrialmente titanio spugnoso mediante il processo di riduzione con magnesio, segnando un importante traguardo nella storia dei materiali a base di titanio. Da allora, le leghe di titanio sono state ampiamente impiegate in vari settori industriali grazie alle loro eccezionali proprietà fisiche, tra cui elevata resistenza specifica, eccellente resistenza alla corrosione e superiore resistenza al calore .

Va notato che il titanio è un elemento abbondante nella crosta terrestre, dove occupa la posizione numero nove per abbondanza complessiva , molto superiore a quella di metalli comunemente utilizzati, come rame, zinco e stagno. È ampiamente diffuso in molti tipi di rocce, in particolare nelle sabbie e nelle argille, dove le riserve sono particolarmente consistenti.

Caratteristiche del titanio

Il titanio presenta una serie di proprietà eccezionali, tra cui elevata resistenza, elevata resistenza termica, eccellente resistenza alla corrosione, prestazioni straordinarie a basse temperature e forte reattività chimica .

In particolare, la resistenza del titanio supera di gran lunga quella delle leghe di alluminio, delle leghe di magnesio e degli acciai inossidabili, rendendolo uno dei metalli strutturali più eccezionali. Anche le leghe di titanio offrono prestazioni eccezionali a temperature elevate, con temperature operative significativamente superiori a quelle delle leghe di alluminio, e possono mantenere prestazioni stabili nel lungo termine a 450–500 °C .

Inoltre, il titanio dimostra un’eccellente resistenza agli acidi, alle basi e alla corrosione atmosferica, mostrando in particolare una forte resistenza alla corrosione localizzata (pitting) e alla corrosione sotto sforzo (stress corrosion cracking) . A basse temperature, leghe di titanio come TA7 mantengono buona duttilità e proprietà meccaniche, anche a temperature prossime a –253 °C .

Tuttavia, il titanio presenta un’elevata reattività chimica a temperature elevate e può reagire facilmente con gas presenti nell’aria, quali idrogeno e ossigeno, formando strati superficiali induriti. Inoltre, le leghe di titanio hanno una conducibilità termica relativamente bassa — circa un quarto di quello del nichel, un quinto di quello del ferro e un quattordicesimo di quello dell'alluminio —mentre il loro modulo di elasticità è circa la metà di quello dell'acciaio . Queste caratteristiche rendono il titanio indispensabile in molte applicazioni ingegneristiche avanzate.

Classificazione e applicazioni delle leghe di titanio

Le leghe di titanio possono essere classificate, in base alle loro applicazioni, in leghe resistenti al calore, leghe ad alta resistenza, leghe resistenti alla corrosione (ad esempio leghe Ti-Mo e Ti-Pd), leghe per basse temperature , e leghe funzionali speciali , inclusi i materiali per l'immagazzinamento di idrogeno a base di titanio–ferro e le leghe a memoria di forma di titanio–nickel.

Sebbene la storia delle applicazioni delle leghe di titanio sia relativamente breve, le loro eccezionali prestazioni hanno consentito loro di ottenere numerosi riconoscimenti, tra cui il titolo «metallo spaziale». Questa denominazione deriva dal loro ridotto peso, dall’elevata resistenza e dalla notevole resistenza alle alte temperature, caratteristiche che ne fanno materiali ideali per aeromobili e veicoli aerospaziali.

Attualmente, circa tre quarti della produzione mondiale di titanio e leghe di titanio è destinata al settore aerospaziale , con molti componenti un tempo realizzati in leghe di alluminio che vengono ora sostituiti da leghe di titanio.

Applicazioni aeronautiche

Le leghe di titanio sono materiali fondamentali nella produzione di aeromobili e motori. Vengono ampiamente utilizzate in componenti forgiati del ventilatore, dischi e pale del compressore, carter del motore e sistemi di scarico , nonché componenti strutturali come telai e paratie .

In applicazioni aerospaziali, l’elevata resistenza specifica, la resistenza alla corrosione e le prestazioni a basse temperature delle leghe di titanio le rendono ideali per recipienti in pressione, serbatoi per carburante, elementi di fissaggio, supporti per strumenti, telai strutturali e involucri di razzi . I giunti saldati in lamiera di lega di titanio sono ampiamente utilizzati in satelliti artificiali, moduli lunari, veicoli spaziali con equipaggio e navette spaziali .

Nel 1950, gli Stati Uniti applicarono per la prima volta le leghe di titanio al Caccia-bombardiere F-84 , impiegandole per componenti non portanti, quali schermi termici della parte posteriore del fusoliero, condotti d’aria e carenature della coda. A partire dagli anni ’60, le leghe di titanio estesero il loro utilizzo dalla parte posteriore del fusoliero alla sezione centrale del fusoliero, sostituendo parzialmente l’acciaio strutturale in paratie, travi e guide dei flap .

Negli anni '70, con la produzione di massa di aeromobili civili come il Boeing 747 , l’impiego del titanio aumentò in modo significativo. Il solo Boeing 747 utilizzava oltre 3.640 kg di titanio , pari a circa il 28% del peso strutturale dell’aeromobile . Le leghe di titanio divennero inoltre ampiamente utilizzate in razzi, satelliti e veicoli spaziali.

Caratteristiche di lavorazione delle leghe di titanio

In primo luogo, le leghe di titanio presentano una conduttività termica relativamente bassa, pari a circa un quarto di quella dell’acciaio, un tredicesimo di quella dell’alluminio e un venticinquesimo di quella del rame durante la lavorazione, la dissipazione del calore e il raffreddamento sono quindi inefficienti, con conseguente temperature elevate concentrate nella zona di taglio . Ciò può causare deformazione del pezzo in lavorazione e recupero elastico, aumentare la coppia di taglio, accelerare l’usura del tagliente dell’utensile e ridurre in modo significativo la vita utile dell’utensile.

In secondo luogo, poiché il calore generato durante il taglio è concentrato vicino al tagliente e non riesce a dissiparsi rapidamente, l’attrito sulla faccia di spoglia aumenta, rendendo più difficoltosa l’espulsione dei trucioli e accelerando ulteriormente l’usura dell’utensile.

Infine, a temperature elevate, l’attività chimica delle leghe di titanio aumenta notevolmente; esse tendono a reagire con i materiali degli utensili, provocando adesione, diffusione e formazione del bordo di accumulo . Questi fenomeni possono causare l’incollaggio, il surriscaldamento o la rottura dell’utensile, compromettendo gravemente la qualità e l’efficienza della lavorazione.

Vantaggi dei centri di lavoro

I centri di lavorazione possono processare contemporaneamente più componenti, migliorando in modo significativo l'efficienza produttiva. L'elevata precisione garantisce un'eccellente coerenza del prodotto e, grazie alle funzioni di compensazione utensile, è possibile sfruttare appieno l'accuratezza intrinseca della macchina utensile.

I centri di lavorazione offrono inoltre un'elevata adattabilità e flessibilità , gestendo facilmente la lavorazione di archi, la smussatura e le raccordature. In modo ancora più impressionante, supportano operazioni multifunzionali , tra cui fresatura, foratura, alesatura e filettatura — tutte eseguibili su un'unica macchina.

Dal punto di vista del controllo dei costi, i centri di lavorazione consentono una contabilizzazione precisa dei costi e una programmazione accurata della produzione, eliminano la necessità di attrezzature specializzate, riducono i costi complessivi e accorciano i cicli produttivi. Inoltre riducono notevolmente lo sforzo fisico richiesto agli operatori e possono essere integrati senza soluzione di continuità con software CAM quali UG (NX) eseguire la lavorazione multiasse.

Selezione di utensili da taglio e refrigeranti

La selezione di appropriati utensili da taglio e refrigeranti è fondamentale nella lavorazione delle leghe di titanio. I materiali degli utensili devono presentare alta Durezza e Resistenza all'Usura per garantire un’efficace rimozione del materiale. La scelta del refrigerante influisce direttamente sulla qualità e sull’efficienza della lavorazione: i refrigeranti adeguati riducono l’attrito e il calore generato durante il taglio, prolungando la vita utile degli utensili e migliorando la precisione della lavorazione.

1. Requisiti per il materiale dell’utensile

• La durezza dell’utensile deve essere significativamente superiore a quella delle leghe di titanio per consentire una tagliatura efficace.
• Gli utensili devono possedere resistenza e tenacità sufficienti per sopportare coppie elevate e forze di taglio.
• Data l’elevata tenacità delle leghe di titanio, gli spigoli di taglio devono mantenere un’ottima affilatura; pertanto, è richiesta un’eccellente resistenza all’usura per minimizzare l’indurimento superficiale del materiale in lavorazione.

2. Selezione della geometria della fresa frontale

A causa delle caratteristiche di lavorazione uniche delle leghe di titanio, la geometria della fresa frontale differisce notevolmente da quella degli utensili convenzionali.
A angolo di elica minore (β) è consigliato per aumentare il volume delle scanalature, migliorare l’evacuazione dei trucioli e potenziare la dissipazione del calore.

3. Selezione dei parametri di taglio

Durante la lavorazione delle leghe di titanio, velocità di taglio più basse devono essere utilizzate, in abbinamento a velocità di avanzamento appropriate, profondità di taglio ragionevoli e tolleranze di finitura controllate.

4. Selezione e applicazione del refrigerante

È necessario evitare refrigeranti contenenti cloro per prevenire la formazione di sostanze tossiche e l’indurimento da idrogeno, nonché ridurre il rischio di corrosione sotto sforzo a temperature elevate.
Si raccomanda l’uso di emulsioni sintetiche solubili in acqua o refrigeranti appositamente formulati adatti per la lavorazione di leghe di titanio.