Ti3Al polvere: composizione, proprietà, applicazioni e altro

Alcune delle principali proprietà e caratteristiche della polvere di Ti3Al comprendono:

• Elevata resistenza a temperature elevate fino a 750¡«C
• Densità circa la metà di quella delle superleghe al nichel
• Eccezionale resistenza alla corrosione
• Bassa densità rispetto a altre leghe di titanio
• Resistenza all'ossidazione fino a circa 700¡«C
• Resistenza all'usura
• biocompatibilità

Tuttavia, Ti3Al presenta anche delle limitazioni come scarsa duttilità a temperatura ambiente, bassa tenacità alla frattura e scarsa saldabilità. Per ottimizzare il bilanciamento delle proprietà per varie applicazioni sono necessarie adeguate lavorazioni e aggiunte di lega.

Questo articolo offre una panoramica dettagliata della composizione, delle proprietà, delle applicazioni, dei fornitori, dei costi, dei metodi di test e di altri dettagli tecnici relativi alla polvere di Ti3Al.

Composizione della polvere di Ti3Al

La polvere Ti3Al presenta una composizione nominale del 75% di titanio e 25% di alluminio in peso. Il composto intermetallico aluminuro di titanio si forma con il 50-75% di alluminio, mentre il Ti3Al è la versione più comune.

La composizione esatta può variare a seconda del metodo di produzione. Altri elementi come Nb, Mo, Si, B, Ta, W, C e O vengono spesso aggiunti in piccole quantità per migliorare alcune proprietà. La tabella seguente mostra il tipico intervallo di composizione:

Elemento	% Peso
Titanio (Ti)	69 – 76%
Alluminio (Al)	24 – 31%
Niobio (Nb)	0 – 6%
Molibdeno (Mo)	0 – 4%
Silicio (Si)	0 – 2%
Boro (B)	0 – 0.5%
Tantalio (Ta)	0 – 5%
Tungsteno (W)	0 – 5%
Carbonio (C)	0 – 0.1%
Ossigeno (O)	0 – 0.2%

Il controllo del tenore di ossigeno e carbonio è fondamentale per evitare l'infragilimento e mantenere la duttilità. A seconda delle materie prime e del processo, potrebbero essere presenti anche altri elementi.

Proprietà della polvere di Ti3Al

Le particolari proprietà della polvere Ti3Al derivano dalla sua struttura cristallina intermetallica ordinata composta da atomi sia di titanio che di alluminio. Alcune delle proprietà degne di nota sono:

Resistenza alle alte temperature

Ti3Al mantiene una resistenza relativamente elevata fino a 750¡«C, decisamente migliore rispetto a titanio o alluminio da soli. Questo lo rende adatto ad applicazioni ad alte temperature in motori, turbine, valvole, ecc. La tabella sottostante confronta la resistenza di Ti3Al con altre leghe di titanio a temperature diverse:

Lega	Resistenza alla temperatura ambiente (MPa)	Resistenza a 500¡«C (MPa)	Densità (g/cm3)
Ti3Al	400	260	3.9
Ti6Al4V	900	500	4.5
Ti64	900	400	4.5

Bassa densità

Con una densità di circa 3,7-4,1 g/cm3, Ti3Al è molto più leggero delle superleghe di nichel e della maggior parte delle altre leghe di titanio. Questo aiuta a ridurre il peso del componente critico per le applicazioni aerospaziali.

Resistenza all'ossidazione

Ti3Al offre una buona resistenza all'ossidazione fino a 700°C nell'aria, migliore del titanio non legato. Ciò consente il suo impiego ad alte temperature senza eccessive perdite di materiale.

Resistenza alla corrosione

Il contenuto di titanio conferisce a Ti3Al un'eccellente resistenza alla corrosione ad un'ampia gamma di acidi, alcali e ambienti salini. Ciò lo rende utile nelle apparecchiature di trattamento chimico.

Resistenza all'usura

Ti3Al ha una buona resistenza all’abrasione e all’erosione, paragonabile a quella degli acciai, il che lo rende adatto per applicazioni di usura elevata come valvole, pompe e filiere di estrusione.

Tuttavia, il Ti3Al soffre anche di svantaggi come:

• Scarsa duttilità a temperatura ambiente e tenacità alla frattura
• Difficile da realizzare e lavorare con la macchina
• Scarsa saldabilità dovuta alla suscettibilità a fessurazioni

Elaborazione adeguata e aggiunte di leganti sono necessarie per ottimizzare il bilanciamento delle proprietà per l'applicazione prevista.

Applicazioni in polvere Ti3Al

Le caratteristiche uniche della polvere Ti3Al la rendono adatta per le seguenti applicazioni:

Aerospaziale

Il settore aerospaziale è il principale consumatore di prodotti al Ti3Al a causa della necessità di riduzione del peso, resistenza alle alte temperature e resistenza all'ossidazione. Le applicazioni tipiche includono:

• Lame turbina, palette, dischi
• Camere di combustione, post bruciatori
• Fusoliere, componenti strutturali
• Tubi idraulici, valvole

Automotive

Il settore automobilistico utilizza Ti3Al per componenti di turbocompressori, valvole, molle, elementi di fissaggio e parti di sistemi di scarico che richiedono resistenza alle alte temperature e peso ridotto.

Elaborazione chimica

Il Ti3Al viene utilizzato per componenti quali valvole, pompe, raccordi per tubi, serbatoi di reazione che richiedono resistenza alla corrosione abbinata a proprietà meccaniche ad alta temperatura.

Biomedicale

La biocompatibilità, la resistenza alla corrosione e la resistenza del Ti3Al lo rendono adatto per impianti ortopedici come protesi d'anca artificiali.

Altre applicazioni comprendono valvole ad alte prestazioni, stampi per estrusione, elementi riscaldanti e attrezzi sportivi. Il Ti3Al viene utilizzato anche come polvere per la produzione additiva.

Specifiche in polvere Ti3Al

La polvere Ti3Al è disponibile in vari intervalli di granulometria, morfologie e livelli di purezza a seconda del processo di produzione. Le specifiche principali sono riportate di seguito:

Specificazione	Dettagli
Dimensioni delle particelle	15 – 150 micron
Morfologia	Sferico, angolare, misto
Densità apparente	2–3,5 g/cm3
Densità del materiale compattato	3-4,5 g/cm³
Purezza	!99%,!99,9%
Contenuto di ossigeno	¨P 0,2% in peso
Contenuto di azoto	¨P 0,05 % in peso
Contenuto di carbonio	¨P 0,08% peso
Contenuto di ferro	P 0,30 wt%
Contenuto di nichel	¨P 0.10% in peso
Pacchetti standard	5 kg, 10 kg, 25 kg

Solitamente, dimensioni delle particelle più sottili consentono una migliore scorrevolezza, densità di riempimento e reattività. Le morfologie sferiche migliorano anche la scorrevolezza della polvere. Un'elevata purezza riduce i contaminanti e migliora le proprietà.

Produzione di polvere di Ti3Al

Esistono diversi metodi utilizzati per produrre polvere di Ti3Al tra cui:

• Atomizzazione a gas?- La lega Ti-Al fusa viene polverizzata con gas inerte in goccioline fini che si solidificano in polvere. Ciò produce particelle sferiche con una buona scorrevolezza.
• Legame meccanico?- Le polveri elementali di Ti e Al vengono macinate a palle per sintetizzare l'intermetallico meccanicamente. Le particelle di polvere hanno forme irregolari.
• Sferoidizzazione al plasma?- La polvere di Ti3Al irregolare derivante dalla lega meccanica viene rifusa in un plasma per generare polvere sferica.
• Fusione ad induzione con elettrodi Atomizzazione a gas (EIGA)?- Fondi e atomizza direttamente un elettrodo di Ti3Al per produrre polvere.

La polverizzazione a gas e il processamento al plasma consentono un migliore controllo sulla distribuzione delle dimensioni delle particelle, sulla morfologia, sull'assorbimento di ossigeno e sulla microstruttura. La polvere normalmente deve essere setacciata in frazioni di dimensioni specifiche dopo la produzione in base ai requisiti dell'applicazione.

Costo polvere di Ti3Al

Le polveri di Ti3Al sono significativamente più costose delle polveri di titanio o alluminio da sole. I costi variano tra:

• $100 - $500 al chilogrammo per polvere atomizzata al gas con purezza del 99%.
• $50-250 a kg per una polvere con lega meccanica al 99%
• $300 - $1000 al kg per polvere sferoidale al plasma al 99,9%

I prezzi dipendono da dimensioni delle particelle, morfologia, livello di purezza, quantità dell'ordine e produttore. Le leghe personalizzate con composizioni speciali possono costare ancora di più. I costi sono diminuiti grazie all'aumento dei volumi di produzione e ai miglioramenti dei processi.

Fornitori di polvere Ti3Al

Alcuni tra i principali fornitori mondiali di polvere di Ti3Al includono:

Azienda	Ubicazione
AP&C	Canada
TLS Technik GmbH	Germania
Tecnologia dei metalli	GB
ATI Powder Metals	USA
Additive Carpenter	USA
Met3DP	Cina
Tekna	Canada

Anche in Cina ci sono alcuni produttori. Si consiglia di reperire la polvere da produttori affermati che utilizzano processi di produzione qualificati per garantire proprietà e qualità affidabili.

Ti3Al versus Alternative

Ti3Al combatte contro diverse alternative per applicazioni strutturali ad alte temperature:

Tabella: Confronto tra Ti3Al e altre leghe ad alta temperatura

Lega	Densità	Temperatura massimo	Forza	Ducilità	Resistenza all'ossidazione	Costi
Ti3Al	Scarso	Elevatissimo	Elevato	Scarso	Bene	Elevato
Inconel 718	Elevato	Elevato	Intermedio	Intermedio	Bene	Intermedio
Haynes 230	Elevato	Elevatissimo	Elevato	Scarso	Eccellente	Elevatissimo
Ti6Al4V	Intermedio	Intermedio	Intermedio	Intermedio	Eccellente	Intermedio
Acciai inossidabili ferritici	Intermedio	Intermedio	Scarso	Elevato	Scarso	Scarso

Per temperature di servizio massime, le superleghe a base di Nichel, come Haynes 230, e Ti3Al sono superiori. Tuttavia, la densità e il costo inferiori del Ti3Al sono vantaggiosi per applicazioni in cui il peso è critico, come nel settore aerospaziale.

La scarsa duttilità della temperatura ambiente del Ti3Al resta un limite principale rispetto agli acciai e al Ti6Al4V. Lo sviluppo della lega e del processo continuano a migliorare la lavorabilità e la fabbricazione.

Vantaggi della polvere di Ti3Al

I principali vantaggi dell'utilizzo della polvere Ti3Al includono:

• Alta resistenza mantenuta fino a 800¡«C
• Densità inferiore del 40% rispetto alle superleghe di nichel
• Eccellenti resistenza allo scorrimento viscoso
• Buona resistenza all'ossidazione e alla corrosione
• Sostituzione di metalli refrattari senza rischi per i materiali strategici
• Produzione di forme quasi nette con polveri metallurgiche
• I componenti possono operare a temperature superiori
• Risparmio sul peso nelle parti rotanti, come le pale delle turbine
• Efficienza migliorata attravero parametri di funzionamento maggiori

La combinazione unica di proprietà meccaniche, bassa densità e stabilità termica rendono il Ti3Al un materiale abilitante per i sistemi aerospaziali, automobilistici e di generazione di energia di prossima generazione.

Limitazioni della polvere di Ti3Al

Nonostante i suoi vantaggi, Ti3Al presenta anche alcuni svantaggi:

• Fragile a temperatura ambiente, la duttilità migliora sopra i 500¡«C
• Fabbricare e lavorare è impegnativo
• Rapida perdita di proprietà al di sotto di 400¡«C
• Il costo delle materie prime e della lavorazione è molto elevato
• La catena di fornitura è limitata da pochi produttori
• La progettazione dei componenti richiede competenze tecniche specializzate
• Non facilmente saldata o collegata con tecniche convenzionali
• Difficile da riciclare e riutilizzare

Finora, gli ostacoli relativi a produzione e costi hanno rallentato l'ampia adozione commerciale del Ti3Al. Ma le sue capacità continuano a guidare gli sforzi di sviluppo per superare queste limitazioni tramite migliore chimica metallica, qualità della polvere e design di componenti.

Prospettive per la polvere Ti3Al

Secondo le previsioni, il Ti3Al vedrà un ampliamento del suo utilizzo nei settori aerospaziale, automobilistico, delle turbine a gas industriali e della generazione di energia a causa di:

• Domanda crescente di carburante efficiente per i motori a reazione ed emissioni più basse
• I materiali ad alta temperatura necessari per turbocompressori elettrici
• Mercato in crescita per le tecnologie di fabbricazione additiva
• Focalizzarsi sulla sostituzione strategica dei materiali per terre rare e metalli refrattari
• Riduzione dei costi grazie a una maggiore produttività produttiva

I mercati automobilistici e industriali sono più sensibili ai prezzi e richiedono un vantaggio dimostrato di costi e prestazioni rispetto alle leghe esistenti. Il settore aerospaziale è più disposto a pagare un premio per le massime prestazioni.

Le iniziative governative negli Stati Uniti, nell'UE e in Giappone stanno accelerando la R&S sulla produzione di polvere Ti3Al, la fabbricazione di componenti, i metodi di giunzione e lo sviluppo delle leghe. Ciò amplierà lo spazio applicativo e guiderà tassi di adozione più elevati.

Domande frequenti

D: A cosa serve la polvere Ti3Al?

A: La polvere di Ti3Al è utilizzata per realizzare componenti ad alte temperature, come pale di turbine, giranti di turbocompressori, scambiatori di calore e altre parti operative con temperature tra 500-800¡«C. Fornisce un eccellente equilibrio tra elevata resistenza, bassa densità e buona resistenza all'ossidazione.

D: Come viene prodotta la polvere Ti3Al?

A: Tra i metodi di produzione comuni figurano l'atomizzazione a gas, l'atomizzazione al plasma, l'atomizzazione a gas per fusione a induzione elettrodica (EIGA) e la lega meccanica. Ciascun processo produce polveri con caratteristiche diverse, adatte ad applicazioni specifiche.

Domanda: la polvere Ti3Al è migliore di Inconel 718?

A: Il Ti3Al presenta densità più bassa, perciò fornisce un risparmio di peso rispetto all'Inconel 718. Presenta una resistenza maggiore a temperature superiori a 700 ¡«C. Invece, la duttilità del Ti3Al a temperatura ambiente è piuttosto bassa, mentre l'Inconel 718 può essere lavorato e macchinato facilmente.

D: Qual è il costo della polvere Ti3Al?

A: La polvere di Ti3Al costa circa 450-750 dollari al kg, che è quasi 5 volte di più delle superleghe di nichel e 10 volte di più delle polveri di titanio e alluminio. Il costo elevato è dovuto a un processo di lavorazione complesso e a una domanda di mercato limitata.

Q: Come viene manipolata e conservata la polvere di Ti3Al?

A: Come altre polveri di lega reattive, Ti3Al richiede gas inerte per inertizzazione e stoccaggio senza umidita. Si possono usare solo contenitori in ceramica, vetro o inox. Le precauzioni di sicurezza includono la messa a terra, la ventilazione e l'uso di dispositivi di protezione delle vie respiratorie.

D: Quali sono le sfide nell'utilizzo della polvere Ti3Al?

A: Le principali limitazioni sono la scarsa duttilità a temperatura ambiente, l'elevato costo del materiale, il numero limitato di fornitori, la difficoltà di lavorazione/fabbricazione e la mancanza di tecnologie di giunzione. Sono necessari miglioramenti delle leghe, sviluppi di processo e ottimizzazione della progettazione dei componenti per espandere l'uso commerciale.

D: Qual è la prospettiva futura per la polvere di Ti3Al?

A: Si prevede che l'utilizzo di polveri di Ti3Al aumenterà notevolmente nei motori aerospaziali, turbocompressori per automobili e applicazioni industriali ad alta temperatura. Le iniziative per ridurre i costi, migliorare le proprietà e far maturare la produzione consentiranno un'adozione più ampia.