Polvere in lega di TiNb

Introduzione alla polvere di lega TiNb

La polvere di lega TiNb è composta da titanio e Niobio metalli. Offre una combinazione unica di elevata resistenza, bassa densità, biocompatibilità, resistenza alla corrosione, resistenza alla fatica e allo scorrimento alle alte temperature.

Le leghe di TiNb fanno parte di una classe più ampia di materiali intermetallici in titanio che presentano proprietà fisiche, chimiche e meccaniche superiori rispetto al titanio puro. L'aggiunta di niobio come elemento di lega esalta certe proprietà e consente di adattare le leghe di TiNb per applicazioni specifiche.

Alcuni vantaggi principali della polvere di lega TiNb includono:

• Elevato rapporto resistenza-peso
• Capacità di resistenza a temperature estreme e stress
• Resiste all'usura, all'abrasione e alla corrosione in ambienti difficili
• Biocompatibile e atossico per usi medicali
• Possono essere lavorate in forme complesse utilizzando la fabbricazione additiva
• Offre flessibilità di progettazione per gli ingegneri

Le leghe di TiNb competono con le superleghe a base di nichel e cobalto nell'industria aerospaziale. Offrono anche un'alternativa agli acciai inossidabili per impianti e dispositivi biomedici. Le leghe di TiNb consentono nuove applicazioni e progetti non possibili con altri materiali.

Questo articolo fornisce un riferimento tecnico che copre composizione, proprietà, elaborazione, applicazioni, specifiche, costi e altri aspetti pratici della polvere in lega di TiNb.

Composizione della polvere di lega TiNb

Le leghe TiNb contengono primariamente titanio e niobio come elementi costitutivi base. Il contenuto di niobio varia in genere dal 10% al 50% in peso, mentre il restante è costituito da titanio.

È possibile adattare il rapporto di Ti a Nb per creare diverse classi di leghe di TiNb ottimizzate per determinate proprietà. Alcune classi comuni di TiNb comprendono:

• Ti-10Nb – 10% niobio, 90% titanio
• Ti-35Nb – 35% niobio, 65% titanio
• Ti-45Nb – 45% di niobio, 55% di titanio
• Ti-50Nb - 50% niobio, 50% titanio

Inoltre, per migliorare ulteriormente le proprietà, potrebbero essere aggiunte piccole quantità di altri elementi come il zirconio, il tantalio, il molibdeno e il cromo. Inoltre, ossigeno e azoto potrebbero essere presenti come impurità.

Tabella 1: Composizione chimica di comuni gradi di lega di TiNb

Lega gradi	Contenuto di Niobio	Contenuto di Titanio
Ti-10Nb	10%	90%
Ti-35Nb	35%	65%
Ti-45Nb	45%	55%
Ti-50Nb	50%	50%

Il controllo della composizione è essenziale per ottenere le proprietà desiderate nel prodotto finito in lega di TiNb. Le tecniche di metallurgia delle polveri consentono una miscelazione precisa dei metalli costituenti in una materia prima di alimentazione in polvere di lega.

Proprietà della polvere dell'alliaggio di TiNb

Le leghe TiNb presentano una gamma di proprietà fisiche, meccaniche e chimiche utili che le rendono idonee per applicazioni ad alte prestazioni. Alcune proprietà chiave includono:

Proprietà fisiche

• Densità: 4,5-5,5 g/cm³, inferiore a quella degli acciai e delle leghe di nichel
• Punto di fusione: da 1550 a 1750°C a seconda della composizione
• Resistività elettrica - 0,5-0,6 Ã×´Î.m, superiore al titanio puro
• Conduzione termica: 6-22 W/m.K, inferiore al titanio

Proprietà meccaniche

• Resistenza alla trazione – da 500 a 1100 MPa, aumenta con il contenuto di niobio
• Resistenza allo snervamento - da 300 a 900 MPa
• Allungamento – 10% a 25%
• Durezza – 200 a 350 HV
• Resistenza a fatica – da 400 a 600 MPa

Altre proprietà

• Resistenza alla corrosione: ottima grazie allo strato di ossido protettivo
• Resistenza all'usura - Migliore del titanio grazie alla durezza
• Biocompatibilità – Non tossico e anallergico

Modificando il rapporto Ti/Nb, proprietà come la resistenza, la duttilità, la durezza e il modulo di elasticità possono essere ottimizzate a seconda dei requisiti dell'applicazione.

Tabella 2: Proprietà tipiche della lega Ti-35Nb

Proprietà	Valore
Densità	5,2 g/cm3
Punto di fusione	1600 circa
Resistenza alla trazione	650 MPa
Limite di snervamento	550 MPa
Allungamento	15%
Modulo di elasticità	60 GPa
Durezza	250 Hz

Applicazioni della polvere di lega TiNb

Le proprietà uniche delle leghe di TiNb le rendono adatte per applicazioni impegnative in vari settori:

Aerospaziale

• Componenti del motore: lame, dischi, elementi di fissaggio
• Componenti di cellula – carrello di atterraggio, ali, fusoliera
• Sistemi idraulici - Pompe, Valvole, Attuatori

Automotive

• Molle valvole, valvole motore
• Bielle, rotori del turbocompressore
• Componenti per i motori di corsa

Biomedicale

• Impianti ortopedici – ginocchio, anca
• Impianti dentali, corone
• Strumenti chirurgici
• Dispositivi medici

Settore Chimico

• Scambiatori di calore, reattori
• Pompe, valvole, tubi
• Attrezzature resistenti alla corrosione

Altre applicazioni

• Attrezzatura sportiva: mazze da golf, telai per bici
• Orologi e gioielli di alta gamma
• Contatti Elettrici e Connettori
• Parti di forni ad alta temperatura

La combinazione di resistenza, resistenza alla temperatura, resistenza alla corrosione e biocompatibilità consente agli TiNb di sostituire i materiali più pesanti in questi settori.

Tabella 3: Applicazioni della lega TiNb per settore

Industria	APPLICAZIONI
Aerospaziale	Componenti di motori, parti di cellule, sistemi idraulici
Automotive	Molle valvole, valvole motore, bielle
Biomedicale	Impianti, dentistici, strumenti chirurgici, dispositivi
Chimico	Scambiatori di calore, reattori, pompe, valvole
Altro	Articoli sportivi, orologi, contatti elettrici, parti di forno

Elaborazione di polvere di lega TiNb

La polvere della lega TiNb può essere prodotta attraverso diversi percorsi di processo:

Miscelazione di polveri metalliche

• Le polveri elementali di titanio e niobio vengono miscelate insieme nella composizione richiesta
• La miscela di polvere mescolata viene legata meccanicamente per formare la polvere di lega TiNb.

Atomizzazione a gas

• La lega fusa TiNb viene atomizzata mediante gas inerte in particelle fini
• Le goccioline si solidificano in particelle sferiche di polvere di lega

Processo a rotazione con elettrodo al plasma (PREP)

• L'elettrodo in TiNb viene fuso tramite arco al plasma e filato ad alta velocità
• La forza centrifuga fa sì che le goccioline si stacchino e solidificano in particelle

Metodo hydride-dehydride (HDH)

• I metalli Ti e Nb vengono convertiti in fragili polveri di idruro
• Polveri di idruri miscelate, deidratate, macinate e setacciate

È possibile controllare dimensioni delle particelle, morfologia, scorrevolezza e microstruttura della polvere selezionando il processo di produzione appropriato. Ciò influenza le proprietà finali dopo il consolidamento.

Tabella 4: Metodi di produzione di polvere di lega TiNb

Metodo	Descrizione	Dimensione particellare	Morfologia
Legame meccanico	Miscelazione e macinazione di polveri di Ti e Nb	10 - 50 micron	Irregolare, angolare
Atomizzazione a gas	Atomizzazione a gas inerte di lega fusa	15 – 150 micron	Sferica
Elettrodo rotante a plasma	Disintegrazione centrifuga di elettrodo fuso	50-150 micron	Sferica
Processo HDH	Idrurazione, deidrurazione, miscelazione e macinazione di polveri	10 - 63 micron	Irregolare, angolare

Consolidamento della polvere di lega di TiNb

La polvere di lega di TiNb può essere convertita in componenti a densità completa utilizzando varie tecniche di consolidamento della metallurgia delle polveri:

Pressatura isostatica a caldo (HIP)

• la polvere incapsulata è sottoposta a HIP ad alta temperatura e pressione

Sinterizzazione a vuoto

• la polvere è compattata e sinterizzata in un forno sotto vuoto

Sinterizzazione al plasma di scintille

• la polvere viene contemporaneamente riscaldata e compressa con corrente continua pulsata

Stampaggio a iniezione di metallo (MIM)

• La polvere viene mescolata con legante, sagomata, debondata e sinterizzata

manifattura additiva

• fusione su letto di polvere (SLM, EBM) o deposizione diretta dell'energia (DED)

La sinterizzazione HIP e sottovuoto può raggiungere una densità quasi completa mantenendo una microstruttura fine. La produzione additiva offre una maggiore libertà geometrica. Il processo di consolidamento può essere ottimizzato per ottenere le proprietà desiderate.

Tabella 5: Tecniche di consolidamento della polvere di leghe TiNb

Metodo	Descrizione	Densità	Microstruttura	Geometria
HIP	Alta pressione, alta temperatura	Prossima alla densità completa	Bene	Forme semplici
Sinterizzazione a vuoto	Sinterizzazione in forno sotto vuoto	Prossima alla densità completa	Bene	Forme semplici
Sinterizzazione al plasma di scintille	Corrente a impulsi e pressione	Piena densità	Ultrafine	Forme semplici
Stampaggio a iniezione di metallo	Stampaggio a polvere + legante	Prossima alla densità completa	Ultrafine	Forme complesse
manifattura additiva	Fusione su letto di polvere o deposizione di energia diretta	Prossima alla densità completa	Grossolano	Forme complesse

Specifiche per la polvere di lega TiNb

La polvere di lega TiNb è disponibile in diverse specifiche personalizzate per diverse applicazioni:

Composizioni: Gradi con un contenuto di niobio dal 10% al 50%

Dimensione particellare: da 10 a 150 micron

Morfologia: Sferico, irregolare o misto

Metodo di produzione: Gassificato ad atomi, HDH, elementi miscelati

Purezza: >99,5% titanio, >99,8% niobio

Contenuto di ossigeno: <2000 ppm

Capacità di scorrimento Portata del flusso dell'ingresso > 23 sec/50g

Apparente densità: ¡Ô 2,5 g/cc

Densità dello sfuso: densità: 3,5 g/cc

Generalmente vengono specificati composizione chimica, distribuzione delle dimensioni delle particelle, morfologia, portata e densità. È possibile produrre leghe personalizzate e specifiche per polvere per applicazioni specifiche.

Tabella 6: Specifiche tipiche della polvere atomizzata a gas Ti-35Nb

Parametro	Specificazione
Composizione della lega	Ti-35Nb
Dimensione particellare	15 a 45 micron
Morfologia	Sferica
Metodo di produzione	Atomizzazione a gas
Purezza	Ti >99,5%, Nb >99,8%
Contenuto di ossigeno	<1500 ppm
Portata	>38 sec/50g
Densità apparente	2,7 g/cc
Densità del materiale compattato	Densità: 4,2 g/cc

Produttori di polvere di lega TiNb

Alcuni tra i principali fornitori globali di polvere di lega di titanio e niobio includono:

• AP&C – polveri di leghe di titanio e niobio
• Atlantic Equipment Engineers – polveri sferiche e angolari
• TLS Technik – leghe di TiNb atomizzate a gas
• Tecnologia del metallo: polveri elementali e prelegate miscelate
• Sandvik Osprey - polveri sferiche atomizzate a gas
• Carpenter Additive – polveri di lega personalizzate

Le leghe TiNb sono inoltre offerte dai fornitori di metalli di titanio e niobio. È possibile ottenere da questi produttori di polvere sia leghe standardizzate che composizioni personalizzate.

Tabella 7: Fornitori di polvere di lega TiNb

Azienda	Materiali	Metodi di produzione
AP&C	Leghe Ti, Nb, TiNb	Atomizzazione a gas
Atlantic Equipment Engineers	Leghe Ti, Nb, TiNb	Atomizzazione del gas, miscelazione
Tecnologia TLS	Leghe di TiNb	Atomizzazione a gas
Tecnologia dei metalli	Leghe di TiNb	Elemento miscelato, prelegato
Sandvik Osprey	Leghe di TiNb	Atomizzazione a gas
Additive Carpenter	Leghe TiNb personalizzate	Atomizzazione a gas

Costo della polvere di lega di TiNb

La polvere di lega TiNb è più costosa rispetto alla polvere di titanio o niobio da sola. Il costo dipende da:

• Composizione – un contenuto di Nb più elevato aumenta il costo
• Purezza: costi in aumento per purezza maggiore
• Dimensioni e distribuzione delle particelle
• Metodo di produzione – i costi nella polvere atomizzata a gas sono più alti
• Quantità d'ordine: volumi maggiori comportano costi minori

Prezzi indicativi per polvere in lega di TiNb in piccole quantità:

• Ti-10Nb: da 100 a 300 dollari al kg
• Ti-35Nb: da $ 200 a $ 500 al kg
• Ti-50Nb: da 300 a 800 dollari per kg

Il prezzo si riduce significativamente per ordini all'ingrosso di centinaia di chili o diverse tonnellate.

Tabella 8: Prezzi indicativi delle polveri di lega TiNb

Lega	Prezzi ($/kg)
Ti-10Nb	$100 – $300
Ti-35Nb	$200 – $500
Ti-50Nb	$300 – $800

Gestione e conservazione della polvere di lega TiNb

In quanto polvere metallica reattiva, la polvere di lega TiNb richiede una certa attenzione in fase di manipolazione:

• Conservare in contenitori sigillati in un'atmosfera secca e inerte per evitare l'ossidazione e la contaminazione
• Evitare il contatto con ossigeno, umidità, oli e sostanze infiammabili
• Evitare l'accumulo di polveri fini su superfici o apparecchiature
• Messa a terra di tutte le apparecchiature conduttive utilizzate nella movimentazione
• Utilizzare utensili anti scintilla e minimizzare la formazione di polvere
• Si indossino guanti e mascherine di protezione quando si maneggia
• Si raccomanda di impiegare impianti di aerazione a terra ed evitare le nubi di polvere
• Tenere lontano da fonti di calore, fiamme, scintille o altre fonti di accensione
• Seguire la scheda dati di sicurezza per le adeguate precauzioni e DPI

Se conservata correttamente in un'atmosfera secca e inerte, la polvere di lega TiNb ha una durata tipica di conservazione di 12 mesi. Condizioni di conservazione inappropriate possono portare a ossidazione, perdita di scorrevolezza o rischi di incendio.

Tabella 9: Linee guida per la gestione delle polveri di leghe di TiNb

Parametro	Linee guida
Archiviazione	Contenitori sigillati, atmosfera inerte secca
Atmosfera	Evitare ossigeno, umidità, oli, combustibili
Apparecchiature	Messa a terra di tutta l'attrezzatura conduttiva
Strumenti	Utilizzare utensili anti-scintilla
Ventilazione	Sistema di ventilazione a terra
DPI (Dispositivi di Protezione Individuale)	Guanti, protezione delle vie respiratorie
Precauzioni	Evitare fonti di calore, fiamme, scintille
Durata di conservazione	12 mesi in atmosfera inerte

Scheda dati di sicurezza per polvere di lega TiNb

Come altre polveri di metalli reattivi, alcune importanti precauzioni di sicurezza per la lega TiNb:

• Indossare DPI - guanti, protezione per gli occhi, mascherina/respiratore
• Evitare di inalare polveri – utilizzare protezioni respiratorie
• Evitare il contatto con la pelle e gli occhi
• Lavare accuratamente dopo aver maneggiato la polvere
• Evitare fonti di innesco: le polveri possono essere infiammabili
• Utilizzare una messa a terra e una ventilazione appropriate
• Atmosfera inerte di immagazzinamento per prevenire l'ossidazione
• Evitare fuoriuscite e accumulo di polvere sulle superfici
• Seguire le istruzioni indicate nelle SDS e sulle etichette di avvertenza

Pronto soccorso:

• Inalazione: Spostare all'aria aperta. Consultare un medico se necessario.
• Contatto con la pelle: Lavare con acqua e sapone. Richiedere assistenza se l'irritazione persiste.
• Contatto con gli occhi: sciacquare gli occhi con acqua per 15 minuti. Consultare un medico.
• Ingestione: Bere dell'acqua. In caso di disagio, richiedere assistenza medica.

Prima di maneggiare e processare le polveri di lega TiNb, fare sempre riferimento alla scheda dati di sicurezza del fornitore per tutte le informazioni in materia di salute e sicurezza.

Tabella 10: Principali misure di sicurezza per le polveri della lega TiNb

Articolo di sicurezza	Precauzioni
DPI (Dispositivi di Protezione Individuale)	Guanti, occhiali protettivi, mascherina N95
Inalazione	Utilizzare protezioni respiratorie
Contatto con la pelle	Pulisci la zona interessata con acqua e sapone
Contatto visivo	Risciacquare gli occhi con acqua per 15 minuti
Ingestion	Bevi acqua. Rivolgiti all'assistenza medica se necessario.
Ventilazione	Usare cappe di aspirazione radicate
Grounding	Mettere a terra tutte le attrezzature durante la movimentazione
Accensione	Evitare scintille, fiamme, fonti di calore
Archiviazione	Atmosfera inerte lontano da materiali infiammabili

Ispezione di qualità della polvere di lega di TiNb

Per garantire che la polvere di lega TiNb soddisfi le specifiche, vengono eseguiti vari controlli di qualità:

• Analisi chimica?- Analisi ICP, GDMS o LECO per verificare composizione e purezza
• Analisi dimensionale delle particelle?- analisi a diffrazione laser o analisi del setaccio per la distribuzione delle dimensioni
• Morfologia?- Imaging SEM per verificare la forma delle particelle e la topologia della superficie
• Portata?- Verifica del misuratore di portata Hall per fluidità della polvere
• Densità?- Misure di densità apparente e di densità compatta
• Ossigeno/Azoto+- analisi di fusione con gas inerte per impurità interstiziali
• Identificazione della fase?- Analisi XRD per determinare le fasi presenti

Le proprietà della polvere sono testate su ogni lotto secondo standard di qualità come ASTM B939, ASTM F3049, EN 10204 3.1. La polvere può essere miscelata tra i lotti per ottenere uniformità.

Tabella 11: Procedura di collaudo per la polvere di lega TiNb

Test	Metodo	Standard
Composizione	ICP, GDMS, LECO	ASTM E1479, ASTM E2330
Distribuzione granulometrica	Diffrazione laser, setacciatura	ASTM B822
Morfologia	Immagini SEM	ASTM B822
Portata	Misuratore di portata Hall	ASTM B213
Densità	Scott volumetro	ASTM B212
Ossigeno/Azoto	Fusione di gas inerte	ASTM E1019
Analisi di fase	Diffrazione dei raggi X	ASTM E1876

Applicazioni mediche della lega di TiNb

Grazie alla loro biocompatibilità, elevata resistenza e basso modulo, le leghe di titanio e niobio vengono ampiamente impiegate in impianti e dispositivi medicali:

Impianti ortopedici

• Sostituzione del ginocchio e dell'anca
• Piastre, viti
• Dispositivi di fissaggio spinale
• Impianti e ponti dentali

Le leghe di TiNb come Ti-35Nb e Ti-45Nb abbinano il modulo elastico dell'osso umano e allo stesso tempo forniscono un'elevata resistenza a fatica. Ciò riduce l'effetto di schermaggio degli stress rispetto a leghe di titanio più rigide.

Dispositivi cardiovascolari

• Stent
• Involucri di pacemaker
• Guidawire
• Strumenti chirurgici

La resistenza alla corrosione, alla non-tossicità e al non-magnetismo delle leghe di TiNb le rendono adatte per i dispositivi che entrano in contatto con sangue e tessuti.

Gradi di lega TiNb per uso medico

• Ti-10Nb fino a Ti-50Nb
• Ti-Nb-Zr, Ti-Nb-Ta per proprietà adeguate
• Standard ISO 5832-11 e ASTM F2066

Di solito vengono utilizzati gli elementi a modulo più basso Ti-35Nb e Ti-45Nb. Un maggiore contenuto di Nb aumenta la resistenza ma anche il modulo. Piccole aggiunte di Zr/Ta personalizzano ulteriormente le proprietà.

Vantaggi delle leghe TiNb per l'uso biomedico

• Eccellente biocompatibilità e osteointegrazione
• Elevata resistenza e resistenza a fatica
• Modulo basso vicino all'osso
• Atossico, anallergico
• Resistente alla corrosione
• Non magnetico

Le leghe di TiNb forniscono la migliore combinazione di resistenza, biocompatibilità, resistenza alla corrosione ed elasticità per impianti.

Sfide dei componenti medici in lega di titanio-niobio

• Lavorazione e fabbricazione difficoltose
• Più costoso della lega di Ti-6Al-4V
• Richiede rigorosi test e controllo di qualità
• Dati clinici a più lungo termine ancora in fase di evoluzione

Pur essendo relativamente nuovi per impieghi medici, la produzione e la concessione in licenza di componenti in TiNb può rivelarsi più complessa. Ma i suoi vantaggi compensano le sfide a breve termine.

Applicazioni automobilistiche della lega TiNb

Le elevate resistenza, resistenza alla temperatura e durata a fatica delle leghe TiNb le rendono interessanti per le parti automobilistiche:

Molle valvole

• Resistenza più elevata consente masse primaverili più basse
• Riduce il galleggiamento delle valvole ad alti RPM
• Consente una maggiore potenza di uscita

Valvole di motori

• Resiste ai gas di scarico ad alta temperatura
• Resistente all'usura e alla deformazione
• Poco ingombrante

Bielle

• Elevato rapporto resistenza-peso
• Riduce massa alternata
• Consente maggiori RPM e potenza

Rotori turbocompressore

• Mantiene la resistenza ad alte temperature
• Resiste alla deformazione per scorrimento
• Resistenza termica allo shock
• Bassa densità

Componenti per i motori di corsa

• Sospensione leggera, parti di telaio
• Durata di fatica superiore

Minor massa e inerzia combinate con temperatura e resistenza alla fatica portano a prestazioni e efficienza del motore più elevate.

Sfide delle leghe TiNb per le applicazioni automobilistiche

• Alto costo rispetto alle leghe di acciaio
• Difficoltà di lavorazione con la metallurgia delle polveri
• Limitata esperienza in fornitura e produzione
• Rapporto incerto costi-benefici

I vantaggi potrebbero inizialmente giustificare prezzi premium per veicoli di fascia alta e sport motoristici. L'adozione più ampia dipende dalla diminuzione dei costi da parte dei produttori di polvere TiNb.

Applicazioni aerospaziali delle leghe TiNb

Le leghe TiNb competono con le superleghe di nichel per applicazioni di telai e motori per aerei che richiedono resistenza a basse temperature:

Componenti del motore

• Pale turbina, dischi, alloggiamenti
• Lame del compressore
• Alberi, fissaggi
• Inversori di spinta

Componenti strutturali

• Carrelli d'atterraggio
• Ali, costole, longheroni
• Fuselage frame
• Tubazione idraulica

Benefici

• Densità inferiore del 30-50% rispetto alle superleghe di Ni
• Risparmia peso
• Resistenze simili alla forza e allo scorrimento
• Resiste ad alte temperature e sollecitazioni

Sfide