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Il titanio è il nono elemento, ed il quarto metallo, più abbondante sulla crosta terrestre (dopo il ferro, l’alluminio e il magnesio): scopriamone la storia e le caratteristiche.

Nel 1791 in Cornovaglia il parroco William Gregor, laureato a Cambridge e chimico dilettante, esaminando la sabbia del locale fiume Herford, vi individuò un elemento fino ad allora sconosciuto e che oggi sappiamo essere ilmenite, un ossido misto di ferro e titanio (FeTiO3) che contiene circa il 20% di titanio. Quattro anni dopo il chimico tedesco Martin H. Klaproth isolò anch’egli una sostanza fino ad allora ignota, oggi conosciuta come rutilo (TiO2). Egli dimostrò che l’ilmenite del parroco Gregor e il rutilo da lui scoperto erano minerali (ossidi) di uno stesso metallo che chiamò titanio. Per la scelta del nome si ispirò alle figure dei Titani, i sei figli di Urano (il Cielo) e Gea (la Terra), che nella mitologia greca furono sconfitti da Zeus e scagliati nel Tartaro.

Dalla scoperta alla messa a punto di un processo per la produzione di titanio puro si dovette attendere però più di un secolo: il processo produttivo infatti risultò essere molto complesso a causa della tendenza di questo metallo a reagire con i gas dell’atmosfera e in particolare con l’ossigeno.

Soltanto nel 1910 Matthew A. Hunter ne produsse una quantità sufficientemente consistente e pura per avviare gli studi sulle proprietà di questo nuovo metallo. Il processo consisteva nella riduzione di tetracloruro di titanio con sodio.

Successivamente William J. Kroll mise a punto un processo in cui si sostituì il sodio con il magnesio e nel 1937, a San Pietroburgo, furono prodotte le prime due tonnellate di titanio. Il processo Kroll, pur essendo molto costoso, è ancora oggi il metodo più utilizzato per produrre industrialmente il titanio. È bene precisare che si tratta di un processo produttivo di gran lunga meno efficiente di quello di produzione dell’acciaio nell’altoforno, che può fare facilmente capire i motivi alla base dei costi così elevati di componenti in titanio, soprattutto se confrontati con quelli dell’acciaio.

Il vero e proprio sviluppo industriale del titanio metallico lo si deve all’industria militare statunitense agli inizi del 1940 e, successivamente in piena guerra fredda, ai Russi (a partire dagli inizi degli anni ‘50 del secolo scorso). Il titanio così, per diversi decenni, fu considerato un metallo strategico per la produzione di armamenti e, di fatto, escluso da una sua diffusione civile di rilievo.

L’esempio più significativo di tale evidenza è rappresentato dall’aereo da ricognizione Lockheed SR-71, meglio conosciuto e passato alla storia come “Blackbird”, costituito per il 93% del proprio peso in lega di titanio, che ha infranto alcuni record come la maggior velocità mai raggiunta da un aereo con pilota, 3.530 km/h, e l’altezza massima di quasi 26.000 m. Per la precisione, per tale velivolo, sono state utilizzate tre differenti leghe di titanio: Ti-6Al-4V, Ti-5Al-2,5Sn e Ti-13V-11Cr-3Al (anche nota come B120VCA).

Aereo Lockheed o "Blackbird"

Figura 1: Aereo Lockheed SR-71 o “Blackbird”

In aggiunta, per almeno tre decenni (dalla metà degli anni ‘50 alla fine degli anni ‘80 del secolo scorso) il titanio è stato considerato un materiale di punta per l’industria aerospaziale americana.

Alla fine degli anni ‘80, con la conclusione della guerra fredda, il titanio è stato progressivamente affrancato dai vincoli militari fino a quel punto imposti, permettendo così lo sviluppo di moltissimi altri ambiti applicativi tra cui il biomedicale, l’architettonico, il chimico, in gioielleria, nelle infrastrutture e nelle attrezzature per il tempo libero (racchette da tennis, mazze da golf, telai per biciclette). Anche il settore automobilistico, e in particolare quello delle auto da competizione, è stato ed è tuttora protagonista dello sviluppo di leghe di titanio per diversi componenti.

Proprietà fisiche e meccaniche del titanio

Il titanio possiede una densità di circa 4,5 g/cm3, superiore rispetto ad altri metalli leggeri di interesse strutturale come alluminio o magnesio, ma quasi la metà rispetto a quella degli acciai. Il titanio ha inoltre un’ottima resistenza meccanica allo snervamento e a rottura, un modulo elastico di circa 115 GPa e un’eccellente resistenza alle varie forme di corrosione.

Il titanio possiede inoltre coefficienti di conducibilità termica e di dilatazione termica molto bassi, rispettivamente di circa 22 W/mK e 8,410-6 C-1, ovvero pari a quasi un ordine di grandezza e a 1/3, rispettivamente, di quelli dell’alluminio.

Dal punto di vista della struttura cristallina, il titanio ammette una trasformazione allotropica tramite la quale il reticolo cristallino passa da esagonale compatto (EC), a temperatura ambiente, a cubico a corpo centrato (CCC), a temperature che dipendono fortemente dalla composizione chimica specifica della lega. Tipicamente, per il titanio puro la struttura cristallografica esagonale compatta (o fase α) è mantenuta fino a 882°C, temperatura a cui viene convenzionalmente assegnato il nome di β-transus (Figura 2).  A temperatura superiore la struttura stabile è quella cubica a corpo centrato (fase β), che si mantiene fino a 1670°C, valore che corrisponde al punto di fusione del titanio puro.

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Figura 2: Trasformazione allotropica nel titanio commercialmente puro

Aggiunta di elementi e formazione di leghe

Gli elementi di lega si classificano in α o β-stabilizzanti in base ai relativi effetti sulla temperatura di transizione α-β o sulla diversa solubilità nelle due differenti fasi. È bene precisare che nelle leghe binarie, a differenza del titanio puro, la transizione da fase α a β non avviene esattamente a una temperatura precisa (es. 882°C), ma in un intervallo di temperature: in questo caso si definisce per convenzione la temperatura di β-transus della lega come quella oltre la quale la microstruttura del materiale risulta interamente costituita da fase β.

L’elemento sostituzionale Al e gli interstiziali O, C e N sono potenti α-stabilizzanti e innalzano la temperatura di β-transus, come mostrato nel diagramma di stato schematico in Figura 3. Gli elementi β-stabilizzanti, al contrario, abbassano la temperatura di transizione. Questi ultimi si suddividono in β-isomorfi (V, Mo, Nb, Ta) e β-eutettoidi (Mn, Fe, Cr, Co, Ni, Si, H), a seconda della forma del diagramma di stato binario a cui danno luogo con il titanio. Da ultimo altri elementi, come Sn e Zr, si comportano in modo pressochè neutro, determinando unicamente un lieve abbassamento della temperatura di β-transus.

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Figura 3: Esempi delle differenti tipologie di diagrammi di stato binari, in cui si evidenzia l’effetto dei principali elementi di lega sulla temperatura di β-transus e sulla stabilità delle fasi α e β.

Da quanto appena illustrato, si può facilmente osservare che variando opportunamente il tipo e il tenore di elementi alliganti è possibile ottenere a temperatura ambiente leghe con struttura costituita interamente da fase α, oppure leghe bifasiche con la presenza contemporanea di fase α e β, o infine leghe completamente β.

Le leghe di titanio possono raggiungere resistenze meccaniche anche superiori a 1200 MPa, con modulo elastico che, in funzione della struttura e delle fasi presenti, può variare tra 80 e 145 GPa. A tale proposito la Figura 4 mostra l’andamento della resistenza specifica (intesa come limite di snervamento rapportato alla densità) con la temperatura per differenti tipi di leghe metalliche.

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Figura 4: Resistenza specifica in funzione della temperatura di esercizio delle leghe di titanio a confronto con altre tipologie di materiali metallici di comune utilizzo nell’industria.

Le principali proprietà delle leghe di titanio commerciali possono essere così sintetizzate:

  • Il modulo elastico che aumenta con il tenore degli elementi interstiziali (C, N, O e H) ed alluminio, ma che può anche diminuire in seguito all’aggiunta di β-stabilizzanti.
  • Elevata durezza che in generale aumenta con l’aggiunta di elementi β-stabilizzanti (alcune leghe, come si dirà più in dettaglio nel seguito, possono essere indurite mediante un trattamento termico di solubilizzazione con successivo invecchiamento).
  • Elevata resistenza al creep fino a 0,6Tf (Tf è la temperatura di fusione espressa in gradi Kelvin).
  • Elevata resistenza a fatica meccanica specifica (limite di fatica rapportato alla densità), che costituisce il punto di forza delle leghe di titanio, in quanto risulta essere superiore ad ogni altra lega metallica a parità di resistenza meccanica.

Alla prossima puntata per parlare nel dettaglio delle caratteristiche e delle proprietà delle diverse leghe di Titanio!

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