Compositi a matrice di titanio rinforzati con riempitivo biogenico

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 8700 (2022) Citare questo articolo

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Nuovi compositi a matrice metallica (MMC) sono stati fabbricati con matrice Ti6Al4V e un riempitivo ceramico biogenico sotto forma di farina fossile (DE). Miscele di polveri DE e Ti6Al4V sono state consolidate mediante il metodo di sinterizzazione al plasma a scintilla (SPS). La microstruttura dei campioni consolidati è stata studiata con tecniche microscopiche e XRD. Le caratteristiche termomeccaniche sono state ottenute utilizzando tecniche su piccoli campioni. I risultati ottenuti indicano che i compositi fabbricati mostrano eccezionali proprietà meccaniche e termiche grazie agli effetti sinergici tra il riempitivo e la matrice (oltre la regola delle miscele).

I compositi a matrice metallica (MMC) sono una nuova classe di materiali tecnici con proprietà meccaniche e funzionali regolabili1. Una delle matrici di MMC più frequentemente utilizzate è il titanio e le leghe di titanio, come il Ti6Al4V2 bifase.

Rinforzi ampiamente utilizzati di compositi a base di leghe di Ti riportati in letteratura sono: TiB, TiC, TiB2, TiN, B4C, ZrC, SiC, Al2O3 e nanotubi di carbonio3,4,5,6,7. A causa dell'elevata reattività chimica del Ti durante il processo convenzionale di metallurgia dei lingotti, ma anche per ridurre i costi e la perdita di materiale nel processo di produzione, il metodo comunemente impiegato per produrre TMC con riempitivo discontinuo (particelle o fibre corte) è la metallurgia delle polveri (PM )8,9,10. I parametri chiave che garantiscono buone prestazioni del composito sono la dispersione omogenea del rinforzo e l'elevata adesione alla matrice.

A seconda delle reazioni di rinforzo e della matrice, si possono distinguere metodi di fabbricazione ex-situ e in-situ11. I compositi con ceramiche termodinamicamente stabili, come SiC, TiC, TiB o ZrC, vengono lavorati ex-situ. Questo percorso non modifica né la dimensione delle particelle né la loro morfologia e si traduce in proprietà meccaniche superiori (resistenza all'usura e coefficiente di attrito in condizioni di scorrimento a secco, ecc.). La reattività della matrice di titanio con boro, carbonio e azoto consente la lavorazione in situ. Il migliore legame interfacciale ottenuto con metodi in situ si traduce in una migliore prestazione tribologica di questi compositi.

Inoltre, esistono due possibili approcci di MMC nel PM, noti come metodo degli elementi miscelati (BE) e metodo delle polveri pre-legate (PA)8,12. Gli elementi ottenuti tramite il metodo BE mostrano proprietà meccaniche inferiori, mentre le proprietà meccaniche degli MMC nel PM prodotto con il metodo PA sono paragonabili a quelle prodotte con le leghe di Ti8.

La lega Ti6Al4V lavorata mostra una resistenza alla trazione compresa tra 850 e 1200 MPa, con duttilità compresa tra il 3 e il 26%8,13,14,15,16. La resistenza alla trazione del PM Ti6Al4V dipende dalla porosità e dalla microstruttura.

L'elemento sinterizzato da BE conferisce resistenza nell'intervallo da 750 a 900 MPa8,17,18,19,20 con allungamento dal 3 al 13%8,17,18,19,20. PA Ti6Al4V presenta un'ampia gamma di proprietà di trazione: da 700 a 1070 MPa con 7,5–21% di duttilità8,17,21,22,23,24. Il limite di resistenza più elevato si ottiene per elementi in PA con densità del 100%25.

È noto anche che il Ti reagisce con il Si e, a causa dell'effetto benefico dell'aggiunta di Si sull'ossidazione e sulla resistenza allo scorrimento viscoso delle leghe Ti-X-Si, i sistemi Ti-Si continuano ad attrarre interesse tecnologico26,27. Il diagramma di fase dell'equilibrio indica cinque fasi di siliciuro, quattro completamente stechiometriche (TiSi2, TiSi, Ti5Si4 e Ti3Si) e una non stechiometrica (Ti5Si3). I siliciuri metallici, tra i composti intermetallici, sono generalmente considerati in grado di conferire buone proprietà meccanico/fisiche28.

La potenziale fonte di Si può essere la silice (SiO2) che si presenta in diversi tipi, ovvero silice pirogenica, silice precipitata da silicati alcalini, argille, vetro e silice derivante dalla dissoluzione di minerali29,30,31,32,33,34 ,35,36.