Soluzioni di rettifica per il settore aerospaziale

I produttori di aeromobili si stanno concentrando su nuovi tipi di motori che bruciano carburante in modo più economico. Questi nuovi motori a combustione magra funzionano a temperature che superano notevolmente i livelli operativi di sicurezza degli attuali componenti dei motori in superleghe a base di nichel. Di conseguenza, stanno emergendo nuovi materiali come l’alluminuro di titanio (TiAl), che hanno una maggiore stabilità termica o proprietà specifiche di scorrimento viscoso, una densità inferiore (da 3,9 a 4,1 g/cm3) e una resistenza specifica più elevata rispetto ai materiali precedenti.

Queste leghe hanno anche un elevato carico di snervamento specifico (carico di snervamento/densità), elevata rigidità specifica (modulo di elasticità/densità), buona resistenza all'ossidazione, resistenza al fuoco del titanio e buone proprietà di fatica alle alte temperature. Ad esempio, TiAl ha una resistenza equivalente alle superleghe fino a 760° C (1.400° F), tuttavia la densità di TiAl (4,0 g/cm3) è inferiore alla metà della densità di 718 Inconel (8,2 g/cm3).

La sostituzione delle pale in superlega con pale TiAl più leggere nella sezione della turbina a bassa pressione dei motori aerospaziali riduce il peso e aumenta l'efficienza. La riduzione del peso della lama consente inoltre l'utilizzo di un disco di supporto più piccolo, in lega di nichel, che riduce ulteriormente il peso. Le leghe TiAl possono fornire riduzioni di peso fino al 50% negli stadi delle turbine a bassa pressione, migliorando i rapporti spinta-peso, riducendo il consumo di carburante e abbassando le emissioni di scarico.

L'elevato modulo specifico o rigidità è prezioso per componenti e assiemi con giochi ridotti, come supporti e rivestimenti di guarnizioni. L'elevato modulo specifico sposta anche le vibrazioni acustiche a frequenze più elevate, riducendo lo sfregamento e l'affaticamento in altre aree strutturali. Le leghe di titanio convenzionali che sfregano contro altri componenti ad alte temperature (superiori a 400° C o 752° F) possono accendersi nei motori a reazione, causando incendi del titanio. Il TiAl è resistente agli incendi del titanio quasi quanto le superleghe, quindi le barriere di superleghe per fermare gli incendi del titanio potrebbero essere sostituite con TiAl. Dopo il successo del TiAl nelle pale delle turbine a bassa pressione (LP), gli ingegneri aerospaziali stanno implementando il TiAl anche nelle pale dei compressori ad alta pressione (HP), nelle palette e negli ammortizzatori a pale.

Tuttavia, le stesse proprietà che rendono il TiAl desiderabile per i futuri motori aeronautici ne rendono anche difficile la lavorazione. TiAl è un composto intermetallico con legame misto metallico e covalente. I materiali intermetallici come TiAl presentano una combinazione di proprietà metalliche e ceramiche. Hanno la resistenza alle alte temperature desiderabile per le applicazioni ad alta temperatura, ma in genere hanno duttilità a bassa temperatura ambiente, tenacità e caratteristiche di produzione scadenti. La buona notizia: studiando questi materiali e ridefinendo i processi di produzione esistenti, una soluzione economicamente vantaggiosa è a portata di mano.

TiAl contiene dal 45 al 50 per cento atomico di alluminio. A temperatura ambiente, le leghe TiAl sono fragili, con duttilità che varia dallo 0,3% al 4% a seconda della lega specifica e della microstruttura.

Sono disponibili in commercio diverse varianti di TiAl, con composizioni e microstruttura su misura per diversi metodi di lavorazione. Il TiAl a struttura duplex contiene una miscela di colonie gamma lamellari e fasi esagonali alfa-due (Ti₃Al). Il Duplex TiAl tende ad avere una migliore duttilità a temperatura ambiente, ma la resistenza al creep è solo il 70% delle attuali superleghe di nichel. L'alluminuro di titanio gamma completamente lamellare e quasi lamellare (γ-TiAl) hanno una maggiore tenacità alla frattura e resistenza alla propagazione delle cricche con proprietà di creep equivalenti alle superleghe fino a 1.000° C. Il beta TiAl cubico ha una deformabilità più elevata, quindi le leghe γ-TiAl beta-solidificanti possono essere laminati a caldo o forgiati dopo pressatura isostatica a caldo, estrusione specializzata e trattamento termico.

Le forme grezze di γ-TiAl realizzate mediante forgiatura, fusione e metallurgia delle polveri vengono convertite in forme finite che soddisfano le dimensioni, la finitura e l'integrità superficiale richieste attraverso lavorazione meccanica, rettifica o metodi non tradizionali. La complessa lavorazione e i trattamenti termici necessari per ottenere microstrutture duttili a temperatura ambiente e proprietà ad alta temperatura si traducono in un rapporto buy-to-fly più elevato o in costi elevati del materiale per TiAl rispetto alle superleghe convenzionali.