Nuovi processi, tecnologie e applicazioni del titanio e delle leghe di titanio

1. Alta resistenza. Le leghe di titanio hanno una resistenza molto elevata, con una resistenza alla trazione di 686 - 1176 MPa, mentre la loro densità è solo circa il 60% di quella dell'acciaio, quindi la loro resistenza specifica è molto elevata.

2. Elevata durezza. La durezza delle leghe di titanio (stato ricotto) è HRC 32 - 38.

3. Basso modulo elastico. Il modulo elastico delle leghe di titanio (allo stato ricotto) è 1.078×10-1.176×10 MPa, che è circa la metà di quello dell'acciaio e dell'acciaio inossidabile.

4. Eccellenti prestazioni alle alte e basse temperature. Ad alte temperature, le leghe di titanio possono ancora mantenere buone proprietà meccaniche e la loro resistenza al calore è molto più elevata di quella delle leghe di alluminio, con un ampio intervallo di temperature di esercizio. Attualmente, la temperatura di esercizio delle nuove leghe di titanio-resistenti al calore può raggiungere i 550 - 600 gradi; a basse temperature, la resistenza delle leghe di titanio aumenta invece che a temperatura ambiente e hanno una buona tenacità. Le leghe di titanio a bassa-temperatura possono comunque mantenere una buona tenacità a -253 gradi.

5. Forte resistenza alla corrosione del titanio. A temperature inferiori a 550 gradi nell'aria, il titanio forma rapidamente una pellicola sottile e densa di ossido di titanio sulla sua superficie, quindi la sua resistenza alla corrosione nell'atmosfera, nell'acqua di mare, nell'acido nitrico, nell'acido solforico e in altri mezzi ossidanti e negli alcali forti è migliore di quella della maggior parte degli acciai inossidabili.

2.1 Metodi per la preparazione del titanio
Sebbene il titanio sia relativamente abbondante in natura, è un metallo raro a causa della sua esistenza dispersa e della difficoltà di estrazione. Attualmente la preparazione del titanio può essere suddivisa in due grandi categorie: il metodo di riduzione termica e il metodo di elettrolisi del sale fuso.

(1) Metodo di riduzione termica per la preparazione del titanio: il metodo di riduzione termica prevede la riduzione del titanio dai suoi composti come TiCl4, TiO2 e K2TiF6 a una determinata temperatura utilizzando forti agenti riducenti come Li, Na, Mg, Ca e i loro idruri. A seconda dei diversi composti del titanio, il metodo di riduzione termica per la preparazione del titanio può essere classificato in tre categorie:

① Metodo di ossidazione-riduzione dei cloruri di titanio, come il processo Kroll, il processo Hunter, il processo Armstrong e il processo EMR;

② Metodo di ossidazione-riduzione degli ossidi di titanio, come il processo OS, il processo PRP e il processo MHR;

③ Metodo di ossidazione-riduzione dei titanati. Attualmente solo il processo Kroll e il processo Hunter sono stati applicati con successo nella produzione industriale. Il processo Kroll utilizza il magnesio metallico per sostituire il titanio dai cloruri, mentre il processo Hunter utilizza il sodio metallico per farlo. Inoltre, il processo Armstrong sviluppato dalla International Titanium Powder Company di Chicago, USA, è simile al processo Hunter e utilizza anch'esso il sodio come agente riducente per purificare il titanio metallico. Gli Stati Uniti hanno iniziato a condurre la pre-produzione nelle fabbriche utilizzando questo metodo.

(2) Metodo dell'elettrolisi del sale fuso per la preparazione del titanio: nel 1959, Kroll predisse che l'elettrolisi del sale fuso avrebbe sostituito il processo Kroll come metodo principale per la produzione del titanio entro 5-10 anni. Nel corso degli anni, istituti e laboratori di ricerca nazionali ed esteri hanno sviluppato più di una dozzina di nuove tecnologie per la preparazione del titanio mediante elettrolisi del sale fuso. Questi possono essere classificati in tre categorie in base alle materie prime:

① Elettrolisi dei titanati;

② Elettrolisi dei cloruri di titanio;

③ Elettrolisi degli ossidi di titanio, compreso il processo FFC Cambridge, il processo MER, il processo USTB, il processo QIT, il processo SOM e l'elettrolisi liquida ionica.

2.2 Nuovi usi del titanio
Dagli anni '40, gli usi del titanio si sono sviluppati rapidamente ed è stato ampiamente applicato in aerei, razzi, missili, satelliti artificiali, astronavi, navi, industria militare, campo medico e industria petrolchimica. Le ultime ricerche hanno scoperto che il corpo umano contiene una certa quantità di titanio e il titanio può stimolare i fagociti e migliorare la funzione immunitaria. Pertanto, molti laboratori si dedicano allo sviluppo e all'applicazione del bio-titanio.

3.1 Metodi di preparazione delle leghe di titanio

La lavorazione tradizionale delle leghe di titanio adotta generalmente tecniche di fusione e fusione. Le più recenti tecnologie di lavorazione sono classificate come segue:

(1) Tecnologia di formazione della forma Near-net-;

(2) Tecnologia di saldatura a filo;

(3) Tecnologia di formatura superplastica;

(4) Tecnologia di simulazione al computer per la preparazione e la lavorazione dei materiali. La tecnologia di formatura Near-net- include formatura laser, fusione di precisione, forgiatura di precisione, metallurgia delle polveri e formatura a spruzzo, ecc. La metallurgia delle polveri è un nuovo processo per la produzione di componenti in titanio utilizzando polvere di titanio o polvere di lega di titanio come materie prime, seguito da formatura e sinterizzazione. In primo luogo, la polvere viene prodotta, solitamente mediante lega meccanica, utilizzando un mulino a sfere per sottoporre le materie prime ad un intenso impatto, macinazione e agitazione. Quindi, la polvere di lega formata viene pressata nella forma, con due metodi di pressatura: pressatura isostatica e pressatura a freddo. Lo scopo di questa fase è ottenere un pezzo grezzo pressato di una certa forma e dimensione con una certa densità e resistenza. Quindi, il pezzo grezzo formato viene sottoposto alla sinterizzazione al plasma a scintilla, dove la potenza di sinterizzazione e la pressione di pressatura specifiche vengono applicate alla polvere di sinterizzazione attraverso punzoni superiori e inferiori ed elettrodi elettrificati. Il processo viene completato attraverso l'attivazione della scarica, la deformazione plastica a caldo e il raffreddamento per ottenere materiali in titanio ad alte-prestazioni. Successivamente, la lega di titanio dopo la sinterizzazione al plasma subisce un'ulteriore lavorazione, solitamente trattamento termico o lavorazione plastica.

3.2 Nuove applicazioni delle leghe di titanio

Inizialmente le leghe di titanio furono ampiamente utilizzate nel campo aerospaziale, principalmente per la produzione di motori aeronautici o componenti pneumatici. Successivamente, con il continuo sviluppo della tecnologia, le leghe di titanio sono entrate nella vita della gente comune e possono essere trovate nelle fabbriche o negli elettrodomestici. Attualmente, paesi e istituzioni competono per sviluppare nuove leghe di titanio a basso costo e ad alte prestazioni. I recenti sviluppi delle leghe di titanio si concentrano principalmente sui seguenti cinque aspetti.

(1) Leghe di titanio medicale

Le leghe di titanio hanno una bassa densità e una buona biocompatibilità, rendendole materiali medici ideali che possono essere impiantati anche nel corpo umano. In precedenza, le leghe di titanio utilizzate in campo medico contenevano vanadio e alluminio, che potevano causare danni al corpo umano. Tuttavia, recentemente, gli studiosi giapponesi hanno sviluppato un nuovo tipo di lega di titanio con una buona biocompatibilità. Sebbene questa lega non sia stata ancora prodotta in serie-, si ritiene che nel prossimo futuro leghe di così alta-qualità saranno ampiamente utilizzate nella vita quotidiana.

(2) Leghe di titanio-ritardanti di fiamma

Le leghe a base di titanio-che possono resistere alla combustione a determinate pressioni, temperature e portate d'aria sono leghe di titanio-ritardanti di fiamma. Gli Stati Uniti, la Russia e la Cina hanno sviluppato successivamente nuove leghe di titanio-ritardanti di fiamma. Gli Stati Uniti hanno applicato queste leghe di titanio-ritardanti di fiamma ai motori perché non sono sensibili alla combustione, il che può migliorare significativamente la stabilità del motore.

(3) Leghe di titanio di tipo -ad alta-resistenza ed alta-tenacità

-le leghe di titanio di tipo hanno elevata resistenza, buona saldabilità ed eccellenti proprietà di lavorazione a freddo e a caldo. I ricercatori hanno utilizzato questa proprietà per sviluppare leghe di titanio di tipo -con caratteristiche distinte: buone prestazioni di lavorazione a caldo, buona plasticità e buona saldabilità. Inoltre, dopo il trattamento di solubilizzazione e l'invecchiamento, le loro proprietà meccaniche risultano significativamente migliorate. Attualmente, sia il Giappone che la Russia hanno sviluppato tali leghe di titanio.

(4) Composti di titanio-alluminio

Rispetto alle leghe di titanio generiche, i composti di titanio-alluminio hanno eccellenti prestazioni alle alte-temperature, buona resistenza all'ossidazione e allo scorrimento viscoso e una densità inferiore rispetto alle leghe di titanio generiche. Queste eccezionali caratteristiche indicano che i composti di titanio-alluminio innescheranno una nuova tendenza delle leghe. Attualmente, gli Stati Uniti hanno sintetizzato questa nuova lega di composti di titanio-alluminio e ne stanno avviando la produzione in serie.

(5) Leghe di titanio ad alta-temperatura

Le leghe di titanio preparate combinando metodi di solidificazione rapida e metallurgia delle polveri, utilizzando compositi rinforzati con fibre o particelle-, hanno eccellenti proprietà meccaniche alle alte-temperature. Il limite della temperatura di servizio delle leghe di titanio ad alta-temperatura è molto più elevato di quello delle normali leghe di titanio. Attualmente, gli Stati Uniti hanno sviluppato nuove-leghe di titanio ad alta temperatura. (6) La lega di titanio-nichel, una lega composta da titanio e nichel, è nota come "lega di memoria". Quando questa lega viene modellata in una forma pre-determinata e poi sottoposta a un trattamento di modellatura, se viene deformata da una forza esterna, può ripristinare il suo aspetto originale con un leggero riscaldamento. Questa lega può essere utilizzata in vari campi come strumenti, misuratori, dispositivi elettronici, ecc.