Ti 6242: Una lega di titanio stampata in 3D ad alte prestazioni

Le polveri di leghe di titanio sono state utilizzate per la produzione di componenti dalle prestazioni eccellenti e i gradi più comuni sono Ti6Al4V, ma in alcune condizioni esistono opzioni migliori come TI-5553 e TI-38644, nonché la lega di titanio Ti-6242 (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0,08Si), adatta per applicazioni ad alte prestazioni e ad alta temperatura. Con una densità di 4,5 g/cm³, che le conferisce un buon rapporto forza/peso, la Ti-6242 combina una buona resistenza meccanica e una resistenza alle alte temperature, rendendola un materiale difficile da produrre con le tecniche convenzionali e utilizzabile nei settori aerospaziale, militare, nucleare e degli sport motoristici. Il presente documento ne parla.

Composizione chimica di Ti 6242 (AMS/SAE 4919)

La composizione chimica del Ti-6242 è riportata nella tabella precedente. Può essere utilizzato nell'industria aerospaziale commerciale e militare e in quella dell'energia nucleare, dove i componenti che richiedono un'eccellente stabilità alle alte temperature e sono leggeri (come i motori, i componenti delle turbine, le strutture dei postcombustori, le pale dei compressori ad alta pressione e le estremità calde della fusoliera) sono essenziali per le prestazioni complessive. Alcune aree fredde necessitano solo di leghe di titanio con proprietà a bassa temperatura, mentre le aree calde beneficiano della stabilità alle alte temperature fornita dal TI-6242. Queste applicazioni richiedono materiali diversi, quindi è fondamentale scegliere il materiale giusto in base ai requisiti di temperatura di esercizio. Nel frattempo, TI-6242 è la prima lega di titanio specificata dall'AMS (American Aerospace Materials) specificamente per le applicazioni di produzione additiva. Rispetto ad altre leghe di titanio con la stessa distribuzione di particelle, TI-6242 ha una maggiore resistenza all'ossidazione e sicurezza ed è più facile da lavorare.

Il TI-6242 ha un'eccellente stabilità alle alte temperature, con resistenza al creep fino a 500-550°C, soddisfacendo i requisiti di resistenza per le applicazioni ad alta temperatura e resistenza al creep. Mentre altre leghe di titanio comuni, come ad esempio Ti6Al4VTI-6242 è in grado di funzionare a temperature molto più elevate (da basse temperature a 500°C), anche con diverse variazioni di temperatura in alcuni casi estremi. La sfida nel settore aerospaziale è sempre stata quella di cercare di ottenere le massime prestazioni meccaniche con il minor peso possibile alla massima temperatura. Le superleghe a base di nichel sono comunemente utilizzate nella regione più calda, mentre le loro densità sono doppie rispetto a quelle del TI-6242, possono essere utilizzate per ridurre il peso dei motori nell'industria aerospaziale pur rispettando i requisiti di temperatura. Queste caratteristiche sono adatte anche all'industria delle corse, dove la leggerezza fornita dal Ti-6242 contribuisce a migliorare le prestazioni del motore e l'efficienza del carburante. Pertanto, il Ti-6242 può essere un efficace sostituto dell'acciaio e delle superleghe a base di nichel.

La polvere per la stampa 3D TI-6242 soddisfa il design a temperatura medio-alta adatto ai motori rotanti ad alta velocità, ma è ancora impegnativa perché è soggetta a cricche a causa delle sollecitazioni residue. Le polveri altamente sferiche miglioreranno la lavorabilità e contribuiranno a mantenere stabile il processo di stampa e a prevenire le cricche. Le proprietà di fatica dei materiali sono molto sensibili ai difetti; come ridurre i difetti nella produzione additiva è un buon modo per ottimizzare le materie prime. Inoltre, le proprietà meccaniche di polvere sferica TI-6242 può essere regolato dal processo di trattamento termico ciclico.

Polvere di Ti-6242 con diverse dimensioni delle particelle prodotta da AP&C

AP&C, azienda produttrice di polveri di GE Additive, specializzata in materiali reattivi, in particolare in polvere di titanio, è il pioniere della produzione di Ti-6242. Anche il fornitore italiano di servizi di stampa 3D, BEAMIT, ha condotto una ricerca e ha dimostrato che la resistenza allo snervamento del TI-6242 prodotto da L-PBF è di circa 1000MPa a temperatura ambiente e rimane superiore a 600MPa a 550°C. Queste proprietà sono paragonabili a quelle del ti-6242 forgiato e dell'IMI834, una delle leghe di titanio più performanti alle alte temperature. Nello studio del Singapore Institute of Manufacturing Technology, è stato proposto e verificato un processo di trattamento termico ciclico per la preparazione della fase α sferica nella produzione additiva assistita da laser della lega di titanio quasi α TI-6242. La diffusione degli elementi tra α e β è la forza trainante per la formazione della fase α sferica nella lega TI-6242 prodotta con il laser. Attraverso la formazione della fase α sferica, sono stati controllati la resistenza e l'allungamento della lega Ti-6242 ottenuta con la produzione additiva laser, che ha raggiunto i requisiti della norma AMS 4919J (carico di snervamento ≥827 MPa, allungamento ≥10%). La TI-6242 corrisponde alla GB TA19 cinese, che può essere fornita da diversi produttori di polveri di lega di titanio in Cina.