Il titanio, simbolo Ti, (dal latino Titanus, Titano, nome del dodicesimo figlio di Gea e Urano tra i titani) è un elemento chimico appartenente al 4° periodo, 1a serie di transizione, gruppo IVB della tavola periodica; fu scoperto nel 1791 dal reverendo, mineralogista e chimico britannico William Gregor, individuandolo senza isolarlo nelle rocce di ilmenite della Cornovaglia; lo chiamò “menacanite”, dal nome della Valle di Manaccan dove aveva raccolto i campioni di roccia.

Ha una configurazione elettronica Ar 3d24s2 e si trova in natura sotto forma di cinque isotopi stabili (con le relative abbondanze): 46TI (7,93%), 47Ti (7,28%), 48Ti (73,94%), 49Ti (5,51%) e 50Ti (5,34%).

Leghe di titanio

Il titanio è un metallo di aspetto simile all’acciaio inossidabile, con un elevato rapporto resistenza meccanica/peso; le difficoltà di produzione e di lavorazione ne hanno limitato l’uso che è diventato più comune solo dalla seconda metà degli anni sessanta (sul Boeing 727, progetto dei primi anni ’60, meno del 2% in peso della struttura era in titanio; sul Boeing 747, fine anni ’60, il peso delle parti strutturali in titanio era salito al 10%). Solo nei primi anni cinquanta si è resa disponibile la tecnologia per fondere il titanio e parecchi anni dopo è stata sviluppata una lega trattabile termicamente. Anche in questo caso sono le leghe, e non il titanio puro, ad avere le caratteristiche più interessanti, tali da giustificarne l’impiego.

Il ridotto peso specifico (circa 43,2 N/dm3, corrispondente ad una massa volumica di 4,40 kg/dm3) e la buona resistenza meccanica (attorno ai 1000 N/mm2), anche a temperature elevate, ne fanno un materiale eccellente per impieghi aeronautici: le uniche limitazioni sono date dal costo e da una certa difficoltà di lavorazione. Ove vi siano particolari fortemente sollecitati, soprattutto se in ambiente corrosivo o con alte temperature, le leghe di titanio sono la scelta migliore. Oltre alle buone caratteristiche meccaniche sono particolarmente importanti le già citate ottime caratteristiche di resistenza alla corrosione. Le leghe di titanio si coprono di un sottile film di ossido, uniforme e molto stabile, che ne preserva il cuore, rendendole paragonabili, se non migliori, all’acciaio inox 18-8; inoltre non sono normalmente soggette a corrosione da fatica, intercristallina o galvanica.

Queste caratteristiche rendono idonee le leghe di titanio agli impieghi visti sopra; la resistenza meccanica decresce rapidamente oltre i 790 °C, ma è evidente che, a queste temperature, la scelta dei materiali disponibili è molto limitata! Il trattamento termico esalta le caratteristiche meccaniche delle lega e -soprattutto- permette la formatura dei pezzi in condizioni più favorevoli (lavorazione del particolare “tenero” ed indurimento successivo). Si noti, però, che i trattamenti termici sulle leghe di titanio non esaltano (percentualmente) le caratteristiche meccaniche del materiale come negli acciai e nelle leghe di alluminio.

L’aggiunta di elementi di lega (Fe, Mo, Cr, Al, V) permette di ottenere leghe da tempra ed invecchiamento che mantengono buone caratteristiche di duttilità. Grazie a queste caratteristiche le lamiere in lega di titanio possono essere impiegate per rivestimenti lavoranti, anche se richiedono lavorazioni di preparazione più complesse (riscaldamento a circa 300 °C e utilizzo di stampi preriscaldati).

L’utilizzo di tecniche CAD-CAM ha permesso di eseguire lavorazioni per asportazione di truciolo dal pieno, per ottenere particolari con geometrie notevolmente complesse, altrimenti non realizzabili.

Designazione delle leghe di titanio

Per le leghe di titanio non esiste una designazione “ufficiale” UNI, ASTM, SAE (o di altri enti); si utilizzano, perciò, designazioni di carattere semplificato, spesso di derivazione commerciale. Un sistema americano fa riferimento alle forme cristalline (a, ß ed a e ß combinate) ed alla resistenza meccanica in migliaia di p.s.i., come di seguito chiarito:

  • A (cristalli alfa): buone caratteristiche generali, buona saldabilità, tenace e resistente a caldo ed a freddo, resistente all’ossidazione;
  • B (cristalli beta): eccellente duttilità, buona resistenza a caldo (alte temperature) ed a freddo ma facilmente “inquinabile” da agenti esterni;
  • C (cristalli alfa e beta combinati per caratteristiche di compromesso): buona resistenza a freddo e a caldo, resistenza insoddisfacente alle alte temperature, buona piegabilità, moderata resistenza agli “inquinamenti”, eccellente forgiabilità.

Trattamenti termici delle leghe di titanio

Le leghe di titanio vengono trattate termicamente per:

  • ridurre le tensioni interne derivanti dalla formatura a freddo o lavorazioni a macchina;
  • migliorare la lavorabilità a freddo;
  • incrementare la resistenza meccanica.

Riduzione delle tensioni

Il processo di formazione della lamiera genera delle tensioni interne che vengono ridotte con riscaldamento a temperatura di 343-534 °C per tempi variabili da pochi minuti (lamiere sottili) a poco più di 1 ora (per spessori maggiori) seguito da raffreddamento in aria. Le chiazzatura che si formano sulla superficie della lamiera vengono rimosse immergendo il particolare in un bagno acido a base acquosa (10-20% di acido nitrico, 1-3% di acido
idrofluoridrico) a temperatura ambiente.

Miglioramento della lavorabilità

La ricottura delle leghe di titanio conferisce tenacità e duttilità a temperatura ambiente, stabilità dimensionale e strutturale alle alte temperature e migliora la lavorabilità. Viene, in genere, eseguita prima di lavorazioni a freddo, a temperature comprese tra i 648 ed i 899 °C, per tempi tra i 15 minuti ed alcune ore. Il trattamento più comune viene eseguito a 705 °C per 60 minuti con raffreddamento in aria. Le chiazzature che si formano vengono rimosse con un bagno acquoso basico (soda caustica).

Incremento della resistenza

Il titanio non legato non sopporta i trattamenti termici ma le leghe normalmente utilizzate nelle costruzioni aeronautiche aumentano le loro caratteristiche meccaniche con un opportuno trattamento termico, anche se a scapito della duttilità. Si utilizza, in genere, una tempra in acqua da 788 °C seguita da un riscaldamento a 822 °C per 8 ore. La buona reattività del titanio ed il rapido assorbimento di ossigeno, azoto e carbonio a temperature relativamente basse, rendono i trattamenti termochimici di diffusione superficiale convenienti per alcune applicazioni. Con nitrurazione, carburazione e carbonitrurazione si possono ottenere strati superficiali resistenti all’usura di 2,5-5 μmm di spessore.