Titanio colata di investimento utilizza sette tipi principali di leghe, ciascuna progettata per applicazioni specifiche. La più comune è la Ti-6Al-4V (Grado 5), che rappresenta oltre il 50% di tutte le applicazioni di fusione del titanio. Queste leghe spaziano dal titanio commercialmente puro per la resistenza alla corrosione alle leghe beta complesse per requisiti di resistenza estrema.
La microfusione consente ai produttori di creare componenti complessi in titanio con pareti sottili e dettagli precisi. Il processo funziona bene con queste leghe specifiche perché mantengono una buona fluidità una volta fuse e solidificano con difetti minimi.
| Lega | Composizione chiave | UTS (MPa) | YS (MPa) | Allungamento (%) | Durezza (HB) |
|---|---|---|---|---|---|
| CP Ti (Grado 2) | Ti ≥ 99.2% (C ≤ 0.08%, N ≤ 0.03%, O ≤ 0.25%, H ≤ 0.015%, Fe ≤ 0.30%) | ≈345 | ≈275 | ≈20 | ~160 (≈46 HRC) |
| Ti-6Al-4V (Grado 5) | Al 5.5–6.5%, V 3.5–4.5%; C ≤ 0.08%, Fe ≤ 0.25%, N ≤ 0.05%, O ≤ 0.2% | 900-1000 | 828-910 | 10-18 | ≈36 HRC |
| Ti-6Al-4V ELI (Grado 23) | Uguale al Grado 5 ma con O inferiore (≤0.13%) per la tenacità | circa 895–1000 | circa 828–910 | 12-18 | ≈36 HRC |
| Ti-6Al-7Nb (ASTM F1295) | Al 5.5–6.5%, Nb 6.5–7.5%; C≤0.08%, Fe≤0.25%, O≤0.20%, N≤0.05% | ≈900 (≥900) | ≥ 800 | ≥ 10 | - |
| Ti-6Al 2Sn-4Zr-2Mo | Al 5.5–6.5%, Sn 1.8–2.2%, Zr 3.6–4.4%, Mo 1.8–2.2%; Fe ≤ 0.25%, O ≤ 0.15% | 1110 | 1050 | 13 | 318 HB (34 HRC) |
| Ti-5Al-2.5Sn (Grado 6) | Al 4–6%, Sn 2–3%; Fe≤0.50%, O≤0.20%, N≤0.03% | ≈830 | ≈795 | ≈10 | 320 HB (36 HRC) |
| Beta (15-3-3-3) | V 15%, Cr 3%, Al 3%, Sn 3%; equilibrio Ti | 790 | 770 | 22 | HRB 95 |
Il titanio commercialmente puro grado 2 contiene il 99.2% di titanio con piccole quantità di ossigeno, azoto e carbonio. Questa lega offre la migliore resistenza alla corrosione tra tutti i gradi di titanio.
Il grado CP Ti 2 eccelle nelle apparecchiature per la lavorazione chimica e nelle applicazioni marine. La sua minore resistenza rispetto ad altri gradi lo rende ideale quando duttilità e formabilità sono più importanti delle proprietà meccaniche.
La temperatura di fusione per il Grado 2 varia tra 1,670 °C e 1,720 °C. I fonditori a cera persa devono utilizzare stampi ceramici speciali in grado di resistere a queste temperature estreme senza reagire con il titanio.
La lega Ti-6Al-4V è il cavallo di battaglia delle leghe di titanio. Contiene il 6% di alluminio e il 4% di vanadio, creando un eccellente equilibrio tra resistenza, peso e resistenza alla corrosione.
Questa lega alfa-beta mantiene la sua resistenza fino a 400 °C. I produttori aerospaziali la utilizzano per pale di turbine, componenti strutturali e parti del carrello di atterraggio.
La versatilità di questa lega non si limita al settore aerospaziale. Le aziende produttrici di dispositivi medici realizzano protesi d'anca e componenti dentali in lega di Grado 5. La sua biocompatibilità e resistenza alla fatica la rendono perfetta per l'impianto a lungo termine.
La fusione a cera persa di Grado 5 richiede un controllo preciso della temperatura. La temperatura di colata varia tipicamente da 1,700 °C a 1,750 °C. Una corretta progettazione dello stampo previene la rottura a caldo durante la solidificazione.
Il grado 23 Extra Low Interstitial (ELI) offre una duttilità e una tenacità alla frattura migliorate rispetto al grado 5 standard. Il ridotto contenuto di ossigeno (0.13% massimo rispetto allo 0.20%) crea queste proprietà migliorate.
Le applicazioni mediche predominano nell'uso del Grado 23. Gabbie per fusione spinale, viti ossee e dispositivi cardiovascolari traggono vantaggio dalle sue superiori prestazioni di resistenza alla fatica nei fluidi corporei.
Il processo di fusione per il Grado 23 richiede controlli più rigorosi. Le fonderie devono ridurre al minimo la contaminazione da ossigeno e azoto durante la fusione e la colata. L'atmosfera sotto vuoto o in argon protegge il metallo fuso.
Ti-6Al-7Nb sostituisce il vanadio con il niobio per eliminare i rischi di rilascio di ioni vanadio nel corpo umano. Questa lega eguaglia le proprietà meccaniche del Grado 5, offrendo al contempo una biocompatibilità superiore.
I produttori europei di dispositivi medici preferiscono questa lega per gli impianti permanenti. La sua resistenza alla corrosione in soluzioni fisiologiche supera quella del Ti-6Al-4V.
La fusione a cera persa di Ti-6Al-7Nb richiede parametri simili al Grado 5. L'aggiunta di niobio aumenta leggermente il punto di fusione, richiedendo temperature comprese tra 1,720 °C e 1,770 °C per un flusso ottimale.
Questa lega quasi alfa mantiene la resistenza a temperature fino a 500 °C. Le aggiunte di stagno e zirconio forniscono un rinforzo in soluzione solida, mentre il molibdeno migliora la resistenza allo scorrimento viscoso ad alta temperatura.
I produttori di motori a reazione specificano questa lega per dischi e pale del compressore. La sua superiore resistenza allo scorrimento consente sezioni più sottili, riducendo il peso dei componenti.
La complessa chimica richiede un controllo preciso della lega durante la fusione. I fonditori a cera persa utilizzano in genere la rifusione ad arco sotto vuoto per garantire l'omogeneità chimica. Le temperature di colata variano da 1,750 °C a 1,800 °C.
Il grado 6 offre una resistenza intermedia tra il titanio CP e il Ti-6Al-4V. L'aggiunta di stagno garantisce un rafforzamento della soluzione solida senza formare fasi fragili.
Questa lega eccelle alle temperature criogeniche. Le aziende aerospaziali la utilizzano per serbatoi di carburante liquido e sistemi di tubazioni criogeniche. La sua saldabilità supera quella delle leghe di titanio ad alta resistenza.
La fusione a cera persa del Grado 6 si rivela meno impegnativa rispetto a leghe più complesse. L'assenza di elementi stabilizzanti beta riduce la segregazione durante la solidificazione. Le temperature di colata tipiche variano da 1,680 °C a 1,730 °C.
Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn è una lega beta metastabile con eccezionale formabilità a freddo. Dopo il trattamento di solubilizzazione e l'invecchiamento, raggiunge resistenze superiori a 1,400 MPa.
Questa lega trova impiego in molle, elementi di fissaggio e componenti in lamiera. La microfusione consente la produzione di alloggiamenti per molle complessi e di elementi di fissaggio specializzati, impossibili da lavorare meccanicamente.
Le leghe di titanio beta presentano sfide di fusione uniche. Il loro elevato contenuto di stabilizzanti beta favorisce la segregazione durante la solidificazione. I fonditori devono utilizzare tecniche di solidificazione rapida e successivo trattamento termico per ottenere proprietà uniformi.
La temperatura di colata per la lega 15-3-3-3 varia in genere da 1,650 °C a 1,700 °C, inferiore a quella delle leghe alfa-beta a causa dell'effetto degli stabilizzatori beta sul punto di fusione.
