LEGHE

LEGHE

(XX, p. 765; App. II, II, p. 179; III, I, p. 974; IV, II, p. 323)

I settori delle applicazioni più avanzate dei materiali metallici (quale quello della nuova generazione dei sistemi aerospaziali, fig. 1 e fig. 2) hanno avuto un ruolo trainante nei confronti del recente sviluppo applicativo di l. che superino i tipi ad alte prestazioni già nell'uso corrente. L'accresciuta disponibilità di conoscenze metallurgiche di base, in particolare delle interazioni strutture-proprietà, ha consentito di accrescere le potenzialità applicative della ''progettazione'' di un nuovo materiale metallico, di una l., con proprietà in una certa misura prestabilite in base alle complesse esigenze della specifica applicazione (concetto del prodotto ''fatto su misura'': taylor made). Un importante contributo alla realizzazione di queste possibilità proviene dalle nuove grandi capacità di calcolo (supercomputer) e dal connesso sviluppo di modelli matematici numerici di simulazione, che consentono di valorizzare quantitativamente al meglio le conoscenze metallurgiche strutturali; per es., la capacità di rilevamento delle orientazioni cristallografiche locali, quella di esprimere quantitativamente la distribuzione di una seconda fase dispersa e di sviluppare modelli matematici di tali dettagli microstrutturali.

In questa direzione un importante contributo è anche dato dalla capacità di controllare e manipolare il primo segmento della sequenza: processo di fabbricazione-microstruttura-proprietà macroscopiche del continuo; quindi la capacità d'integrare lo sviluppo della nuova l. da un lato con il processo produttivo e dall'altro con progettazione, fabbricazione e condizioni d'impiego del componente finale cui è destinata. Molte di tali applicazioni avanzate hanno orientato la ricerca nella direzione di più elevate caratteristiche di resistenza, in particolare a elevata temperatura, di più bassa densità del materiale, maggiore rigidità, accresciuta stabilità termica e migliore resistenza alla corrosione e all'ossidazione a caldo.

Le l. leggere a base di alluminio hanno un posto importante nelle costruzioni aeronautiche. In questo campo due esigenze hanno in modo particolare di recente orientato la ricerca: un'ulteriore diminuzione di densità del materiale e una migliore tenuta delle caratteristiche di resistenza alle elevate temperature che le strutture raggiungono alle alte velocità. Le l. alluminio-litio, di densità inferiore a quella delle l. tradizionali delle serie 2000 e 7000, stanno ottenendo spazi applicativi nel campo delle costruzioni aeronautiche e ancor più in quello delle attrezzature sportive di alta qualità; esse si pongono in competizione con i materiali compositi a matrice polimerica rinforzati con fibre di carbonio. Possono esse stesse essere impiegate quale materiale di matrice per materiali compositi con carburi di silicio, per applicazioni in componenti critici anche in costruzioni automobilistiche spinte.

L'aggiunta di litio, il metallo più leggero di tutti (0,53 g/cm³), all'alluminio offre il vantaggio di una minore densità e di una maggiore rigidità rispetto alle l. leggere di uso corrente; il litio ha un'elevata solubilità nell'alluminio, circa il 4,2% alla temperatura dell'eutettico (602 °C). Occorre peraltro ricordare che diversi problemi qualitativi inerenti le applicazioni di tali l. nelle costruzioni aeronautiche non sono ancora risolti, soprattutto per quelle di minore densità (10% di riduzione rispetto alle l. leggere convenzionali). Altre difficoltà permangono nel processo di fabbricazione: per es. difficoltà di colaggio per la tendenza alla criccatura ai livelli più elevati di litio (2,6÷2,8%).

Le l. leggere invecchianti perdono rapidamente le caratteristiche di resistenza al disopra di 130 °C; il riscaldamento per l'attrito con l'aria nel volo ad alta velocità fa raggiungere alla superficie dell'aeromobile temperature di 300 °C circa. Una via proposta per affrontare tale problema è stata quella di adottare la tecnica della metallurgia delle polveri (PM) e di ottenere le polveri di lega di alluminio per la via della solidificazione rapida (RST) e per quella dell'alligazione meccanica. I vari procedimenti di RST comportano velocità di raffreddamento nell'intervallo 10³÷10⁷ °C/sec, con conseguente effetto sulla morfologia e sulle dimensioni delle particelle di polvere metallica prodotta e soppressione della separazione dei componenti in base agli equilibri di fase in favore di una solidificazione microcellulare di fasi metastabili. L'alligazione per la via meccanica consente di raggiungere analoghi risultati, ma senza doversi avere di necessità solubilità allo stato liquido. La macinazione dei componenti in un mulino a palle in un processo ad alta energia rende possibile l'alligazione allo stato solido e la formazione di microstrutture metastabili di non equilibrio attraverso ripetute saldature a freddo e fratture fra singole particelle metalliche. Per tale via si è resa possibile, per es., l'alligazione dell'alluminio con elementi quali ferro, titanio, molibdeno, zirconio, ottenendosi stabilità termica e resistenziale da attribuirsi alle fini dispersioni di fasi intermetalliche, di ossidi e di carburi a formare microcomposti metallici sinterizzati.

Un altro gruppo di l. innovative riguarda le applicazioni alle alte temperature (fig. 3), per es. nelle turbine degli apparati di propulsione aeronautici: trattasi dei composti intermetallici a struttura ordinata che, rispetto alle usuali superleghe per impiego ad alta temperatura, offrono i vantaggi di una minore densità e soprattutto quello, singolare, di un valore del carico di snervamento crescente con la temperatura, almeno entro un certo intervallo (per es., per il composto intermetallico Ni₃Al, sino a 600 °C circa). Fra i composti intermetallici più interessanti per tali applicazioni sono da segnalare quelli a base di nichel (quale Ni₃Al) e quelli a base di titanio (quali Ti₃Al, TiAl, Al₃Ti). Uno dei problemi da risolvere per lo sviluppo applicativo delle l. a base di composti intermetallici è quello della loro estrema fragilità alla temperatura ambiente. Nel caso del composto Ni₃Al, che è anche la cosiddetta fase γ a struttura cubica a facce centrate presente nelle superleghe a base di nichel, si è riscontrato il benefico effetto di microaggiunte di boro al fine di migliorarne la duttilità a temperatura ambiente. Nel caso del composto intermetallico a base di titanio Ti₃Al si è rivelata benefica l'aggiunta di elementi con effetti di stabilizzatori della fase β, specialmente di niobio. La fabbricazione di tali l. avanzate è stata realizzata con diversi tipi di processo: per fusione in forni a induzione, per rifusione sotto scoria elettroconduttrice, per colaggio della l. in varie forme, con le tecniche della metallurgia delle polveri.

Bibl.: V. nella rivista Advanced Materials and Processes l'articolo introduttivo Forecast of the year, nel n. di gennaio di ogni anno.

Leghe con memoria. - Sono l. che hanno la proprietà di ''memorizzare'' una determinata forma che ''congelata'' in esse, dopo deformazione, può essere ripristinata a seguito d'idoneo trattamento termico. Per es., se un segmento lineare di una di queste l. viene riscaldato e poi raffreddato bruscamente, esso memorizza la sua forma lineare; infatti, anche se viene piegato, una volta che sia nuovamente riscaldato, riassume gradualmente la forma iniziale, lineare. Queste l. nel raffreddamento subiscono una trasformazione di fase, allo stato solido, del tipo di quella che si riscontra nel trattamento degli acciai quando l'austenite per brusco raffreddamento si trasforma per fasi successive in martensite. Durante tale raffreddamento si ha una variazione di struttura cristallina: da una fase ad alta simmetria si passa a una fase a simmetria minore. Questa trasformazione allo stato solido avviene senza diffusione di atomi, ma per semplice spostamento di sezioni del cristallo, o aggruppamento di atomi; in ogni elemento di volume la composizione chimica rimane quella di partenza.

Questa proprietà è stata riscontrata fin dal 1932 in l. oro-cadmio e indio-titanio, successivamente nel 1938 e nel 1951, ma senza particolari conseguenze; solo dopo il 1961 il fenomeno è stato considerato suscettibile di applicazioni pratiche, sia per formare manufatti capaci di cambiare la propria forma al variare della temperatura sia addirittura per macchine capaci di sfruttare la variazione alternata di forma per la produzione di lavoro.

Si conoscono almeno una ventina di elementi capaci di formare l. dotate di memoria, ma quelle che hanno dimostrato possibilità di utilizzazione sono essenzialmente quelle di Ni-Ti e quelle di rame con zinco e alluminio o con alluminio e nichel. Questi due tipi di l. presentano caratteristiche differenti: le prime presentano un maggiore grado di memoria (8% circa anziché 4÷5% delle seconde), una maggiore duttilità, una maggiore stabilità termica; le seconde, a base di rame, presentano invece il vantaggio di essere meno costose, più facili da fondere, da estrudere, ecc. In genere per queste l. con memoria la trasformazione nella fase martensitica (ossia con struttura a simmetria inferiore) avviene entro un intervallo piuttosto ristretto di temperatura che varia sensibilmente con la composizione della l.; così nel caso di Ni-Ti un aumento di quest'ultimo rispetto alla percentuale 50/50 fa diminuire sensibilmente la temperatura di trasformazione, e ancor più la fa diminuire l'introduzione di piccole quantità di cobalto o di quantità ancor più piccole di manganese; corrispondentemente variano anche altre proprietà: lavorabilità, stabilità termica, resistenza alla corrosione. Lo stesso vale per le l. a base di rame.

Il passaggio dalla struttura a più alta simmetria (austenitica) a quella a simmetria inferiore (martensitica) avviene come già detto per raffreddamento, mentre quella contraria avviene per riscaldamento; le due curve di trasformazione in funzione della temperatura non si sovrappongono poiché c'è un'isteresi. La maggior parte della trasformazione avviene in un intervallo ristretto di temperatura, anche se inizio e fine del processo si estendono in un campo più largo di temperatura e la curva di raffreddamento segue un percorso parallelo a quello della curva di riscaldamento, che però decorre a temperature leggermente inferiori.

Sono già in commercio numerosi dispositivi basati sull'impiego sia di l. Ni-Ti (commercialmente note come Nitinol, acronimo delle parole nichel, titanio, e di Naval Ordnance Laboratory, presso il quale il materiale fu inizialmente studiato), sia di l. Cu-Zn. Un'applicazione si ha nella giunzione di tubi con manicotti in Nitinol; il manicotto viene scelto con diametro interno leggermente inferiore a quello esterno dei tubi da collegare. Il manufatto, preventivamente riscaldato e poi raffreddato, si trasforma nella fase martensitica con leggera dilatazione, tanto da consentire ai tubi d'imboccare nel manicotto; riscaldato, il manicotto tenderà a restringersi aderendo alle pareti esterne e trattenendo saldamente i due tubi. Il sistema si è dimostrato particolarmente valido nelle condutture sottomarine in sostituzione delle saldature di tubi che richiedono camere iperbariche, con costi elevati; coi manicotti si possono riunire tubi anche di 15 cm di diametro. Il sistema si va estendendo ad altre tecnologie (unione di conduttori elettrici, inserzione di ribattini, ecc.).

Manufatti di l. di Cu-Zn-Al si usano per dispositivi a molla che, contraendosi al diminuire della temperatura e allungandosi col calore, regolano per es. l'apertura e la chiusura di finestre di serre. Sugli stessi principi si possono costruire dispositivi capaci di provocare la chiusura di porte di sicurezza a seguito di innalzamenti di temperatura (per es. in caso d'incendi), o la regolazione del flusso di acqua in funzione della temperatura, o del flusso della benzina nelle auto, attraverso il carburatore, in funzione della temperatura.

È stata costruita un'antenna aerospaziale (A in fig. 4) che, in fase di trasporto, si riduce a un ''gomitolo'' (B) di 5 cm di diametro, mentre in fase di esercizio, per debole riscaldamento, si dispiega (C) a formare una struttura semisferica del diametro di 25 cm (D). L'antenna è formata da segmenti di filo di Ni-Ti, tagliati da una bobina e disposti come i paralleli e i meridiani in un semi-mappamondo, saldati nei loro punti d'incrocio; la struttura si deforma facilmente a temperatura ambiente ma, al disopra di 52°C, il gomitolo comincia a svolgersi assumendo, al di sopra di 70°C, l'aspetto semisferico, poiché la lega ''ricorda'' la curvatura che il filo possedeva nella bobina. Si può usare come antenna, per es. per i satelliti. Dispositivi di vario tipo sono entrati nell'uso medico con funzioni diverse: in ortopedia, per collegare le zone vicine di una frattura ossea, vengono impiegati lamierini di Ni-Ti che, col calore del corpo, tendono a restringersi assicurando il contatto fra le terminazioni della frattura e facilitando quindi il loro saldarsi. Molti altri sono gli impieghi in vari settori della medicina. Sono stati registrati anche diversi brevetti di ''motori allo stato solido'' costituiti da elementi di Ni-Ti curvati che, immersi alternativamente in acqua calda e fredda, subiscono variazioni di curvatura; sfruttando l'energia meccanica di queste variazioni di forma è possibile azionare per es. una ruota. Mediante il semplice utilizzo di piccoli salti di temperatura si realizza così un generatore di energia meccanica.

Un fenomeno di conservazione della memoria analogo a quello presentato dalle l. metalliche sopra ricordate si riscontra anche in polimeri organici, con alcune differenze: mentre le l. sono più rigide al disopra di una temperatura critica e più tenere e deformabili al disotto di detta temperatura, per i polimeri organici avviene il contrario; essi divengono più rigidi raffreddandosi e più deformabili se riscaldati, cioè ''ricuperano'' la memoria per raffreddamento anziché per riscaldamento.

Bibl.: L. McDonald Schetky, Shape-memory alloys, in Kirk-Othmer Encyclopedia of chemical technology, New York 1978-84³; Toshio Honma, Shape memory alloy, in Science and Technology in Japan, i, 4 (1982), p. 20; Id., All-round memory effect in Ni-rich TiNi alloys, Endeavour, vii, 2 (Londra 1983), p. 56; A. A. Golestaneh, Shape-memory phenomena, in Physics today, New York, aprile 1984, p. 62; J. Perkins, Shape memory-effect alloys: basic principles, in M. B. Bever, Encyclopedia of material science and engineering, vi, Oxford 1986, p. 4365; D. E. Hodgson, M. H. Wu, R. J. Biermann, Shape memory alloys, in Metals Handbook, ii, Materials Park (Ohio), 1990¹⁰, p. 897.