Superleghe: composizione, fasi, carburi

Le superleghe sono leghe ad alta resistenza, spesso aventi composizione complessa,  utilizzate in sistemi che richiedono resistenza meccanica, stabilità superficiale e resistenza alle alte temperature.

Il termine “superlega” è stato usato la prima volta poco dopo la seconda guerra mondiale, per descrivere un gruppo di leghe utilizzate in compressori turbo e motori a turbina di aeromobili che richiedono  alte prestazioni a temperature elevate.

Il campo di applicazioni in cui sono utilizzate le superleghe è molto vasto e include l’ industria aerospaziale nell’ambito dei motori di aerei e missili, nell’impiantistica in particolare nelle turbine a gas, in campo medico in impianti odontoiatrici e nelle protesi e in campo nucleare nella costruzione dei reattori. Le superleghe infatti sono particolarmente adatte per questo tipo di applicazioni per la loro capacità di mantenere inalterate le loro proprietà anche dopo lunghi tempi di esposizione sopra 650 ° C  ed inoltre associano un’alta resistenza  a una buona duttilità a bassa temperatura.

Composizione

Le superleghe sono costituite dagli elementi del cosiddetto gruppo VIIIb ovvero da: Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt ed in particolare da varie combinazioni di Fe, Ni, Co, Cr e quantità minori di W, Mo, Ta, Nb, Ti e Al che conferiscono alla lega prerogative particolari.  Le  tre principali classi di superleghe presentano come metallo principale il nichel, il  ferro o il cobalto.

Le superleghe a base di nichel hanno resistenza ad alta temperatura, tenacità e resistenza alla degradazione in ambienti corrosivi o ossidanti. Esse sono tra le più complesse e presentano il 10-20% di cromo,  più dell’8% di alluminio e titanio,  tra il 5 e il 10% di cobalto e piccole percentuali di boro, carbonio e zirconio oltre ad altri metalli in tracce.

Fasi

Le fasi più importanti presenti nelle superleghe a base di nichel sono:

γ a struttura cristallina fcc che può contenere un’alta percentuale di elementi in soluzione solida come cobalto, ferro, cromo, molibdeno e tungsteno che costituiscono i formatori della matrice austenitica. Tutte le leghe a base di nickel presentano questa fase.

γ‘ costituita da elementi che sono aggiunti in quantità tale da far precipitare la fase fcc. Tali elementi tra cui Al, Ti, Nb, Ta, Hf formano precipitati ordinati del tipo Ni₃X

γ’’ La combinazione di Nichel e niobio, in presenza di ferro, forma una struttura bct di Ni₃Nb, il quale è coerente con la matrice γ sebbene induca grandi deformazioni nelle zone di bordofase

carburi. Il carbonio aggiunto in percentuali variabili tra 0.05 e 0.2% in peso si combina con altri elementi reattivi quali titanio, tantalio e afnio per formare carburi.

Carburi

I  carburi comuni tutti hanno una struttura cristallina fcc e sono utili per aumentare la forza di rottura ad alta temperatura.

La matrice γ è resistente alle più severe condizioni di temperatura e tempo di utilizzo del componente.  Le caratteristiche di queste superleghe sono dovute alla presenza degli di orbitali d disponibili nel nickel che evitano la perdita di stabilità di fase.

La presenza di cromo consente la formazione di uno strato superficiale di Cr₂O₃ che garantisce una bassa diffusione:

• degli elementi metallici verso l’esterno
• dei gas ossigeno, azoto e zolfo verso l’interno.

La tendenza a formare ad alta temperatura Al₂O₃ comporta un’eccezionale resistenza all’ossidazione. L’ossido di alluminio infatti dà luogo a fenomeni di passivazione.

Le superleghe a base di cobalto non sono così resistenti come quelle a base di nichel, ma hanno una eccellente resistenza alla corrosione a temperature elevate.

Altre leghe, come quelle a base di alluminio-litio o a base di titanio trovano applicazioni nell’industria aerospaziale.

Le leghe a base di alluminio-litio sono infatti  più:

• • leggere
  • rigide
  • resistenti

a temperature elevate rispetto alluminio stesso e sono utilizzate in parti del motore.

Leghe a base  di titanio che conferirebbero alta resistenza alla corrosione e leggerezza  sono ugualmente non sono utilizzate. Infatti il titanio reagisce rapidamente con l’aria ad elevate temperature.

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