Un nuovo tempo per il titanio (1)

Tra i metalli, la forza e la leggerezza del titanio, la resistenza alla corrosione e la capacità di resistere a temperature estreme ne distinguono da tempo il valore, in particolare per applicazioni sensibili al peso e all'ambiente. Quando fu descritto per la prima volta alla fine del XVIII secolo, un co-scopritore diede al metallo il nome dei Titani, divinità nate dalla Terra e dal cielo nell'antica mitologia greca.

Il tempo ha solo lucidato la lucentezza del titanio. "Sono uno scienziato dei materiali, quindi la gente a volte mi chiede: 'Qual è il tuo elemento preferito?'", afferma Andrew Minor, professore di scienza e ingegneria dei materiali. Per edifici, aeroplani, missili, astronavi e altro, dice, "Se vuoi il materiale più resistente con il minor peso, è il titanio. Se potessimo, faremmo tutto in titanio".

In effetti, per i progettisti industriali, la prospettiva di automobili, camion e aeroplani robusti, leggeri e ad alto risparmio di carburante, ad esempio, o di navi mercantili super resistenti alla corrosione, il titanio deve essere la materia dei sogni.

Il problema? "È troppo costoso", afferma Minor riferendosi al titanio o alle leghe di titanio di livello industriale che altrimenti potrebbero sostituire l'acciaio quando sarebbero sufficienti solo i materiali più resistenti e durevoli. Il costo di produzione del titanio è circa sei volte maggiore di quello dell’acciaio inossidabile. Di conseguenza, i suoi usi sono rimasti limitati a parti speciali per il settore aerospaziale, articoli di fascia alta come gioielli o altre applicazioni di nicchia.

Inoltre, il titanio puro ha solo una resistenza moderata, spiega Minor. Può essere rinforzato con elementi come ossigeno, alluminio, molibdeno, vanadio e zirconio; tuttavia, ciò va spesso a scapito della duttilità, ovvero la capacità di un metallo di essere stirato o deformato senza fratturarsi.

Ora, dopo un decennio di ricerca, una nuova era per il titanio, comprese applicazioni ingegneristiche notevolmente ampliate, potrebbe avvicinarsi, grazie a Minor e ai suoi colleghi di Berkeley, tra cui Mark Asta, Daryl Chrzan e JW Morris Jr., anche loro professori del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali. Hanno sondato e stimolato il titanio in vari modi nella speranza di espandere il suo uso pratico per una varietà di applicazioni strutturali o ingegneristiche.

Invece, ciò che determina il costo eccessivo del titanio di qualità commerciale, spiega Minor, è il complesso processo Kroll più spesso utilizzato per produrre barre di titanio, lingotti e altre forme di metallo che possono essere fabbricate in parti utilizzabili e altri prodotti. Il processo prevede l’uso di materiali costosi come il gas argon, ed è ad alta intensità energetica, richiedendo più fusioni a temperature estremamente elevate, soprattutto per controllare le impurità dell’ossigeno.

In effetti, il titanio e l’ossigeno hanno una relazione sconcertante, che Minor, Asta, Chrzan, Morris e colleghi hanno voluto comprendere meglio. Il team sapeva che un'impurità di ossigeno viene spesso utilizzata per le leghe di titanio per sfruttare un potente effetto rinforzante. Il titanio prodotto con solo un piccolo aumento della quantità di ossigeno atomico può dare come risultato un metallo con una resistenza notevolmente aumentata.

Sfortunatamente, l'ossigeno può anche produrre una diminuzione ancora maggiore della duttilità del metallo. Diventa fragile e si frattura e si rompe.

Ma "l'ossigeno è ovunque", afferma Minor a proposito della difficoltà nel manovrare l'elevata reattività del titanio all'ossigeno. "Non è un'impurità proveniente dal materiale originale che puoi semplicemente evitare."

Definisce estrema la sensibilità del titanio all'ossigeno. "È davvero strano quanto sia potente", dice Minor. Esercita effetti sul metallo, sia buoni che cattivi, mentre la presenza di quantità simili di ossigeno è insignificante per metalli come alluminio e acciaio perché può essere trattato molto più facilmente durante la lavorazione.

Per saperne di più, il team si è rivolto al calcolo ad alte prestazioni per modellare il processo di deformazione del titanio sotto stress e con diverse quantità di ossigeno. I modelli computerizzati, afferma Asta, sono un "potente insieme di strumenti che ci consentono di indagare su questa eccezionale sfida nella metallurgia del titanio".

Tra le scoperte più importanti del team, il rimescolamento degli atomi di ossigeno nella struttura cristallina del titanio quando il metallo è sotto stress è diventato fondamentale per comprendere la perdita di duttilità. In uno stato non stressato, le molecole di ossigeno risiedono senza incidenti negli spazi naturali tra gli atomi di titanio. Ma sotto le forze meccaniche, gli atomi di ossigeno possono spostarsi verso spazi adiacenti dove forniscono meno resistenza alle dislocazioni che, se si diffondono, indeboliscono il metallo.

"L'ossigeno promuove una debolezza strutturale", afferma Minor. Poiché le forze meccaniche deformano il metallo, gli atomi di ossigeno spostati, invece di bloccare la diffusione dei difetti strutturali, possono facilitare il cosiddetto scorrimento planare.

Uno scivolamento planare, dice Asta, è come un'increspatura di difetti nella struttura cristallina del metallo che si accumulano uno sull'altro, portando alla fine a fratture, crepe e un pezzo di metallo fragile.

Per capire come può formarsi e diffondersi una dislocazione nel titanio, Chrzan suggerisce di visualizzare il tentativo di spostare un tappeto grande e pesante.

"Un tappeto molto grande può essere raccolto da un'estremità e trascinato sul pavimento in una nuova posizione", afferma. Ma un altro modo per spostare il tappeto è creare un'ondulazione a un'estremità e poi, trascinando i piedi sulla parte superiore del tappeto, puoi "percorrere" l'ondulazione fino all'altra estremità. A condizione che nulla ne blocchi il movimento, l'intero tappeto sarà spostato di una distanza pari alla larghezza dell'ondulazione.

Tali "increspature" nel titanio possono essere viste con la microscopia elettronica. "Puoi vedere che tutte le dislocazioni sono allineate, in file", dice Minor. "E questo è dannoso per la duttilità perché se si allineano e si susseguono, non si aggrovigliano [e quindi si fermano] in modo tale che il metallo non si indurisce. Si ottiene una concentrazione di stress, ed è lì che si ottiene una crepa."

(Continua)