Risposta microstrutturale e comportamento all'usura del Ti

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 21978 (2022) Citare questo articolo

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Le leghe di titanio sono note per la loro eccellente resistenza alla corrosione; tuttavia, una bassa durezza superficiale si traduce in una scarsa resistenza all'usura, che ne limita la potenziale applicazione. Questo studio utilizza un nuovo processo in due fasi per incorporare un rivestimento di Ni duro contenente una miscela di particelle nanometriche (Al2O3 e TiO2) nella superficie della lega Ti-6Al-4V utilizzando un arco elettrico prodotto durante il processo di saldatura con gas di tungsteno inerte. La superficie del campione è stata valutata utilizzando la microdurezza Vickers, la microscopia elettronica a scansione, la spettroscopia a dispersione di energia e il test di usura pin-on-plate. L'analisi microstrutturale ha mostrato che l'impregnazione della superficie del titanio con nanomateriali Ni/(Al2O3 e TiO2) ha portato alla formazione di una struttura martensitica dura fino a una profondità di circa 2 mm sotto la superficie. I cambiamenti osservati sono guidati dalla modifica della chimica superficiale e dalla presenza di nichel, causando la riduzione della dimensione dei grani, il rafforzamento della soluzione solida e il rafforzamento della dispersione dello strato trattato da parte delle nanoparticelle. La durezza dello strato trattato è aumentata di oltre il 180% quando nella superficie sono state incorporate particelle di Al2O3 da 40 nm e TiO2 da 30 nm. Allo stesso modo, la resistenza all'usura della superficie trattata è migliorata del 100%.

L'uso delle leghe di titanio si è notevolmente ampliato sin dal loro primo sviluppo all'inizio degli anni '50. Ora trova applicazione in diversi ambienti di lavoro estremi dove sono richieste resistenza e prestazioni elevate1. Le proprietà meccaniche e di resistenza alla corrosione sono desiderabili e hanno applicazioni significative nei settori automobilistico, aerospaziale e biomedico2. Notevole attenzione è stata dedicata anche alle leghe di titanio in diversi ambiti, tra cui gadget militari e prodotti civili. La prima lega di titanio pratica è stata la lega Ti6Al4V, sviluppata negli anni ’50 per applicazioni aerospaziali e militari. Molti anni dopo il suo sviluppo, la lega Ti6Al4V è ancora il materiale di maggior successo e frequentemente utilizzato nelle applicazioni biomediche e aerospaziali3.

Sebbene la lega Ti6Al4V possieda molte caratteristiche desiderabili di resistenza meccanica e resistenza alla corrosione, una limitazione principale è la bassa durezza superficiale che si traduce in una scarsa resistenza all'usura e un elevato coefficiente di attrito4. Queste limitazioni impediscono l'applicazione della lega Ti6Al4V in situazioni in cui vengono utilizzati carichi di contatto elevati4. Negli ultimi due decenni sono stati studiati numerosi metodi per migliorare la durezza superficiale delle leghe di titanio, come l'impianto ionico5, i trattamenti termici, la deposizione fisica da fase vapore (PVD) e la deposizione chimica da fase vapore (CVD)6. La nitrurazione gassosa si è rivelata la promessa più significativa per aumentare la durezza dello strato superficiale attraverso un processo di diffusione ad alta temperatura tipicamente effettuato nella regione di 1000 °C7,8. Un fattore limitante in questo processo è la crescita costante del grano registrata a causa dell'esposizione alle alte temperature9. Il processo combinato gas e CVD ha anche dimostrato il potenziale per migliorare la durezza della superficie del titanio. Tuttavia, il processo è discontinuo poiché deve essere condotto in due reattori10. In un altro studio di Tobola et al.11, i ricercatori hanno esplorato un processo in due fasi in cui i componenti di titanio venivano lucidati con una forza di 130 N prima di essere sottoposti a un processo di nitrurazione gassosa. Mentre la durezza superficiale del Ti6Al4V aumentava, il trattamento meccanico portava alla formazione di numerosi difetti sotto forma di dislocazioni e aperture ai bordi dei grani. Sono state tentate tecniche come i rivestimenti superficiali; tuttavia, una limitazione principale di questo metodo è la scarsa forza adesiva tra i rivestimenti depositati e la lega di titanio12.

Altre tecniche prevedono l'utilizzo di fonti di energia concentrate per indurire la superficie della lega di titanio. Le tipiche fonti di energia includono laser13, plasma o fascio di elettroni per fornire l'elevata densità di potenza necessaria per trattare la superficie14. Sebbene queste tecniche mostrino un potenziale significativo per l’indurimento delle superfici delle leghe di titanio, le attrezzature necessarie sono proibitivamente costose. In un altro studio, la superficie della lega Ti6Al4V è stata indurita utilizzando l'arco elettrico generato durante la saldatura con gas di tungsteno inerte per fondere le superfici insieme al gas azoto per produrre uno strato di nitruro sulla superficie della lega Ti6Al4V. L'area che è stata trattata termicamente viene generalmente ricoperta di azoto per produrre uno strato di nitruro. Il gas argon viene utilizzato anche per prevenire qualsiasi forma di contaminazione. La durezza e la resistenza all'usura degli strati nitrurati dipendevano dalla densità e dalla quantità di azoto gassoso utilizzato. Migliorare le proprietà superficiali di un materiale modificando la superficie è diventato un requisito essenziale prima di qualsiasi applicazione pratica tribologica15. La lega Ti6Al4V richiede un trattamento superficiale appropriato per migliorare le sue prestazioni in termini di riduzione dell'attrito, durezza, resistenza all'usura e stabilità chimica8,10. Il trattamento superficiale garantisce che la lega Ti6Al4V mantenga le sue proprietà desiderate, espandendone al contempo l'applicazione in vari campi. Anche la modifica della superficie è un buon fattore che comprende le prestazioni di un componente tecnico e il suo costo. Sono state sviluppate diverse tecnologie di modifica superficiale della lega Ti6Al4V in base alle loro proprietà chimiche. Queste tecniche hanno mostrato vari livelli di successo e limitazioni aggiuntive derivanti dal costo delle attrezzature utilizzate e dal tempo impiegato per ottenere cambiamenti superficiali e miglioramenti per la resistenza all'usura4,5.