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Leghe alluminio-litio
La spinta per lo sviluppo delle leghe a base di Litio fu, negli anni ’70, la crescita del costo del carburante per aerei; inizialmente si cercarono quindi delle leghe che potessero sostituire, senza modifiche progettuali, quelle già allora esistenti, ma più leggere. Tuttavia le leghe di alluminio a base di litio dimostrarono delle caratteristiche peculiari da valutare attentamente. Nonostante l’entusiasmo iniziale il loro sviluppo fu inizialmente bloccato dalle difficoltà tecnologiche inerenti la produzione, dovute alla reazione esplosiva che queste leghe allo stato liquido hanno con l’acqua. Anche se la produzione resta una fase delicata, le iniziali difficoltà sono state in parte superate, cosicché al giorno d’oggi queste leghe sono spesso tra le alternative a disposizione dei progettisti, specie nell’industria aeronautica, in cui si è disposti a sopportare maggiori costi per avere materiali il più leggeri possibili.
Rispetto alle leghe che hanno sostituito, quelle a base di Li presentano minore densità, un modulo elastico elevato, una tenacità a frattura minore e una più accentuata anisotropia. Le leghe Al-Li sono indurite mediante la precipitazione di particelle sferiche coerenti di una fase definita come δ’ con composizione Al3Li. La precipitazione segue il classico procedimento:
Un punto debole di queste leghe è la bassa tenacità a frattura, dovuta alla bassa resistenza del bordo grano, per cui si ha frattura intergranulare e bassa duttilità. Tuttavia il materiale mostra una buona resistenza alla fatica e una buona resistenza alla propagazione delle cricche. Anche la resistenza a stress corrosion è molto buona, però è una proprietà molto anisotropica. Il comportamento del materiale può essere migliorato con aggiunte di Zinco.
L’industria aeronautica è il campo di maggior applicazione di queste leghe, in quanto i maggiori costi (3-4 volte superiori a quelli delle leghe più tradizionali) sono compensati dall’importanza di ridurre al minimo i pesi. È sufficiente pensare che in un lancio spaziale mandare in orbita un kg in più può provocare un aumento dei costi variabile tra i 4400 e i 110000$; si capisce dunque l’importanza di usare i materiali con maggior rapporto prestazioni-peso; in particolare le leghe Al-Li possono comportare una diminuzione del peso compresa tra il 7 e il 20%. Tuttavia costi ingenti derivano dalla modificazione e ricertificazione di progetti già esistenti; per questo motivo materiali innovativi sono presenti in tutti i progetti nuovi, però tardano ad esser inseriti come sostitutivi in progetti vecchi.
Lega |
E [GPa] |
UTS [MPa] |
σy [MPa] |
2090 |
79.9 |
523 |
482 |
8020 |
79.9 |
448 |
393 |
2014 |
72.3 |
462 |
406 |
2219 |
73 |
441 |
351 |
7075 |
71.6 |
473 |
393 |
Proprietà di leghe Al-Li confrontate con altre leghe Al
Attualmente si fa uso di materiali che non contengono esclusivamente Li, ma anche alteri elementi, ad esempio leghe Al-Li-Zr (Zr serve per affinamento del grano), Al-Li-Mg-Cu o Al-Si-Li.
Tra le leghe che contengono Litio, possono essere prese in considerazione le seguenti:
leghe dual phase
nelle leghe Al-Li il contenuto di Litio è direttamente proporzionale alla diminuzione di densità del materiale; tuttavia bisogna valutare se la formazione di fase δ nella struttura ipoeuttetica sia favorevole o meno. Queste leghe sono simili come struttura agli acciai dual-phase ad alta resistenza, la cui microstruttura è formata da una distribuzione di particelle di martensite dispersa in una matrice ferritica. La frazione volumetrica della martensite (<25% in volume) è limitata per evitare che questa fase risulti interconnessa. Nelle leghe Al-Li il ruolo della martensite è svolto dalla fase δ (AlLi), la cui percentuale può essere controllata mediante la composizione, mentre la soluzione solida a base di Al ha la stessa funzione della ferrite. Negli acciai non esiste una seconda fase (δ’ ,Al3Li) che permetta un indurimento per precipitazione. La martensite e la fase δ sono in grado di sopportare grandi deformazioni nella matrice senza portare a clivaggio transgranulare o a decoesione dell’interfaccia.
La produzione di leghe con contenuto di litio compreso tra 2.3 e 8.5% in peso avviene mediante fusione in forno ad induzione in atmosfera di Argon e colati in stampi di acciaio inossidabile rivestito di BN. Il materiale così colato presenta la tipica microstruttura di una lega ipoeutettica, con una struttura eutettica che circonda zone di fase α primarie. Per ottenere una microstruttura simile a quella degli acciai HSDP è necessaria un’estrusione e un riscaldamento alla temperatura di massima solubilità del Li nell’Al; per avere un comportamento plastico della fase δ è necessario scaldare fino a circa 550°C. La morfologia originale anisotropica (pancake) si perde con annealing a 535°C. in queste condizioni il materiale presente proprietà peggiorate dalla fase δ, sia nella resistenza che nell’allungamento a rottura. La duttilità cala ulteriormente se la matrice è rinforzata dalla fase δ’, ottenibile con un ageing a circa 190°C. la diminuzione di duttilità è dovuta alla formazione di clivaggi transcristallini attraverso la fase δ a sforzi inferiori a quelli necessari per la decoesione dell’interfaccia α-δ. Questo meccanismo è maggiormente presene se il materiale ha precedentemente subito deformazioni plastiche, in quanto queste promuovono la formazione di legami Li-Li e Al-Al, più deboli di quelli Al-Li e che quindi originano i piani di clivaggio. Per questo è necessario ridurre la formazione di fase δ sostituendola o addizionando altri elementi; è inoltre opportuno ridurre la concentrazioni di deformazioni, introducendo particelle non coerenti che rinforzino solo mediante un meccanismo di looping delle dislocazioni.
Al-Li-Si
Le leghe Al-Li, con le loro proprietà di leggerezza e tenacità, sono utili anche in componenti quali pistoni per motori o rotori di turbine; questi manufatti vengono prodotti, data la loro complessità, per colata. Le leghe Al-Si sono utilizzate per la produzione di prodotti da colata, in virtù della loro buona colabilità, sufficiente resistenza meccanica e resistenza all’usura, alta conducibilità termica e basso coefficiente di dilatazione termica, per cui è interessante la possibilità di usare leghe Al-Li-Si che combinino la leggerezza data dal Li e la colabilità data dal Si.
I tre elementi formano un intermetallico equiatomico AlSiLi, il quale forma un sistema quasi-binario con la fase α-Al dotato di un eutettico. L’intervallo di miscibilità dell’intermetallico Al3Li con l’alluminio non è influenzato dall’aggiunta del Si per un rapporto Li:Si maggiore di uno. La microstruttura è dunque composta da una fase dura dispersa piuttosto omogeneamente in una matrice eutettico. Le caratteristiche meccaniche sono influenzate, a parità di rapporto Si:Li, dalla quantità di leganti presenti. Ad esempio la lega AlSi5Li3.3 risulta ad alta deformabilità e di media resistenza, mentre la resistenza aumenta (a discapito della duttilità) nella lega AlSi12Li5. Il contenuto di leganti è limitato dalla creazione di una struttura interconnessa di fase dura e fragile per valori di aggiunte del 40%. Inoltre, all’aumentare del contenuto di Li aumenta la sensibilità all’invecchiamento e quindi lo sforzo di snervamento mentre cala la densità. Il contenuto di Li è tuttavia limitato dalla comparsa della fase δ, che peggiora le proprietà meccaniche e la resistenza a corrosione. I cristalli di AlSiLi mostrano una minor tendenza al clivaggio transcristallino rispetto alla fase δ (AlLi), conferendo alla lega una tenacità a frattura maggiore rispetto ad una lega Al-Li. Per migliorare ulteriormente le caratteristiche del materiale si può ottenere una dispersione più fine delle particelle aggiungendo fosforo, il quale forma particelle molto stabili di AlP che funzionano da nucleanti per la fase primaria. Inoltre l’aggiunta di altri elementi leganti (Cu, Mg) rinforza la matrice di fase α.
Mg-Li
Per ottenere ulteriori diminuzioni del peso delle leghe Al-Li non è possibile esagerare con il contenuto di Li, in quanto si causerebbe la formazione della fase δ AlLi, con conseguente peggioramento delle proprietà.
In caso sia necessario disporre di leghe maggiormente leggere si deve ricorrere all’uso di leghe di magnesio, soprattutto leghe Mg-Li. L’aggiunta di Li in percentuale in peso del 10% ad una lega a base di Mg provoca una stabilizzazione della struttura b.c.c. rispetto a quella h.c.p., con conseguente aumento della duttilità, vista la maggior deformabilità intrinseca di questa struttura. Inoltre si ha la formazione di diverse microstrutture a due fasi, con conseguente aumento dello sforzo di snervamento e aumento della percentuale di allungamento uniforme ottenibile. Però queste leghe presentano anche notevoli problemi. Infatti data l’indipendenza della solubilità dalla temperatura, non è possibile effettuare un indurimento per precipitazione, per cui la resistenza meccanica non è elevata. Inoltre queste leghe soffrono il creep, data la bassa temperatura di fusione. Il problema dell’impossibilità di effettuare prcipitation hardening può essere risolto con l’aggiunta di altri elementi in lega; ad esempio, l’aggiunta di Al porta ad indurimento per soluzione e, per quantità superiori al 2% in peso, alla formazione delle fasi Li2MgAl (metastabile, si dissolve facilmente) e LiAl (che però porta a fragilità ). Un aumento delle proprietà del materiale è ottenuto mediante una solidificazione rapida, che porta ad una modifica microstrutturale favorevole ad una maggiore resistenza meccanica. Inoltre la rapida solidificazione impedisce la nucleazione e crescita della fase δ, a causa della sua cella elementare piuttosto grossa (tipo NaTl).
Fonte: http://www.ing.unitn.it/~colombo/LITHIUM/leghe%20Al.doc
Sito web da visitare: http://www.ing.unitn.it/
Autore del testo: non indicato nel documento di origine
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