William Gregor, un mineralogista e chimico dilettante, scoprì per la prima volta l'ilmenite, una sabbia nera contenente uno dei metalli più leggeri del mondo, nel Regno Unito nel 1791. Quattro anni dopo, questo metallo leggero è stato isolato e chiamato "titanio" da un chimico tedesco Martin Heinrich Klaproth.

Il titanio ha una resistenza paragonabile all'acciaio, il metallo più usato al mondo, ma è circa il 56% più denso e il 45% più leggero. Il titanio puro è molto difficile da estrarre dall'ilmenite e quindi ci sono voluti circa 145 anni prima che il metallo diventasse generalmente utile.

Le leghe di titanio vengono prodotte quando quantità controllate di altri elementi, come cromo, ferro da stiro, vanadio, alluminio, azoto, niobio, molibdeno, rutenio:vengono aggiunti al titanio.

L'aggiunta di altri elementi al titanio può renderlo più forte o più resistente alla corrosione. Questo, accanto ad altre qualità, rende le leghe di titanio ricercate nel settore aerospaziale, settore automobilistico, chimico, gioielleria, biomedico, edilizia e altri settori.

Ma il titanio e le sue leghe sono molto costosi. Poiché il titanio è difficile da estrarre dal suo minerale, la creazione di prodotti finiti comporta molti passaggi complessi che richiedono molta energia e generano molti rifiuti. Ad esempio nel settore aerospaziale, dove è più comunemente usato, 11 kg di titanio fanno solo 1 kg di prodotto finito.

I miei colleghi ed io stiamo esaminando come possiamo sviluppare nuove leghe di titanio a basso costo in Sud Africa che potrebbero essere utilizzate in settori non aerospaziali. Ricerche come questa stanno accadendo in altre parti del mondo mentre gli scienziati lavorano per ridurre il costo delle leghe di titanio.

Se il nostro lavoro ha successo, Che io sappia, queste potrebbero essere le prime leghe di titanio a basso costo progettate localmente in Sud Africa. Le leghe a basso costo aprirebbero la strada a automobili a basso consumo di carburante a prezzi accessibili e protesi e impianti medici a prezzi accessibili. L'industria creerebbe anche opportunità di lavoro e genererebbe entrate dalle vendite.

Tipi di lega

Le leghe di titanio possono esistere in tre forme fondamentali:alfa, beta e una combinazione di alfa e beta, a seconda della quantità e del tipo di metallo che viene aggiunto.

Le leghe di alfa titanio vengono create quando elementi come l'alluminio, lattina, ossigeno e azoto vengono aggiunti al titanio. Ciò consente alla lega di mantenere la sua struttura a temperature fino a 882°C e ne migliora la resistenza. È anche resistente alla corrosione e allo scorrimento, il che significa che è lento a deformarsi per un lungo periodo di esposizione a livelli elevati di stress.

Ma le leghe di alfa titanio sono più difficili da formare in forme e, rispetto ad altre leghe, non migliorano se riscaldato o raffreddato. Sono tipicamente utilizzati per strutture aerospaziali, motori e navi che devono sopportare la pressione.

Le leghe di beta-titanio sono prodotte quando grandi quantità di elementi, come ferro, vanadio, cromo e molibdeno vengono aggiunti. La resistenza a temperatura ambiente di questa lega è elevata, mentre la sua resistenza alle alte temperature è scarsa. Queste leghe possono essere facilmente modellate in forme, anche a temperatura ambiente, rendendoli un materiale attraente per gli impianti ortopedici.

Il terzo tipo di lega combina alfa e beta. Ciò significa che vengono aggiunte quantità considerevoli di elementi stabilizzanti sia alfa che beta, come ferro e alluminio. Ciò conferisce alle leghe una buona combinazione di resistenza e duttilità. Sono di gran lunga la lega più sviluppata e più utilizzata. Sono adatti per un'ampia gamma di applicazioni, dall'industria aerospaziale a quella automobilistica e biomedica.

Leghe più economiche

Il nostro obiettivo è creare un tipo più economico della terza lega:combinazione di alfa e beta.

Lo stiamo facendo modificando le quantità di elementi che sono nella lega commerciale, noto come Ti-6Al-4V. Ad esempio, sostituiamo la maggior parte del vanadio con il ferro, perché il vanadio è raro e costoso, circa 150 volte più costoso del ferro. Dobbiamo stare attenti alle nostre proporzioni perché, ad esempio, il ferro potrebbe segregarsi durante la fusione e formare composti diversi.

Abbiamo anche ridotto la quantità di alluminio nella lega. Questo perché studi precedenti hanno riportato che le leghe di titanio contenenti alluminio erano difficili da formare, e così ha provocato l'usura degli strumenti.

Il passo successivo è stato quello di ridurre il materiale di scarto quando le leghe vengono formate in forme. La formatura di leghe di titanio in forme diverse di solito rappresenta il 30% del costo totale di produzione di prodotti in titanio, e fino al 20% di rifiuti generati.

Per fare questo abbiamo esaminato fino a che punto le microstrutture (struttura interna che può essere vista solo con i microscopi) possono essere manipolate per ottenere le proprietà desiderate nelle leghe. Ciò ridurrebbe i costi durante la produzione commerciale perché sappiamo fino a che punto possiamo allungare o premere la lega senza che si rompa.

Produzione di leghe

Abbiamo prodotto le leghe con una tecnica convenzionale chiamata fusione ad arco sotto vuoto. Il forno di fusione ad arco sotto vuoto si trova presso Mintek, l'organizzazione nazionale di ricerca e sviluppo del Sudafrica.

La limitazione con questo è che sono stati prodotti solo campioni delle dimensioni di un bottone. Quindi non abbiamo potuto fare campioni per un'ampia varietà di test.

Abbiamo confrontato la durezza delle leghe e abbiamo scoperto che le leghe appena prodotte avevano valori di durezza più elevati rispetto alle leghe alfa e beta commerciali. In alcuni casi erano comparabili.

Abbiamo anche esaminato come le leghe appena prodotte si corrodono in soluzioni saline e acide e abbiamo scoperto che avevano una migliore resistenza alla corrosione in entrambe le soluzioni.

Siamo stati in grado di testare campioni delle leghe a diverse temperature e velocità di formatura per trovare la migliore combinazione per formare le leghe in forme prive di difetti. Abbiamo visto che le leghe avevano un'ampia finestra di lavorazione. Doveva essere evitato solo un piccolo insieme di temperature e velocità di deformazione.

Altro da fare

C'è altro da fare. Non abbiamo potuto misurare la resistenza a temperatura ambiente di queste leghe perché avevamo bisogno di campioni più grandi.

Inoltre, non abbiamo studiato la saldabilità di queste leghe o quanto sia facile tagliarle a macchina in diverse forme e dimensioni. La lavorazione delle leghe di titanio rappresenta circa il 30%-40% del costo totale di realizzazione.

Attraverso il supporto di un programma di borse di studio post-dottorato dell'Accademia africana delle scienze, abbiamo ricevuto finanziamenti per continuare i nostri studi sulle leghe di nuova concezione. Ora siamo in grado di produrre campioni più grandi utilizzando il forno fusorio a induzione sotto vuoto presso il Consiglio per la ricerca scientifica e industriale.

La sfida principale quando si realizzano leghe più grandi è che abbiamo dovuto improvvisare. Abbiamo utilizzato un forno fusorio sotto vuoto non progettato per la produzione di nuove leghe. Il forno corretto è disponibile in Sud Africa, ma necessita di riparazione.

Però, i nostri risultati finora sono incoraggianti.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.