Titanio vs alluminio per parti aerospaziali e mediche: come scegliere

Titanio vs alluminio per parti aerospaziali e mediche: come scegliere

Ti-6Al-4V ha 4.43 g/cm³ e dà 895–930 MPa di trazione; 6061-T6 ha 2.70 g/cm³ e dà 310 MPa.
Dividete per la densità e la classifica cambia: Ti-6Al-4V raggiunge 202.0–209.9 MPa per g/cm³, 7075-T6
raggiunge 203.6 e 6061-T6 raggiunge 114.8. Questa è l'intera decisione in una riga — l'alluminio 7075-T6
regge lo stesso carico per unità di peso del Ti-6Al-4V, con il 40% del costo del materiale in titanio.
Quindi la domanda non è mai «qual materiale è più resistente». È «questo pezzo ha bisogno della resistenza
del titanio e del suo comportamento a corrosione o alla biocompatibilità, oppure solo della resistenza?»

Dove il titanio è davvero la scelta giusta

Partite dalla condizione di impiego, non dall'elenco dei materiali. Il titanio si guadagna il suo posto
quando è l'ambiente di servizio a dirlo.

Due righe «Sì», tre righe «Forse» e tre righe «No». Chi sceglie il titanio deve far rientrare il pezzo in
una delle due righe «Sì», oppure sostenere tecnicamente una riga «Forse». Tutto il resto è il premio pagato
per una proprietà che il pezzo non usa.

Resistenza, densità e resistenza specifica

Leggete con attenzione la riga della durezza: Grade 2 a 200–275 HB e Ti-6Al-4V a 33–36 HRC non sono sulla
stessa scala, quindi non confrontateli direttamente. Conta il contrasto con l'alluminio — 6061-T6 a 95 HB e
7075-T6 a 150 HB sono le due opzioni più lavorabili della tabella, ed è da lì che nasce gran parte del costo
del titanio.

È la colonna della resistenza specifica a risolvere la maggior parte delle discussioni:

7075-T6 e Ti-6Al-4V rientrano entro l'1% l'uno dell'altro per unità di peso. 2024-T4 è la scelta
dell'alluminio quando conta la resistenza a fatica — 20% di allungamento e 469 MPa — ed è il grado impiegato
nei rivestimenti e nelle strutture alari degli aeroplani, ed è per questo che compare nei disegni
aerospaziali accanto al titanio. Grade 2 a 61.0 è lontanissimo da entrambi; il suo caso è la corrosione e la
biocompatibilità, non la resistenza.

Grade 2 o Ti-6Al-4V

La regola è breve: resistenza alla corrosione senza alta resistenza significa Grade 2; alta resistenza con
basso peso significa Ti-6Al-4V. Una trappola da nominare — lo snervamento di Grade 2 arriva a soli
275 MPa, più basso di quello di 6061-T6. Specificare Grade 2 per un pezzo strutturale molto caricato è un
declassamento, non un miglioramento.

Che cosa cambia il titanio sulla macchina

Il titanio non è un materiale costoso da lavorare come l'alluminio. È un processo diverso con regole
diverse, e sono proprio le regole a determinare il costo.

Quattro regole decidono se un pezzo in titanio riesce o diventa scarto:

• Bassa velocità di taglio. Grade 2 va a 30–60 m/min e Ti-6Al-4V a 20–45 m/min. Andare più veloce
  brucia solo l'utensile, senza tagliare più velocemente.
• Il refrigerante a getto è obbligatorio. Il titanio ha una scarsa conducibilità termica, quindi il
  calore resta sul tagliente. Senza refrigerante a getto la vita dell'utensile scende a pochi minuti.
• Sostituire l'utensile al primo segno di usura. Il titanio si incroudisce. Un utensile spuntato lascia
  uno strato superficiale incrudito che rovina anche l'utensile successivo. Le frese con rivestimento TiAlN
  o al diamante durano 3–5 volte di più.
• Trucioli sottili, più passate leggere. Tenete piccola la profondità di taglio radiale, perché i
  trucioli spessi generano troppo calore.

E c'è una regola di sicurezza che per l'alluminio non ha equivalente: non usate mai olio da taglio. I
trucioli fini di titanio possono prendere fuoco, e un incendio di titanio brucia a 3000°C+ — non può essere
spento con l'acqua perché brucia più forte. Usate refrigerante a getto a base acquosa e tenete la macchina
libera dai trucioli.

Finiture superficiali: cosa funziona su cosa

Due note pratiche. Prima, l'anodizzazione aggiunge 10–25 µm per superficie, quindi su una quota stretta il
pezzo va fuori misura dopo il rivestimento — lavorate sotto misura di metà dello spessore dell'anodizzazione
prima che il pezzo esca. Seconda, l'anodizzazione del titanio è un'elettrochimica diversa da quella
dell'alluminio anche quando entrambe sono chiamate Type II; un fornitore che ha gestito solo linee per
alluminio non è automaticamente qualificato per una superficie in titanio.

Dove gli acquirenti sovraspecificano il titanio, e quanto costa

La struttura dei costi dietro la prima riga vale la pena esplicitare, perché è ciò che l'acquirente paga
davvero: la materia prima in titanio costa 5–10 volte più dell'alluminio e 3–5 volte più dell'inox, la
lavorazione costa 2–3 volte più dell'acciaio, e un prototipo va fatto prima in alluminio o in acciaio.

Che cosa scrivere sul disegno

1. Il grado e la condizione insieme — Ti-6Al-4V o Grade 2, e se è ricotto, solubilizzato o
   invecchiato. «Titanio» da solo lascia aperta la resistenza.
2. L'ambiente — acqua salata, contatto con il corpo, spray chimici. Se nessuno di questi si applica,
   ditelo sul disegno; è il modo più rapido per giustificare un'alternativa in alluminio.
3. Il carico e la sua direzione — se il pezzo non è caricato oltre 503 MPa, l'alluminio 7075-T6 lo
   copre.
4. La finitura — anodizzazione Type II, PVD o materiale grezzo, fissata prima che il pezzo venga
   quotato, perché l'anodizzazione modifica le dimensioni.
5. Il percorso del prototipo — se il pezzo è ancora in sviluppo, lavorate il primo esemplare in
   6061-T6 e passate al titanio solo quando il progetto è congelato.