SUPERLEGHE
SUPERLEGHE
Si tratta di una classe di leghe metalliche, specialmente di nichel e di cobalto, che possiedono particolari caratteristiche (di resistenza meccanica, al calore, all'ossidazione), superiori a quelle presentate dalle normali leghe di questi metalli. La loro importanza è notevole poiché si prestano a diverse applicazioni speciali, quali la produzione di componenti chiamati ad assicurare elevate caratteristiche meccaniche a temperature di esercizio notevolmente alte, come s'incontrano per es. in turbine a gas, in veicoli spaziali, in attrezzature nucleari, in particolari impianti chimici, ecc.
L'ottenimento di queste caratteristiche nelle s. avviene spesso a spese di altre che risultano diminuite, ma che sono di minore importanza negli impieghi nei quali ai componenti in superlega si richiedono particolari comportamenti. Così in queste s. si cerca di realizzare elevate resistenze allo scorrimento, alla fatica, all'usura, mentre rivestono minore importanza la durezza e il carico di rottura, in quanto sono meno sensibili alle elevate temperature alle quali le s. devono operare. Se l'introduzione di determinati componenti comporta il miglioramento di alcune caratteristiche, la presenza, anche in piccole percentuali, di altri può provocare peggioramenti; effetti negativi sono provocati dalla presenza, per es., di zolfo (che può essere consentito in quantità estremamente ridotta), di metalli quali bismuto, piombo, antimonio, cadmio, stagno, ecc., tutti da ridurre, se presenti, a percentuali molto basse.
Le caratteristiche di queste s. dipendono largamente dalla loro microstruttura, dalla precipitazione di composti intermetallici e dalla formazione di carburi. Le s. a base di cobalto risultano essenzialmente da una matrice di cobalto col 20% circa di cromo, che contribuisce a migliorare la resistenza all'ossidazione e alla corrosione ad alta temperatura. Il cobalto può essere sostituito anche in larga percentuale (20÷30%) dal nichel, come pure si possono aggiungere tungsteno (10÷15%) e altri elementi capaci, in misura minore, di migliorare singole caratteristiche. Normalmente la matrice di queste s. ha struttura cubica a facce centrate; il suo indurimento si attribuisce ai granuli di carburi che precipitando si dispongono ai bordi dei granuli della matrice, impedendone lo scorrimento alle elevate temperature. Lo stesso vale per la formazione di composti intermetallici. La presenza di nichel stabilizza la struttura della matrice e favorisce la formazione di composti intermetallici che contribuiscono al miglioramento delle caratteristiche meccaniche. L'aggiunta di alluminio ha lo scopo di elevare la resistenza all'ossidazione e partecipa alla formazione di composti intermetallici.
Le s. di nichel sono fra le più importanti del settore e sono state sviluppate per risolvere particolari esigenze delle turbine a gas; nella loro realizzazione si è partiti dalle già note leghe di nichel, introducendo alcuni componenti o variando le percentuali di altri in modo da ottenere valori superiori in alcune caratteristiche richieste dal particolare impiego. I risultati conseguiti sono poi stati trasferiti anche ad altre leghe, e così, con l'introduzione di percentuali più o meno elevate di diversi componenti, in breve si è arrivati a disporre di una serie di s. in grado di presentare in maniera esaltata le caratteristiche richieste da specifici impieghi.
Si hanno anche s. ottenute da modifiche di acciai inossidabili austenitici costituiti da una matrice Ni-Fe con almeno il 25% di nichel (necessari per stabilizzare la fase a faccia cubica centrata), al quale si aggiungono altri elementi, quali cromo e anche alluminio, titanio, niobio, che provvedono alla formazione di composti intermetallici che insieme a carburi e a carboazoturi danno sviluppo alle elevate caratteristiche d'impiego. Nella tabella è indicato il ruolo svolto dai vari elementi introdotti in s. a base di ferro, di cobalto e di nichel.
I maggiori impieghi delle s. si hanno nella costruzione di parti di turbine a gas (camere di combustione, palette, albero, sistema di scarico gas, post-combustori, invertitori di spinta), nelle turbine a vapore (oltre a quanto detto sopra anche nei riscaldatori dei gas di scarico), in motori alternativi (valvole di scarico, sovralimentazione con turbocompressione a gas di scarico), in motori a razzo, nei reattori nucleari per le barre di controllo, nei reattori chimici (scambiatori di calore, sistemi di riscaldamento, ecc.). L'importanza delle s. in queste applicazioni deriva dalla loro capacità di conservare le particolari caratteristiche ricordate fino a temperature dell'ordine dell'80% della loro temperatura di fusione, valore nettamente superiore a quello al quale si possono sfruttare le caratteristiche di qualsiasi altra lega. Altro fattore importante di queste s. è la possibilità di foggiarle per lavorazione plastica e anche col sistema delle polveri (v. metallurgia, App. II, ii, p. 300).
Le polveri necessarie si possono ottenere polverizzando un lingotto fuso (in forno a induzione o in ambiente di gas inerte, o in un plasma di argon), spinto attraverso un orifizio da una corrente di gas ad alta pressione, che espandendosi frantuma il getto fuso in tante goccioline che solidificano in granuli di piccolo diametro, variabile in funzione della velocità e pressione del gas, della viscosità del materiale fuso. Si può anche saturare il metallo fuso con un gas (idrogeno) che viene poi lasciato espandere bruscamente raffreddando le goccioline fuse. Altrimenti si può frantumare la massa della lega fusa per centrifugazione in ambiente a pressione ridotta. In tutti questi casi si ottengono, a seconda delle condizioni di operazione, granuli dell'ordine di 10÷100 μm che vengono poi consolidati in presse isostatiche, a caldo, o anche a pressione atmosferica, sempre a caldo. Il sistema di formazione dalle polveri consente anche di addizionare e disperdere nelle leghe piccole quantità di ossidi che agiscono incrementando le caratteristiche meccaniche delle superleghe. Si usano di solito aggiunte di 0,5-1%, in volume, di ossido di yttrio, Y2O3, che vengono disperse omogeneamente nella massa entro mulini a palle; la massa omogeneizzata viene poi compressa e foggiata nei soliti modi. Le particelle di ossidi impediscono lo scorrimento delle dislocazioni. Queste dispersioni di ossidi si operano in leghe di nichel-(ferro)-cromo-molibdeno che si usano per parti speciali destinate a operare ad alta temperatura, dell'ordine dei 1100°C e più, in ambienti corrosivi (palette di turbine a gas di aerei). Con la tecnologia delle polveri foggiate in presse isostatiche a caldo, o anche per estrusione, si preparano parti in s. a base di cobalto, con cromo, tungsteno, carbonio, a elevata resistenza all'usura. Sono in fase di studio, ma non ancora di applicazione pratica, anche altre s. con strutture particolari (struttura policristallina ottenuta per raffreddamento controllato di masse fuse, struttura a monocristalli, a cristallizzazione direzionale) dotate di ulteriori proprietà.
Un problema associato all'impiego di queste s., che presentano un costo elevato, è rappresentato dal recupero degli sfridi delle lavorazioni, dei pezzi difettosi non utilizzabili e di parti di rottami. Alcuni di questi scarti possono ritornare in ciclo direttamente per formare gli stessi prodotti, altri invece possono essere utilizzati solo per recuperare gli elementi di maggior pregio in altre produzioni. Il riciclaggio comporta sempre lunghe e costose operazioni. In questi ultimi anni negli Stati Uniti, maggior produttore e utilizzatore di queste s., sono state lavorate 25.000 t di rottame: il 70% è stato utilizzato direttamente per formare gli stessi prodotti, il 20% è stato utilizzato per prodotti di minor valore, e il restante 10% è stato destinato al recupero di alcuni dei metalli componenti.
Bibl.: G.W. Meetham, High-temperature materials, in Ullman's Encyclopedia of industrial chemistry, 13, Weinheim 1989; N.S. Stoloff, Wrought and P/M superalloys, in Metals Handbook, 1, Materials Park (Ohio) 1990.