Le superleghe: che cosa sono e quali limiti hanno raggiunto

Che cosa sono le superleghe

Le superleghe sono materiali sviluppati per impieghi strutturali ad alta temperatura, resistenti al fenomeno dello scorrimento a caldo (creep).

Il fenomeno del creep interessa tutti i materiali metallici esposti oltre 30÷40%, la temperatura di fusione Tm che, se sottoposti a sollecitazione meccanica persistente, si deformano progressivamente e dopo un certo tempo si rompono.

I parametri che regolano il fenomeno del creep

La resistenza a creep è generalmente espressa con il parametro di Larson-Miller,

P_LM(σ) = T•[20+log₁₀(t_R)],

che permette di definire su base sperimentale la sollecitazione ammessa σ in funzione della temperatura di impiego T [K] e della longevità t_R [ore] che si intende garantire.

Resistenza statica Rm e resistenza a creep P_LM congiuntamente determinano i riferimenti limiti per il progetto, così come mostrato nell’esempio riportato nelle figure 1 e 2, relativo alla superlega A286, uno dei primissimi materiali utilizzati per le turbine aeronautiche. 

Le superleghe possono essere a base nichel, a base ferro o a base cobalto. Le più importanti e numerose sono le superleghe a base nichel, in esse la resistenza è conferita da molteplici elementi di lega (si veda la tabella I), per soluzione solida e soprattutto per precipitazione, ottenuta con trattamento termico, del composto intermetallico Ni₃Al (γ’), avente struttura cubica a facce centrate così come la matrice.

Come vengono designate le superleghe

Le superleghe vengono designate con il marchio registrato dell’impresa detentrice del brevetto, seguito da un numero/codice che individua la specifica composizione. I principali marchi storici sono:

Nimonic, Nimocast => Wiggin Alloys; Inconel, Inco, IN => International Nickel; Udimet => Special Metals;

Renè => General Electric;

PWA, Waspaloy => Pratt & Whitney; Hastelloy, Haynes, HS => Haynes Stellite; Mar M => Martin Marietta;

CM => Cannon Maskegon.

L'evoluzione delle superleghe

Introduzione e sviluppo delle superleghe sono avvenuti pressoché in simbiosi con la propulsione aeronautica a reazione (primi voli nel 1939, 1941), perché le prestazioni di una turbina sono correlate con la massima temperatura del ciclo termodinamico, funzione della temperatura consentita dalla resistenza dei materiali disponibili per realizzare le pale rotore.

In 80 anni le superleghe hanno incrementato il limite di temperatura ammesso di ~ 400 K, raggiungendo un livello pari a 80% la temperatura Tm del nichel. Il percorso dello sviluppo è riportato nel diagramma di fig. 3, costruito sulla falsariga di quello riportato da Roger C. Reed nel suo libro The Superalloys.

Le discontinuità nella linea evolutiva sono dovute al fatto che, oltre un certo limite di resistenza, la lavorazione plastica a caldo diventa difficile, quindi è necessario il ricorso alla fusione a cera persa; inoltre la resistenza al creep è legata alla granulometria del materiale a livello cristallino, da cui le ricerche condotte con successo per fondere componenti costituiti da grani estesi in direzione parallela alla sollecitazione (DS), infine la messa a punto della tecnologia per fondere componenti costituiti da un singolo cristallo (SC).

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Si ringrazia l'Ordine degli Ingegneri di Torino per la gentile collaborazione