Le sfide dei materiali: le superleghe

Vengono considerate fra i materiali più difficili da lavorare, ma hanno caratteristiche “super”. Sono le superleghe, gioie e dolori del progettista.

L’insaziabile voglia dell’uomo di “guardare avanti”, porsi sempre più ambiziosi obiettivi, spinge il mercato e, con esso, la ricerca: nuovi prodotti, ma anche nuove tecnologie produttive e nuovi materiali. “Il progresso spinge il progresso” sostengono alcuni, ed ecco che materiali sempre più performanti, rispondenti a esigenze anche gravose, sono oggi disponibili. Fra questi, le superleghe, note come HRSA (Heat Resistant Super Alloys), che sono classificate come appartenenti alla famiglia dei materiali ISO S.

Le superleghe vengono ampiamente utilizzate in campo aeronautico e aerospaziale, ma anche in tutti i comparti dove è fondamentale la resistenza al calore, permettendo un notevole miglioramento delle prestazioni, superando limiti un tempo ritenuti invalicabili, e sembrano rappresentare il giusto compromesso fra proprietà meccaniche ad alta e bassa temperatura, resistenza a fatica meccanica e termica, resistenza al creep, all’ossidazione e alla corrosione.

Quando l’impiego è di tipo strutturale, la maggior parte delle superleghe può avere una temperatura di esercizio di 1000 °C, mentre, se non devono essere sopportati carichi, la temperatura cui sono sottoposti i componenti può arrivare a 1200 °C.

Identificati in genere con il loro nome commerciale, questi materiali sono riconducibili principalmente a tre macro famiglie, in funzione dell’elemento con tenore più elevato:
• superleghe base nichel
• superleghe base ferro
• superleghe base cobalto

Generalmente, le leghe a base nichel vengono impiegate alle temperature più alte, seguite quelle a base cobalto e da quelle a base ferro.

Le proprietà fisiche e il comportamento nella lavorazione delle diverse leghe varia considerevolmente, sia a causa della natura chimica della lega che del relativo trattamento metallurgico seguito durante il processo produttivo.

Superleghe: genesi ed evoluzione

Poco prima dell’inizio della Seconda Guerra Mondiale inizia a diffondersi la propulsione aeronautica a reazione che evidenzia lo stretto legame fra le prestazioni della turbina e la temperatura massima del ciclo termodinamico. Proprio la temperatura è l’aspetto critico, dato il legame con la resistenza dei materiali disponibili. Nasce e si sviluppa lo studio di materiali in grado di rispondere a queste nuove esigenze. Di fatto il termine superlega inizia a diffondersi alla fine della Seconda Guerra Mondiale, e designa un gruppo di leghe specificatamente studiate e messe a punto per impieghi nei turbocompressori e nelle turbine dei motori aerei, caratterizzate da alte prestazioni a elevate temperature, per periodi di tempo prolungati. In realtà, già nei primi anni del Novecento erano state sviluppate particolari leghe base nichel utilizzate negli elementi di riscaldo delle fornaci, costituiti da resistenze elettriche, ma il termine “superlega”, non era ancora di dominio pubblico; a cavallo fra gli anni ‘20 e gli anni ’30, a questi materiali vengono aggiunti piccoli tenori di alluminio e titanio, in modo da contenerne lo scorrimento viscoso alle alte temperature.

Lo sviluppo delle moderne superleghe è certamente legato all’evoluzione del settore aerospaziale, ma un forte impulso nasce dalla necessità, oggi sentita in più comparti, di far lavorare un componente in ambiente aggressivo e ad alta temperatura: qui, le leghe più tradizionali mostrano i loro limiti. Negli anni si è resa indispensabile la ricerca di nuovi materiali capaci di mantenere l’integrità chimico-fisica e le caratteristiche meccaniche, anche in condizioni estreme.

E’ opinione condivisa che se la scienza dei materiali non avesse messo a punto materiali come le superleghe, se non continuasse ad esserci una loro evoluzione, non si sarebbero mai raggiunti i traguardi che contraddistinguono la moderna industria aerospaziale.