Superleghe

 

Benché di impiego più limitato rispetto alle superleghe a base nichel o nichel-ferro, le superleghe a base cobalto ricoprono un importante ruolo nell’industria delle turbine a gas. Esse presentano infatti resistenza meccanica superiore alle temperature più elevate, maggiore resistenza alla corrosione (alle alte temperature e in presenza di solfuri), maggiore resistenza alla fatica termica e migliore saldabilità rispetto alle superleghe a base nichel.

 

Il principale elemento di lega è costituito dal cromo, presente in tenore compreso tra il 20 e il 30% peso: esso conferisce soprattutto un’elevata resistenza alla corrosione, e in misura minore un indurimento per soluzione solida.

 

Il principale meccanismo di indurimento è la precipitazione di carburi (cubici, incoerenti rispetto alla matrice), sfruttata anche per il controllo della dimensione dei grani. Non si tratta di carburi di Co, bensì di carburi di altri elementi di lega, soprattutto del tipo M23C6, in seguito alla presenza di Cr, Mo e W. Un esempio ne è il carburo Cr17Co4W2C6.

Ti, Zr,Ta, Nb e Hf generano invece carburi di tipo MC.

Carburi di tipo M7C3 possono decomporsi (via trattamento termico) in una fine dispersione di M23C6 secondo lo schema

 

            23 Cr7C3 = 7 Cr23C6 + 27 C

           

6 C + 23 Cr = Cr23C6

 

In generale la struttura finale che si mira ad ottenere è una fine dispersione di carburi all’interno della matrice di Co, tale da conferire la migliore resistenza a creep. I trattamenti termici sono generalmente complessi; il più semplice consiste nella precipitazione di M23C6 per invecchiamento ad una temperatura compresa tra 700 e 870°C.

 

La similitudine tra la matrice di Ni e quella di Co potrebbe suggerire anche per quest’ultimo un meccanismo di indurimento per formazione di fasi intermetalliche γ’ analoghe a Ni3(Al, Ti). Ciò però non avviene in quanto l’esistenza di un intermetallico Co3Al è negata dal diagramma di stato Co-Al, mentre l’intermetallico Co3Ti scompare già alla temperatura di 760°C.

L’assenza di fase γ’ giustifica le inferiori caratteristiche delle superleghe base Co rispetto a quelle base Ni fino alla temperatura a cui γ’ inizia a scomparire (circa 900°C); al di sopra infatti la maggiore stabilità dei carburi in matrice di Co rende queste superleghe concorrenziali o addirittura migliori (vedi grafico seguente).

 

 

 

Altri intermetallici Co-Cr-(Ni,Mo,W) (detti TCP, topologically close packed) sono le fasi σ, μ e di Laves, che si presentano quando sono superati i limiti di solubilità degli elementi di lega. Sono da evitare in quanto fragili e possibili iniziatori di cricche.

 

Effetto di indurimento per soluzione solida hanno le alligazioni con W, Ta, Nb e Mo.

 

La presenza di nichel ha come scopo principale quello di stabilizzare la struttura fcc.

 

A questo punto si riportano a titolo di esempio le composizioni e le caratteristiche meccaniche di alcune tra le più diffuse superleghe a base Co.

 

 

Lega

Cr

W

C

Fe (max)

Ni

Si

Mn

altro

Co

Haynes 25 (L605)

20

15

0.10

3

10

1

1.5

 

resto

Haynes 188

22

14

0.10

3

22

0.35

1.25

0.05 La

resto

MAR-M 509

22.5

7

0.60

1.5

10

0.4

0.1

3.5 Ta

0.2 Ti

0.5 Zr

resto

 

 

 

Haynes 25 (L605)

Haynes 188

MAR-M 509

Resistenza a snervamento a 21°C [MPa]

445

464

585

Resistenza a snervamento a 540°C [MPa]

 

305

400

Resistenza a rottura a 21°C [MPa]

970

945

780

Resistenza a rottura a 540°C [MPa]

800

740

570

Tensione a rottura dopo 1000h a 870°C [MPa]

75

70

140

Tensione a rottura dopo 1000h a 980°C [MPa]

30

30

90

 

 

Haynes 25,

200x
 

 

 

 

Haynes 188, 200x
 
 

 

MAR M-509, 400x
 

 

 

 

 

 

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