Scheda tecnica del titanio Grade 23 (Ti-6Al-4V ELI): proprietà, UNS e norme

Il titanio Grade 23 è Ti-6Al-4V ELI, la versione a bassissimo contenuto di elementi interstiziali della lega Ti-6Al-4V. ELI significa che la colata rispetta limiti di ossigeno e ferro più restrittivi rispetto a Grade 5 e, secondo la serie ASTM B, anche un limite di azoto più restrittivo. Questi elementi interstiziali rendono Ti-6Al-4V sensibile all'intaglio, quindi ridurli aumenta la tenacità a frattura, la tolleranza al danno e la duttilità mantenuta a temperature criogeniche, a fronte di una resistenza a trazione minima inferiore di circa il 7 per cento.

Composizione chimica del titanio Grade 23

Grade 23 e Grade 5 appartengono allo stesso sistema di lega. Alluminio e vanadio variano pochissimo; cambiano i limiti massimi di elementi interstiziali e ferro. I limiti seguenti riguardano l'analisi di colata della tabella 1 di ASTM B348, ripresa da B265, B381 e B863, con Grade 5 e F136 a confronto.

Tre righe racchiudono quasi tutta la differenza ingegneristica: l'ossigeno scende da 0.20 a 0.13 per cento massimo, il ferro da 0.40 a 0.25, l'azoto da 0.05 a 0.03. L'ossigeno è un elemento di rafforzamento economico, ma irrigidisce la fase alfa e rende la lega sensibile all'intaglio, quindi ogni riduzione sacrifica resistenza a favore della tenacità. Il ferro si concentra nella fase beta e favorisce la segregazione, perciò l'ELI ne riduce anche il contenuto.

La maggior parte delle schede tecniche pubblicate sul Grade 23 trascura due dettagli. La serie B industriale limita l'azoto più della norma per impianti, 0.03 contro 0.05 per cento, quindi F136 non è uniformemente più restrittiva di B348. Inoltre F136 aggiunge un limite specifico di ittrio pari a 0.005 per cento, mentre la serie B include l'ittrio soltanto nel limite dei residui di 0.1 per cento per elemento; l'ittrio proveniente dal refrattario del crogiolo costituisce un problema di pulizia del materiale per impianti.

Proprietà meccaniche del titanio Grade 23

Minimi di specifica per materiale ricotto, non valori tipici. La colonna ASTM F136 si applica a barre e pezzi forgiati con dimensione di sezione da 4,75 mm fino a 44,45 mm esclusi. Al di sopra di tale dimensione di sezione, F136 scende a 825 MPa (120 ksi) di resistenza a trazione, 760 MPa (110 ksi) di carico di snervamento, 8 per cento di allungamento e una strizione di 20 o 15 per cento in funzione della fascia dimensionale; un ordine F136 deve quindi indicare la dimensione di sezione prima di definire i valori di accettazione.

ASTM B265 per lamiere sottili, nastri e lamiere spesse prevede gli stessi minimi di 828 e 759 MPa per Grade 23, e 895 e 828 per Grade 5, con 10 per cento di allungamento e nessun requisito di strizione.

Osservare la riga della strizione. B348 accetta 15 per cento per le barre Grade 23 allo stato ricotto, mentre richiede 25 per cento per Grade 5, e la stessa B348 richiede 25 per cento per Grade 23 allo stato beta trasformato; B381 richiede 25 per cento per i pezzi forgiati Grade F-23. Un disegno che richiama Grade 23 e richiede separatamente 25 per cento di strizione chiede più di quanto garantito dalle barre B348, e questo va definito in fase d'ordine, non di controllo. B348 limita inoltre queste proprietà alle sezioni longitudinali fino a 76 mm di spessore e 64,5 cm2 di sezione trasversale.

Tenacità a frattura, fatica e duttilità a bassa temperatura

Questo è il motivo per cui esiste l'ELI, e nessuna tabella di specifica lo mostra: nessuna tra B348, B265, B381 o F136 prevede la tenacità a frattura come requisito di accettazione. Considerarla un comportamento del materiale, non un valore certificato.

ATI e Carpenter dichiarano entrambe che il grado ELI ha una maggiore tolleranza al danno, intesa come tenacità a frattura e velocità di propagazione delle cricche di fatica, oltre a migliori proprietà criogeniche. Carpenter aggiunge che la tenacità aumenta con strutture alfa più beta lamellari e più grossolane, quindi Grade 23 ricotto in campo beta supera quello ricotto in stabilimento a parità di composizione chimica. ATI osserva che le saldature ELI superano quelle del grado standard per duttilità, resistenza all'urto e tenacità.

I valori tipici pubblicati di tenacità a frattura in deformazione piana collocano Grade 23 intorno a 75 a 90 MPa·m^0.5 contro circa 55 a 75 per Grade 5. Sono intervalli di letteratura, non minimi di specifica: la tenacità varia con microstruttura, forma e orientamento e non viene certificata salvo acquisto come requisito supplementare.

Carpenter pubblica limiti di fatica assiale per Ti-6Al-4V ELI ricotto, con rapporto di sollecitazione da 0.06 a 0.1, di 400 a 700 MPa (60 a 100 ksi) senza intaglio e 140 a 270 MPa (20 a 40 ksi) con intaglio e fattore di concentrazione delle tensioni pari a 3. L'intervallo è ampio perché la fatica ad alto numero di cicli dipende dalla microstruttura e dalla condizione superficiale: la finitura superficiale e l'assenza di alpha case determinano la vita a fatica quanto il grado riportato sul certificato.

A bassa temperatura l'effetto degli elementi interstiziali diventa inequivocabile. Grade 5 perde duttilità al diminuire della temperatura, perché la fase alfa rafforzata dall'ossigeno ostacola lo scorrimento. Grade 23 mantiene un allungamento utilizzabile fino alla temperatura dell'idrogeno liquido: ricerche pubblicate sull'ELI con ossigeno vicino a 0,10 per cento riportano un carico di snervamento intorno a 1600 MPa e un allungamento a rottura fino a 12 per cento a 20 K. Le specifiche per recipienti e componenti criogenici tendono quindi a richiedere ELI anziché Grade 5, anche se il grado applicabile è stabilito dalla norma di riferimento e dall'ordine d'acquisto, non da una regola generale.

Proprietà fisiche del titanio Grade 23

Le proprietà fisiche sono sostanzialmente invariate rispetto a Grade 5. Dati tipici pubblicati a temperatura ambiente.

Per approfondire: Il titanio è magnetico? presenta i valori di permeabilità per grado e spiega perché ASTM B265 e B348 non li verificano.

Due di queste proprietà guidano le decisioni in officina. La conducibilità termica vicina a 6,7 W/m·K è circa un settimo di quella dell'acciaio al carbonio, quindi il calore di taglio rimane nell'utensile anziché nel truciolo. Il transus beta vicino a 975 C definisce il limite superiore della ricottura: superandolo si perde la struttura equiassica.

Quale numero UNS si applica a Grade 23, R56407 o R56401?

Entrambi sono corretti. Quello da riportare sul certificato dipende dalla norma secondo cui è stato ordinato il materiale, non dalla dicitura Grade 23. Questo è l'errore documentale più comune negli acquisti di ELI, e diverse schede tecniche Grade 23 ampiamente citate riportano comunque R56401.

La regola è semplice. Ogni specifica industriale della serie ASTM B designa Grade 23 come UNS R56407. Solo ASTM F136, la specifica per impianti chirurgici, riporta R56401, e questo numero compare nel titolo.

Il campo di applicazione pubblicato di ASTM B348 riporta testualmente Grade 23, UNS R56407, lega di titanio, 6 per cento di alluminio, 4 per cento di vanadio con contenuto bassissimo di elementi interstiziali, ELI. B265 e B863 utilizzano una formulazione identica; B381 utilizza Grade F-23, UNS R56407. ASTM F136 è intitolata Specifica standard per la lega di titanio-6alluminio-4vanadio ELI lavorata per deformazione plastica per applicazioni di impianti chirurgici, UNS R56401. L'International Titanium Association e ATI pubblicano entrambe l'ELI con R56407.

Perché conta commercialmente: se il disegno richiede ASTM B348 Grade 23 e il certificato riporta R56401, il certificato non corrisponde alla specifica ordinata e il controllore al ricevimento può respingerlo. Accade anche il contrario, con materiale per impianti F136 certificato R56407 e il sistema qualità dei dispositivi che segnala una lacuna di tracciabilità. I numeri non sono intercambiabili, perché i requisiti di accettazione differiscono: F136 aggiunge un limite di ittrio, consente più azoto e applica i propri requisiti di prodotto.

Regola per gli acquirenti: indicare prima la norma e far seguire l'UNS corrispondente. Se un'offerta indica Grade 23 secondo ASTM B348 ma riporta R56401, il numero di F136, definire quale comparirà sul certificato prima dell'assegnazione della colata.

Norme e forme di prodotto

Grade 23 è contemplato nell'intera gamma di prodotti dello stabilimento produttore. La specifica applicabile dipende dalla forma di prodotto, e l'UNS la segue.

I dettagli di accettazione per forma sono riportati nella nostra guida alle barre e billette ASTM B348 e Guida alle lamiere sottili e alle lamiere spesse ASTM B265. Vedere anche barra in titanio Ti-6Al-4V ELI.

Grade 23 rispetto a Grade 5: quando il costo aggiuntivo dell'ELI è giustificato

Grade 5 è la scelta predefinita corretta. È più diffusamente disponibile a magazzino e presenta una resistenza a trazione minima di 895 MPa contro 828, quindi su un pezzo caricato staticamente e dimensionato in base al carico di snervamento il grado ELI costa di più e offre meno resistenza per chilogrammo.

Grade 23 giustifica il costo aggiuntivo quando il modo di cedimento è una cricca anziché un livello di sollecitazione: pezzi critici rispetto alla frattura in cui un difetto deve essere tollerato anziché evitato, pezzi sollecitati a fatica vicino al limite di resistenza a fatica, assemblaggi saldati in cui è determinante la duttilità della saldatura, servizio criogenico e materiale per impianti. Il costo risiede nel ciclo di fusione, non nel contenuto di elementi di lega: un limite massimo di ossigeno di 0,13 per cento richiede materie prime selezionate e, nella normale pratica industriale, rifusioni multiple ad arco sotto vuoto, restringendo le possibilità di certificazione di ogni colata.

La scelta viene esaminata caso per caso nel nostro confronto tra titanio Grade 5 e Grade 23. Per una richiesta di offerta che confronta ancora Grade 2, Grade 5 e i gradi resistenti alla corrosione in forma di barra, utilizzare la guida alla selezione del grado delle barre di titanio.

Applicazioni

Impianti chirurgici. Ti-6Al-4V ELI secondo ASTM F136 e ISO 5832-3 è la lega di riferimento per impianti permanenti portanti: steli per anca e ginocchio, barre spinali e viti peduncolari, placche per traumatologia, viti ossee, componenti dentali. La biocompatibilità deriva dal film passivo di biossido di titanio che si riforma istantaneamente in aria o nei fluidi corporei, consentendo alla lega di tollerare l'ambiente chimico delle soluzioni saline contenenti cloruri. La fatica è la seconda ragione, poiché un impianto viene caricato ciclicamente per milioni di cicli. Beiyu fornisce prodotti dello stabilimento produttore in questo grado, barre, lamiere spesse, filo e pezzi forgiati, che i produttori di impianti lavorano meccanicamente e convalidano come dispositivi. Non produciamo impianti finiti. I dettagli sono nella nostra guida alle norme del titanio per uso medicale e la barra ELI ASTM F136 pagina.

Servizio criogenico. Recipienti criogenici, componenti per idrogeno liquido e ossigeno liquido e strutture della parte fredda dei banchi di prova, dove il mantenimento della duttilità al di sotto di meno 196 C guida la selezione.

Pezzi critici rispetto alla frattura e sollecitati a fatica. Componenti di cellule aeronautiche e aeromobili ad ala rotante progettati per tollerare il danno, componenti sottomarini, sezioni di recipienti a pressione e qualsiasi pezzo progettato secondo il criterio della tolleranza al danno anziché della vita sicura, dove il valore ammissibile è definito dalla propagazione delle cricche anziché dallo snervamento.

Come specificare il titanio Grade 23 in un ordine

La maggior parte delle controversie in questo ambito riguarda la documentazione. Una voce d'ordine priva di ambiguità riporta:

1. Norma e grado insieme, per esempio ASTM B348 Grade 23, oppure ASTM F136. Mai soltanto Grade 23.
2. Il numero UNS corrispondente a quella norma, R56407 per la serie B e R56401 per F136, affinché il certificato sia verificabile al ricevimento.
3. Forma, dimensioni e classe di tolleranza, oltre all'indicazione della ricottura in stabilimento o in campo beta quando la tenacità è determinante.
4. Stato superficiale, poiché la rimozione dell'alpha case determina la vita a fatica.
5. Qualsiasi requisito oltre la norma, come una strizione superiore al minimo B348, una classe di controllo a ultrasuoni o una prova di tenacità o fatica, da indicare come requisito supplementare nella richiesta di offerta.
6. Certificazione richiesta, compreso il numero di colata riportato.

Beiyu Titanium fornisce semilavorati Grade 23 secondo specifiche ASTM. Quando sono richieste documentazione EN 10204 3.1 e tracciabilità della colata o del lotto, indicare nella richiesta di offerta i risultati richiesti e i campi di tracciabilità. Inviare il disegno o la voce di specifica e Beiyu confermerà nell'offerta il grado, la norma, la designazione UNS e l'ambito della documentazione.

Domande frequenti

Il titanio Grade 23 è più resistente di Grade 5?

No, non in termini di resistenza statica. Grade 5 ha minimi di specifica superiori, 895 MPa di resistenza a trazione e 828 MPa di carico di snervamento, contro 828 e 759 per Grade 23 nella stessa forma di barra ricotta. Grade 23 è più tenace, non più resistente: resiste meglio all'innesco e alla propagazione delle cricche, mantiene la duttilità a temperatura criogenica e offre prestazioni migliori a fatica e nelle saldature.

Le barre ASTM B348 Grade 23 possono essere utilizzate per produrre impianti?

Non come sostituto di ASTM F136. Le composizioni chimiche si sovrappongono ampiamente, ma F136 è la norma riconosciuta dai sistemi qualità dei dispositivi medici e dagli enti regolatori per il materiale per impianti, e ha un proprio numero UNS, R56401, oltre a un limite di ittrio e a requisiti di prodotto propri. B348 Grade 23 è industriale e ordinarlo per un impianto crea una lacuna di tracciabilità che emerge durante un audit del dispositivo.

Perché il titanio Grade 23 costa più di Grade 5?

Il costo risiede nella fusione, non nel contenuto di elementi di lega. Mantenere l'ossigeno a un massimo di 0,13 per cento e il ferro a 0,25 per cento richiede materie prime selezionate e rifusioni multiple ad arco sotto vuoto, e restringe l'intervallo entro cui una colata può essere certificata, perciò una quota maggiore di ogni fusione non risulta idonea. Il sovrapprezzo varia con la forma, il volume e il pacchetto di certificazione.

Il titanio Grade 23 contiene nichel?

No. Il nichel non è un elemento di lega del Ti-6Al-4V ELI. La composizione è titanio con 5.5 a 6.5 per cento di alluminio e 3.5 a 4.5 per cento di vanadio, oltre a elementi interstiziali e ferro controllati. Il nichel non viene aggiunto intenzionalmente, ma come qualsiasi elemento residuo può essere presente in tracce, controllate dal limite dei residui di 0.1 per cento per elemento e 0.4 per cento totale. L'idoneità di un determinato materiale per un paziente sensibile al nichel è una decisione del produttore del dispositivo e del medico sulla base del certificato del materiale, non qualcosa che il solo grado possa stabilire.

Per vedere chi altro pubblica questo materiale e cosa dichiara ciascuno, consultare Fornitori di barra in titanio Grade 23: confronto tra cinque pagine aziendali.

Dettagli delle specifiche con fonti

La documentazione per impianti Ti-6Al-4V ELI segue due documenti paralleli, i cui valori di accettazione non sono identici. ISO 5832-3, la norma per impianti in Ti-6Al-4V lavorato plasticamente, indica una resistenza a trazione minima di 860 MPa, un carico di scostamento dalla proporzionalità allo 0,2 per cento di 780 MPa e un allungamento di 10 per cento, valori vicini ma non uguali ai ASTM F136 valori delle barre nella tabella sopra. Una colata certificata soltanto secondo ISO 5832-3 non soddisfa quindi automaticamente un ordine d'acquisto F136, perché ogni documento prevede campionamento e rendicontazione secondo le proprie clausole; un fascicolo del dispositivo che li cita entrambi richiede la base di accettazione indicata riga per riga.

Per acquisti aerospaziali anziché per impianti, la stessa composizione chimica ELI viene ordinata secondo SAE AMS 4930, che riguarda barre, filo, pezzi forgiati e anelli in Ti-6Al-4V ELI allo stato ricotto, oppure AMS 4931, la versione con ricottura duplex utilizzata per componenti critici rispetto alla frattura. La verifica dei contenuti dichiarati di interstiziali su qualsiasi certificato si basa sui metodi analitici: ASTM E1409 riguarda la determinazione di ossigeno e azoto nel titanio mediante fusione in gas inerte, e ASTM E1447 riguarda l'idrogeno mediante fusione in gas inerte con conducibilità termica. Citare nell'ordine queste norme di metodo collega la tecnica di laboratorio ai limiti certificati.