Il trattamento termico della lega di titanio Ti6Al4V

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Ti6Al4V, o Grado 5 secondo la designazione ASTM, è la lega più usata tra quelle di titanio, arrivando a coprire circa il 50% dell’intera produzione di questo metallo; l’industria aerospaziale ne impiega più dell’80%, il settore delle protesi circa il 3%, il resto è diviso tra industria automobilistica e produzione di attrezzature sportive. La versione a basso contenuto di elementi, Ti6Al4V ELI, trova impiego anche nelle applicazioni a temperature criogeniche.

L’areo da ricognizione Lockheed SR-71, meglio conosciuto come “blackbird”, costituito per il 93% del proprio peso in tre differenti leghe di titanio tra cui Ti6Al4V, ha infranto alcuni record come la maggior velocità mai raggiunta da un aereo con pilota, 3.530 km/h, e l’altezza massima di quasi 26.000 m.

Aereo militare da ricognizione Lockheed SR-71, noto anche come “Blackbird”.

Il ventilatore del motore aeronautico turboventola (Turbofan) Trent 800, prodotto dall’azienda britannica Rolls-Royce plc per utilizzi in ambito civile, è stato realizzato utilizzando ventisei pale in lega Ti6Al4V.

Illustrazione schematica del motore Rolls-Royce Trent 800 con dettaglio del ventilatore.

Il Ti6Al4V appartiene alla classe delle leghe alfa-beta: l’elemento α-stabilizzante presente nella lega è l’alluminio, in percentuale del 6%, che conferisce alla lega delle eccellenti proprietà ad alta temperatura; l’elemento β-stabilizzante è invece il vanadio, in percentuale del 4%, che ha la funzione primaria di stabilizzare la fase β, rendendo possibile il miglioramento delle caratteristiche meccaniche con il trattamento termico di solubilizzazione seguito da un invecchiamento a bassa temperatura. In questo modo è possibile migliorare le caratteristiche meccaniche della lega di oltre il 35% rispetto a quelle del materiale allo stato ricotto.

La migliore combinazione tra caratteristiche di resistenza e duttilità si ottiene effettuando la solubilizzazione a circa 900°C per le lamiere e a circa 950°C per i tondi ed i pezzi massivi.

Il trattamento è di solito eseguito in atmosfera protettiva: vengono impiegati gas nobili come l’argon per minimizzare la formazione di ossidi superficiali indesiderati e la cosiddetta “alpha case”.

Il parametro cruciale per la corretta esecuzione del trattamento di solubilizzazione è rappresentato dal tempo di passaggio dal forno di riscaldo al mezzo refrigerante, che deve essere il più breve possibile: per non avere decadimenti delle caratteristiche meccaniche è imperativo che non si superino i 6-10 secondi, in funzione delle dimensioni del componente.

Anche la velocità di raffreddamento è di fondamentale importanza: la corretta esecuzione del trattamento richiede infatti un gradiente superiore a 800°C/min.

Il trattamento di solubilizzazione realizzato in TAG risponde alle richieste di qualità dei maggiori gruppi utilizzatori quali aerospazio, biomedicale e racing.

Impianto per la solubilizzazione delle leghe leggere in TAG: le dimensioni sono 700 x 1000 mm per una portata massima di 500 Kg.

Grazie ad impianti dotati di vasche con acqua termoregolata, un sistema di agitazione controllato da inverter ed una gestione integrata dell’intero sistema, si ottiene la massimizzazione della velocità di raffreddamento.

In particolare, l’intera carica viene immersa in soli 4,6 secondi nel fluido di raffreddamento.

La temperatura dell’invecchiamento normalmente va da 425°C a 650°C per tempi variabili da 4 a 8 ore. L’invecchiamento è un processo di indurimento per precipitazione ed è quindi eseguito in funzione del tempo e della temperatura. Il massimo delle caratteristiche meccaniche di resistenza a trazione ed allo snervamento, a scapito dell’allungamento, si ottiene a temperature intorno a 500°C.

 

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