Perché il trattamento superficiale decide la durata a fatica dei pezzi fucinati in titanio
Le leghe di titanio combinano una bassa densità con un'elevata resistenza specifica, ma la loro elevata reattività chimica, la scarsa fluidità del fuso e la bassa portata di fusione le rendono soggette a difetti superficiali e interni. Poiché la differenza di temperatura tra la fusione e lo stampo è ampia (circa 300 gradi) e il raffreddamento è rapido, i pori tendono a formarsi sopra e all'interno delle fusioni di titanio anche quando vengono colate in atmosfera protettiva. Uno strato di reazione contaminato, sabbia residua dello stampo e pellicole di ossido sinterizzato riducono le prestazioni a fatica, e nelle parti aerospaziali anche un caso alfa poco profondo può fungere da sito di inizio della cricca. La sequenza di trattamento riportata di seguito mantiene tale rischio sotto controllo.
Passaggio 1: rimozione completa dello strato di reazione superficiale
Lo strato di reazione è il fattore dominante che controlla la qualità fisica e chimica di una forgiatura del titanio. Deve essere rimosso completamente prima di ogni fase di lucidatura, altrimenti la finitura finale non potrà essere uniforme. La soluzione pratica è una combinazione di sabbiatura e decapaggio.
Sabbiatura
Abrasivo:corindone bianco (allumina) per sabbiatura grossolana.
Pressione:ben al di sotto del livello utilizzato in genere per i metalli non-preziosinon più di 0,45 MPa. Una pressione più elevata spinge i grani abrasivi sulla superficie, produce scintille violente e riscaldamento locale e riforma-uno strato di contaminazione.
Tempo: 15–30 s. Lo scopo è solo quello di togliere la sabbia aderente, lo strato sinterizzato e parte del film di ossido; la restante struttura dello strato di reazione viene lasciata al decapaggio.
Decapaggio
Il decapaggio rimuove velocemente e completamente lo strato di reazione e non introduce elementi estranei. Normalmente vengono confrontati due sistemi acidi:
| Sistema acido | Capacità di rimozione | Raccolta dell'idrogeno- | Osservazioni |
|---|---|---|---|
| HF-HCl | Molto forte | Relativamente alto | Rischio di assorbimento di idrogeno nel substrato |
| HF-HNO3 | Molto forte | Basso | La raccolta-diminuisce all'aumentare della concentrazione di HNO3; dona anche un effetto illuminante |
Concentrazioni del bagno consigliate:HF 3–5%EHNO3 15–30%. Il sistema HF–HNO3 è la scelta preferita perché l'assorbimento dell'idrogeno può essere regolato attraverso il contenuto di acido nitrico e allo stesso tempo si ottiene un grado di brillantezza superficiale.
Fase 2: riparazione dei difetti di fusione e forgiatura
Porosità interna e cavità da ritiro:la pressatura isostatica a caldo (HIP) chiude i vuoti interni utilizzando alta temperatura e alta pressione. La precisione dimensionale può variare leggermente, pertanto è necessario pianificare la tolleranza nel percorso del processo.
Dove la precisione è fondamentale:individuare il difetto mediante ispezione a raggi X-, molare localmente per esporre la cavità, quindi chiuderla con saldatura laser.
Porosità superficiale:è sufficiente la saldatura laser diretta localizzata.
Passaggio 3: molatura e lucidatura
Il titanio ha un'elevata reattività chimica, una bassa conduttività termica e una forte adesione, quindi l'efficienza della rettifica meccanica è scarsa e gli abrasivi convenzionali reagiscono con il pezzo in lavorazione.
Selezione abrasivo:gli abrasivi comuni non sono adatti; utilizzare grani ultra-duri con buona conduttività termica comediamante o nitruro di boro cubico (CBN).
Velocità della linea:mantenere la velocità della linea di lucidatura all'interno900–1800 metri/min. Velocità eccessivamente elevate causano bruciature da molatura e microfessurazioni.
Lucidatura chimica:la levigatura della superficie si ottiene attraverso la reazione redox del metallo in un mezzo chimico. I risultati sono indipendenti dalla durezza, dall'area di lucidatura e dalla forma strutturale, tutte le aree bagnate vengono trattate in modo uniforme, l'attrezzatura è semplice da utilizzare e le parti complesse come le staffe del motore aero-sono gestite bene.
Panoramica dei parametri di processo
| Operazione | Parametro chiave | Valore |
|---|---|---|
| Sabbiatura grossolana | Pressione/durata | Inferiore o uguale a 0,45 MPa/15–30 s |
| Decapaggio | Concentrazione di HF | 3–5% |
| Decapaggio | Concentrazione di HNO3 | 15–30% |
| Lucidatura | Velocità della linea | 900–1800 metri/min |
| Chiusura difettosa | Porosità interna | HIP o raggi X-+ molatura + saldatura laser |
Domande frequenti
D: Perché la pressione di sabbiatura sul titanio è limitata a 0,45 MPa?
Al di sopra di quel livello l'abrasivo ha un impatto sulla superficie abbastanza forte da innescare scintille e riscaldarla localmente, innescando reazioni secondarie e creando un nuovo strato di contaminazione invece di una superficie pulita.
D: Quale sistema di decapaggio è consigliato per i forgiati di titanio?
Il sistema HF–HNO3, perché l’assorbimento di idrogeno è basso e può essere ulteriormente ridotto aumentando la concentrazione di acido nitrico; inoltre illumina la superficie.
D: Quali concentrazioni di HF e HNO3 dovrebbero essere utilizzate?
Controllare l'HF tra il 3% e il 5% e l'HNO3 tra il 15% e il 30%.
D: Come devono essere gestiti la porosità interna e il ritiro?
La pressatura isostatica a caldo chiude i vuoti interni ad alta temperatura e pressione; dove la precisione dimensionale ha la priorità, combina l'ispezione a raggi X-, la rettifica locale e la saldatura laser.
D: Perché sono necessari abrasivi diamantati o CBN per la lucidatura?
Il titanio reagisce facilmente con i normali abrasivi e conduce male il calore, quindi i grani convenzionali si consumano rapidamente e contaminano la superficie.
D: Quale velocità della linea di lucidatura è sicura?
Circa 900–1800 m/min. Le velocità al di fuori di questa finestra aumentano il rischio di bruciature da macinazione e microfessurazioni.
D: Quando la lucidatura chimica è l'opzione migliore?
Per geometrie complesse, perché il risultato non dipende dalla durezza, dall'area o dalla forma e ogni superficie bagnata viene lucidata in modo uniforme con attrezzature relativamente semplici.
