Trattamento termico del titanio e delle leghe di titanio (1）

Il trattamento termico è un processo mediante il quale il riscaldamento e il raffreddamento controllato dei metalli vengono eseguiti in condizioni ambientali molto precise al fine di alterare le caratteristiche fisiche o meccaniche del metallo senza modificare la forma del prodotto. Se il trattamento termico non viene eseguito correttamente, il metallo potrebbe non raggiungere le proprietà desiderate necessarie per soddisfare le specifiche di progettazione degli ingegneri.
Il trattamento termico è tipicamente associato all'aumento della resistenza del materiale, ma è spesso utilizzato anche per migliorare la lavorabilità, migliorare la formabilità, aumentare la duttilità o aumentare la resistenza alla corrosione. Pertanto, è un processo critico che garantisce il raggiungimento delle caratteristiche specificate del metallo.

I vantaggi del trattamento termico delle leghe di Titanio:

Ridurre le tensioni residue sviluppate durante la fabbricazione (distensione)
Produrre una combinazione ottimale di duttilità, lavorabilità e stabilità dimensionale e strutturale (ricottura)
Aumentare la forza (soluzione di trattamento e invecchiamento)

Ottimizza proprietà speciali come la tenacità alla frattura, la resistenza alla fatica e la resistenza allo scorrimento viscoso alle alte temperature

Distensione dello stress del titanio

Il titanio e le leghe di titanio possono essere sottoposti a distensione senza compromettere la resistenza o la duttilità.

I trattamenti di distensione diminuiscono le tensioni residue indesiderate che risultano in primo luogo dalla forgiatura a caldo non uniforme o dalla deformazione derivante dalla formatura a freddo e dalla raddrizzatura, in secondo luogo dalla lavorazione asimmetrica di piastre o pezzi forgiati e, in terzo luogo, dalla saldatura e dal raffreddamento dei getti. La rimozione di tali sollecitazioni aiuta a mantenere la stabilità della forma ed elimina le condizioni sfavorevoli, come la perdita di resistenza allo snervamento a compressione comunemente nota come effetto Bauschinger.

La distensione è probabilmente il trattamento termico più comune dato al titanio e alle leghe di titanio. Viene utilizzato per ridurre le tensioni residue indesiderate risultanti da deformazione non uniforme della forgiatura a caldo, formatura e raddrizzatura a freddo non uniformi, lavorazione asimmetrica di piastre (hogout) o pezzi forgiati, saldatura di parti lavorate, fuse o metallurgiche delle polveri (P/M) e raffreddamento dei getti.

La riduzione dello stress aiuta a mantenere la stabilità della forma e può anche eliminare condizioni sfavorevoli come la perdita di resistenza allo snervamento a compressione - l'effetto Bauschinger - che può essere particolarmente grave nelle leghe di titanio. La riduzione dello stress può essere eseguita senza influire negativamente sulla resistenza o sulla duttilità.

Ricottura

La ricottura del titanio e delle leghe di titanio serve principalmente ad aumentare la tenacità alla frattura, la duttilità a temperatura ambiente, la stabilità dimensionale e termica e la resistenza al creep. Molte leghe di titanio vengono messe in servizio allo stato ricotto. Poiché il miglioramento di una o più proprietà viene generalmente ottenuto a scapito di qualche altra proprietà, il ciclo di ricottura dovrebbe essere selezionato in base all'obiettivo del trattamento.
I trattamenti di ricottura comuni sono:

La ricottura di laminazione è un trattamento generale somministrato a tutti i prodotti di laminazione. Non è una ricottura completa e può lasciare tracce di lavorazione a freddo o a caldo nelle microstrutture dei prodotti pesantemente lavorati, in particolare la lamiera.

La ricottura duplex altera le forme, le dimensioni e la distribuzione delle fasi in quelle richieste per una migliore resistenza allo scorrimento viscoso o tenacità alla frattura. Nella ricottura duplex della lega Corona 5, ad esempio, la prima ricottura è in prossimità del transo per globularizzare il deformato e minimizzarne la frazione volumetrica. Questo è seguito da una seconda ricottura a temperatura più bassa per far precipitare nuovo lenticolare (aciculare) tra le particelle globulari. Questa formazione di aciculari è associata a miglioramenti nella resistenza allo scorrimento viscoso e nella tenacità alla frattura.

La ricottura e la ricottura di ricristallizzazione vengono utilizzate per migliorare la tenacità alla frattura. Nella ricottura di ricristallizzazione, la lega viene riscaldata fino al limite superiore dell'intervallo -, mantenuta per un certo periodo e quindi raffreddata molto lentamente. Negli ultimi anni, la ricottura di ricristallizzazione ha sostituito la ricottura per i componenti critici della cellula.

(Beta) Ricottura. Come la ricottura di ricristallizzazione, la ricottura migliora la tenacità alla frattura. La ricottura beta viene eseguita a temperature superiori al transo della lega da ricottura. Per evitare un'eccessiva crescita del grano, la temperatura di ricottura dovrebbe essere solo leggermente superiore a quella del transus. I tempi di ricottura dipendono dallo spessore della sezione e dovrebbero essere sufficienti per la trasformazione completa. Il tempo trascorso a temperatura dopo la trasformazione dovrebbe essere ridotto al minimo per controllare la crescita dei chicchi. Le sezioni più grandi dovrebbero essere raffreddate con ventola o raffreddate ad acqua per prevenire la formazione di una fase ai bordi dei grani.

Soluzione di trattamento e invecchiamento

È possibile ottenere un'ampia gamma di livelli di resistenza nelle leghe mediante solubilizzazione e invecchiamento. Con l'eccezione dell'esclusiva lega Ti-2.5Cu, l'origine delle risposte al trattamento termico delle leghe di titanio risiede nell'instabilità della fase ad alta temperatura a temperature più basse.
Il riscaldamento di una lega alla temperatura di trattamento della soluzione produce un rapporto di fase più elevato. Questa suddivisione delle fasi viene mantenuta mediante tempra; al successivo invecchiamento avviene la decomposizione della fase instabile, garantendo elevata resistenza. Le leghe commerciali vengono generalmente fornite allo stato solubilizzato e necessitano solo di essere invecchiate. Il trattamento in soluzione delle leghe di titanio comporta generalmente il riscaldamento a temperature leggermente superiori o leggermente inferiori alla temperatura del transo.
Le leghe (Beta) vengono normalmente ottenute dai produttori allo stato solubilizzato. Se è necessario il riscaldamento, i tempi di immersione dovrebbero durare solo il tempo necessario per ottenere una soluzione completa. Le temperature di trattamento della soluzione per le leghe sono superiori al transo; poiché non è presente una seconda fase, la crescita del grano può procedere rapidamente.
- Leghe (alfa-beta). La selezione della temperatura di soluzione-trattamento per le leghe si basa sulla combinazione di proprietà meccaniche desiderate dopo l'invecchiamento. Un cambiamento nella temperatura di trattamento della soluzione delle leghe altera la quantità di fase e di conseguenza cambia la risposta all'invecchiamento.
Per ottenere un'elevata resistenza con un'adeguata duttilità, è necessario effettuare il trattamento in soluzione ad una temperatura elevata sul campo, normalmente da 25 a 85 gradi (da 50 a 150 gradi F) sotto il transo della lega. Se è richiesta un'elevata tenacità alla frattura o una migliore resistenza alla tensocorrosione, può essere desiderabile la ricottura o il trattamento di solubilizzazione. Tuttavia, il trattamento termico delle leghe della gamma provoca una significativa perdita di duttilità. Queste leghe vengono solitamente trattate termicamente al di sotto del transo per ottenere un equilibrio ottimale tra duttilità, resistenza alla frattura, proprietà di scorrimento e rottura per sollecitazione.

Tempra

Se le leghe vengono rapidamente raffreddate mediante tempra in acqua da tutta la regione beta, la tendenza della fase alfa a formarsi viene soppressa e la fase beta viene mantenuta. Alcune composizioni di leghe, tuttavia, mostrano una trasformazione peculiare durante la tempra. Questo meccanismo di trasformazione martensitica o di taglio non è completamente compreso. La formazione di questa struttura, il cosiddetto alfa primo, provoca una certa distorsione del reticolo. Questa distorsione e la deformazione risultante producono un materiale che è duro e tenace e possiede proprietà di fatica migliori rispetto all'alfa. Questo processo di tempra è anche il punto iniziale per il rinvenimento.

Temperamento

Quando il titanio viene spento da una temperatura elevata, riscaldato nuovamente a una temperatura inferiore al beta transus, mantenuto per un periodo di tempo e nuovamente spento, si dice che sia stato temperato. Nel rinvenimento esistono tre variabili: le fasi presenti, il tempo di permanenza e la temperatura di rinvenimento.

Quando la struttura iniziale contiene alfa primo, si verificano due cambiamenti: l'alfa primo si trasforma in alfa e, in tempi più lunghi, l'alfa diventa seghettato. Il risultato è una perdita di durezza e resistenza e un aumento di duttilità e resistenza agli urti. Le strutture alfa-beta, tuttavia, non seguono questo schema. L'alfa rimane sostanzialmente invariato; la beta si decompone per formare più alfa a scapito della fase beta. A basse temperature si formeranno più alfa; pertanto, temperature di rinvenimento basse determinano una maggiore diminuzione di resistenza e durezza e un aumento maggiore di duttilità rispetto al rinvenimento ad alta temperatura su intervalli di tempo identici.

Trasformazione isotermica

Temprando a caldo una lega dalla regione tutta beta a temperature nel campo alfa-beta e mantenendola per un periodo di tempo e quindi ulteriormente temprando a temperatura ambiente, il materiale viene trasformato isotermicamente. Il trattamento in questo modo provoca la precipitazione della fase alfa da quella beta. Ad alte temperature l'alfa precipita prima ai bordi dei grani e successivamente all'interno degli stessi grani beta.
Questo trattamento, mantenuto a temperature appena inferiori a quella di trasformazione, dà inizialmente un materiale molto duro per la formazione di beta prime. Se il tempo di tenuta viene prolungato, la durezza e la resistenza diminuiscono con un concomitante aumento di duttilità e tenacità. A temperature più basse ha luogo un aumento graduale della durezza e della fragilità, e per tempi prolungati si può ottenere una durezza maggiore rispetto a trattamenti ad alta temperatura di breve durata.

(Continua)