Tecniche AM per le leghe di titanio

In questo articolo verranno esaminate le principali tecniche additive che sono in grado di produrre componenti in titanio. Sarà posta particolare attenzione sulla famosa lega Ti64 e sulle tecnologie LPBF, EBM e DED.

Essendo un materiale molto difficile da trattare, il titanio è stato uno dei primi metalli a essere usato nel mondo dell’additive manufacturing (AM) in generale, ed è a oggi utilizzato in quasi tutte le tecniche additive più importanti, come riportato nella Figura 1. In generale, questo metallo è stato testato con numerose tecnologie con una limitazione legata all’estrema reattività, in quanto il suo ossido è estremamente stabile, dunque richiede grande energia per essere trasformato in metallo, ciò comporta che la trasformazione inversa sia estremamente facile da attuare. Il vero problema è, quindi, avere delle macchine che garantiscano una non ossidazione del componente. Questo è uno dei motivi per cui il titanio nasce inizialmente nelle tecniche “Powder Bed” (SLM ed EBM), per poi essere applicato anche alla “Direct Deposition”. Quello che si ottiene è un risultato molto diverso in termini di proprietà meccaniche e microstruttura.

Le proprietà specifiche del titanio rendono questo materiale utilizzabile anche per i processi di “repair”: si utilizza la deposizione diretta non per costruire l’intero componente, ma per riparare qualcosa che si è rotto, come nel caso di palette di turbina parzialmente danneggiate o spezzate, operazione molto più economica rispetto al loro rifacimento ex novo.

Lega Ti6Al4V

Nel 99% dei casi, la lega di titanio che si usa è il Ti64. Questo succede perché le leghe di titanio hanno due forme cristalline più utilizzate, ovvero 1 e 2. La lega di titanio utilizzata presenta anche il vanadio che stravolge la relazione fra titanio e alluminio e modifica soprattutto i campi di stabilità delle fasi 1 e 2 che garantiscono le diverse proprietà meccaniche (Figura 2). La fase alfa è esagonale, mentre la beta è cubica corpo centrato. Esse presentano proprietà diverse in quanto, nella fase alfa, in cui sono presenti moltissimi piani di scorrimento, il materiale è estremamente deformabile, infatti ad alta temperatura tale fase dà origine a movimenti molto semplici dei piani cristallini (molti dei processi di formatura delle leghe di titanio sono dei processi ad alta temperatura in quanto se il titanio rimane con questa forma cristallina è capace di avere delle deformazioni anche del 100 % della sua dimensione). Al di sopra della temperatura di transizione superplastica, quindi, la fase alfa è estremamente deformabile. La fase beta, invece, conferisce resistenza meccanica al materiale, avendo una struttura cubico corpo centrato molto più difficile da deformare. Per ampliare i campi di esistenza delle due fasi, si aggiungono degli elementi di lega che assomigliano all’una o all’altra, quindi con struttura esagonale compatta o cubico corpo centrato.

Nella Figura 2 sono presenti una serie di questi elementi (alfa, beta stabilizzanti e neutrali). In base a tutto ciò sono state progettate le varie leghe e si è arrivato a definire che il Ti6Al4V è un materiale che, per prestazioni e applicabilità, non ha ancora trovato un concorrente sia per l’ambito strutturale che per l’ambito biomedicale. Di solito non vengono utilizzate leghe con struttura interamente alfa, ma alfa e beta o solo beta per queste applicazioni. Come tutte le leghe, anche quelle di titanio sono suscettibili a modifiche delle proprietà meccaniche in funzione delle trasformazioni che possono avere all’interno dei diagrammi di stato.

Nella Figura 3, viene mostrata la variazione della microstruttura in funzione di vari trattamenti termici effettuati sulla lega in questione. Come si vede, cambia la microstruttura e variano non solo le dimensioni dei grani cristallini ma, man mano che si raffredda, si ha la presenza di zone bifasiche alfa e beta fino ad arrivare ad una struttura in cui viene regolata la quantità delle due fasi, ottenendo una media delle proprietà meccaniche di entrambe.

 

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Source: Stampi
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