Come controllare i parametri di formatura a caldo delle lamiere di titanio

Le leghe di titanio sono difficili da lavorare a temperatura ambiente perché presentano un elevato limite di snervamento σ_0.2, un elevato rapporto tra rendimento e resistenza alla trazione, un basso modulo elastico E e un basso rapporto E/σ_0.2 rapporto. La lamiera richiede quindi un’elevata forza di formatura, si incrina facilmente e presenta un forte ritorno elastico. Al di sopra dei 500 °C circa, la duttilità e l’allungamento migliorano notevolmente. La formatura a caldo viene quindi utilizzata per le rivestiture degli aeromobili, i telai termici, le carenature, i pannelli di accesso e i componenti realizzati mediante piegatura, bordatura o imbutitura.

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Principio della formatura a caldo

La formatura a caldo sfrutta l'elevata duttilità e la bassa resistenza alla deformazione del titanio riscaldato per ampliare i limiti di formatura, ridurre il ritorno elastico e migliorare la precisione. Il processo combina la pressatura isotermica a caldo con lo scorrimento e il rilassamento delle sollecitazioni:

1. Preriscaldare gli stampi e riscaldare il pezzo grezzo in modo uniforme fino alla temperatura di formatura specificata, quindi posizionarlo sullo stampo.
2. Chiudere gli stampi alla velocità specificata per formare il pezzo.
3. Mantenere gli stampi chiusi a pressione e temperatura costanti. Lo scorrimento e il rilassamento delle sollecitazioni ad alta temperatura trasformano la deformazione elastica in deformazione plastica e riducono le sollecitazioni residue.
4. Trascorso il tempo di mantenimento specificato, rilasciare l'attrezzatura, rimuovere il pezzo e raffreddarlo con aria.

Pressatura a caldo isotermica

Il punzone, lo stampo e la lamiera vengono riscaldati alla stessa temperatura prima della formatura. Il comportamento reale di sollecitazione-deformazione mostra che la sollecitazione diminuisce all’aumentare della temperatura e al diminuire della velocità di deformazione. La formatura a caldo del titanio dovrebbe quindi avvenire a temperature elevate e con una velocità di deformazione relativamente bassa.

Rilassamento delle tensioni

Dopo la pressatura, mantenere gli stampi fissi a pressione e temperatura costanti. La lamiera si rilassa, la deformazione elastica si trasforma in deformazione plastica, le tensioni residue diminuiscono e l’adattamento allo stampo migliora. A temperature elevate, un tempo di rilassamento più lungo riduce le tensioni interne fino a quando queste non si avvicinano a un valore stabile.

Parametri di processo

La temperatura e la velocità di formatura, la pressione di chiusura e il tempo di mantenimento determinano la qualità del pezzo. La temperatura riduce la resistenza alla deformazione e migliora la duttilità. La pressione bilancia la resistenza alla formatura. Il tempo consente lo scorrimento e il rilassamento delle sollecitazioni.

Temperatura di formatura

Scegliere la temperatura in base all’andamento delle proprietà del materiale in funzione della temperatura, tenendo conto dell’ossidazione, dell’assorbimento di idrogeno e di altri effetti negativi. Alcune leghe di titanio perdono duttilità tra i 300 e i 500 °C e la recuperano solo intorno ai 500 °C. A 800-850 °C, l’ossidazione, l’assorbimento di idrogeno, la crescita dei grani e i cambiamenti microstrutturali diventano significativi.

Gli intervalli di temperatura di formatura rappresentativi per le leghe ricotte sono:

La velocità di formatura determina la velocità di deformazione. La sua influenza sulla duttilità è minima a basse temperature, ma diventa sempre più rilevante a temperature medie e alte. Cicli molto lunghi causano l’ispessimento dello strato superficiale contaminato; pertanto, per ogni temperatura esiste un tempo massimo pratico di formatura e la velocità di deformazione non deve essere eccessivamente bassa.

Pressione di chiusura e tempo di mantenimento

Una pressione di chiusura più elevata può eliminare le grinze, ma ha un effetto limitato sul ritorno elastico dopo lo scarico. Utilizzare la pressione minima efficace alla temperatura selezionata per evitare la deformazione dello stampo e un carico inutile sull’attrezzatura.

Mantenere gli stampi chiusi a temperatura e pressione costanti consente il rilassamento delle sollecitazioni, riduce le sollecitazioni residue e limita il ritorno elastico. Un tempo di mantenimento più lungo riduce generalmente le sollecitazioni residue, mentre il rilassamento è più marcato a temperature più elevate. Tuttavia, una temperatura o un tempo eccessivi aumentano l’ossidazione e riducono la produttività. I tempi di mantenimento tipici per i pezzi in Ti-2Al-1,5Mn, Ti-4Al-1,5Mn e Ti-6Al-4V sono compresi tra 8 e 20 minuti.