Il titanio e le sue leghe possiedono numerose proprietà eccezionali, tra cui bassa densità, elevata resistenza specifica, eccellente resistenza alla corrosione e buona biocompatibilità. Sono ampiamente utilizzati in vari settori come quello aerospaziale, petrolchimico, ingegneria biomedica e difesa nazionale. Grazie all'introduzione di tecnologie a lungo termine-, alla ricerca e sviluppo indipendenti e alla promozione delle applicazioni, l'industria cinese del titanio è entrata in una fase di rapido sviluppo, con una produzione in costante aumento, consolidando la sua posizione di attore principale nell'industria globale del titanio. Negli ultimi anni, la domanda di titanio e delle sue leghe ha continuato a crescere, i loro ambienti di utilizzo sono diventati più diversificati, i processi di formatura sono diventati sempre più complessi e i requisiti per le specifiche prestazionali dei materiali sono in continuo aumento.
La lavorazione della plastica è una tecnica di produzione che utilizza la forza esterna per indurre la deformazione plastica nei materiali, ottenendo così le forme, le microstrutture e le proprietà desiderate. I metodi comuni di lavorazione della plastica includono forgiatura, laminazione, estrusione, trafilatura e filatura. Tuttavia, il titanio e le sue leghe mostrano una maggiore resistenza e durezza insieme a una ridotta plasticità e tenacità durante la deformazione plastica. La lavorazione può anche facilmente portare a problemi come fessurazioni superficiali, ossidazione e rugosità eccessiva, che possono influire negativamente sulle proprietà meccaniche, sulla resistenza alla corrosione e sulla successiva precisione di assemblaggio dei componenti. Negli ultimi anni, la tecnologia emergente della formatura superplastica (SPF) ha visto un’applicazione diffusa, migliorando significativamente le sfide di formabilità delle leghe di titanio.
Attualmente, le tecnologie di lavorazione della plastica comprendono sia metodi tradizionali che nuovi. La scelta della tecnica di lavorazione della plastica appropriata è fondamentale per migliorare la qualità dei prodotti in titanio e leghe di titanio. Questo articolo esamina i progressi della ricerca e lo stato di applicazione delle principali tecniche di lavorazione della plastica per il titanio e le sue leghe (forgiatura, laminazione, estrusione, ecc.) e offre prospettive sulle tendenze di sviluppo future.
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Tecniche tradizionali di lavorazione della plastica
Forgiatura
La forgiatura è un metodo comune per la lavorazione di componenti metallici. Si tratta di applicare una pressione per provocare una deformazione plastica, ottenendo così parti con la forma e la microstruttura desiderate. A causa delle caratteristiche della struttura cristallina delle leghe di titanio, i loro prodotti sono altamente sensibili ai parametri di forgiatura (ad esempio, temperatura, quantità di deformazione), richiedendo un rigoroso controllo del processo. Durante la forgiatura, i grani di titanio si riorganizzano e diventano più densi, le impurità e i vuoti interni vengono eliminati e le tensioni interne vengono parzialmente alleviate.
Di conseguenza, l’uniformità, la purezza, le proprietà meccaniche e la qualità della superficie del materiale risultano migliorate. Tuttavia, anche i suoi svantaggi sono evidenti: efficienza produttiva relativamente bassa, sfide significative nel controllo del processo e difficoltà nella lavorazione di parti con geometrie complesse.
Rotolamento
Il rotolamento è preferito per il suo basso costo e la comodità operativa. I materiali metallici subiscono gravi deformazioni durante la laminazione e la regolazione dei parametri di processo può alterarne la microstruttura e le proprietà meccaniche. In base alla temperatura di lavorazione, la laminazione viene classificata in laminazione a caldo e laminazione a freddo. La laminazione a caldo, eseguita a temperature elevate, può eliminare i difetti nella billetta e consente grandi deformazioni. Nelle regioni ad alta deformazione si verificano il recupero dinamico e la ricristallizzazione. La laminazione a freddo in genere non induce recupero o ricristallizzazione ma può migliorare la resistenza del materiale e la finitura superficiale. Viene generalmente utilizzato come fase finale nella produzione di fogli e nastri.
Additionally, annealing can be incorporated during rolling to control deformation, or bending distortions can be directly corrected. In recent years, rolling technology in China has developed rapidly, becoming a crucial forming method for titanium and titanium alloy products like plates, bars, and tubes. Compared to forging, rolling offers higher efficiency, greater product precision, and significantly lower production costs, making it suitable for low-cost manufacturing of titanium alloys. Plates are categorized by thickness into thick plates (>4,76 mm) e lamelle sottili (inferiori o uguali a 4,76 mm). Le piastre spesse vengono laminate a caldo-fino alle dimensioni finali, mentre le piastre sottili possono essere sottoposte a laminazione a caldo seguita da laminazione a freddo o a metodi più efficienti come la laminazione a pacco, laminazione a caldo o la produzione da bobina-a-bobina. Le barre vengono prodotte principalmente utilizzando tecniche di elaborazione di grandi-deformazioni.
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Estrusione
La formatura per estrusione, applicando uno stress di compressione triassiale, consente un'ampia deformazione plastica e migliora le prestazioni complessive dei prodotti. Offre vantaggi quali ampia applicabilità, elevata efficienza produttiva e flusso di processo relativamente semplice, rendendolo un metodo comune per la produzione di tubi e barre in lega di titanio. In base alla relazione tra la direzione del flusso del metallo e il movimento del punzone, l'estrusione può essere classificata in estrusione diretta (diretta), estrusione indietro (indiretta), estrusione combinata ed estrusione radiale. A causa del forte ritorno elastico del titanio e delle sue leghe, il loro processo di deformazione per estrusione è più complesso di quello di altre leghe, rendendo particolarmente importanti la temperatura di estrusione e i parametri di processo.
Rispetto alla forgiatura e alla laminazione, l'estrusione consente di ottenere più facilmente la deformazione di metalli a bassa-duttilità e l'incollaggio di metalli diversi. Inoltre, evita la necessità di costosi set completi di modelli di stampi, offrendo elevata efficienza di lavorazione e flessibilità di produzione. Tuttavia, a causa delle proprietà fisiche e chimiche uniche delle leghe di titanio, durante l'estrusione possono verificarsi problemi come l'aumento della temperatura, una maggiore resistenza alla deformazione e l'incollamento dello stampo. La selezione di metodi di lubrificazione e lubrificanti adeguati è fondamentale per ridurre efficacemente la forza di estrusione, prolungare la durata dello stampo e migliorare la qualità del prodotto ed è diventata una tecnologia fondamentale nella produzione di estrusione di leghe di titanio. Inoltre, fattori come la progettazione della matrice di estrusione e i parametri di processo influenzano la qualità dei profili in lega di titanio.
I parametri chiave includono il rapporto di estrusione (λ), la temperatura di riscaldamento della billetta e la velocità di estrusione. Il rapporto di estrusione dipende dal tipo di lega, dal metodo di estrusione, dai requisiti del prodotto e dalla capacità della pressa. I lubrificanti per vetro possono proteggere efficacemente la billetta durante il riscaldamento e fornire lubrificazione durante l'estrusione. Inoltre, la velocità di estrusione influisce non solo sulle proprietà del prodotto e sulla qualità della superficie, ma anche sulla forza di estrusione. Una velocità eccessiva può portare a un flusso di metallo non uniforme; velocità di estrusione adatte sono generalmente inferiori a 200 mm/s.
Nuove tecniche di lavorazione della plastica
Il titanio e le sue leghe sono caratterizzati da un'elevata resistenza alla deformazione e da una complessa evoluzione microstrutturale durante la lavorazione a caldo. Le tecniche convenzionali di lavorazione della plastica come la forgiatura, la laminazione e l'estrusione spesso hanno difficoltà a formare forme complesse. La tecnologia Superplastic Forming (SPF) risolve efficacemente questo problema. Si tratta di una tecnica di produzione di componenti altamente efficiente adatta a materiali, come alcune leghe di titanio, che mostrano superplasticità in specifiche condizioni intrinseche ed estrinseche. L'utilizzo dell'SPF può non solo ridurre i costi di produzione ma anche migliorare significativamente l'efficienza della formatura. È diventato un metodo importante per la lavorazione delle leghe di titanio ed è ampiamente utilizzato nel settore aerospaziale.
I principali metodi SPF includono la formatura per stiramento superplastica, la forgiatura superplastica, l'estrusione superplastica e la formatura tramite soffiaggio superplastica (formatura a pressione di gas). L'SPF offre vantaggi quali ampia deformazione, assenza di strozzature, basso stress di flusso e buona formabilità. Le tecniche di grave deformazione plastica (SPD) possono migliorare la resistenza e la tenacità del materiale, ottenendo proprietà complete migliorate.
I principali metodi SPD includono la torsione ad alta-pressione (HPT), la lavorazione/saldatura per attrito (FSP/FSW), la pressatura angolare a canale uguale (ECAP), l'incollaggio a rulli cumulativo (ARB) e la forgiatura multidirezionale (MDF)-. Inoltre, per soddisfare i severi requisiti dei materiali in diversi ambienti di servizio, i ricercatori hanno combinato l’SPF con tecniche tradizionali come forgiatura, laminazione, estrusione e trafilatura, sviluppando varie tecnologie di deformazione composita che sono state ampiamente studiate. Negli ultimi anni, l’ambito della ricerca sull’SPF si è continuamente ampliato, ma la profondità dell’indagine rimane insufficiente. Molto lavoro è ancora in fase teorica e sperimentale. È necessaria un’ulteriore esplorazione dei meccanismi intrinseci e delle regole di lavorazione della formatura superplastica per le leghe di titanio, insieme a miglioramenti nei metodi di lavorazione, nelle attrezzature, nella qualità dei componenti, nell’efficienza produttiva e nell’espansione delle gamme di applicazione.
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Il Diffusion Bonding (DB), noto anche come saldatura per diffusione, è una tecnica di saldatura allo stato solido- in cui i materiali vengono messi in contatto a determinate temperature e pressioni, ottenendo un legame stretto attraverso una diffusione atomica prolungata. Consente l'unione di ampie-aree con uno stress residuo minimo. Quando la temperatura di formatura superplastica di un materiale è vicina alla sua temperatura di legame per diffusione, SPF e DB possono essere completati in un unico ciclo di riscaldamento/pressione per produrre strutture irrigidite localmente o integralmente o componenti monolitici più complessi. Questo si è evoluto nel processo di formazione superplastica/legame per diffusione (SPF/DB). La tecnologia SPF/DB è stata ampiamente studiata e applicata nel settore dell'aviazione, offrendo vantaggi quali: ① Formare più parti in una struttura monolitica in un ciclo di riscaldamento, riducendo i costi; ② Deformazione ampia e priva di crepe-con tensione residua minima ed elevata precisione di formatura; ③ Eccellenti prestazioni complessive della struttura, con maggiore resistenza alla fatica e alla corrosione.
Le attuali richieste nei settori aerospaziale, automobilistico e high-tecnologico per la lavorazione dei componenti enfatizzano la leggerezza, l'elevata resistenza-tenacità, la precisione, l'elevata efficienza e la sostenibilità. Molti processi di formatura della plastica di precisione richiedono stampi dedicati e possono-essere ad alta intensità energetica. La tecnologia di formatura incrementale ha attirato l'attenzione perché supera gli svantaggi della tradizionale formatura di precisione, come l'elevata specificità dello stampo e il consumo energetico. Tuttavia, ci sono relativamente pochi rapporti di ricerca sulla formatura incrementale delle leghe di titanio. I processi esistenti soffrono di inconvenienti come la predisposizione a difetti di formatura, scarsa stabilità di formatura e apparecchiature complesse e costose.
Esistono numerosi metodi di lavorazione plastica del titanio e delle sue leghe, ciascuno con i propri vantaggi e svantaggi. Il processo appropriato dovrebbe essere selezionato in base a requisiti specifici, generalmente seguendo questi principi: funzionamento affidabile e semplice; soddisfare le esigenze prestazionali del prodotto; basso costo di processo. Poiché i campi di applicazione del titanio e delle sue leghe continuano ad espandersi, nuove tecnologie e processi efficienti, di alta{2}}qualità e a basso-costo (come SPF, SPF/DB, formatura incrementale di compositi, ecc.) vengono continuamente sviluppati e ricercati. Grazie alla continua e approfondita ricerca-sulle nuove tecnologie e tecniche di lavorazione delle leghe di titanio, la qualità e la competitività dei prodotti continueranno a migliorare.
