Cosa comporta il processo di forgiatura del titanio? Passi, temperature e attrezzature

Una flangia forgiata in lega di titanio (TC4) per un sistema di trasmissione marino è arrivata sul banco di ispezione con una specifica di forgiatura che consentiva solo una deviazione di 15°C della temperatura della billetta durante un'immersione di due ore. Questo tipo di tolleranza non è eccezionale nella forgiatura del titanio; è una normale disciplina operativa. Poiché la microstruttura finale, le proprietà meccaniche e i costi del titanio sono in gran parte determinati nella forgiatura, qualsiasi acquirente o ingegnere che specifica una forgiatura del titanio dovrebbe capire esattamente cosa comporta il processo.

Cosa comporta il processo di forgiatura del titanio

Il processo di forgiatura del titanio prevede il riscaldamento di una billetta o di un lingotto di titanio a una temperatura precisa, in genere tra 850°C e 1.050°C a seconda della lega, quindi la sua deformazione plastica a velocità di deformazione controllata con una pressa idraulica o un martello, seguita da raffreddamento controllato, trattamento termico e lavorazione.

A differenza dell’acciaio, le leghe di titanio offrono una stretta finestra di temperatura deformabile. Se il pezzo supera il β-transus, si possono formare grani β grossolani che non possono essere raffinati mediante successivo trattamento termico. Se fa troppo freddo, la tensione di flusso aumenta notevolmente e possono verificarsi fessurazioni. Questo è il motivo per cui la forgiatura del titanio richiede il controllo del forno a circuito chiuso, la pirometria digitale e presse in grado di regolare con precisione la velocità del pistone.

La finestra di temperatura critica per la forgiatura del titanio

La forgiatura del titanio è innanzitutto un compito di controllo termico. La temperatura di lavorazione corretta varia in base alla classe della lega, ma ogni lega di titanio ha un limite rigido: il β-transus.

Per le leghe α-β come Ti-6Al-4V, la forgiatura α-β viene effettuata a 30–80°C al di sotto del β-transus, tipicamente a 900–980°C. Ciò produce una microstruttura bimodale con buon allungamento e resistenza alla fatica. La forgiatura β, sopra il transo, offre una maggiore resistenza allo scorrimento viscoso ma una minore duttilità a trazione ed è scelta solo per parti rotanti specifiche nei motori a reazione o nelle turbine di potenza.

Il riscaldamento deve essere uniforme. La conduttività termica del titanio è circa un terzo di quella dell’acciaio, il che significa che le sezioni spesse possono mostrare forti gradienti di temperatura. Il tempo di assorbimento è solitamente impostato su 1 minuto per 25 mm di sezione trasversale, seguito dalla verifica della termocoppia nella forgiatura di produzione.

Processo di forgiatura del titanio passo dopo passo

Un tipico ciclo di forgiatura del titanio a stampo aperto o con laminazione ad anello segue sei fasi ripetibili, ciascuna con i propri rischi di fallimento.

1. Selezione e condizionamento dei materiali: La billetta è un lingotto o una barra di grado aerospaziale. I difetti superficiali vengono completamente eliminati, poiché eventuali crepe rimanenti si apriranno durante la forgiatura.
2. Preriscaldamento: Il titanio viene caricato in un forno impostato a 50–100°C al di sotto della temperatura di forgiatura target. Viene mantenuto lì per evitare shock termici, quindi portato alla temperatura di esercizio con un periodo di ammollo.
3. Prima deformazione (sconvolgimento o bloccaggio): La stampa applica una compressione lenta e continua. L'obiettivo è quello di scomporre la struttura fusa e avviare la ricristallizzazione, non di ottenere una forma quasi netta.
4. Passaggi multipli con riscaldamento: A differenza dell'acciaio, il titanio non può sopportare una lunga forgiatura all'aria aperta. Ogni passaggio dura solo pochi secondi ed il pezzo ritorna nel forno quando la temperatura superficiale scende sotto il limite inferiore.
5. Controllo della temperatura di matrici e utensili: Il contatto con gli stampi freddi provoca uno strato freddo sulla superficie del titanio. Nella forgiatura avanzata, gli stampi vengono preriscaldati a 250–400°C e lubrificati con rivestimenti a base di vetro per evitare attaccamenti e forti raffreddamenti.
6. Formatura e rifilatura finale: L'ultimo passaggio avvicina la parte alle dimensioni finali. Eventuali bave vengono rimosse mentre il metallo è ancora caldo e la parte viene trasferita direttamente a un sistema di raffreddamento controllato o a un dispositivo a deformazione limitata.

Controllo delle apparecchiature e della velocità di deformazione

Le presse, non i martelli, sono l'attrezzatura principale per il controllo del movimento della forgiatura a stampo aperto del titanio. Una pressa può mantenere una velocità lenta e costante, mentre un martello impartisce impatti ad alta velocità di deformazione che possono innescare bande di taglio adiabatiche nel titanio.

Presso Maiterio Intelligent Equipment, le linee di forgiatura a stampo aperto utilizzano presse idrauliche con velocità del pistone inferiori a 10 mm/s per il titanio. Per le parti in titanio a forma di anello, i laminatoi per anelli producono anelli laminati senza saldatura con un migliore flusso del grano rispetto alle barre lavorate. La scelta tra pressa, martello e rullo anulare influisce sulla microstruttura: una deformazione lenta promuove l’α globulare, mentre una deformazione rapida rischia di fessurarsi ai bordi dei grani.

Le linee di forgiatura a stampo aperto di Maiterio gestiscono titanio e altre leghe ad alta temperatura per clienti esigenti, spesso abbinate a lavorazioni di sgrossatura interne per controllare le tolleranze.

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Trattamenti termici e lavorazioni meccaniche post-forgiatura

Dopo la forgiatura, le parti in titanio non vengono temprate come l'acciaio. Vengono raffreddati in aria calma, quindi sottoposti ad un ciclo di trattamento termico specifico in base alla lega e alla classe di resistenza desiderata.

Per Ti-6Al-4V, la ricottura viene eseguita a 700–850°C, seguita da raffreddamento ad aria. Il trattamento della soluzione e l'invecchiamento a 900–960°C e poi a 480–600°C producono una resistenza più elevata a fronte di qualche sacrificio nella tenacità alla frattura. Poiché il titanio reagisce con l'ossigeno a temperature superiori a 650°C, qualsiasi trattamento termico deve essere effettuato in atmosfera controllata o con rivestimenti protettivi. Una superficie priva di incrostazioni preserva la resistenza alla fatica del materiale.

Anche la lavorazione dei pezzi fucinati in titanio è diversa da quella dell'acciaio. La bassa conduttività termica del metallo concentra il calore sul tagliente, provocando una rapida usura dell’utensile. Gli utensili in metallo duro con refrigerante ad alta pressione e velocità del mandrino basse sono standard. I torni verticali e i torni orizzontali CNC di Maiterio vengono abitualmente utilizzati per rifinire anelli e alberi in titanio con una ruvidità superficiale di Ra 0,8 µm o migliore.

Controllo qualità per forgiati in titanio

L'accettazione finale di una forgiatura del titanio dipende da tre controlli indipendenti: microstruttura, solidità ultrasonica e proprietà meccaniche.

La valutazione della microstruttura utilizza sezioni metallografiche incise con il reagente di Kroll per verificare che l'elaborazione α-β non abbia attraversato il β-transus. I test ad ultrasuoni rilevano vuoti interni, inclusioni e crepe invisibili ad occhio nudo. I test di trazione, impatto e durezza confermano che la resistenza e la duttilità corrispondono alle specifiche dell'ordine. Inoltre, per le applicazioni aerospaziali ed energetiche è necessaria una catena di tracciabilità completamente documentata, dalla fusione del lingotto alla lavorazione finale. Il sistema di gestione della qualità di Maiterio segue gli standard ISO 9001 e 14001, con routine di test interni per i materiali altolegati.

Domande frequenti

In cosa differisce la forgiatura del titanio dalla forgiatura dell'acciaio?

La forgiatura del titanio richiede un intervallo di temperature più ristretto, velocità di deformazione più lente, stampi preriscaldati e un controllo più rigoroso dell'atmosfera del forno. Il β-transus è un limite superiore rigido per la maggior parte delle leghe α-β, mentre l'acciaio non ha un limite di ingrossamento del grano equivalente per gli acciai al carbonio e legati ordinari.

Cos’è il β-transus e perché è importante?

Il β-transus è la temperatura alla quale una lega di titanio diventa interamente fase β. Superarlo anche di 10°C durante la forgiatura può produrre una struttura completamente β che si trasforma in piastre α grossolane, riducendo la duttilità e la durata a fatica. Gli ingegneri di processo misurano il transus effettivo per ciascun lotto tramite analisi termica differenziale.

Gli anelli in titanio possono essere prodotti mediante laminazione degli anelli?

SÌ. Gli anelli senza saldatura in titanio vengono laminati su frese radiali-assiali. Il processo utilizza gli stessi controlli termici della forgiatura a stampo aperto, ma la modalità di deformazione conferisce un flusso circonferenziale del grano, che è vantaggioso per le piste e le flange dei cuscinetti soggette a sollecitazioni circolari.

Quali fasi di finitura sono essenziali per i pezzi forgiati in titanio?

La rettifica rimuove la custodia α arricchita di ossigeno e la lavorazione rimuove eventuali incrostazioni o decarburazioni rimanenti. Le parti vengono quindi trattate termicamente, raddrizzate se necessario ed esaminate mediante test con coloranti penetranti o ultrasuoni prima dell'accettazione.