Due percorsi di formatura per la lega di titanio TC4
TC4 (Ti-6Al-4V) è la lega di titanio alfa-beta standard per strutture aerospaziali, dispositivi medici e componenti industriali ad alta resistenza, perché combina un'elevata resistenza specifica con un'eccellente resistenza alla corrosione. Le parti finite vengono prodotte principalmente mediante due percorsi: forgiatura convenzionale seguita dalla lavorazione meccanica e prototipazione rapida laser, in cui la polvere metallica viene fusa strato dopo strato e il deposito viene quindi trattato termicamente e rifinito. Il percorso di formatura controlla la morfologia dei grani, la popolazione dei difetti e, in definitiva, sia la risposta meccanica quasi statica che dinamica del componente.
Nel confronto qui riassunto, i provini cilindrici di compressione sono stati preparati da tre stati materiali della stessa composizione nominale: un grado equiassico forgiato, un grado forgiato a trama di cesto- e un deposito formato rapidamente tramite laser. La compressione quasi-statica è stata eseguita su una macchina di prova universale servo-idraulica, mentre la compressione dinamica ha utilizzato una barra di pressione Hopkinson divisa. La geometria del campione, la finitura superficiale e la lubrificazione sono state mantenute comparabili in modo che la microstruttura rimanesse la variabile dominante.
Microstruttura e dimensione dei grani del TC4 forgiato e formato al laser-
I tre stati differiscono notevolmente per dimensione e forma delle loro unità strutturali. Lo stato equiassico forgiato è costituito da grani alfa equiassici con una dimensione media dei grani compresa tra circa 10 e 20 micrometri, il più grossolano dei tre. Il secondo stato forgiato mostra una struttura a trama di cesto- con una larghezza media delle listelli di circa 0,35 micrometri. Il deposito formato rapidamente dal laser è una fine struttura aciculare a cesto- con una larghezza media delle listelli di circa 0,2 micrometri, la più fine delle tre, ma contiene anche crepe e pori nelle zone di sovrapposizione degli strati.
| Stato materiale | Microstruttura | Dimensione caratteristica | Difetti tipici |
|---|---|---|---|
| Grado equiassico forgiato | Grani alfa-beta equiassici | Granulometria media circa 10-20 µm | Bassa densità di difetti |
| Grado di tessitura del cesto forgiato- | Listelli alfa con trama a canestro- | Larghezza media listello circa 0,35 µm | Bassa densità di difetti |
| Deposito formato rapidamente tramite laser | Fine trama a cesto-aciculare | Larghezza media listello circa 0,2 µm | Crepe e pori nelle zone di sovrapposizione |
Le differenze di dimensioni non sono estetiche. I confini dei grani e le interfacce delle listelli agiscono come barriere al movimento delle dislocazioni, quindi la struttura aciculare molto fine aumenta lo stress di flusso localmente, mentre i difetti di sovrapposizione degli strati agiscono come concentratori di stress che riducono la duttilità e disperdono le proprietà misurate.
Comportamento di compressione quasi-statico
Sotto compressione quasi-statica la struttura equiassica forgiata offre le migliori prestazioni: mostra la più alta combinazione di resistenza e plasticità insieme a un pronunciato effetto di incrudimento. I grani equiassici si deformano in modo più uniforme e assorbono la deformazione attraverso più sistemi di scorrimento prima che avvenga la localizzazione.
La struttura a trama di cesto forgiata-e il deposito formato rapidamente dal laser raggiungono livelli di resistenza e plasticità comparabili, ma il loro incrudimento è debole. In queste strutture la deformazione è concentrata in bande strette e una volta che le interfacce dei listelli non riescono più a ridistribuire la deformazione, il carico aggiuntivo produce poco ulteriore indurimento.
Comportamento di compressione dinamica
La classifica cambia in caso di caricamento dinamico. La struttura equiassica forgiata raggiunge il massimo stress di flusso e la massima deformazione, confermando che i suoi meccanismi di deformazione rimangono efficaci ad alta velocità di deformazione. La struttura dell'intreccio del cestino forgiato-e il deposito formato rapidamente dal laser mostrano una plasticità simile, ma lo stress da flusso dinamico della struttura dell'intreccio del cestino forgiato-è maggiore.
Il deposito laser ha le prestazioni più deboli dal punto di vista dinamico. La rapida fusione e il rapido raffreddamento inerenti al processo creano una storia di temperatura fortemente non-uniforme all'interno della parte, che lascia stress residuo e una struttura eterogenea. I difetti di sovrapposizione descritti sopra dominano quindi la risposta ad alta- velocità, quindi le proprietà meccaniche dinamiche del deposito laser scendono al di sotto di quelle della struttura a trama di cesto forgiata-.
Sensibilità alla velocità di deformazione
Tutti e tre gli stati sono sensibili alla velocità di deformazione, ma non nella stessa misura. La struttura a trama di cesto forgiata- mostra la sensibilità alla velocità di deformazione più elevata, il deposito formato rapidamente dal laser è il più debole e la struttura equiassica forgiata si trova tra i due. Ai fini della progettazione ciò significa che un notevole aumento della velocità di carico penalizza maggiormente il materiale forgiato a trama cesta- in termini di sollecitazione di flusso che sviluppa, mentre il deposito laser cambia meno.
Selezione pratica e guida al processo
Per i componenti caricati dinamicamente, scegliere prima lo stato equiassico forgiato: offre la migliore resistenza, plasticità e sollecitazione di flusso dinamico dei tre stati testati.
Laddove è richiesto un prodotto forgiato ma è difficile ottenere una struttura equiassica, è necessario prevedere una minore sollecitazione di flusso dinamico da una struttura a cestello-intrecciata e consentire un ridotto incrudimento nel margine di progettazione.
Per il TC4 prototipato rapidamente tramite laser, specificare la pressatura isostatica a caldo o un trattamento termico appropriato per chiudere la porosità di sovrapposizione e convalidare le proprietà dinamiche sui coupon rappresentativi della produzione- piuttosto che sui valori della letteratura.
Misurare la granulometria e la larghezza dei listelli su ciascun lotto di produzione e collegare le misurazioni ai test di accettazione meccanica, poiché le differenze di proprietà qui riportate derivano direttamente da queste differenze dimensionali.
Verificare il vuoto effettivo, la strategia di scansione e creare l'atmosfera quando si confrontano i fornitori, poiché queste variabili controllano il campo di temperatura che produce i difetti nel deposito.
Domande frequenti
D: La prototipazione rapida laser è più resistente del TC4 forgiato?
Non in generale. Sia in condizioni di compressione quasi-statica che dinamica, lo stato equiassico forgiato ha raggiunto la massima resistenza e plasticità, mentre il deposito laser corrispondeva allo stato di tessitura del cesto forgiato-in termini di plasticità ma ha mostrato uno stress da flusso dinamico inferiore.
D: Perché il deposito formato rapidamente dal laser contiene crepe e pori?
Ciascuna zona di sovrapposizione degli strati subisce ripetuti rapidi scioglimenti e solidificazioni con un campo di temperatura irregolare, che intrappola la porosità e può avviare fessurazioni lungo i confini di sovrapposizione.
D: Quale microstruttura offre le migliori prestazioni in condizioni di compressione quasi-statica?
La struttura equiassiale forgiata, che mostra la migliore combinazione di resistenza e plasticità insieme ad un forte effetto di incrudimento.
D: Quale stato è più sensibile alla velocità di deformazione?
La struttura a trama di cesto forgiata- è la più sensibile, il deposito formato rapidamente dal laser è il meno sensibile e la struttura equiassica forgiata si colloca tra le due.
D: La prototipazione rapida laser può sostituire la forgiatura per le parti TC4?
Per una geometria di forma quasi-netta- con percorsi di carico moderati può essere competitivo, ma per le parti caricate dinamicamente il deposito necessita ancora di densificazione mediante pressatura isostatica a caldo o un trattamento termico adeguato, oltre a test su coupon per confermare la coerenza.
D: Quali standard si applicano ai pezzi forgiati e ai componenti a letto di polvere TC4?
Le barre e i pezzi forgiati di titanio sono comunemente specificati in ASTM B348 e ASTM B381, la fusione del letto di polvere laser-di Ti-6Al-4V è coperta da ASTM F2924 e la fusione del fascio di elettroni da ASTM F3001, mentre i test meccanici seguono ASTM E8/E8M per tensione e ASTM E9 per compressione.
