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TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01 CAP. 12 -METALLURGIA DELLE POLVERI E FORMATURA SUPERPLASTICA

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G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 1 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano

CAPITOLO

12

12 METALLURGIA DELLE POLVERI

E FORMATURA SUPERPLASTICA

Sinossi

elle costruzioni aerospaziali si manifesta spesso

l‟esigenza di realizzare componenti o assiemi

finiti. In particolare, è sempre conveniente produrre

componenti cosiddetti net shape allo scopo di

risparmiare ulteriori costose lavorazioni di finitura

oppure per evitare difficoltà e criticità tecnologiche o,

infine, per ragioni di pericolosità o di rispetto

dell‟igiene ambientale. D‟altra parte, nel caso degli

assiemi, una struttura cosiddetta integrale consente di

eliminare o ridurre le giunzioni, le quali di solito

comportano aumento di costo e di peso e riduzione

delle prestazioni meccaniche. Le tecnologie di

metallurgia delle polveri (sinterizzazione) e di

formatura superplastica, oggetto del presente capitolo,

sono tra le più adatte per raggiungere questi obbiettivi.

Per quanto riguarda la metallurgia delle polveri,

verranno presi in considerazione i precursori e le loro

tecniche produttive, i processi di compattazione e

sinterizzazione, illustrando altresì i possibili processi

alternativi, nonché le tecniche secondarie e di finitura.

La trattazione della formatura superplastica prenderà le

mosse dai fondamenti teorici della superplasticità e

della cavitazione, per passare alla descrizione delle

caratteristiche delle leghe superplastiche, della

tecnologia vera e propria e della tecnica di giunzione

simbiotica con la formatura superplastica, ovvero la

diffusion bonding. Infine si daranno brevi cenni relativi

agli aspetti progettuali ed economici delle due tecnologie.

12.1 Processi a caldo non convenzionali

ntrambi i processi presi in esame nel presente capitolo

necessitano di elevate temperature operative e di

semilavorati aventi natura e/o caratteristiche non

convenzionali: possono perciò a buon diritto essere

definiti processi a caldo non convenzionali. La

metallurgia delle polveri (MP) è un processo tecnologico

nel quale i componenti vengono prodotti da polveri

metalliche. La sequenza tipica di questa tecnologia

prevede innanzitutto che le polveri vengano compresse

nella forma desiderata e poi riscaldate per provocarne la

solidarizzazione in una massa dura e rigida. La pressatura

avviene in un impianto assimilabile ad una pressa, usando

attrezzi specificamente realizzati per il componente da

produrre. L‟attrezzatura, che in genere consiste in uno

stampo e in uno o più punzoni, può essere costosa, così

che la metallurgia delle polveri è una tecnologia adatta per

le medie/grandi serie produttive. Il trattamento termico

(sinterizzazione) avviene ad una temperatura inferiore a

quella di fusione. La metallurgia delle polveri costituisce

un‟importante alternativa alle tecnologie tradizionali di

formatura per i seguenti motivi (tra gli altri):

N

E





i componenti prodotti per MP possono essere

net shape o near net shape, eliminando o

riducendo così la necessità di lavorazioni

ulteriori;

la MP comporta sfridi molto ridotti: il 97%

circa della polvere di partenza è convertita in

prodotto finito. Ciò costituisce un vantaggio

rilevante rispetto alle tecnologie di colata;

grazie alla natura del materiale di partenza, la

MP consente di ottenere manufatti aventi

prefissati livelli di porosità: ciò consente di

realizzare ingranaggi e supporti

autolubrificanti, riempiendo i pori con sostanze

opportune (olio, grafite, PTFE, etc.);

taluni metalli che sono difficili o pericolosi da

formare con tecniche standard possono essere

lavorati con la MP: per esempio i filamenti in

tungsteno delle lampadine ad incandescenza

sono realizzati con la MP;

talune leghe metalliche e cermets possono

essere realizzati solo con la MP;

la MP si confronta vantaggiosamente con la

gran parte delle tecniche di colata per ciò che

attiene il controllo dimensionale: si possono

ottenere routinariamente tolleranze di -/+

0.125mm;

la MP può essere facilmente automatizzabile.

La MP presenta però anche inconvenienti e svantaggi:

gli impianti e le attrezzature sono costosi;

le polveri metalliche sono costose e difficili da

immagazzinare e maneggiare; possono

insorgere problemi di degrado (igroscopicità)

ed incendio (reattività);

non tutte le forme possono essere realizzate, in

quanto le polveri nello stampo fluiscono con

difficoltà in direzione laterale;

possono verificarsi variazioni di densità nelle

diverse parti del manufatto, specie per forme

complesse;

normalmente i manufatti prodotti con la MP

non superano i 2-3 Kg di massa; raramente si

sono raggiunti i 20-25 Kg.

Tramite la MP si possono lavorare rame, ferro,

alluminio, nickel, titanio, metalli refrattari (tungsteno,

molibdeno); nel caso di ottone, bronzo, acciai e acciai

inossidabili, si usano polveri pre-alligate, dove

ciascuna particella è essa stessa una lega. Nelle

costruzioni aerospaziali sono tradizionalmente

realizzati per MP numerosi componenti motoristici,

quali ingranaggi, camme, supporti di banco, filtri,

guida-valvole, anelli di pistoni e bielle. Oggigiorno

l‟evoluzione della tecnologia consente di produrre

anche componenti strutturali, quali gambe dei carrelli,

supporti motore, dischi turbina, longheroni/ordinate delle

gondole motore, ventole e giranti.

Taluni metalli e leghe, come il titanio e le leghe alluminio

zinco, quando possiedono una struttura cristallina molto

fine (grani di dimensione inferiore ai 10m) e vengono

deformati ad elevata temperatura e bassa velocità,

mostrano un caratteristico comportamento superplastico,

che può dar luogo ad allungamenti a trazione superiori al

2000%. Questi materiali posso essere formati secondo

morfologie complesse tramite la tecnologia di formatura

superplastica (FS). L‟estrema duttilità e la relativamente

bassa resistenza delle leghe superplastiche offre i seguenti

vantaggi:

agli attrezzi di formatura è richiesta una resistenza

minore, stante la minor prestanza del materiale da

lavorare, così anche il loro costo è minore;

possono essere realizzati componenti integrali di

forma complessa, con tolleranze strette e dettagli

accurati, eliminando così lavorazioni secondarie e

giunzioni;

grazie alla formabilità dei materiali, si possono

ottenere risparmi di materiale e quindi di peso;

non si ha la generazione di sforzi residui di origine

termoplastica.

Per contro, la FS presenta le seguenti limitazioni:

il materiale non deve essere superplastico alla

temperatura di servizio;

a causa dell‟estrema sensibilità alla velocità di

deformazione propria delle leghe superplastiche,

esse devono essere formate a ratei di 10-4/10-2 s-1.

Ciò comporta tempi-ciclo molto più lunghi di

quelli tipici dello stampaggio tradizionale: la FS è

quindi un processo intrinsecamente costoso.

Le leghe superplastiche (specie le Zn-22Al e Ti-6Al-4V)

possono essere formate anche per forgiatura ed estrusione

dei lingotti, oltre che per termo-formatura, formatura a

vuoto e formatura per soffiatura delle lamiere. Uno

sviluppo molto importante è consistito nella capacità di

produrre strutture in parete sottile combinando la FS con

la diffusion bonding (DB), esemplificate in Figura 12.1.

Dopo aver giuntato le lamiere selettivamente tramite DB,

la struttura viene pressurizzata in uno stampo per mezzo di

argon, in modo da far espandere le lamiere nelle zone

libere da collegamenti. La costruzione che si ottiene è

leggera e rigida, particolarmente efficiente ed adatta alle

applicazioni aerospaziali. Un tale processo migliora la

produttività eliminando le giunzioni chiodate e realizza

componenti dimensionalmente accurati e privi di tensioni

residue. I materiali più comunemente utilizzati per gli

stampi di formatura superplastica sono gli acciai basso-

legati, gli acciai da fonderia per utensili, le ceramiche e la

grafite. La scelta ultima dipende dalla temperatura di

formatura e dalle caratteristiche meccaniche della lega

superplastica.





Figura 12.1: esempi di strutture aerospaziali prodotte

per DB+FS

La tecnologia è ormai consolidata per le strutture

aerospaziali in titanio, ma esistono anche realizzazioni

in lega di alluminio 7475-T6, leghe di nickel Inconel

100 e Inconel 718, acciai ad alto tenore di carbonio. La

maggior parte delle applicazioni si riferisce comunque

a parti in titanio di velivoli militari, come il Tornado

ed il Mirage 2000: ordinate di fusoliera, slats di bordo

d‟attacco e condotti degli scambiatori di calore. La

carenatura di prua dell‟F-15 è pure realizzata per FS,

mentre sull‟EFA esistono parti realizzate per FS in

lega di titanio Ti6Al4V e di alluminio 7475. Parti

realizzate per FS sono presenti anche sui velivoli

civili: per esempio l‟impianto dell‟acqua sanitaria

sull‟Airbus A-340.

In genere, il processo di FS viene eseguito a circa 900

°C per le leghe di titanio e circa 500 °C per le leghe

d‟alluminio. Le stesse temperature valgono anche per

la DB, anche se la presenza di uno strato di ossido

sulle lamiere di alluminio rappresenta un grave

inconveniente, che ne degrada le prestazioni. Per

quanto riguarda i tempi ciclo, a titolo di esempio, delle

lamiere in lega di nickel 718 dello spessore di 2 mm,

formate superplasticamente su stampi in ceramica alla

temperatura di 950 °C e alla pressione di argon a 2

MPa, richiedono un tempo di 4 ore.

12.2 Metallurgia delle polveri

a tecnologia della metallurgia delle polveri

consiste essenzialmente nei seguenti passi:

produzione delle polveri

miscelazione

compattazione

sinterizzazione

operazioni di finitura

produzione e miscelazione delle polveri – le polveri

consistono in fini particolati solidi, la geometria delle

cui particelle è definita da:

dimensione: se le particelle sono sferiche è sufficiente una

sola dimensione, in altri casi ne sono necessarie due o tre.

Le dimensioni sono definite dalla granulometria (mesh

count), la quale coincide con il numero di aperture per

pollice lineare presenti nei vagli utilizzati per selezionare

le polveri. Così, tanto maggiore è la granulometria, tanto

minore è la dimensione delle particelle. La granulometria

in genere varia da 65 a 400, mentre le dimensioni delle

particelle possono variare da 0,1 a 1000 m. Esistono altri

metodi per la selezione delle particelle, quali la

sedimentazione, la microscopia ottica ed a raggi-X e la

diffrazione Laser;

forma: le particelle possono assumere svariate forme

(sferica, cilindrica, cubica, appiattita, aciculare); il metodo

più semplice per misurare la forma consiste nel definire

l‟allungamento (rapporto tra la dimensione maggiore e la

dimensione minore) ed il fattore di forma Ks, che si

calcola come rapporto tra area superficiale A e volume V

di una particella, adimensionalizzato rispetto al volume di

una sfera equivalente di diametro D, così da risultare:

Ks = AD/V

Da ciò consegue che, per dimensioni piccole e fattori di

forma grandi, si ha una maggior area superficiale per la

medesima massa di polvere e quindi elevata sensibilità

all‟ossidazione e alla flocculazione (agglomerazione delle

particelle). Nonostante questi inconvenienti, polveri di

minor dimensione vengono preferite perché conferiscono

al pezzo finito migliori prestazioni meccaniche;

struttura interna: a questo riguardo vengono definiti i pori

aperti (spazi tra una particella e l‟altra) che possono venir

riempiti da acqua, lubrificante o metallo fuso ed i pori

chiusi, che sono cavità interne alle singole particelle e

possono influenzare il valore della densità.

Altre caratteristiche funzionalmente importanti sono:

attrito inter-particellare e fluidità: la prima di queste

proprietà influisce direttamente sulla capacità della

polvere di fluire nello stampo ed impaccarsi densamente.

Essa viene misurata dall‟angolo a riposo, che la polvere

assume quando si dispone in mucchio su di una superficie

liscia: ad un angolo grande corrisponde un attrito elevato

(tipico di particelle piccole e non sferiche); la fluidità

viene misurata dal tempo che una determinata quantità di

polvere impiega a fuoriuscire da un‟apertura calibrata. Per

migliorare la fluidità e facilitare il riempimento dello

stampo si aggiungono lubrificanti;

impaccamento, densità e porosità: l‟impaccamento è

legato a due grandezze: la densità vera, che è propria delle

particelle fuse in un tutt‟uno e la densità massica, che è

propria delle particelle non ancora solidarizzate e vi è la

presenza dei pori esterni; per questo motivo la densità

massica è sempre minore della densità vera ed il fattore di

impaccamento Fi, dato dal rapporto di tali grandezze, è

sempre tipicamente 0,5 < Fi < 0,7. Esso dipende dalle

dimensioni delle particelle e dalla distribuzione statistica,

dal fatto di venir “vibrate” per facilitare l‟assestamento e

L





compattate sotto pressione. La porosità p viene definita

come il rapporto tra il volume dei pori ed il volume

totale del materiale. Prescindendo dalla presenza di

cavità interne alle particelle, fattore d‟impaccamento e

porosità sono complementari rispetto all‟unità (Fi + p

= 1);

natura chimica e film superficiali: da un punto di vista

chimico, le polveri sono classificate in elementari e

pre-alligate. Le prime consistono in metalli puri e

possono venir miscelate con polveri di altri metalli

puri per dar luogo a leghe non ottenibili tramite la

metallurgica convenzionale. Le polveri elementari

sono più cedevoli di quelle pre-alligate, così da poter

essere compattate più facilmente fino a densità

maggiori. Nel caso delle polveri pre-alligate, ciascuna

particella è essa stessa già una lega. La Tabella 12.1

riporta natura chimica, applicazione ed uso dei più

comuni precursori per la metallurgia delle polveri.

Tabella 12.1 - Natura chimica, applicazione ed uso delle

polveri

La formazione di film superficiali, che possono essere

costituiti da umidità, ossidi, silicati o sostanze

organiche adsorbite, rappresenta un problema; perciò

essi devono venir rimossi prima della compattazione.

Esistono numerosi metodi per la produzione di polveri

metalliche; la scelta dipende dalle dimensioni, dalla

forma e dal grado di purezza, nonché dalle

caratteristiche interne e superficiali delle particelle che

si vogliono ottenere. Tali proprietà sono molto

importanti perché influiscono sulla fluidità e

permeabilità durante i processi successivi di

compattazione e sinterizzazione. I più comuni sono:

atomizzazione: il metodo consiste nella conversione

del metallo fuso in uno spruzzo di goccioline che

solidificano poi in particelle; esso può essere applicato

ad ogni tipo di metallo e di lega. L‟atomizzazione può

avvenire tramite un getto di gas, di acqua o per forza

centrifuga (Figura 12.2).

riduzione chimica: utilizzando idrogeno o monossido

di carbonio, ossidi metallici vengono deprivati

dell‟ossigeno dando luogo a polveri sferiche fini,

porose, di metalli puri;

deposizione elettrolitica: in una cella elettrolitica,

l‟anodo è costituito dal metallo di cui si vuole ricavare

la polvere. Esso si dissolve e viene trasferito

dall‟elettrolita al catodo, da cui è rimosso in forma di

particelle di elevata purezza;

polverizzazione meccanica: il metallo viene frantumato in

mulini a rulli, a palle o a martelli (Figura 12.3) fino ad

avere particelle appiattite nel caso di materiali duttili,

angolose nel caso di materiali fragili;

Figura 12.2 - Tecniche di produzione per atomizzazione

Figura 12.3 - Tecnica di produzione per polverizzazione

meccanica

estrazione dal fuso: il metallo fuso viene fatto percolare su

di un disco rotante di grande massa termica (Figura 12.4a)

oppure è il disco stesso che, sfiorando la superficie del

fuso, ne estrae delle goccioline (Figura 12.4b); in entrambi

i casi, le goccioline si solidificano poi istantaneamente.

Una volta prodotte, le polveri devono essere miscelate

(blending) quando si tratta di polveri della stessa natura e

di granulometria diversa e mescolate (mixing), quando si

tratta di polveri di diversa natura chimica. Tali operazioni

possono avvenire (cfr. Figura 12.5) in tamburi cilindrici o

a doppio cono oppure in miscelatori a vite o a pale, i quali

sono riempiti per il 20-40% e sono dotati di dispositivi per

evitare la segregazione ponderale. Spesso in questa fase

vengono aggiunti additivi speciali, quali:

lubrificanti (per migliorare la fluidità)





leganti (per migliorare la consistenza “a

verde”)1

de-flocculanti (per evitare la coalescenza).

Infine va sottolineato che le operazioni di miscelazione

e/o mescolamento vanno svolte in atmosfera

controllata per evitare contaminazioni/deterioramenti,

avendo inoltre grande cura di evitare possibili cause

d‟innesco (fiamme, scintille, fonti di calore), stante

l‟estrema reattività delle polveri di magnesio,

alluminio, titanio, zirconio e torio.

Figura 12.4 - Tecniche di produzione per estrazione dal

fuso

Figura 12.5 – Diverse tecniche di miscelazione di polveri

compattazione e sinterizzazione – durante la fase di

compattazione, viene applicato un elevato valore di

pressione alla polvere per conferirle la forma voluta. Il

metodo più comune di compattazione è la pressatura,

in cui due punzoni a moto contrapposto comprimono

la polvere contenuta in uno stampo (cfr. Figura 12.6).

1 “a verde” è lo stato del materiale compattato ma non sinterizzato.

Figura 12.6 - Schema della tecnica di compattazione

Dopo questa fase il manufatto è chiamato compattato

verde, a significare che il processo non è ancora concluso.

Al termine della compattazione, la densità è molto

maggiore della densità massica della polvere, mentre la

resistenza del manufatto ne consente sì la manipolazione,

ma è ancora ben lontana dalla resistenza finale conferita

dalla sinterizzazione. La pressione applicata durante la

compattazione, dapprima re-impacca le polveri secondo

uno schema più efficiente, elimina i ponti creatisi durante

il riempimento, riduce il volume dei pori (il cui valore

teorico minimo è del 24%) e incrementa il numero dei

punti di contatto tra le particelle. Allorché la pressione

aumenta, le particelle si deformano plasticamente,

provocando l‟estensione dell‟aria inter-particellare di

contatto e inducendo altre particelle a entrare in contatto.

Nel contempo, il volume dei pori si riduce ulteriormente

(cfr. Figura 12.7).

Figura 12.7 - Relazione tra pressione di compattazione e

densità

Le presse adottate nella fase di compattazione possono

essere di tipo meccanico o idraulico, a singolo, doppio o

molteplice azionamento. La capacità di tali presse è

espressa in termini di forza F. La capacità necessaria per

compattare un manufatto di area proiettata2 Ap dipende

(F=ApPc) dalla pressione di compattazione pc, che varia da

metallo a metallo, come esemplificato in Tabella 12.2.

2 Per una pressa verticale, l‟area è proiettata in un piano orizzontale.

a

b





Tabella 12.2 - Pressioni di compattazione per diversi

metalli

Di solito le presse hanno capacità di 200-300 tons,

anche se, per la maggior parte delle applicazioni, una

capacità di 100 tons è sufficiente; per altro esistono

anche presse da 5.000 tons. Per quanto riguarda le

attrezzature, ovvero i punzoni e gli stampi, esse

devono essere realizzate con materiali compatibili con

l‟abrasività delle polveri e la numerosità produttiva,

tipicamente acciai temprati in olio di durezza 60-64

HRC, con superfici lappate e tolleranze molto strette

(tipicamente inferiori a 25m).

A compattazione conclusa, il manufatto è ancora

carente di resistenza e durezza: la sinterizzazione è un

processo di trattamento termico eseguito sul

compattato verde per unire le particelle che lo

costituiscono ed aumentarne le proprietà meccaniche.

Tale trattamento avviene di solito a temperature tra il

70 e il 90% della fusione del metallo e tempi variabili

da 10 min a 8 ore; la Tabella 12.3 riporta le

temperature di sinterizzazione di svariati tipi di

metalli.

Tabella 12.3 - Temperature di sinterizzazione per

diversi metalli

La sinterizzazione avviene grazie alla riduzione

dell‟energia di superficie. Nel compattato verde ogni

particella possiede la propria superficie, cosicchè la

superficie totale è elevatissima. Grazie all‟apporto del

calore, si formano giunzioni e ponti, riducendo così la

superficie e la relativa energia superficiale: tanto più

fini sono le particelle iniziali, tanto maggiore è l‟effetto.

La Figura 12.8 - Meccanismo microscopico di

sinterizzazionemostra il meccanismo microscopico della

sinterizzazione, la quale comporta altresì trasporto di

massa tramite fenomeni di diffusione e di flusso plastico.

Figura 12.8 - Meccanismo microscopico di sinterizzazione

Per ragioni di ottimizzazione produttiva, il trattamento

termico avviene in impianti automatizzati, nei quali si

svolgono i seguenti passi tecnologici (cfr Figura 12.9):

pre-riscaldo e pirolisi dei lubrificanti e leganti

sinterizzazione

raffreddamento

Figura 12.9 - Schema del trattamento termico di

sinterizzazione

Normalmente l‟atmosfera nei forni di trattamento è

controllata (gas inerti o vuoto), per i seguenti motivi:

proteggere dall‟ossidazione

fornire un‟atmosfera riducente per disossidare

fornire un‟atmosfera carburizzante

coadiuvare la rimozione di lubrificanti e leganti.

La sinterizzazione può portare a risultati diversi, i quali

dipendono dai parametri tecnologici e comportano gradi

diversi di porosità e, in certi casi, anche strutture diverse.

A questo proposito, la Tabella 12.4 mette a confronto le

proprietà meccaniche di una lega di titanio per impiego

aerospaziale ottenuta con diverse tecnologie, mentre la





Tabella 12.5 sintetizza le proprietà meccaniche

assolute di diversi metalli e leghe ottenuti per

sinterizzazione.

Tabella 12.4 - Confronto tra le proprietà meccaniche di una lega di titanio per impiego aerospaziale ottenuta con diverse tecnologie

Tabella 12.5 - Proprietà meccaniche di leghe metalliche sinterizzate

tecnologie alternative – la tecnologia convenzionale di

compattazione/sinterizzazione mostrata sin qui

costituisce il processo più largamente adottato; d‟altra

parte esistono tecnologie alternative in grado di

soddisfare esigenze particolari, che ricadono in

differenti categorie: a) metodi di compattazione; b) di

compattazione e sinterizzazione; c) di sinterizzazione;

di seguito sono illustrati i principali:

compattazione isostatica (isostatic pressing) – nelle

tecniche convenzionali di compattazione, la pressione

è applicata uniassialmente, cosicché la struttura

risultante è disomogenea/anisotropa. Nella compattazione

isostatica, la pressione è idrostatica e viene applicata a

temperatura ambiente (cold isostatic pressing – CIP)

oppure a caldo (hot isostatic pressing – HIP). Nel primo

caso, illustrato in Figura 12.10, la polvere contenuta in

stampi elastomerici viene compattata da acqua o olio in

pressione (400-1.000 MPa). I vantaggi sono dati dalla

miglior omogeneità del materiale e dal risparmio di stampi

metallici costosi. Per contro, la forma e le dimensioni

devono essere migliorate per mezzo di operazioni di

finitura, in quanto non precise a sufficienza.





Figura 12.10 - Schema della tecnica di compattazione

isostatica

La tecnica HIP comporta elevate temperature e

pressioni (1100 °C e 100 Mpa) fornite da gas (argo o

elio), adotta stampi metallici deformabili e consente di

effettuare contemporaneamente le operazioni di

compattazione e di sinterizzazione. I manufatti

prodotti con questa tecnica possiedono elevate densità

(porosità nulla) e proprietà meccaniche. Stante

l‟elevato costo, la tecnica è adottata quasi solo

dall‟industria aerospaziale per le super-leghe;

stampaggio ad iniezione (injection moulding) – la

tecnica è assimilabile a quella adottata per i polimeri;

essa consta dei seguenti passi:

polveri metalliche sottili (dimensione < 25m)

vengono mescolate (50-85% in volume) con un

legante (resina fenolica, polietilene, cera, gel);

vengono formati pellet di queste miscele;

i pellet vengono riscaldati fino alla temperatura

di fusione del legante e iniettati in stampo

chiuso

dopo raffreddamento, il manufatto viene

estratto e il legante rimosso termicamente o

chimicamente

si effettua l‟operazione di sinterizzazione.

Si possono ottenere manufatti di dimensioni accurate,

forma complicata, buone caratteristiche meccaniche,

ma di costo elevato e massa limitata (non superiore a

250g);

laminazione – le polveri vengono laminate in nastri

sottili (velocità di laminazione 30 m/min) e poi

sinterizzate;

estrusione – le polveri sono preliminarmente

compattate in billette, che vengono poi estruse; in

alternativa, esse vengono chiuse sotto vuoto in un

contenitore di lamiera e poi estruse; in ogni caso si

ottengono densità molto alte;

forgiatura – le polveri vengono compattate e

sinterizzate in una pre-forma, la quale viene poi

forgiata; i vantaggi consistono in grande

densificazione, riduzione degli sfridi e riduzione del

numero di stampate. Si ottengono ottime finiture

superficiali e tolleranze dimensionali strette, tanto da

rendere tali forgiati adatti alle applicazioni aerospaziali

operazioni secondarie e di finitura – per migliorare

ulteriormente le proprietà dei manufatti prodotti tramite la

metallurgia delle polveri oppure per impartire proprietà

aggiuntive, possono venir condotte operazioni secondarie

e/o di finitura, quali:

densificazione – per aumentare la densità e migliorare la

rugosità superficiale e l‟accuratezza dimensionale;

impregnazione – il sinterizzato viene impregnato con

lubrificanti liquidi (olio) o solidi (PTFE) in percentuali

fino al 30%, che riempiono i pori, conferendo proprietà

auto-lubrificanti (bronzine e supporti auto-lubrificanti);

infiltrazione – il sinterizzato viene infiltrato per capillarità

da metalli basso fondenti (rame o stagno) per aumentare la

densità e impedire l‟assorbimento di umidità nei pori,

trattamento termico – per migliorare durezza e resistenza;

lavorazione di macchina – per produrre forme complesse;

rettifica – per migliorare la rugosità e le tolleranze;

rivestimento – per migliorare la resistenza all‟abrasione e

alla corrosione, nonché – talvolta – l‟aspetto estetico.

12.3 Formatura superplastica

l processo tecnologico di formatura superplastica

dipende dai meccanismi micro-metallurgici della

superplasticità e della cavitazione, può applicarsi solo ad

alcuni metalli e leghe metalliche e spesso si accompagna

alla tecnica di giunzione per diffusion bonding: questi

sono gli aspetti trattati con maggior dettaglio nel seguito:

superplasticità e cavitazione – talune leghe, quando

vengono deformate in trazione a particolari temperature e

velocità di deformazione, mostrano allungamenti molto

elevati: questo fenomeno viene chiamato superplasticità. Il

flusso plastico cui questo fenomeno avviene è molto lento.

Nel seguito verrà trattata la superplasticità isoterma che

richiede una dimensione dei grani ultra-fine e stabile a

temperature > 0.5 Tm (temperatura di fusione).

Nei metalli e nelle leghe metalliche duttili, caratterizzate a

temperature < 0.4 Tm, dove la deformazione plastica

avviene a causa dello scorrimento ed interazione delle

dislocazioni, la tipica curva forza-allungamento assume la

forma riportata in Figura 12.11. Dopo aver raggiunto il

carico massimo, la curva decade a causa della strizione

diffusa, che interessa un‟area estesa. Dopo che essa si è

sviluppata sino ad un certo grado, si verifica una strizione

localizzata: il materiale si assottiglia in corrispondenza di

una banda molto stretta e giunge rapidamente a rottura.

I





Figura 12.11 - Curva carico-allungamento di un

materiale duttile.

La strizione localizzata contribuisce quasi per nulla

all‟allungamento totale del materiale: ad esempio, per

un acciaio dolce da stampaggio con un allungamento

totale del 50%, l‟allungamento uniforme contribuisce

per il 34%, l‟allungamento diffuso per il 15% e quello

dovuto alla strizione localizzata solo per l‟1%.

Derivando dalla curva carico-allungamento di Figura

12.11 la curva sforzo-deformazione di Figura 12.12, si

evidenzia un incrudimento dalla condizione

indeformata sino alla rottura. Il legame è non

lineare sino al carico massimo Pmax e lineare da questo

alla rottura; esso è descritto dalla relazione:

= kn

dove k è una costante ed n il coefficiente di

incrudimento.

Figura 12.12 - Curva sforzo-deformazione effettiva

L‟instabilità del carico (dp = 0) avviene se d/d =

ed a questo punto = n, essendo il valore limite

della deformazione uniforme effettiva. Nella maggior

parte dei metalli n < 0.5 e questo limita la

deformazione uniforme a circa il 60%. Se viene

innalzata la temperatura e sono attivati i processi

microstrutturali legati dalla temperatura, entra in gioco

anche il parametro tempo e nella relazione deve

incorporarsi anche la velocità di deformazione d/dt:

= kn(d/dt)

m

m è l‟esponente dell‟incrudimento dinamico, dipendente

dalla temperatura. In condizioni di incrudimento dinamico

(< 0.4 Tm, m = 0), la relazione precedente è ancora valida,

mentre in assenza di incrudimento (per opportuni valori di

temperatura e rateo di deformazione), la densità delle

dislocazioni mobili rimane inalterata, n = 0 e risulta:

= k(d/dt)m

Figura 12.13 - Curva carico-allungamento per > 0.5 Tm

Sotto le cosiddette condizioni di deformazione a caldo

(hot working), ovvero per m = 0.2, l‟aumento del rateo di

deformazione incrementa lo sforzo. Al contrario, la curva

carico-allungamento nel caso di deformazione a caldo

(riportata schematicamente in Figura 12.13), confrontata

con quella di Figura 12.11, mostra che il contributo della

strizione diffusa è ora divenuto preponderante: nel caso

dell‟alluminio puro a 400 °C e con un rateo di

deformazione 1x10-3

sec-1

, l‟allungamento totale è del

60%, di cui il 55% dipende dalla strizione diffusa.

Infatti, essendo = P/A (con P carico e A area della

sezione), dalla relazione precedente risulta:

P/A = k(d/dt)m

e ponendo l la lunghezza di misura, risulta:

d/dt = ldl/ldt = ldA/Adt

da cui si può ottenere il rateo di strizione3:

-dA/dt = (P/k)1/m

1/[A(1-m)/m]

il quale è inversamente proporzionale all‟area della

sezione e grandemente sensibile ad m. Così l‟aumento di

m stabilizza la strizione diffusa e aumenta l‟allungamento

diffuso, mentre l‟aumento di n incrementa l‟allungamento

uniforme.

3 L‟integrazione di questa equazione sotto certe condizioni al contorno

consente di calcolare l‟allungamento totale tot di un materiale sensibile

alla velocità di deformazione: tot = 0 + 100[(1 - a1/m)-m – 1], essendo 0 l‟allungamento uniforme.





Figura 12.14 - Influenza di m sulla strizione

L‟effetto di m è illustrato nella Figura 12.14, la quale

mostra che, quando m approssima l‟unità, il rateo di

strizione in corrispondenza di tutte le sezioni

approssima un valore comune e, per m = 1, -dA/dt è

indipendente da A. In tal modo un provino irregolare

manterrebbe la propria irregolarità durante la prova,

non si osservebbero concentrazioni di deformazione e

si manifesterebbero grandi allungamenti (come nei

polimeri e nel vetro fusi). Così le leghe superplastiche,

alcune delle quali esibiscono allungamenti totali

>2000%, possiedono valori di m tipicamente vicini a

0.6: nelle giuste condizioni di temperatura e rateo di

deformazione, ciò estende prodigiosamente la capacità

del metallo di allungarsi grazie al meccanismo della

strizione diffusa.

Dal punto di vista metallurgico, la superplasticità

dipende dal verificarsi di particolari relazioni, in

particolare tra:

sforzi e deformazioni

sforzi e velocità di deformazione

m e velocità di deformazione

sforzi, deformazioni e temperatura

mmax e temperatura

m e dimensioni del grano4

Inoltre, l‟osservazione microscopica mostra:

trascurabile ingrossamento del grano

curvatura delle superfici di fase

distruzione della direzionalità

rotazione dei grani

scorrimento delle superfici di bordo grano

bassa densità di dislocazioni dopo deformazione

variazioni della struttura.

Per giustificare tutto ciò sono state formulate numerose

teorie, le più accreditate delle quali interpretano la

superplasticità come un fenomeno complesso legato a alti

valori di m, i quali valori derivano dalla combinazione di

differenti meccanismi metallurgici, come:

auto-diffusione e diffusione dei soluti al bordo

grano dovuta agli sforzi

scorrimento viscoso dovuto alla diffusione

scorrimento viscoso dovuto alla dislocazione

ricristallizzazione dinamica

scorrimento delle dislocazioni controllato dalla

diffusione

scorrimento al bordo di grano.

Le rappresentazioni riportate in Figura 12.15 (relative ad

una tipica lega bifasica, costituita da grani di natura

diversa in quanto ricchi rispettivamente dei due alliganti)

mostrano in maniera schematica come tali meccanismi

diano luogo agli elevati allungamenti propri della

superplasticità.

In molte leghe5, durante il flusso superplastico, avviene il

fenomeno della cavitazione. Le cavità nucleano ai bordi

grano in conseguenza dell‟incompleto adattamento degli

scorrimenti al bordo. Il fenomeno globale consiste in:

nucleazione delle micro-cavità

crescita e interconnessione

coalescenza in macro-cavità

rottura prematura del materiale

Evidenze sperimentali mostrano altresì che le cavità

possono innescarsi a partire da difetti pre-esistenti quali

cricche associate a particelle intermetalliche dure o

inclusioni, le quali si formano nel corso del processo

termomeccanico necessario a costituire la microstruttura

superplastica. Nelle leghe non soggette a cavitazione, il

cedimento avviene durante la deformazione superplastica

a causa dell‟instabilizzarsi del flusso plastico, mentre nelle

4 Una struttura a grano fine (di dimensioni microniche), si può ottenere tramite: a) rapida solidificazione, b) trattamento termico, c) aggiunta in

lega di elementi affinanti, d) metallurgia delle polveri. 5 Sono affette dal fenomeno della cavitazione le leghe di ferro, titanio, alluminio, magnesio, rame, zinco, piombo e argento.





leghe soggette a cavitazione il cedimento avviene per

interconnessione delle cavità, che porta a superfici di

frattura piane, assimilabili a quelle tipiche di fatica.

Figura 12.15 - Meccanismi di deformazione

superplastica

Oltre all‟influenza sulle modalità di rottura, gli effetti

della cavitazione portano conseguenze deleterie sulle

proprietà in servizio di pezzi realizzati per formatura

superplastica, quali resistenza, duttilità, tenacità a

frattura, resistenza all‟impatto, scorrimento viscoso,

fatica e corrosione. Una condizione favorevole allo

sviluppo della cavitazione è senz‟altro la presenza di

sforzi di trazione localizzati, mentre è dimostrato che

la sovrapposizione di uno stato di sforzo di

compressione idrostatica durante deformazioni

superplastiche a trazione mono- o bi-assiali può ridurre

o addirittura eliminare la cavitazione. Questa può

anche essere rimossa tramite un trattamento di hot

isostatic pressing (HIP) eseguito a posteriori. Per

controllare la cavitazione è necessario conoscere i

parametri microstrutturali e deformativi che la

influenzano. Come si è visto, la deformazione viene

accumulata durante il flusso superplastico soprattutto a

causa degli scorrimenti al bordo grano. Se i grani

rigidi devono muoversi relativamente l‟uno rispetto

all‟altro (cfr. Figura 12.16,) si verifica necessariamente

la formazione di vuoti. Fortunatamente, i movimenti

relativi possono essere assorbiti grazie alla re-

distribuzione del materiale nella sottile fascia (spessore

pari al 7% della dimensione del grano) adiacente alle

superfici di bordo. Ciò avviene grazie ai fenomeni di

diffusione e di scorrimento delle dislocazioni attraverso le

superfici stesse. Se il fenomeno di adattamento non è

sufficientemente rapido rispetto al rateo di deformazione

imposto, allora si creano le cavità.

Figura 12.16 - Nucleazione, crescita e coalescenza delle

cavità a causa dell’insufficiente adattamento del materiale

agli scorrimenti di bordo grano

I fattori che influenzano la nucleazione delle cavità

includono quelli relativi alla microstruttura, quali:

dimensioni del grano

natura, dimensione, frazione volumetrica e

distribuzione delle inclusioni dure

proporzione e proprietà fisiche delle principali fasi

presenti nella lega

oltre a quelli associati con le condizioni di deformazione,

quali:

deformazione

velocità di deformazione

temperatura

stato di sforzo

leghe superplastiche – le lamiere adatte alla formatura

superplastica devono possedere una struttura uniforme

costituita da grani fini (< 10m) oppure devono essere in

grado di sviluppare tale struttura durante la formatura

superplastica. Le leghe che sono attualmente disponibili in

commercio ricadono in entrambe queste categorie. Mentre

nel caso delle leghe di titanio Ti6Al4V il normale

processo standard di produzione è perfettamente adeguato

a fornire semilavorati adatti alla formatura superplastica,

leghe di alluminio Al6Cu0.4Zr (Supral) e AlZn5.5MgCu

(7475) richiedono particolari accorgimenti. Nel primo





caso è necessario adottare un metodo di colata speciale

per ottenere un livello di supersaturazione dello

zirconio sufficientemente alto, come mostrato in

Figura 12.17. Le fasi successive di produzione sono

convenzionali, in quanto la lamiera ricristallizza

dinamicamente direttamente nel corso della formatura

superplastica.

Figura 12.17 - Schema del processo produttivo di lamiere superplastiche in lega d’alluminio Al6Cu0.4Zr (Supral)

Viceversa, nel caso della lega ad elevata resistenza

7475, il processo di colata è convenzionale, ma la

lamiera assume la struttura a grano estremamente fine

solo grazie ad un accurato trattamento termo-

meccanico effettuato durante gli ultimi passi della

produzione (cfr. Figura 12.18).

Una volta ottenute, queste leghe vengono sottoposte alla

deformazione superplastica; le loro proprietà meccaniche

possono però variare a causa di modificazioni strutturali: è

quindi importante per il progettista conoscere le reali

prestazioni strutturali del pezzo realizzato con tale tecnica.





Figura 12.18 - Trattamento termo-meccanico per

ottenere lamiere superplastiche in lega d’alluminio

AlZn5.5MgCu (7475)

Nel caso della lega di titanio Ti6Al4V si osserva una

marcata riduzione della resistenza statica (cfr. Figura

12.19) in larga parte imputabile al trattamento termico

impartito dalla formatura superplastica.

Figura 12.19 - Effetto delle deformazioni superplastiche

sulla resistenza statica della lega di titanio Ti6Al4V

Al contrario appare evidente dall‟esame della Figura

12.20 che la deformazione superplastica esercita

un‟influenza trascurabile sulla resistenza a fatica della

stessa lega.

Nel caso delle leghe di alluminio, l‟assenza di una

fase addizionale capace di adattare la struttura agli

scorrimenti di bordo grano, fa sì che le deformazioni

superplastiche provochino la formazione di cavità

intergranulari. Questo porta a rilevanti conseguenze

sulla resistenza statica (cfr. Figura 12.21, relativa alla

lega Al6Cu0.4Zr - Supral -) nonché sulla resistenza a

fatica, mostrata dalla Figura 12.22, relativa alla lega di

alluminio-litio 8090.

Lo stesso meccanismo microstrutturale di cavitazione

provoca il sensibile peggioramento della tenacità a

frattura (aumento della velocità di propagazione della

cricca) mostrato in Figura 12.23 relativamente alla

lega Al6Cu0.4Zr


sulla resistenza a fatica della lega di titanio Ti6Al4V


sulla resistenza statica della lega di alluminio Al6Cu0.4Zr


sulla resistenza a fatica della lega alluminio-litio 8090






sulla velocità di propagazione della cricca (lega

Al6Cu0.4Zr - Supral)

Da ultimo, a dimostrazione dell‟influenza esercitata

dalla cavitazione, la Figura 12.24 riporta l‟effetto

dell‟operazione di hot isostatic pressing (chiusura dei

vuoti provocati dalla cavitazione) sulla tenacità a

frattura della lega Supral.

Figura 12.24 - Effetto dell’hot isostatic pressing sulla

tenacità a frattura della lega Al6Cu0.4Zr - Supral

Negli ultimi anni, oltre alle classiche leghe di

alluminio e di titanio, sono stati sviluppati nuovi

materiali con micro- strutture fini e comportamenti

superplastici; tra questi i più promettenti sono: gli

acciai inossidabili microduplex, le leghe alluminio-

litio, le leghe di alluminio rinforzate con whiskers in

carburo di silicio, le leghe alluminio-magnesio, le

leghe di nickel e l‟alluminio con alligazione

meccanica. Materiali superplastici ancora più avanzati

sono: le ceramiche, quali zirconia stabilizzata con yttrio, i

compositi ceramici costituiti da zirconia stabilizzata con

yttrio e fibre corte di alumina, i carburi di ferro, gli inter-

metallici come gli aluminuri ed i siliciuri di nickel e gli

aluminuri di titanio, per non parlare di nuovi semilavorati

ottenuti per metallurgia delle polveri (ghisa bianca).

formatura superplastica – l‟eccezionale duttilità delle

leghe superplastiche può essere sfruttata per formare parti

che non potrebbeero essere prodotte convenientemente

con altri materiali di più limitata duttilità. Sono stati

sviluppati numerosi processi di formatura superplastica in

grado di migliorare efficienza e convenienza produttiva,

ma tale processo richiede la valutazione contemporanea di

diversi fattori interattivi (quali proprietà del materiale,

temperatura, rateo di deformazione, modificazioni micro-

strutturali, tipologie degli stampi, assottigliamenti delle

lemaiere, innesco di cavitazione), che devono essere

valutati preventivamente tramite tecniche di simulazione.

Come illustrato nei paragrafi precedenti, esistono alcune

condizioni sine-qua-non per la formatura superplastica:

struttura microcristallina del materiale (< 10m)

elevata temperatura di processo (> 0.5Tm)

bassi ratei di deformazione (10-4

< d/dt < 10-2

)

Inoltre, solo poche leghe di interesse aerospaziale godono

di caratteristiche superplastiche (ovvero possiedono una

microstruttura stabile con la temperatura e la velocità di

deformazione), tra le quali:

lega di titanio Ti6Al4V

lega di alluminio 7475

superlega Supral

Una volta scelta la lega adatta ed adottate le condizioni di

processo opportune, la formatura superplastica può essere

implementata tramite una delle seguenti tecnologie6:

blow forming e vacuum forming (cfr. Figura 12.25): essi

costituiscono di fatto lo stesso processo, talvolta chiamato

stretch-forming, nel quale viene imposto al diaframma

(costituito da una lamiera superplastica) una pressione

differenziale indotta da un gas. Nel vacuum forming i

livelli di pressione sono quelli atmosferici, mentre nel

blow forming raggiungono 0.7-3.5 bar. La temperatura è

di 900 °C (per le leghe di titanio), mentre la velocità di

pressurizzazione è regolata in modo da non dar luogo ad

eccessivi ratei di deformazione. La lamiera è vincolata ai

bordi così da scorrere e omogeneizzare l‟assottigliamento

thermo-forming (cfr. Figura 12.26 e Figura 12.27): è una

tecnologia già adottata nell‟industria della trasformazione

dei polimeri, che può essere implementata secondo la

sequenza di Figura 12.26, dove la pressione del gas e

6 Limitatamente alle tecniche di formatura delle lamiere e non

considerando in questa sede le tecniche di formatura dei pezzi massicci, quali forgiatura, estrusione e trafilatura dieless.





quella esercitata da un punzone mobile sono concordi,

oppure secondo la sequenza di Figura 12.27, in cui la

lamiera è formata grazie all‟azione di stampi (concavi

o convessi) mobili ed alla pressione di un gas neutro

(per evitare l‟ossidazione).

Figura 12.25 -Tecnologia di FS per blow forming

Figura 12.26 - Tecnologia di FS per: a) plug-assisted

thermoforming, b) snap-back thermoforming

deep-drawing (cfr. Figura 12.28): questa tecnica dello

stampaggio profondo non offre particolari vantaggi, in

quanto conta sull‟incrudimento per garantire

l‟opportuna formabilità e per prevenire l‟eccessivo

assottigliamento e le rotture precoci. Quindi, poiché i

materiali superplastici non incrudiscono in maniera

rilevante, ma fanno dipendere la propria formabilità

dall‟alto incrudimento dinamico, la tecnica non è

particolarmente adatta ad essi.

Figura 12.27 -Tecnologia di FS per termoformatura: a) con

stampo concavo, b) con stampo convesso mobile

Figura 12.28 - Tecnologia di FS per deep-drawing

FS/DB (cfr. Figura 12.29): l‟adozione combinata della FS

e della tecnica di giunzione tramite diffusion bonding-DB

(che verrà approfondita nel seguito) amplia grandemente

le potenzialità della prima. La combinazione sinergica è

possibile grazie al fatto che le temperature di processo

sono le medesime. In aggiunta, il lento flusso plastico

tipico delle leghe superplastiche coadiuva i processi di

diffusione che stanno alla base della DB; anche i valori di

pressione dei due processi (2-3.5 bar) sono compatibili.

La combinazione FS/DB si applica di solito alla tecnica

blow-moulding di una lamiera, che può venir ottimizzata

per ottenere one-shot strutture più complesse ed integrate,

tramite le tecniche a 2, 3 e 4 lamiere, descritte nel seguito.





Figura 12.29 – Combinazione delle tecnologie FS/DB

Da ultimo è necessario accennare ai principali

problemi collaterali alle tecnologie della FS, ovvero:

impianti e stampi di formatura: normalmente vengo

usate presse meccaniche o idrauliche (singolo/multiplo

effetto), del tipo mostrato in Figura 12.30, in grado di

garantire la tenuta pneumatica lungo il contorno delle

lamiere prima dell‟immissione del gas. Il

riscaldamento deriva da piastre metalliche o ceramiche

inglobanti resistenze elettriche, che sono frapposte tra

lo stampo e i piani della pressa.

Figura 12.30 - Pressa a piani riscaldati per la FS

Gli stampi per FS sono soggetti ad elevate

temperature, forti gradienti termici, pressioni esercitate

dai gas, azioni corrosive ed attacco chimico da parte di

materiali reattivi che costituiscono le lamiere

superplastiche. I materiali in grado di sopportare la

concomitanza di tali cimenti senza cedere, criccarsi,

degradarsi, ossidarsi e distorcersi sono taluni acciai

(Fe22Cr4Ni9Mn) per produzioni superiori ai 100

esemplari, la grafite per produzioni di circa 100

esemplari e la ceramica per produzioni non superiori ai

10 esemplari;

controllo dell’assottigliamento: nella deformazione

super plastica le deformazioni elastiche sono

trascurabili, così che il volume può essere considerato

costante e la somma delle deformazioni plastiche deve

essere nulla. Poiché si hanno elevatissime elongazioni nel

piano, si verificano contestualmente rilevanti

assottigliamenti dello spessore, i quali devono essere

controllati per verificare che siano soddisfatti i requisiti di

tolleranza. I metodi consistono in:

trattare il materiale superplastico in modo da

ottenere un elevato valore del parametro m;

utilizzare un lubrificante superficiale;

usare tecniche di thermo-forming per controllare le

deformazioni localizzate;

modificare la forma dei manufatti e degli stampi

per minimizzare le concentrazioni di sforzo;

usare lamiere a spessore variabile;

applicare la pressione con un profilo temporale

pre-determinato, tale da mantenere la velocità di

deformazione al valore costante corrispondente al

massimo del parametro m.

controllo della cavitazione: come visto in precedenza, la

maggior parte delle leghe superplastiche patisce gli effetti

della cavitazione. I metodi adottati per tener conto di ciò

sono:

ridurre gli ammissibili delle proprietà elastiche;

imporre una back-pressure durante la formatura in

modo che la lamiera sia sede di una pressione

idrostatica pari al valore dello sforzo di flusso

plastico (tipicamente 2-3.5 bar). Siccome la

pressione di formatura dovrà comunque essere più

elevata della back-pressure, il suo profilo

temporale verrà otterruto aggiungendo al profilo

originario un valore pari alla back-pressure.

diffusion bonding – una giunzione ottenuta per diffusion

bonding (DB) rappresenta il sogno dell‟ingegnere: avere

un giunto con la stessa struttura e prestazioni meccaniche

dei materiali giuntati. La DB è un processo che richiede

alte temperature per migliorare la diffusione e comporta

limitate deformazioni microscopiche. Esistono due tipi di

DB: a) diffusion welding (in fase solida), quando i due

aderenti si solidarizzano per pressione e temperatura, ma

senza arrivare a fusione; b) diffusion brazing (in fase

liquida) se i due aderenti si solidarizzano, talvolta senza

l‟intervento della pressione, grazie alla fusione di uno

strato intermedio o di un rivestimento. Le principali

peculiarità della DB sono:

la resistenza del giunto approssima quella degli

aderenti;

la giunzione comporta minime distorsioni quindi è

possibile un accurato controllo dimensionale;

possono essere realizzate giunzioni molto estese;

possono essere giuntati pezzi sottili e spessi;





possono essere giuntati aderenti prodotti per

colata, forgiatura, metallurgia delle polveri e

MMC, anche di diversa natura chimico-fisica;

la durata del processo è indipendente dall‟area

della giunzione, dalla complessità delle forme e

dal numero dei componenti;

i costi di lavorazione di macchina sono ridotti;

i giunti sono resistenti alla corrosione, in quanto

non vengono utilizzati flussanti (cfr. Cap. XVI);

il progetto strutturale può essere molto

efficiente

la DB si combina convenientemente con la FS.

La DB allo stato solido si basa sui seguenti

meccanismi:

deformazione plastica sotto carico

deformazione per scorrimento viscoso

diffusione

ricristallizzazione e migrazione a bordo grano

A pressioni molto inferiori allo sforzo di snervamento

e temperature superiori al 50% della temperatura di

fusione la deformazione è confinata alle sole asperità

superficiali e lo scorrimento viscoso è espresso dalla

relazione:

d/dt = Ane

(-Qc/RT)

dove:

d/dt = velocità di scorrimento viscoso

A = costante del materiale

sforzo

n = costante d‟incrudimento (1.5-2.0 per il

titanio)

Qc = energia di attivazione

R = costante dei gas

T = temperatura assoluta

Per i materiali a grano fine, la deformazione

superplastica con limitato incrudimento può accelerare

le deformazioni delle asperità (la riduzione delle

dimensioni del grano da 2 a 0.5m può aumentare la

velocità di deformazione di un fattore 103). Alla fine

dei processi di deformazione, l‟interfaccia consiste in

aree giuntate separate da aree che contengono piccoli

vuoti. La pressione idrostatica può accelerare la

chiusura dei vuoti tramite diffusione se essi hanno

dimensioni > 20m; sotto di tali valori prevalgono

meccanismi di diffusione volumetrica ed al bordo

grano. Il fenomeno è favorito dalle piccole

dimensione dei grani, ma i parametri più importanti

sono temperatura/pressione.

La DB spesso fa uso di strati interlaminari costituiti da

fogli metallici o rivestimenti elettrodeposti, che

portano alla riduzione dei valori di temperatura,

pressione, tempo, ma devono essere scelti

accuratamente per evitare di alterare la microstruttra e la

composizione chimica.

I principali parametri tecnologici della DB sono quindi:

temperatura, che deve essere mantenuta costante

uniforme e più alta possibile, compatibilmente con

le caratteristiche del materiale;

pressione, che deve essere la più alta possibile per

ridurre i tempi di processo, ma deve anche tener

conto dei costi per le presse e gli stampi;

tempo, che deve essere tale da garantire buone

caratteristiche globali del giunto e nel contempo

non alterare la microstruttura degli aderenti (p.e.

crescita del grano); tempi ciclo di parecchie ore

sono comunque accettabili a questo riguardo.

I requisiti relativi alle caratteristiche del materiale sono:

planarità: gli aderenti non devono presentare

imperfezioni superficiali di grande lunghezza

d‟onda, che ne impedirebbero l‟intimo contatto;

rugosità: il meccanismo teorico della DB si basa

sul concetto di superfici perfettamente lisce: in

pratica una rugosità Ra = 0.5 m (valore tipico per

la rettifica) costituisce un compromesso accettabile

tra risultato finale e costi di finitura;

assenza di contaminanti superficiali, usualmente

consistenti in umidità, lubrificanti o ossidi; essi

devono essere rimossi con metodi fisico/chimici

per evitare il formarsi di micro-vuoti.

I materiali che possono essere utilizzabili nella DB sono:

leghe di titanio, giuntate a 930-950 °C, 20-30 bar,

con tempi ciclo di 1-1.5 ore; la resistenza a taglio

del giunto è di 575 MPa, pari a quella degli

aderenti;

leghe di alluminio, giuntate a 500°C e 70 bar per

15 minuti; la resistenza a taglio è di 150-170 Mpa,

pari al 50% di quella degli aderenti7;

ceramiche, giuntate con l‟ausilio di uno strato

interlaminare di lega di titanio a 1000-1100 °C per

circa 3 ore, in modo da ottenere resistenze a taglio

di 120-150 MPa;

metal matrix composite (MMC).

Le tecniche che implementano il meccanismo di diffusion

bonding sono principalmente:

DB di componenti massicci (cfr. Figura 12.31); è

un‟alternativa alla lavorazione di macchina o alla

forgiatura. La pressione è applicata tramite mezzi

meccanici, di solito in diverse direzioni. Si ha una

maggior sensibilità alla planarità delle superfici ed

alla eventuale presenza di difetti.

7 Da notare che i valori tipici di resistenza per giunti chiodati e incollati tra lamiere della stessa natura sono rispettivamente di 10 e 20-40 MPa.





Figura 12.31 - Tecnica di DB per componenti massicci

DB di lamiere sottili (cfr. Figura 12.32); di

solito la pressione è applicata tramite la

pressurizzazione di gas e riesce a garantire un

miglior contatto intimo tra gli aderenti; inoltre

lo stato di finitura delle lamiere garantisce una

migliore rugosità. Per questi motivi, tale

tecnica presenta minori criticità e promette

prestazioni più apprezzabili.

Figura 12.32 - Tecnica di DB per lamiere sottili

12.4 Aspetti progettuali ed economici

„adozione delle tecnologie che sono state illustrate

in questo capitolo è conveniente per talune

situazioni produttive e determinati tipi di manufatti;

qui di seguito si approfondiscono tali aspetti per le due

tecniche produttive e anche per la tecnica di giunzione

per diffusion bonding, la quale costituisce il

complemento ideale alla FS:

metallurgia delle polveri – l‟associazione delle

industrie del settore definisce quattro morfologie

tipiche di manufatti producibili con la metallurgia

delle polveri, cui corrispondono altrettanti livelli di

difficoltà tecnologia, esemplificati in Figura 12.33. La

medesima associazione fornisce anche le linee-guida

per la progettazione di parti realizzate con tale tecnica:

la metallurgia delle polveri è economicamente

profittevole per serie produttive numerose ( >

10.000 pz.);

è l‟unica tecnologia in grado di produrre parti con

livello di porosità controllato (fino al 50%);

è in grado di produrre parti con materiali altrimenti

non utilizzabili;

la geometria dei manufatti deve consentirne

l‟espulsione dallo stampo dopo la pressatura;

non possono essere realizzate filettature;

possono essere realizzati angoli di raccordo;

possono essere realizzate pareti di spessore non

inferiore a 1.5mm e fori di diametro superiore a

1.5mm;

devono essere adottate le tolleranze dimensionali

massime compatibili con l‟uso del manufatto (in

genere dell‟ordine di -/+ 0.05-0.1mm).

Figura 12.33 - Quattro classi di difficoltà tecnologica per la

metallurgia delle polveri

Nonostante gli alti costi delle polveri e degli attrezzi di

formatura, le limitazioni riguardo alle dimensioni ed alla

complessità dei manufatti, nonché le ridotte proprietà

meccaniche al confronto di quelle ottenibili tramite le

tecnologie concorrenti, la metallurgia delle polveri sta

diventantando sempre più competitiva, soprattutto in virtù

della sua capacità di produrre manufatti net shape, ovvero

che non richiedono lavorazioni di finitura. Tra l‟altro, tale

caratteristica riduce o elimina del tutto gli sfridi.

Tabella 12.6 - Confronto tra metallurgia delle polveri e

forgiatura: riduzione degli sfridi e risparmi di costo

A questo riguardo, la Tabella 12.6 mette a confronto le

tecnologie della forgiatura e della metallurgia delle polveri

applicate alle costruzioni aeronautiche, in termini di peso

del grezzo e di peso del pezzo finito8. Si rilevano riduzioni

8 In realtà, le parti realizzate con la metallurgia delle polveri devono

venir sottoposte ad ulteriori lavorazioni di macchina, cosicchè il loro peso è ancora inferiore.

L





degli sfridi sino all‟85% e potenziali risparmi di costo

sino al 50%.

formatura superplastica – i fondamentali obiettivi

progettuali e tecnologici associati con la scelta di un

qualsiasi processo produttivo e del materiale relativo

sono

la massimizzazione dell‟efficienza strutturale

la minimizzazione dei costi produttivi

il raggiungimento di un compromesso tra questi

A tal proposito, la Tabella 12.7 riassume i benefici

offerti dalla tecnologia della formatura superplastica.

Tabella 12.7 - Vantaggi della formatura superplastica

Caratteristica Costi/benefici Benefici

strutturali

Capacità di formatura

superiore rispetto ai

processi concorrenti

Strutture integrali

piuttosto che

strutture giuntate

Riduzione delle

giunz aumento

eff. strutturale Processo one-shot Riduzione dei costi

per stampi e

trattamenti termici intermedi

-

Accuratezza/ripetibilità Riduzione dei costi

di giunzione

Bassa variabilità

delle proprietà strutturali

Stampi a semplice

cavità

Non necessità di

stampi accoppiati

-

Usura degli stampi

trascurabile

Riduzione dei costi

di ripristino

-

Tempi di processo indipendenti da

dimensione e numero

Benefici crescenti con l‟uso di stampi

multi-cavità

-

Per altro, va sottolineato che i massimi benefici della

FS derivano dall‟adozione della concurrent

engineering tra progettazione/produzione, tramite la

sinergia CAD/CAM.

I principali vantaggi in termini di efficienza strutturale

si esplicitano in tre categorie di componenti, ciascuna

delle quali deriva la propria miglior prestazione dalla

superiore capacità di formatura offerta della FS:

componenti aventi forma tale da migliorare le

prestazioni a instabilità, siano essi pannelli

corrugati e irrigiditi per diffusion bonding

(Figura 12.34), puntoni rastremati (Figura

12.35) e anime caricate a taglio (Figura 12.36),

quest‟ultima appartenente alla struttura alare

dell‟A-310;

componenti aventi forma tale da ridurre il

numero di giunzioni, come ad esempio la staffa

della valvola di eiezione Northrop (Figura

12.37), il cui peso si è così ridotto di oltre il

20%;

componenti per i quali è richiesta esasperata

accuratezza e ripetibilità della forma e delle

dimensioni, quale il serbatoio dell‟idrazina

dell‟Ariane-5 mostrato in Figura 12.38. Strutture

di questo tipo devono rispettare tolleranze di -/+

250m sulle dimensioni e 100m sugli spessori.

Figura 12.34 - Pannello corrugato prodotto per FS e

irrigidito con elementi doublers giuntati per diffusion

bonding

Figura 12.35 - Puntone rastremato





Figura 12.36 - Jack Can dell’Airbus A-310, in grado di

sostenere pressioni di implosione di 5 bar in caso di

crash landing

Figura 12.37 - Staffa di sostegno valvola di eiezione

Northrop: a) realizzazione convenzionale; b) realizzazione

per FS

Figura 12.38 - Serbatoio dell’idrazina dell’Ariane-5, realizzato in due semisfere per FS saldate con tecnica electron-beam





Il problema che potrebbe inficiare parte dei vantaggi

sin qui elencati consiste nell‟assottigliamento

differenziale delle lamiere, derivante da curvature

localizzate, vincoli lungo i bordi ed alti coefficienti

d‟attrito; le contromisure consistono in:

uso di lamiere a spessore variabile;

adozione di stampi concavi e convessi in serie;

uso di pre-forme;

adozione di rinforzi selettivi (tramite DB);

uso di lubrificanti per ridurre l‟attrito.

diffusion bonding – i vantaggi della tecnica di

giunzione tramite diffusion bonding sono riassunti in

Tabella 12.8:

Tabella 12.8 - Vantaggi della diffusion bonding

Caratteristica Costi/benefici Benefici strutturali

Tempi di processo indipendenti dall‟

area del giunto

Benefici crescenti con l‟estensione

della giunzione

-

Resistenza del giunto pari a quella

degli aderenti

-

Elevata efficienza delle giunzioni

Distorsioni termo-elastiche molto

ridotte

-

-

Tale tecnica di giunzione può essere adottata per

strutture massicce o per lamiere; in quest‟ultimo caso

si hanno i vantaggi derivanti dalla loro miglior finitura

superficiale e dalla possibilità di applicare la pressione

tramite gas.

Oggigiorno è ormai assodato il fatto che i maggiori

vantaggi in termini di proprietà strutturali e di costo

derivano dall‟uso combinato di formatura

superplastica e diffusion bonding, come illustrato nella

Tabella 12.9:

Tabella 12.9 - Vantaggi derivanti dalla combinazione di

formatura superplastica e diffusion bonding

Caratteristica Costi/benefici Benefici strutturali

Semplici lamiere di partenza

Particolarmente importante per Ti

-

Concurrent

processes FS/DB

Combinazione delle

operazioni di formatura/ giunz.

-

Strutture complesse

monolitiche

Riduzione del

numero degli elementi di giunz.

Riduzione dei punti

di debolezza dovuti alle giunzioni

Combinazione dei

vantaggi di FS e DB

separatamente

Sfruttamento dei

vantaggi dei due

processi separati

Sfruttamento dei

vantaggi dei due

processi separati

Minimizzazione

degli sfridi

Particolarmente

importante per Ti

-

Nella comune pratica tecnologica, le strutture ottenute

per FS/DB vengono classificate in tre categorie: a 2

lamiere, a 3 lamiere ed a 4 lamiere, come

schematizzato nelle Figura 12.39a-c.

Figura 12.39 a-b - Strutture FS/DB a 2, 3 e 4 lamiere

a

b





Figura 12.39 c - Strutture FS/DB a 2, 3 e 4 lamiere

Figura 12.40 - Dettagli strutturali e localizzazione dei

cedimenti

Tutte mostrano elevata efficienza e buone

caratteristiche a fatica acustica, una volta che i dettagli

di progetto sono stati disegnati correttamente (Figura

12.). Per l‟ispezione delle giunzioni si utilizzano i

metodi NDT ultrasonori (spessore delle

lamiere/uniformità del giunto) e radiografici (integrità

dei particolari interni).

In conclusione, va ricordato che i reali vantaggi in

termini di peso derivano dal componente, dal materiale

e dalla soluzione concorrente. Per esempio, nel caso

del portello di emergenza del Bae 125/800 mostrato in

Figura 12.41, si è passati dalla soluzione in alluminio

stampato (76 elementi e 1000 rivetti) ad una in titanio

FS/DB (14 elementi e 90 rivetti), con risparmi di peso del

40% e di costo del 30%.

Figura 12.41– Portello di emergenza del Bae 125/800

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