1,Lavorazione primaria: dal minerale alla billetta lavorabile
Questo è l’anello più costoso dell’intera catena industriale del titanio.
Produzione di spugna di titanio (principalmente metodo Kroll):
Converte il minerale di titanio (rutilo o ilmenite) in titanio spugnoso (titanio puro poroso).
Processo: Minerale di titanio → Clorazione in tetracloruro di titanio (TiCl ₄) → Riduzione termica del magnesio (metodo Kroll) → Distillazione sotto vuoto → Spugna di titanio.
Caratteristiche: Il processo complesso, l'enorme consumo di energia e la produzione intermittente sono uno dei motivi fondamentali del prezzo elevato delle leghe di titanio. I metodi emergenti di elettrolisi, come il processo FFC Cambridge, mirano a ridurre il consumo energetico e i costi, ma non sono ancora stati commercializzati su larga scala.
2). Fusione:
Sciogliere la spugna di titanio, gli elementi di lega e il materiale di ritorno in lingotti composti in modo uniforme sotto protezione sotto vuoto o gas inerte (argon).
Principali tecnologie:
Fusione ad arco consumabile sotto vuoto (VAR): il metodo più diffuso. L'elettrodo viene fuso mediante arco in una camera a vuoto e lasciato cadere in un crogiolo di rame-raffreddato ad acqua per solidificarsi. Per garantire purezza e uniformità, vengono solitamente eseguiti due o tre processi di fusione.
Forno di fusione a letto freddo (CHM): compreso il forno a letto freddo a fascio di elettroni (EBCHM) e il forno a letto freddo ad arco plasma (PACHM). Può rimuovere efficacemente le impurità ad alta/bassa-densità ed è comunemente utilizzato nella preparazione di lingotti e billette di titanio di grado aeronautico di fascia alta-.
2,Produzione di formatura: modellare il pezzo grezzo nella forma desiderata
Questo è il collegamento principale che riflette la difficoltà della lavorazione della lega di titanio.
A. Formatura della plastica
Forgiatura convenzionale:Dopo il riscaldamento in un forno ad aria, viene formato utilizzando un martello da forgiatura o una pressa. È facile generare uno strato di ossido superficiale (strato di infragilimento alfa), che deve essere rimosso successivamente.
Forgiatura isotermica/a caldo:una tecnologia chiave per la forgiatura di precisione delle leghe di titanio. Riscaldare lo stampo a una temperatura simile a quella della billetta (solitamente 800-1000 gradi C) e formarlo sotto una pressione lenta. Ciò riduce notevolmente la resistenza alla deformazione, il calo di temperatura e la reazione superficiale, consentendo la produzione di pezzi fucinati a forma quasi netta con forme complesse, alta precisione e distribuzione ragionevole e snella. Tuttavia, il costo e il consumo energetico degli stampi (comunemente realizzati con superleghe a base di nichel o leghe a base di molibdeno) sono estremamente elevati.
Rotolamento:Produzione di lastre, nastri, barre e tubi. La laminazione a caldo viene effettuata in atmosfera protettiva o rivestimento per prevenire l'ossidazione; La laminazione a freddo richiede una ricottura intermedia per eliminare l'incrudimento.
Spremitura:Utilizzato per la produzione di profili e tubi. Dopo aver riscaldato la billetta, questa viene estrusa attraverso uno stampo ad alta pressione. Lubrificanti per vetro e rivestimenti protettivi sono necessari per prevenire l'adesione e l'ossidazione dello stampo.
Formatura superplastica (SPF):Utilizzando la superplasticità (allungamento estremamente elevato) della lega di titanio a una temperatura/velocità specifica e combinandola con la pressione dell'aria per adattarsi allo stampo come il vetro soffiato, è possibile formare componenti complessi a pareti sottili- in un'unica operazione. Spesso combinato con il diffusion bonding (DB) per formare la tecnologia SPF/DB, utilizzata per la produzione di strutture cave multi-strato per applicazioni aerospaziali.
B. Colata
Colata di precisione sotto vuoto: effettuata principalmente in forni a condensazione ad arco consumabili sotto vuoto. L'elettrodo si scioglie in un arco sotto vuoto e scorre nel guscio dello stampo in ceramica. A causa della reazione tra il titanio e quasi tutti i materiali per stampaggio, è necessario utilizzare materiali refrattari speciali (come lo strato superficiale di ossido di ittrio).
Applicazione: adatto per la produzione di componenti strutturali statici con forme estremamente complesse che non richiedono lavorazioni meccaniche estese, come involucri di motori, corpi di pompe e teste di palline da golf di fascia alta-.
C. Produzione additiva (stampa 3D) - Tecnologia rivoluzionaria
L'utilizzo diretto di polvere di lega di titanio o materiale metallico strato per strato per produrre parti solide è particolarmente adatto per strutture complesse, design leggero e personalizzazione di piccoli lotti.
Principali tecnologie:
Fusione selettiva laser (SLM)/Fusione letto di polvere laser (LPBF): in una camera ad atmosfera inerte, la polvere di lega di titanio sul letto di polvere viene fusa punto per punto utilizzando un laser sottile. Alta precisione e buona qualità della superficie.
Fusione a fascio di elettroni (EBM): fusione della polvere con un fascio di elettroni in un ambiente sotto vuoto. La velocità di formatura è elevata, lo stress termico è basso e le prestazioni delle parti sono vicine a quelle della forgiatura, ma la superficie è relativamente ruvida.
Vantaggi: il tasso di utilizzo del materiale è estremamente elevato (quasi il 100%), ottenendo strutture di ottimizzazione della topologia come reticolo estremamente complesso, nido d'ape e canali di raffreddamento cavi integrati. È insostituibile nei settori aerospaziale (impalcature leggere, pale con canali di raffreddamento) e medico (impianti ossei porosi personalizzati).
3,Successive lavorazioni e manipolazioni
1) Lavorazione:
La lega di titanio è un tipico materiale difficile da lavorare a causa della sua scarsa conduttività termica (il calore si accumula sull'utensile), elevata affinità chimica (facile reazione con il materiale dell'utensile) e basso modulo elastico (facile da provocare vibrazioni dell'utensile).
Contromisura: utilizzare macchine utensili ad alta rigidità, utensili da taglio in lega dura o PCD con rivestimento speciale, bassa velocità di taglio, elevata velocità di avanzamento, fluido da taglio ad alta-pressione e flusso elevato per un raffreddamento sufficiente.
Trattamento termico:
Ricottura: elimina lo stress interno, stabilizza la struttura e migliora la plasticità. È il trattamento termico più comunemente utilizzato.
Trattamento della soluzione+invecchiamento: utilizzato per + leghe di titanio a due-fasi (come Ti-6Al-4V), per ottenere un rafforzamento della dispersione e migliorare la resistenza attraverso la tempra e l'invecchiamento a bassa temperatura.
Trattamento superficiale
Pulizia: sabbiatura e lavaggio con acido (comunemente utilizzando acido misto HF-HNO ∝) per rimuovere incrostazioni di ossido e strato di inquinamento.
Rafforzamento/funzionalizzazione: l'ossidazione tramite microarco (MAO) genera rivestimenti ceramici per migliorare la resistenza all'usura e alla corrosione; La nitrurazione/nitrurazione migliora la durezza superficiale; Colorazione anodizzata e miglioramento della resistenza alla corrosione; La spruzzatura termica (come la spruzzatura di WC Co) migliora la resistenza all'usura.
Tecnologia di connessione:
Saldatura: deve essere eseguita con gas argon di elevata purezza-o sotto protezione del vuoto. I metodi comuni includono la saldatura a gas inerte di tungsteno (GTAW/TIG), la saldatura a fascio di elettroni (EBW) e la saldatura laser (LBW). È necessaria una pulizia rigorosa prima della saldatura.
Legame per diffusione (DB): collegamento degli atomi della superficie di contatto tramite diffusione reciproca ad alta temperatura e pressione, utilizzato per la produzione di componenti SPF/DB.
