Ricottura duplex (tempra di solubilizzazione) seguita da invecchiamento invecchiamento

Lo scopo di tale trattamento è quello di ottenere una struttura bimodale (o duplex) costituita da grani equiassici di fase α primaria e da una struttura lamellare fine di fase α secondaria, riducendo al minimo la presenza e la dimensione dello strato αGB. [3, 6, 7]

Figura 1.16 Sequenza di lavorazioni che deve subire la lega α + β per ottenere una microstruttura duplex [6]

La velocità di raffreddamento del trattamento di omogeneizzazione che precede la deformazione plastica a caldo influenza le dimensioni della struttura lamellare che si sviluppa. Lamelle fini portano a grani equiassici di fase α primaria di minori dimensioni e distribuiti più omogeneamente rispetto ad una struttura di partenza di Widmanstätten grossolana. [6]

Durante la deformazione plastica, i parametri da controllare sono la temperatura ed il grado di deformazione a cui il materiale viene sottoposto. La temperatura è sempre al di sotto del β-transus, e incide sulle percentuali di fase α e β presenti al momento della deformazione. Per basse temperature si ha deformazione prevalentemente della fase α a reticolo EC, mentre per temperature prossime al β-transus si ha deformazione prevalentemente della fase β, con reticolo CCC. Ciò incide sul reticolo cristallino della fase α che si svilupperà dopo il trattamento termico. Il grado di deformazione plastica a cui viene sottoposta la struttura lamellare deve essere sufficiente a permettere una completa ricristallizzazione della lega. [6] Durante la ricottura in campo α + β la temperatura a cui viene eseguito il trattamento termico determina la frazione volumetrica e la dimensione dei grani di fase α primaria. Questi influenzano l’accrescimento e la dimensione finale dei grani di fase β ricristallizzati. [3, 6, 7] Le dimensioni dei grani di fase β hanno influenza sulla dimensione delle lamelle e delle colonie, e sull’estensione dello strato αGB che si forma al raffreddamento. Durante il trattamento gli elementi in lega tendono ad addensarsi nelle fasi che essi stabilizzano,

portando a disomogeneità nella composizione chimica, che condiziona il successivo invecchiamento della lega: per ridurre tale inconveniente si mantiene la frazione volumetrica di fase α primaria al di sotto del 15-20 %. [6]

Figura 1.17 Effetti della temperatura del trattamento di solubilizzazione sulle proprietà meccaniche della lega TIMETAL 6 – 4 (Ti-6Al-4V) [8]

Il tempo di mantenimento ha poca influenza sulle dimensioni dei grani β, poiché il processo di ingrossamento dei grani è lento per la presenza contemporanea delle due fasi. [6]

La velocità di raffreddamento influenza la microstruttura che si sviluppa dai grani di fase β ricristallizzata, ed è in genere elevata per ottenere una struttura lamellare fine o una struttura

formata da fase β metastabile o da martensite. Tale parametro riveste invece poca influenza sulle dimensioni delle colonie di lamelle e dello strato αGB. [3, 6]

Per la tempra di solubilizzazione della lega Ti-6Al-4V, le temperature utilizzate sono generalmente per le lamiere, e per i tondi e i pezzi massivi. In genere per temperature di tempra maggiori si ha formazione di una struttura martensitica, per temperature di tempra minori, tipiche del campo di ricottura in campo α + β, si ha la formazione di fase β metastabile che si trasforma in martensite per incrudimento meccanico. In Fig. 1.17 è riportata la variazione delle proprietà meccaniche al variare della temperatura a cui viene eseguito il trattamento termico di solubilizzazione. Se la tempra non è sufficientemente drastica, si può avere formazione di una fase intermedia (fase omega) che produce fragilità inaccettabile nella lega. Per evitare ciò, oltre ad aumentare la velocità di raffreddamento, è necessario il successivo trattamento di invecchiamento. [3, 7] Come già accennato, la tempra deve essere eseguita rapidamente per non avere degrado delle proprietà meccaniche del componente (Fig.1.18).

Figura 1.18 Effetti del tempo che intercorre tra l’uscita dal forno e la tempra sulle proprietà meccaniche di una barra di 13 mm di diametro in lega TIMETAL 6 – 4 (Ti-6Al-4V) [8]

L’invecchiamento che segue il trattamento termico ha ancora lo scopo di promuovere la formazione del precipitato di rinforzo Ti3Al o lo sviluppo di una struttura fine di fasi α e β stabili a partire dalla struttura martensitica o dalla fase β metastabile presente tra i grani di fase α primaria. [6] Nel caso di tempra di solubilizzazione della lega Ti-6Al-4V, la temperatura dell’invecchiamento va da a per tempi variabili da a ore. [3] Il massimo delle caratteristiche meccaniche di resistenza, a scapito dell’allungamento, si ha per temperature intorno ai . [7] In Fig. 1.19 è riportato l’effetto della temperatura di invecchiamento sulle proprietà meccaniche della lega Ti-6Al-4V sottoposta a tempra dalla temperatura di . In alcuni casi si utilizza il trattamento di invecchiamento oltre la temperatura di invecchiamento usuale (overaging), per ottenere modesti incrementi di resistenza mantenendo valori di tenacità e stabilità dimensionale soddisfacenti. Tale condizione è chiamata solution treated and overaged (STOA). [3]

Figura 1.19 Effetto della temperatura di invecchiamento sulle proprietà meccaniche della lega Ti-6Al-4V temprata da 927°C in acqua e invecchiata da 2 a 14 ore [7]

Anche la dimensione dei componenti influenza le proprietà meccaniche ottenibili con i trattamenti di tempra di solubilizzazione e successivo invecchiamento: componenti più spessi presentano i più bassi valori di tensione di snervamento e di rottura, e di riduzione dell’area e allungamento a rottura (Fig.1.20).

Figura 1.20 Effetto delle dimensioni sulle proprietà meccaniche della lega TIMETAL 6 – 4 (Ti-6Al-4V) sottoposta a trattamento di tempra di solubilizzazione e invecchiamento [8]

La struttura bimodale, rispetto a quella lamellare, porta ad un incremento moderato della resistenza a snervamento e a fatica a basso numero di cicli, ma ad un elevato aumento della duttilità. Per contro, si avranno modesti valori di e , poiché la microstruttura fine non devia in maniera apprezzabile le cricche durante la loro propagazione. Per tali microstrutture è fondamentale la percentuale di fase α primaria presente: un suo incremento porta ad una disomogeneità di composizione chimica con conseguente decadimento della resistenza meccanica, a ridotte dimensioni delle colonie di lamelle e ad una diminuzione di e . [1, 3, 5, 6]

Le microstrutture duplex presentano la migliore combinazione tra resistenza meccanica, duttilità e tenacità a frattura (Fig. 1.21 e 1.22). [3, 6]

Figura 1.21 Confronto fra le tensioni di snervamento e di rottura e la duttilità della lega Ti-6Al-4V con microstruttura lamellare o duplex [6]

Figura 1.22 Confronto fra la tenacità a frattura della lega Ti-6Al-4V con microstruttura lamellare o duplex [6]