Metodi di Lavorazione e Tecnologia di Controllo dell'Integrità Superficiale per Leghe di Titanio Aerospaziali

Analisi dei processi di lavorazione delle leghe di titanio basata sulle caratteristiche di lavorazione, utensili, attrezzature e parametri di taglio, con un'introduzione alle tecniche di controllo dell'integrità superficiale

Ingegnere senior Huang Qiang

1. Introduzione

Negli ultimi anni, la domanda di leghe di titanio nell'industria manifatturiera aeronautica è aumentata significativamente. Le leghe di titanio sono ampiamente utilizzate nei grandi aerei. In quanto eccellente materiale di fabbricazione per aerei e motori, le leghe di titanio presentano un'elevata resistenza strutturale, leggerezza e buona resistenza alla corrosione. La lavorabilità dei materiali in lega di titanio spesso si traduce in una scarsa integrità superficiale del pezzo dopo la lavorazione. Di seguito, vengono introdotti i metodi di lavorazione e le tecnologie di controllo dell'integrità superficiale per le leghe di titanio aerospaziali, considerando gli aspetti delle caratteristiche di lavorazione, degli utensili da taglio, della selezione delle attrezzature e dei parametri di taglio.

2. Caratteristiche e applicazioni delle leghe di titanio

Nell'industria aeronautica, le leghe di titanio sono utilizzate principalmente per fabbricare componenti come dischi compressori motore, pale di ventole cave, dischi turbina e gusci di rivestimento, nonché parti strutturali come carrelli di atterraggio di grandi aerei, sezioni alari esterne, rivestimenti della fusoliera, porte, sistemi idraulici e sezioni di coda della fusoliera. Attualmente, la percentuale di utilizzo delle leghe di titanio nell'industria aeronautica è aumentata dal 6% a oltre il 15%. Il Boeing 777 utilizza parti in lega di titanio per il 7%–9%; per ottenere una riduzione del 20% del consumo di carburante, sono stati investiti circa 2 miliardi di RMB nello sviluppo del Boeing 787, specificamente per la ricerca della sostituzione delle leghe di alluminio con leghe di titanio in alcune parti dell'aereo, con conseguente contenuto di lega di titanio del 15% nella cellula del Boeing 787. Nei progetti di grandi aerei nazionali, l'utilizzo di leghe di titanio è gradualmente aumentato dal 4,8% nel jet regionale ARJ21 a oltre il 9% nel liner di linea C919.

Le esigenze di alleggerimento strutturale e di elevata resistenza nel settore aeronautico rendono sempre più dipendente dalle leghe di titanio. In base alla resistenza e alle prestazioni ad alta temperatura, le leghe di titanio possono essere classificate in leghe di titanio α, leghe di titanio β, leghe di titanio α+β e composti intermetallici titanio-alluminio, tra cui le leghe di titanio α+β (come Ti6Al4V) sono le più utilizzate. Le leghe di titanio α hanno una buona saldabilità termica e una forte resistenza all'ossidazione, ma una tenacità media; le leghe di titanio β hanno una migliore forgiabilità, formabilità a freddo e capacità di tempra; le leghe di titanio α+β possiedono una buona tenacità, sono saldabili e possono essere temprate e hanno una buona resistenza alla fatica.

La composizione del materiale di Ti6Al4V comprende principalmente Ti, Al, V, Fe, O, C, Si, Cu e piccole quantità di N, H, B e Y. Le leghe di titanio hanno eccellenti proprietà meccaniche complete, bassa densità e buona resistenza alla corrosione. In quanto materiale in lega ad alta resistenza, sono state continuamente promosse per l'uso nei motori aeronautici e nell'industria aeronautica. Tuttavia, le alte temperature e le elevate forze di taglio durante la lavorazione delle leghe di titanio portano a un grave incrudimento superficiale, aggravando l'usura degli utensili e determinando una scarsa lavorabilità. Questi fattori sono dannosi per ottenere una buona qualità superficiale e influiscono sulla durata dei componenti in lega di titanio e sulle prestazioni del motore. Di seguito, utilizzando Ti6Al4V come oggetto di ricerca e combinando l'esperienza accumulata nella pratica produttiva, vengono introdotti le prestazioni di taglio, i metodi di lavorazione e le tecniche di ispezione superficiale per le parti in lega di titanio.

3. Metodi di lavorazione delle leghe di titanio

3.1 Selezione degli utensili

I materiali degli utensili per la lavorazione delle leghe di titanio dovrebbero avere caratteristiche come buona tenacità, durezza a caldo, dissipazione del calore e resistenza all'usura. Inoltre, gli utensili dovrebbero soddisfare requisiti come spigoli taglienti e una superficie liscia. Quando si lavorano materiali in lega di titanio, si preferiscono utensili in metallo duro con buona conducibilità termica ed elevata resistenza, caratterizzati da un piccolo angolo di rastrello e un ampio angolo di spoglia. Per evitare scheggiature e rotture della punta dell'utensile, lo spigolo tagliente sulla punta dovrebbe avere una transizione arrotondata. Lo spigolo tagliente deve essere mantenuto affilato durante la lavorazione per facilitare la rimozione tempestiva dei trucioli ed evitare l'adesione dei trucioli.

Quando si lavorano leghe di titanio, per prevenire reazioni di affinità tra il substrato/rivestimento dell'utensile e la lega di titanio, che accelererebbero l'usura dell'utensile, si evitano generalmente i carburi contenenti titanio e gli utensili con rivestimento a base di titanio. Anni di pratica produttiva hanno scoperto che, sebbene gli utensili in carburo contenenti titanio siano soggetti ad adesione e usura, possiedono un'eccellente capacità di resistenza all'usura per diffusione, soprattutto durante il taglio ad alta velocità, dove le loro prestazioni sono significativamente migliori rispetto agli utensili in carburo di tipo YG.

I principali produttori di utensili a livello mondiale hanno introdotto inserti da taglio specifici per la lavorazione di parti in lega di titanio. I continui miglioramenti dei materiali degli utensili e dei materiali di rivestimento hanno migliorato l'efficienza di taglio dei materiali in lega di titanio e promosso lo sviluppo dell'industria delle leghe di titanio. Ad esempio, gli inserti IC20 di ISCAR, con spigoli taglienti, sono adatti per la finitura di pezzi in lega di titanio. I suoi inserti IC907 migliorano efficacemente la resistenza all'usura, adatti per sgrossatura e semifinitura. CP200 e CP500 di SECO per la lavorazione di leghe di titanio sono materiali per inserti a grana ultrafine e ad alta durezza che utilizzano la tecnologia Physical Vapor Deposition (PVD). WSM30, WSM20 e WAM20 di Walter, che utilizzano rivestimenti TiCN, TiAlN, TiN e Al₂O₃, offrono una forte resistenza alla deformazione e all'usura. Gli utensili e i rivestimenti comunemente utilizzati per la lavorazione delle leghe di titanio sono mostrati nella Tabella 1.

Secondo le statistiche, il settore della produzione aeronautica si affida in gran parte agli utensili importati e la dipendenza è ancora maggiore per i materiali difficili da lavorare come le leghe di titanio. Pertanto, promuovere lo sviluppo e l'applicazione di utensili e materiali di rivestimento nazionali è un modo efficace per risolvere fondamentalmente il problema della lavorazione delle leghe di titanio in Cina.

3.2 Usura degli utensili e soluzioni

Quando si lavorano leghe di titanio ad alte velocità di taglio e grandi profondità di taglio, si forma un'usura a cratere (usura sul fianco) sulla faccia di rastrello nel punto di massima temperatura di taglio, con una distinta zona tra il cratere e lo spigolo tagliente. La larghezza e la profondità del cratere si espandono gradualmente con l'avanzare dell'usura, riducendo la rigidità dello spigolo tagliente, portando potenzialmente a scheggiature se l'utensile continua a essere utilizzato. Le micrografie elettroniche dell'usura degli inserti sono mostrate nella Figura 1.

a) Usura a cratere con fenomeno di scheggiatura.    b) Usura sul fianco

c) Bordo riportato

Durante la lavorazione delle leghe di titanio, il forte attrito tra l'inserto e il pezzo causa l'usura sulla faccia di spoglia vicino allo spigolo tagliente, formando una piccola zona di usura con angolo di spoglia zero, nota come usura sul fianco. Inoltre, a causa dell'incrudimento delle leghe di titanio, lo spessore di taglio sulla punta dell'utensile sullo spigolo tagliente minore diminuisce gradualmente, causando lo slittamento dello spigolo tagliente, che porta anche a un'usura significativa sulla faccia di spoglia.

Dopo che si verifica l'usura dell'utensile, i parametri di taglio come la velocità di taglio e l'avanzamento possono essere regolati osservando la morfologia e il colore dei trucioli, nonché la forza, il suono e le vibrazioni della macchina utensile, per controllare l'usura anomala della faccia di rastrello. L'utilizzo di geometrie degli inserti con angolo di rastrello positivo, la selezione di materiali o rivestimenti per inserti resistenti all'usura, può migliorare la durata dell'utensile.

Il bordo riportato (BUE) è soggetto a formarsi durante la lavorazione delle leghe di titanio. Quando il BUE è stabile, può proteggere l'utensile agendo come spigolo tagliente. Tuttavia, quando il BUE cresce fino a una certa estensione, la sua parte superiore si estende oltre lo spigolo tagliente, aumentando l'angolo di rastrello effettivo di lavoro. L'accumulo e il distacco del BUE influiscono direttamente sulla precisione di lavorazione. I frammenti di BUE che aderiscono alla superficie lavorata della lega di titanio formano punti duri e bave, che influiscono sulla qualità della superficie. Il distacco e la rigenerazione irregolari del BUE causano fluttuazioni nella forza di taglio, portando a vibrazioni e influenzando la durata dell'utensile. I metodi comuni nella pratica produttiva per ridurre o evitare la formazione di BUE nel taglio delle leghe di titanio includono: aumentare la velocità di taglio, aumentare gradualmente la profondità di taglio fino all'ottimale; utilizzare materiali per inserti rivestiti con PVD; impiegare sistemi di raffreddamento ad alta pressione, ecc.

Nelle operazioni di taglio, a causa della bassa plasticità delle leghe di titanio, l'area di contatto tra il truciolo e la faccia di rastrello è piccola e l'usura dell'utensile si verifica principalmente sulla faccia di rastrello dell'utensile di tornitura. Pertanto, gli inserti da taglio dovrebbero essere selezionati con un piccolo angolo di rastrello, tipicamente da 0° a 5°. Un piccolo angolo di rastrello aumenta efficacemente l'area di contatto tra il truciolo e la faccia di rastrello, contribuendo a dissipare il calore concentrato vicino allo spigolo tagliente. La selezione di un angolo di spoglia da 5° a 10° può ridurre l'attrito tra l'utensile e il pezzo. La scelta di una combinazione di superficie di contatto a forma di V tra la base dell'inserto e il porta-utensile, un robusto design della struttura di bloccaggio, può migliorare efficacemente la rigidità di bloccaggio del porta-utensile, eliminare le vibrazioni dell'utensile e migliorare la qualità della superficie del pezzo in lega di titanio lavorato.

3.3 Selezione delle attrezzature

Quando si posizionano e si bloccano i pezzi in lega di titanio, l'interazione tra la forza di bloccaggio dell'attrezzatura e la forza di supporto sul pezzo può causare deformazioni da stress nello stato libero. La resistenza alla forza di taglio durante la lavorazione delle leghe di titanio è significativa, quindi il sistema di processo deve avere una rigidità sufficiente. È necessario analizzare la struttura di posizionamento e le dimensioni del pezzo, selezionando punti di riferimento stabili e affidabili e aggiungendo supporti ausiliari o utilizzando un vincolo eccessivo, se necessario, per aumentare la rigidità della parte. Poiché le leghe di titanio sono soggette a deformazioni, la forza di bloccaggio non deve essere eccessiva; se necessario, è possibile utilizzare una chiave dinamometrica per garantire una forza di bloccaggio stabile. Inoltre, quando si utilizzano attrezzature per posizionare e bloccare parti in lega di titanio, assicurarsi una buona aderenza tra la superficie di posizionamento dell'attrezzatura e la superficie di posizionamento del pezzo e bilanciare la forza di bloccaggio dell'attrezzatura con la forza di supporto del pezzo. Per superfici di bloccaggio relativamente grandi, è necessario utilizzare il più possibile un metodo di bloccaggio distribuito per evitare deformazioni causate dalla pressione concentrata. I punti di bloccaggio dei morsetti dell'attrezzatura devono essere il più vicino possibile alla superficie lavorata del pezzo per ridurre le vibrazioni generate durante il taglio della lega di titanio.

L'uso di attrezzature, strumenti di misura o vari utensili temporanei contenenti piombo, zinco, rame, stagno, cadmio o metalli a basso punto di fusione è severamente vietato per la lavorazione delle leghe di titanio. Le attrezzature, le attrezzature e gli utensili utilizzati per la lega di titanio devono essere mantenuti puliti e non contaminati. I pezzi in lega di titanio devono essere puliti immediatamente dopo la lavorazione e i residui di piombo, zinco, rame, stagno, cadmio, metalli a basso punto di fusione, ecc., non sono ammessi sulle superfici in lega di titanio. Contenitori di trasferimento speciali devono essere utilizzati quando si spostano e si maneggiano pezzi in lega di titanio per evitare di mescolarli e conservarli con pezzi di altri materiali. Quando si ispezionano e si puliscono superfici in lega di titanio finemente lavorate, indossare guanti puliti per evitare contaminazioni da olio e impronte digitali, che potrebbero causare cricche da corrosione sotto stress e influire sulle prestazioni di servizio del pezzo in lega di titanio.

3.4 Parametri di taglio

I principali parametri di taglio per le leghe di titanio sono la velocità di taglio, l'avanzamento e la profondità di taglio, con la velocità di taglio che è il fattore principale che influisce sulla sua lavorabilità. Test comparativi tra taglio a velocità di rotazione costante e taglio a velocità superficiale costante di pezzi in lega di titanio indicano che il taglio a velocità di rotazione costante funziona peggio del taglio a velocità superficiale costante. Quando la velocità di taglio vc = 60 m/min, l'avanzamento f = 0,127 mm/giro e la profondità di taglio ap = 0,05–0,1 mm per le leghe di titanio, uno strato indurito si trova raramente sulla superficie della lega di titanio.

Poiché lo strato indurito appare principalmente sulla superficie del pezzo dopo la finitura, la profondità di taglio durante la finitura non dovrebbe essere troppo grande, altrimenti genererà un calore di taglio significativo. L'accumulo di calore di taglio può causare cambiamenti nella struttura metallografica della superficie della lega di titanio, generando facilmente uno strato indurito sulla superficie della parte. Una profondità di taglio eccessivamente piccola può causare attrito ed estrusione sulla superficie del pezzo, portando all'incrudimento. Pertanto, durante la lavorazione di pezzi in lega di titanio, la profondità di taglio per la finitura deve essere maggiore delle dimensioni dell'arrotondamento dell'utensile (preparazione del bordo).

La selezione dell'avanzamento per le leghe di titanio dovrebbe essere moderata. Se l'avanzamento è troppo piccolo, l'utensile taglia all'interno dello strato indurito durante la lavorazione, portando a un'usura più rapida. L'avanzamento può essere selezionato in base ai diversi raggi della punta dell'utensile. La finitura seleziona generalmente un avanzamento più piccolo perché un avanzamento elevato aumenta le forze di taglio, causando il riscaldamento dell'utensile e la flessione o la scheggiatura. La Tabella 2 mostra i parametri comuni per il taglio delle leghe di titanio con diversi tipi e materiali di utensili.

3.5 Sistema di raffreddamento

Il requisito per il fluido da taglio nel taglio delle leghe di titanio è una bassa nebulizzazione. Per la lavorazione delle leghe di titanio è necessario selezionare utensili di raffreddamento ad alta pressione, 配合机床高压泵, 冷却压力可达(60–150) × 10⁵ Pa (circa 60–150 bar). L'utilizzo di utensili di raffreddamento ad alta pressione per la lavorazione delle leghe di titanio può aumentare la velocità di taglio di 2–3 volte, prolungare la durata dell'utensile e migliorare la morfologia dei trucioli in lega di titanio. Quando si applica il fluido da taglio durante la lavorazione delle leghe di titanio, la forza di taglio si riduce del 5%–15% rispetto al taglio a secco della lega di titanio, la forza radiale si riduce del 10%–15%, la temperatura di taglio si riduce del 5%–10% e la morfologia superficiale della lega di titanio lavorata è migliore con meno adesione massiccia, il che favorisce l'ottenimento di una maggiore qualità superficiale.

L'emulsione chimica Trim E206 attualmente utilizzata, miscelata con l'8% di concentrato e il 92% di acqua pura, con una concentrazione del 7%–9%, ottiene buoni risultati di lavorazione nella lavorazione dei materiali in lega di titanio e può essere utilizzata nelle operazioni di tornitura, fresatura e rettifica. Trim E206 contiene additivi speciali che controllano efficacemente la formazione del bordo riportato. Il fluido da taglio contiene minuscole molecole emulsionate, migliorando la stabilità del fluido da taglio e riducendo il trascinamento durante la lavorazione, rendendo più facile per il fluido da taglio entrare nella zona di taglio. Inoltre, Trim E206 ha una forte resistenza alla contaminazione da olio e i residui del fluido da taglio sono facilmente solubili in acqua e nel fluido di lavoro, contribuendo a mantenere la pulizia delle attrezzature e delle superfici dei pezzi lavorati.

4. Integrità superficiale della lega di titanio

4.1 Ispezione microstrutturale dei forgiati in lega di titanio

L'ispezione microstrutturale della lega di titanio prevede l'esame della superficie di una parte in lega di titanio incisa al microscopio elettronico per osservare le caratteristiche morfologiche, la distribuzione, ecc., della microstruttura del materiale, utilizzata per verificare se la struttura metallografica della lega di titanio è conforme agli standard pertinenti e alle specifiche del disegno. I passaggi per l'ispezione microstrutturale dei forgiati in lega di titanio sono: lavorazione di sgrossatura del forgiato → lucidatura della superficie → incisione della superficie → pulizia → essiccazione → ispezione microscopica. L'ispezione microscopica della lega di titanio Ti6Al4V è mostrata nella Figura 2.

a) Lucidatura della superficie     b) Incisione della superficie

c) Risciacquo con acqua   d) Esame microscopico

Lo scopo della lavorazione di sgrossatura del forgiato è quello di rimuovere completamente il caso α. La superficie della lega di titanio viene lucidata utilizzando carta vetrata all'ossido di alluminio con granulometrie 400#–800# e la rugosità superficiale deve raggiungere Ra = 0,025 μm o requisiti di grado superiore. L'incisione utilizza il reagente di Kroll, preparato come soluzione acquosa al 2% HF, 4% HNO₃. Una quantità appropriata di reagente di Kroll viene applicata sulla superficie lucidata della lega di titanio fino a ottenere la struttura chiara desiderata, quindi risciacquata in acqua e asciugata. Un microscopio elettronico portatile viene utilizzato per ispezionare la superficie della lega di titanio. La struttura dovrebbe contenere il 10%–50% di α primario. La morfologia microstrutturale della lega di titanio Ti6Al4V mostrata nella Figura 3 rappresenta una struttura metallografica qualificata.

a) α primario nella matrice trasformata in β      b) α discontinuo ai bordi dei grani β

c) α lamellare nei grani β

4.2 Ispezione di corrosione anodica blu per leghe di titanio

Durante la lavorazione delle leghe di titanio, quando si verifica l'usura sul fianco dell'utensile, la resistenza all'impatto dell'utensile diminuisce gradualmente, portando all'incrudimento sulla superficie lavorata della lega di titanio a causa dell'estrusione e del surriscaldamento. Il metodo di corrosione anodica blu è comunemente utilizzato per rilevare l'indurimento e altri difetti. La superficie di un pezzo in lega di titanio dopo la corrosione anodica blu è mostrata nella Figura 4. Dopo la dissoluzione post-trattamento del pezzo in lega di titanio anodizzato, il colore di un film di ossido qualificato dovrebbe essere un blu chiaro uniforme (vedere Figura 4a). I pezzi in lega di titanio incruditi, dopo l'ispezione di corrosione, mostrano una superficie blu scuro (vedere Figura 4b) o aree più scure localizzate (vedere Figura 4c), con una distribuzione del colore non uniforme tra le diverse aree.

a) Blu chiaro uniforme     b) Blu scuro     c) Blu scuro localizzato

Dopo la corrosione anodica blu, per le parti che presentano incrudimento, è possibile utilizzare metodi come la regolazione del materiale dell'utensile da taglio, del rivestimento e degli angoli di taglio per la lavorazione della lega di titanio, l'ottimizzazione dei percorsi utensile e dei parametri di taglio, per controllare ed eliminare l'incrudimento.

4.3 Finitura superficiale delle leghe di titanio

Per rimuovere i difetti superficiali dai dischi compressori, dai mozzi, dalle giranti, dagli alberi e dai distanziatori del rotore in lega di titanio e migliorare la durata delle parti, dopo aver completato tutte le operazioni di lavorazione meccanica sul pezzo in lega di titanio, è possibile utilizzare la finitura manuale con disco lamellare per la finitura superficiale. La finitura con disco lamellare richiede l'uso di utensili di finitura mostrati nella Figura 5: un utensile pneumatico rotante (velocità 18.000 giri/min), un mandrino di lucidatura e un panno abrasivo all'ossido di alluminio o carburo di silicio (specifica 10 mm × 20 mm, grana 120#).

a) Utensile pneumatico rotante      b) Mandrino di lucidatura       c) Panno abrasivo

La finitura della scanalatura interna di un pezzo in lega di titanio è mostrata nella Figura 6. Per ottenere buoni risultati di finitura, è possibile utilizzare i seguenti metodi:

1. Piegare il panno abrasivo all'ossido di alluminio longitudinalmente e inserirlo saldamente nella fessura di bloccaggio all'estremità anteriore del mandrino di lucidatura. Stringerlo nella direzione opposta alla direzione di rotazione del mandrino. Passare a un nuovo panno abrasivo dopo aver rifinito ogni area della superficie del pezzo (vedere Figura 6a).

2. Il panno abrasivo rotante deve andare e venire sulla superficie della lega di titanio per uno o due cicli, ogni ciclo dura 10–30 secondi, con una velocità di andata e ritorno di circa 1,57 mm/s (vedere Figura 6b).

3. Quando si rifiniscono diverse superfici del pezzo in lega di titanio, cambiare il panno abrasivo tra i cicli. Durante la finitura manuale, utilizzare un'apposita chiave di arresto o un dispositivo di arresto meccanico della profondità per controllare il passaggio del panno abrasivo rotante.a) Installazione del panno abrasivo      b) Lucidatura rotante

5. Conclusione

La lega di titanio è un tipico materiale difficile da lavorare. A causa delle elevate forze di taglio, delle alte temperature di taglio e della grave usura degli utensili durante la lavorazione, la selezione di materiali per utensili e geometrie degli inserti ragionevoli è la sfida principale nella lavorazione delle leghe di titanio. Gli utensili in carburo contenenti Ti hanno buone prestazioni di resistenza all'usura per diffusione. Durante il taglio, si forma uno strato di adesione stabile in lega di titanio sulla superficie dell'utensile, che può inibire l'usura. Con lo sviluppo di utensili nazionali, l'efficienza di lavorazione delle leghe di titanio è gradualmente migliorata, risparmiando sui costi di lavorazione e svolgendo un ruolo positivo nella realizzazione della localizzazione complessiva dei motori. Nella pratica produttiva, la lavorazione delle leghe di titanio dovrebbe basarsi sulle condizioni aziendali esistenti in termini di tecnologia, attrezzature, gestione e costi. È necessario selezionare attrezzature di posizionamento ragionevoli e i parametri di taglio dovrebbero essere ottimizzati utilizzando la piattaforma di dati informativi dell'azienda, allontanandosi gradualmente dal concetto di lavorazione estensiva di selezione dei parametri basata esclusivamente sull'esperienza e sull'analogia.

Conducendo ispezioni microstrutturali sui forgiati in lega di titanio, è possibile confrontare e valutare la struttura metallografica della lega di titanio lavorata in modo approssimativo. La lavorazione di finitura può rimuovere efficacemente i difetti di lavorazione e dei materiali sulla superficie della lega di titanio, migliorando la durata del pezzo. L'ispezione di corrosione anodica blu può identificare efficacemente difetti come l'incrudimento che si verificano durante la lavorazione della lega di titanio. Controllare efficacemente l'integrità superficiale della lega di titanio lavorata è di grande importanza per stabilizzare la qualità della lavorazione della lega di titanio e migliorare la durata dei pezzi in lega di titanio.