TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 12 -METALLURGIA DELLE POLVERI E FORMATURA SUPERPLASTICA
CAPITOLO
12
12
METALLURGIA DELLE POLVERI
E FORMATURA SUPERPLASTICA
diffusion bonding. Infine si daranno brevi cenni relativi
agli aspetti progettuali ed economici delle due tecnologie.
Sinossi
N
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
12.1 Processi a caldo non convenzionali
E
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):
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l‟uso di questo materiale a scopo di lucro. E‟ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini present i nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
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CAP. 12 -METALLURGIA DELLE POLVERI E FORMATURA SUPERPLASTICA
 i componenti prodotti per MP possono essere
net shape o near net shape, eliminando o
riducendo così la necessità di lavorazioni
ulteriori;
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 10m) 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:
 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.);
 agli attrezzi di formatura è richiesta una resistenza
minore, stante la minor prestanza del materiale da
lavorare, così anche il loro costo è minore;
 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;
 possono essere realizzati componenti integrali di
forma complessa, con tolleranze strette e dettagli
accurati, eliminando così lavorazioni secondarie e
giunzioni;
 talune leghe metalliche e cermets possono
essere realizzati solo con la MP;
 grazie alla formabilità dei materiali, si possono
ottenere risparmi di materiale e quindi di peso;
 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;
 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;
 la MP può essere facilmente automatizzabile.
 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.
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);
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.
 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;
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 bassolegati, 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.
 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,
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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:
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.
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.
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.
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;
12.2 Metallurgia delle polveri
L
a tecnologia della metallurgia delle polveri
consiste essenzialmente nei seguenti passi:
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
 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:
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dall‟elettrolita al catodo, da cui è rimosso in forma di
particelle di elevata purezza;
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);
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;
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
Figura 12.2 - Tecniche di produzione per atomizzazione
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:
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.
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).
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:
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
 lubrificanti (per migliorare la fluidità)
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 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.
a
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.
b
Nel contempo, il volume dei pori si riduce ulteriormente
(cfr. Figura 12.7).
Figura 12.4 - Tecniche di produzione per estrazione dal
fuso
Figura 12.7 - Relazione tra pressione di compattazione e
densità
Figura 12.5 – Diverse tecniche di miscelazione di polveri
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.
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.
2
Per una pressa verticale, l‟area è proiettata in un piano orizzontale.
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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.
Tabella 12.2 - Pressioni di compattazione per diversi
metalli
Figura 12.8 - Meccanismo microscopico di sinterizzazione
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 25m).
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
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
Figura 12.9 - Schema
sinterizzazione
del
trattamento
termico
di
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
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
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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:
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.
compattazione isostatica (isostatic pressing) – nelle
tecniche convenzionali di compattazione, la pressione
è applicata uniassialmente, cosicché la struttura
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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);
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;
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.
stampaggio ad iniezione (injection moulding) – la
tecnica è assimilabile a quella adottata per i polimeri;
essa consta dei seguenti passi:
12.3 Formatura superplastica
 polveri metalliche sottili (dimensione < 25m)
vengono mescolate (50-85% in volume) con un
legante (resina fenolica, polietilene, cera, gel);
I
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:
 vengono formati pellet di queste miscele;
 i pellet vengono riscaldati fino alla temperatura
di fusione del legante e iniettati in stampo
chiuso
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).
 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);
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.
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
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CAP. 12 -METALLURGIA DELLE POLVERI E FORMATURA SUPERPLASTICA
anche il parametro tempo e nella relazione deve
incorporarsi anche la velocità di deformazione d/dt:
 = kn(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 12.11 - 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:
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.
 = k n
dove k è una costante ed n il coefficiente di
incrudimento.
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.
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
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.
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CAP. 12 -METALLURGIA DELLE POLVERI E FORMATURA SUPERPLASTICA
 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
Figura 12.14 - Influenza di m sulla strizione
 scorrimento al bordo di grano.
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.
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
Dal punto di vista metallurgico, la superplasticità
dipende dal verificarsi di particolari relazioni, in
particolare tra:
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
 sforzi e deformazioni
 sforzi e velocità di deformazione
 m e velocità di deformazione
 sforzi, deformazioni e temperatura
 mmax e temperatura
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.
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CAP. 12 -METALLURGIA DELLE POLVERI E FORMATURA SUPERPLASTICA
leghe soggette a cavitazione il cedimento avviene per
interconnessione delle cavità, che porta a superfici di
frattura piane, assimilabili a quelle tipiche di fatica.
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
Figura 12.15
superplastica
-
Meccanismi
di
deformazione
I fattori che influenzano la nucleazione delle cavità
includono quelli relativi alla microstruttura, quali:
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 redistribuzione del materiale nella sottile fascia (spessore
pari al 7% della dimensione del grano) adiacente alle
superfici di bordo. Ciò avviene grazie ai fenomeni di
 dimensioni del grano
 natura, dimensione, frazione volumetrica
distribuzione delle inclusioni dure
e
 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 (< 10m) 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
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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 termomeccanico 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.
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CAP. 12 -METALLURGIA DELLE POLVERI E FORMATURA SUPERPLASTICA
Figura 12.18 - Trattamento termo-meccanico per
ottenere lamiere superplastiche in lega d’alluminio
AlZn5.5MgCu (7475)
Figura 12.20 - Effetto delle deformazioni superplastiche
sulla resistenza a fatica della lega di titanio Ti6Al4V
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.
Figura 12.21 - Effetto delle deformazioni superplastiche
sulla resistenza statica della lega di alluminio Al6Cu0.4Zr
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
Figura 12.22 - Effetto delle deformazioni superplastiche
sulla resistenza a fatica della lega alluminio-litio 8090
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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 intermetallici 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 microstrutturali, 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:
Figura 12.23 - Effetto delle deformazioni superplastiche
sulla velocità di propagazione della cricca (lega
Al6Cu0.4Zr - Supral)
 struttura microcristallina del materiale (< 10m)
 elevata temperatura di processo (> 0.5T m)
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.
 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 tecnologie 6:
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
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 alluminiolitio, le leghe di alluminio rinforzate con whiskers in
carburo di silicio, le leghe alluminio-magnesio, le
leghe di nickel e l‟alluminio con alligazione
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.
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CAP. 12 -METALLURGIA DELLE POLVERI E FORMATURA SUPERPLASTICA
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 12.27 -Tecnologia di FS per termoformatura: a) con
stampo concavo, b) con stampo convesso mobile
Figura 12.25 -Tecnologia di FS per blow forming
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 12.26 - 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.
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CAP. 12 -METALLURGIA DELLE POLVERI E FORMATURA SUPERPLASTICA
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;
Figura 12.29 – Combinazione delle tecnologie FS/DB
 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.
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.
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:
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;
 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;
controllo dell’assottigliamento: nella deformazione
super plastica le deformazioni elastiche sono
trascurabili, così che il volume può essere considerato
 possono essere giuntati pezzi sottili e spessi;
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TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 12 -METALLURGIA DELLE POLVERI E FORMATURA SUPERPLASTICA
 possono essere giuntati aderenti prodotti per
colata, forgiatura, metallurgia delle polveri e
MMC, anche di diversa natura chimico-fisica;
accuratamente per evitare di alterare la microstruttra e la
composizione chimica.
 la durata del processo è indipendente dall‟area
della giunzione, dalla complessità delle forme e
dal numero dei componenti;
 temperatura, che deve essere mantenuta costante
uniforme e più alta possibile, compatibilmente con
le caratteristiche del materiale;
 i costi di lavorazione di macchina sono ridotti;
 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;
I principali parametri tecnologici della DB sono quindi:
 i giunti sono resistenti alla corrosione, in quanto
non vengono utilizzati flussanti (cfr. Cap. XVI);
 il progetto
efficiente
strutturale
può
essere
 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.
molto
 la DB si combina convenientemente con la FS.
La DB allo stato solido si basa sui seguenti
meccanismi:
I requisiti relativi alle caratteristiche del materiale sono:
 deformazione plastica sotto carico
 planarità: gli aderenti non devono presentare
imperfezioni superficiali di grande lunghezza
d‟onda, che ne impedirebbero l‟intimo contatto;
 deformazione per scorrimento viscoso
 diffusione
 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;
 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:
 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.
d/dt = Ane(-Qc/RT)
dove:
I materiali che possono essere utilizzabili nella DB sono:
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 0.5m 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 > 20m; sotto di tali valori prevalgono
 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.
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
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.
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CAP. 12 -METALLURGIA DELLE POLVERI E FORMATURA SUPERPLASTICA
 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;
Figura 12.31 - Tecnica di DB per componenti massicci
 possono essere realizzate pareti di spessore non
inferiore a 1.5mm e fori di diametro superiore a
1.5mm;
 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.
 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.
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:
L
Tabella 12.6 - Confronto tra metallurgia delle polveri e
forgiatura: riduzione degli sfridi e risparmi di costo
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:
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 finito 8. 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.
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 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 -/+
250m sulle dimensioni e 100m sugli spessori.
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
Capacità di formatura
superiore rispetto ai
processi concorrenti
Processo one-shot
Strutture integrali
piuttosto che
strutture giuntate
Riduzione dei costi
per stampi e
trattamenti termici
intermedi
Riduzione dei costi
di giunzione
Accuratezza/ripetibilità
Stampi a semplice
cavità
Usura degli stampi
trascurabile
Tempi di processo
indipendenti da
dimensione e numero
Non necessità di
stampi accoppiati
Riduzione dei costi
di ripristino
Benefici crescenti
con l‟uso di stampi
multi-cavità
Benefici
strutturali
Riduzione delle
giunz  aumento
eff. strutturale
-
Bassa variabilità
delle proprietà
strutturali
-
-
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:
Figura 12.34 - Pannello corrugato prodotto per FS e
irrigidito con elementi doublers giuntati per diffusion
bonding
 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%;
Figura 12.35 - Puntone rastremato
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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
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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:
a
 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
Tempi di processo
indipendenti dall‟
area del giunto
Resistenza del
giunto pari a quella
degli aderenti
Distorsioni termoelastiche molto
ridotte
Costi/benefici
Benefici crescenti
con l‟estensione
della giunzione
Benefici strutturali
-
-
Elevata efficienza
delle giunzioni
-
-
b
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
Semplici lamiere di
partenza
Concurrent
processes FS/DB
Strutture complesse
monolitiche
Combinazione dei
vantaggi di FS e DB
separatamente
Minimizzazione
degli sfridi
Costi/benefici
Particolarmente
importante per Ti
Combinazione delle
operazioni di
formatura/ giunz.
Riduzione del
numero degli
elementi di giunz.
Sfruttamento dei
vantaggi dei due
processi separati
Particolarmente
importante per Ti
Benefici strutturali
-
Riduzione dei punti
di debolezza dovuti
alle giunzioni
Sfruttamento dei
vantaggi dei due
processi separati
Figura 12.39 a-b - Strutture FS/DB a 2, 3 e 4 lamiere
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.
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c
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
Bibliografia
[1]
Buratti, V.:
“Caratterizzazione Termofisica di Leghe NiTi Porose”
Tesi di Laurea DIA – Politecnico di Milano, 2007
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Figura 12.39 c - Strutture FS/DB a 2, 3 e 4 lamiere
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“Superplasticity”, AGARD, Neuilly-sur-Seine, 1989.
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[7]
Figura 12.40 - Dettagli strutturali e localizzazione dei
cedimenti
Lee, P.W.:
“Powder Metallurgy" in “Metals Handbook”, Boyer, H.E. and
Gall, T.L. editors
ASM, Metals Park - Ohio, 1989.
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).
[8]
Negro, G.:
“Produzione e Caratterizzazione di Leghe NiTi Porose ottenue
mediante Sintesi per Combustione”
Tesi di Laurea DIA – Politecnico di Milano, 2006.
[9]
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
Partridge, P.G.:
“Diffusion Bonding of Metals” in
AGARD-LS-168
“Superplasticity”, AGARD, Neuilly-sur-Seine, 1989.
[10] Partridge, P.G., McDarmaid, D.S., Bottomley, I. and Common, D.:
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CAP. 12 -METALLURGIA DELLE POLVERI E FORMATURA SUPERPLASTICA
“The Mechanical Properties of Superplastically Formed
Titanium and Aluminum Alloys” in
AGARD-LS-168
“Superplasticity”, AGARD, Neuilly-sur-Seine, 1989.
[11] Pearce, R.:
“Superplasticity-An Overview” in
AGARD-LS-168
“Superplasticity”, AGARD, Neuilly-sur-Seine, 1989.
[12] Ridley, N.:
“Cavitation and Superplasticity” in
AGARD-LS-168
“Superplasticity”, AGARD, Neuilly-sur-Seine, 1989.
[13] Sherby, O.D. and Wadsworth, J.:
“Advances and Future Directions in Superplastic Materials”
in AGARD-LS-168 “Superplasticity”, AGARD, Neuilly-surSeine, 1989.
[14] Squaranti, S.:
“Production Technologies of NiTi Shape Memory Alloys
Functionalized components”
Tesi di Laurea DIA – Politecnico di Milano, 2006.
[15] Stephen, D.:
“Designing for Superplastic Alloys” in AGARD-LS-168
“Superplasticity”, AGARD, Neuilly-sur-Seine, 1989.
[16] Terrosu, A.:
“Production Technologies of Porous NiTi Shape Memory
Alloys for Advanced applications”
Tesi di Laurea DIA – Politecnico di Milano, 2005.
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