Come sappiamo, il titanio è un metallo estremamente attivo e facilmente inquinabile da idrogeno, ossigeno e carbonio; ognuna di queste sostanze può influire sulla lega di titanio, per cui è essenziale controllare l'elemento dal materiale, all'attrezzatura, al processo, al test e alla manutenzione e così via. Il processo di trattamento termico delle leghe di titanio deve avvenire sotto stretto controllo; oltre all'utilizzo di un forno a vuoto con protezione di argon, le leghe di titanio devono essere riscaldate in atmosfera ossidante. Questo processo prevede controlli precisi e deve rimuovere lo strato di ossido sulla superficie del pezzo. Una lega e un trattamento termico adeguati possono migliorare efficacemente le proprietà delle leghe di titanio. Esistono molti metodi di trattamento termico; per la lega di titanio Grado5 sono comunemente utilizzati la ricottura, l'invecchiamento per tempra e il trattamento termico chimico.

Ricottura

La ricottura è l'unico metodo di trattamento termico per il titanio puro e la lega di titanio α. La ricottura è adatta a tutti i tipi di leghe di titanio per eliminare le tensioni e migliorare la plasticità della lega e la stabilità della microstruttura. Il processo di ricottura viene utilizzato per diverse leghe di titanio. Lo scopo della ricottura è migliorare la plasticità del materiale e stabilizzarne la struttura. Il processo può essere eseguito in tre forme: ricottura con riduzione delle tensioni, ricottura con ricristallizzazione e ricottura doppia.

La ricottura viene effettuata in un forno ad aria, oppure in un forno a gas inerte o in un forno a vuoto se è richiesta la contaminazione superficiale dei pezzi. Durante la ricottura isotermica, è necessario utilizzare un convertitore o un raffreddamento ad aria se le dimensioni del pezzo sono troppo grandi per evitare una microstruttura troppo grande dovuta a una velocità di raffreddamento troppo bassa. In caso di ricottura doppia, il raffreddamento ad aria dopo il primo riscaldamento, le parti in titanio devono essere raffreddate in modo disperso, se necessario, per evitare che la velocità di raffreddamento troppo bassa influisca sulle prestazioni.

Ricottura del titanio di grado 5

Grado Foglio/striscia di titanio Barra/fili in titanio
Temperatura Tempo/min Raffreddamento Temperatura Tempo Raffreddamento
Grado 5 700℃-870℃ 15-60 Raffreddamento ad aria 700℃-800℃ 60-120 Raffreddamento ad aria

Nota: raffreddamento ad aria o raffreddamento più lento. Durante la doppia ricottura, temperatura di transizione β inferiore a 15 ~ 30 ℃ per 1 ~ 2 ore, raffreddamento ad aria o raffreddamento più rapido, quindi 705-760 ℃ per 1 ~ 2 ore, raffreddamento ad aria.

I parametri di controllo del trattamento termico della lega di titanio includono la temperatura della soluzione, il tempo di soluzione, la modalità di raffreddamento (spegnimento ad acqua, spegnimento ad olio, raffreddamento in forno) e la temperatura di invecchiamento. Leghe di titanio diverse richiedono temperature di ricottura diverse. Se è richiesta una ricottura β o un trattamento termico in soluzione β, Lega Gr.5 o altra lega di tipo α-β deve essere mantenuta per almeno 30 minuti al di sopra della temperatura di transizione β del lotto di pezzi (30±15) ℃, quindi raffreddata a temperatura ambiente in aria o gas inerte, non consentita con il raffreddamento del forno. Se è richiesto il raffreddamento ad acqua, il pezzo deve essere mantenuto a 730 ~ 760℃ per 1 ~ 3h dopo il raffreddamento ad acqua prima della seconda ricottura.

La ricottura è l'unico metodo di trattamento termico per il titanio puro e la lega di titanio α. La ricottura è adatta a tutti i tipi di leghe di titanio per eliminare le tensioni e migliorare la plasticità della lega e la stabilità della microstruttura. Il processo di ricottura viene utilizzato per diverse leghe di titanio. Lo scopo della ricottura è migliorare la plasticità del materiale e stabilizzarne la struttura. Il processo può essere eseguito in tre forme: ricottura con riduzione delle tensioni, ricottura con ricristallizzazione e ricottura doppia.

La ricottura viene effettuata in un forno ad aria, oppure in un forno a gas inerte o in un forno a vuoto se è richiesta la contaminazione superficiale dei pezzi. Durante la ricottura isotermica, è necessario utilizzare un convertitore o un raffreddamento ad aria se le dimensioni del pezzo sono troppo grandi per evitare una microstruttura troppo grande dovuta a una velocità di raffreddamento troppo bassa. In caso di ricottura doppia, il raffreddamento ad aria dopo il primo riscaldamento, le parti in titanio devono essere raffreddate in modo disperso, se necessario, per evitare che la velocità di raffreddamento troppo bassa influisca sulle prestazioni.

Ricottura del titanio di grado 5

Grado Foglio/striscia di titanio Barra/fili in titanio
Temperatura Tempo/min Raffreddamento Temperatura Tempo Raffreddamento
Grado 5 700℃-870℃ 15-60 Raffreddamento ad aria 700℃-800℃ 60-120 Raffreddamento ad aria

Nota: raffreddamento ad aria o raffreddamento più lento. Durante la doppia ricottura, temperatura di transizione β inferiore a 15 ~ 30 ℃ per 1 ~ 2 ore, raffreddamento ad aria o raffreddamento più rapido, quindi 705-760 ℃ per 1 ~ 2 ore, raffreddamento ad aria.

I parametri di controllo del trattamento termico della lega di titanio includono la temperatura della soluzione, il tempo di soluzione, la modalità di raffreddamento (spegnimento ad acqua, spegnimento ad olio, raffreddamento in forno) e la temperatura di invecchiamento. Se è richiesta una ricottura β o un trattamento termico in soluzione β, la lega Gr5 o altre leghe di tipo α-β devono essere mantenute per almeno 30 minuti al di sopra della temperatura di transizione β del lotto di pezzi (30±15) ℃, quindi raffreddate a temperatura ambiente in aria o gas inerte; non è consentito il raffreddamento in forno. Se è richiesto il raffreddamento ad acqua, il pezzo deve essere mantenuto a 730 ~ 760℃ per 1 ~ 3h dopo il raffreddamento ad acqua prima della seconda ricottura.

Ricottura sotto sforzo

Il riscaldamento e l'isolamento dei pezzi di titanio sottoposti a tempra a distensione devono essere conformi alla norma. Dopo l'isolamento, i pezzi devono essere raffreddati in aria o gas inerte o con il forno. La temperatura di riscaldamento della ricottura di distensione non deve superare la temperatura di invecchiamento o la temperatura di ricottura di fase 2 per le leghe di titanio trattate con una soluzione e invecchiate o sottoposte a doppia ricottura.

Le temperature utilizzate per la ricottura di distensione sono inferiori a quelle della ricristallizzazione e il tempo di ricottura è generalmente più breve di quello della ricristallizzazione. Questo processo viene eseguito per ridurre le tensioni residue durante la fabbricazione. Il processo produce combinazioni ottimali di resistenza, duttilità e stabilità dimensionale. Può essere utilizzato per ridurre le tensioni residue indesiderate durante le operazioni successive, tra cui la lavorazione e il trattamento termico. È ideale per le leghe di titanio a doppia fase e può anche migliorare la loro resistenza alla corrosione da stress. Tuttavia, se si vuole evitare il trattamento termico, questo metodo non è consigliato.

Questo processo può essere effettuato a una temperatura superiore alla temperatura del transus beta (transizione beta), che è il punto in cui la fase alfa scompare e la microstruttura si trasforma in una struttura cubica. Questo metodo viene utilizzato per migliorare le proprietà meccaniche dei pezzi in lega di titanio che devono essere modellati in forme complesse.

Ricottura sotto sforzo del titanio di grado 5

Leghe Temperatura Tempo/min
Grado 5 480℃ -650℃ 60-240

Nota: la ricottura di distensione può essere completata contemporaneamente a 760 ~ 790℃ con la formatura a caldo.

Ricottura isotermica

La ricottura isotermica fornisce la migliore plasticità e stabilità termica. È una buona scelta per le leghe di titanio bifasiche che contengono elevate quantità di elementi b-stabilizzati. Il processo richiede il riscaldamento della lega al di sopra della temperatura di ricristallizzazione e il suo trasferimento in un forno a temperatura inferiore. Il calore conservato durante questo processo viene trasferito alla superficie della lega mediante raffreddamento ad aria. Questo processo può essere ripetuto più volte per ottenere il risultato desiderato.

Ricristallizzazione Ricottura

Il processo di ricottura di ricristallizzazione è un metodo per regolare la temperatura di un tipo specifico di lega di titanio per eliminare le tensioni di base. L'obiettivo della ricottura di ricristallizzazione è quello di ottenere le proprietà di plasticità e resistenza desiderate. La temperatura per la ricottura di ricristallizzazione è solitamente compresa tra 450 e 650℃.

Durante il processo di ricottura a trazione, la ricristallizzazione di una lega di titanio avviene contemporaneamente allo scivolamento delle dislocazioni. Questo fenomeno è noto come doppio snervamento. La temperatura di ricottura di 920℃ aumenta la resistenza, mentre diminuisce la plasticità. Dopo la ricristallizzazione, precipita una fase secondaria. Il tempo di ricottura prolungato non è significativo nel determinare le proprietà meccaniche finali delle leghe di titanio.

Invecchiamento per spegnimento

L'invecchiamento per tempra è il metodo principale di trattamento termico di rafforzamento della lega di titanio Ti6Al4V, che utilizza la trasformazione di fase per produrre il rafforzamento, noto anche come trattamento termico di rafforzamento. Dopo il trattamento di solubilizzazione, le parti in lega di titanio devono essere sottoposte a un trattamento di invecchiamento secondo le disposizioni (vedere la tabella seguente). Dopo l'invecchiamento, i pezzi vengono raffreddati in aria o gas inerte o con il forno.

Invecchiamento per tempra del titanio Gr.5 

Grado Temperatura Tempo/h
Grado 5 480℃ -690℃ 2-8

Trattamento termico chimico

Il trattamento termico chimico della lega di titanio serve principalmente a migliorare la resistenza all'usura, la stabilità termica e la resistenza superficiale. Come sappiamo, la lega di titanio ha un grande coefficiente di attrito e una scarsa resistenza all'usura (generalmente circa 40% inferiore a quella dell'acciaio), e la sua superficie di contatto è facile da incollare e causa la corrosione da attrito. La lega di titanio ha una forte resistenza alla corrosione in ambiente ossidante, ma una scarsa resistenza alla corrosione in ambiente riducente (acido cloridrico, acido solforico, ecc.). Per migliorare queste proprietà, si può ricorrere alla galvanizzazione, alla spruzzatura e al trattamento termico chimico, cioè alla nitrurazione, all'ossigenazione e ad altri metodi. Dopo la nitrurazione, la durezza della superficie nitrurata è 2-4 volte superiore a quella senza nitrurazione, il che può ovviamente migliorare la resistenza all'usura della lega e la sua resistenza alla corrosione in ambiente riducente. La resistenza alla corrosione della lega può essere aumentata di 7~9 volte con l'ossigenazione, ma lo svantaggio è che si verifica una certa perdita di plasticità e di resistenza alla fatica.