Progettazione di parti in lega di titanio: resistenza, rigidità e lavorabilità

Inizia dal grado, non dalla geometria

Le parti in lega di titanio si guastano in termini di costi molto più spesso di quanto si guastano in servizio, e la causa è solitamente una progettazione che ignora il materiale piuttosto che una progettazione che ignora il carico. Il titanio e le sue leghe offrono un'elevata resistenza specifica, un'eccezionale resistenza alla corrosione e una densità compresa tra 4,43 e 4,51 g/cm3, ma portano anche una bassa conduttività termica, un basso modulo elastico rispetto all'acciaio, una forte tendenza al gallaggio e un prezzo di acquisto molte volte superiore a quello dell'acciaio inossidabile nella stessa forma. Un progetto realizzabile tiene conto di tutti questi fatti prima che venga rilasciato il primo schizzo.

La decisione iniziale è la selezione del grado. I gradi 2 e 4 commercialmente puri sono adatti a parti soggette a corrosione-e a servizi chimici; Il grado 5 (Ti-6Al-4V) offre la massima resistenza tra i comuni gradi per lavorazione plastica con una resistenza alla trazione minima di 895 MPa e un carico di snervamento minimo di 828 MPa allo stato ricotto, con un allungamento minimo del 10%; Il Grado 9 (Ti-3Al-2.5V) si trova tra i due con una trazione minima di 620 MPa e uno snervamento minimo di 483 MPa con un allungamento minimo del 15% ed è più facile da formare e saldare rispetto al Grado 5; Il grado 12 offre una migliore resistenza in ambienti chimici leggermente riducenti. Barre e billette vengono ordinate secondo ASTM B348, lamiere e piastre secondo ASTM B265, tubi secondo ASTM B337 o ASTM B338.

Forza, rigidità e concentrazione dello stress

La caratteristica distintiva del design del titanio è il divario tra resistenza e rigidità. Il carico di snervamento del grado 5 supera gli 800 MPa, ma il suo modulo elastico è solo di circa 114 GPa, circa la metà di quello dell'acciaio. Una parte in titanio quindi si deforma circa il doppio di una parte in acciaio geometricamente identica allo stesso carico, e la rigidità, non la resistenza, spesso governa la progettazione.

Progettare innanzitutto la rigidità, quindi verificare la resistenza; aumentare lo spessore della sezione è una soluzione inadeguata perché aumenta anche la massa, che di solito è il motivo per cui è stato scelto il titanio.

Utilizzare sezioni chiuse, flange, nervature o forme a guscio per aumentare il secondo momento dell'area invece di aggiungere spessore alla parete.

Evitare cambi di sezione bruschi e angoli interni acuti. Il titanio è sensibile all'intaglio e un fattore di concentrazione delle sollecitazioni tollerabile nell'acciaio può dimezzare la durata a fatica.

Mantenere la rigidità locale equilibrata. Una sporgenza rigida accanto a un'anima sottile concentra la deformazione nell'anima e produce crepe precoci sotto vibrazione.

Ricordare che il modulo basso rende le parti in titanio più soggette a deformazioni e vibrazioni durante la lavorazione, che devono essere gestite nel fissaggio piuttosto che nel disegno.

Comportamento termico e stabilità dimensionale

Il titanio si espande a circa 8,6-9,2 micrometri per metro per grado C, vicino all'acciaio inossidabile ma notevolmente inferiore a quello dell'alluminio, e la sua resistenza resiste fino a circa 300 gradi C per i gradi commercialmente puri e superiore per i gradi legati. Ne conseguono tre conseguenze per la progettazione.

Negli assemblaggi che mescolano titanio con alluminio o acciaio, calcolare l'espansione differenziale alla massima temperatura di servizio e fornire gioco, fori asolati o fissaggi conformi dove si accumula il disadattamento.

Le tolleranze di lavorazione devono tenere conto della distorsione. La bassa conduttività termica del titanio fa sì che il calore si concentri sul tagliente e nelle pareti sottili e le parti possano spostarsi dopo il rilascio del dispositivo.

La tensione residua introdotta dalla lavorazione o dalla saldatura deve essere alleviata mediante ricottura di distensione-prima della lavorazione finale delle dimensioni critiche, altrimenti la parte potrebbe non rimanere in tolleranza nel tempo.

Evitare di progettare sottili reti di titanio che si trovano direttamente in un percorso termico a meno che il gradiente termico non sia stato modellato; la bassa conduttività mantiene un lato caldo e l'altro freddo, e il gradiente risultante determina la deformazione.

Lavorabilità e progettazione per la produzione

Il titanio è circa un ordine di grandezza meno conduttivo dell'acciaio, quindi il calore prodotto dal taglio non può fuoriuscire nel truciolo e nel pezzo in lavorazione; lo stesso basso modulo consente al pezzo di allontanarsi dall'utensile. Le scelte progettuali che riducono l'esposizione alla lavorazione riducono quindi direttamente i costi.

In officina, il titanio viene tagliato con utensili affilati e con spoglia positiva in carburo o ceramica, flusso abbondante di refrigerante o refrigerante ad alta pressione attraverso-utensile, velocità di taglio moderate e avanzamento costante per evitare sfregamenti e incrudimenti. Non lasciare mai che l'utensile rimanga nel taglio. Specificare un design che consenta un fissaggio rigido del pezzo, poiché le vibrazioni sono la causa principale di una scarsa finitura superficiale e di una breve durata dell'utensile.

Corrosione, accoppiamento galvanico e idrogeno

Il titanio resiste all'acqua di mare, ai cloruri, agli acidi ossidanti e alla maggior parte delle atmosfere industriali attraverso una pellicola di ossido passivo, ma tale pellicola non è una protezione universale. L'acido fluoridrico, gli acidi riducenti concentrati a caldo e il cloro secco attaccano il titanio, e la geometria delle fessure nel servizio con cloruro stagnante dovrebbero essere riviste anche se il titanio ha prestazioni migliori dell'acciaio inossidabile nelle fessure.

Isolare il titanio da acciaio al carbonio, acciaio inossidabile e grafite in servizio umido oppure gestire il rapporto tra le aree in modo che l'area dell'anodo di titanio sia piccola e l'area del catodo grande.

Utilizzare elementi di fissaggio in titanio con hardware di accoppiamento in titanio o isolato per prevenire la corrosione galvanica sui giunti esposti ad atmosfere marine.

Limitare la temperatura di servizio prolungata in ambienti contenenti idrogeno-o in ambienti umidi, poiché l'assorbimento dell'idrogeno indebolisce il titanio; i limiti di composizione dello 0,015% massimo di idrogeno per i gradi commercialmente puri rappresentano il controllo rilevante.

Specificare il decapaggio o l'anodizzazione nel caso in cui la parte verrà maneggiata pesantemente o messa in servizio con un elevato stress da contatto, poiché la contaminazione superficiale e le sbavature di ferro riducono le prestazioni di corrosione.

Saldabilità, giunzione e trattamento superficiale

Il grado 5 e le altre leghe alfa-beta sono più difficili da saldare rispetto ai gradi commercialmente puri: necessitano di protezione con gas inerte su entrambe le facce, un attento apporto di calore e spesso un trattamento termico post-saldatura, inoltre la zona saldata perde duttilità rispetto al metallo base. Laddove la saldatura è fondamentale per la progettazione, il Grado 9 o il Grado 2 commercialmente puro rappresentano la scelta più economica.

Per i giunti che non devono essere saldati, le alternative sono il fissaggio meccanico, la brasatura in atmosfera controllata o l'incollaggio adesivo con una superficie adeguatamente preparata, e ciascuno impone le proprie regole di progettazione sulla distanza dai bordi, sulla disposizione dei fori e sulla preparazione della superficie. I trattamenti superficiali che vale la pena specificare includono il decapaggio per rimuovere lo strato alfa lasciato dalla lavorazione a caldo o dalla saldatura, l'anodizzazione per la resistenza all'usura e l'identificazione, la pallinatura per introdurre stress di compressione nei raccordi critici per la fatica- e la nitrurazione solo dove la resistenza all'usura giustifica la perdita di resistenza alla corrosione.

Economia dei costi e del ciclo di vita-

Le parti in titanio dovrebbero essere giustificate sull'intera vita dell'attrezzatura piuttosto che sul primo costo. Il premio in termini di materiale viene solitamente ripagato tramite l'eliminazione della tolleranza alla corrosione, una minore manutenzione, intervalli di ispezione più lunghi e, nelle apparecchiature rotanti o alternative, carichi ridotti-correlati alla massa. Le regole pratiche che tengono sotto controllo il premio includono l'utilizzo della qualità più bassa che soddisfa il caso di carico e corrosione, il consolidamento delle parti per rimuovere elementi di fissaggio e giunti e la specifica delle dimensioni standard delle scorte.

Domande frequenti

D: Qual è la considerazione di progettazione più importante per le parti in lega di titanio?
Rigidità piuttosto che forza. Poiché il modulo elastico è circa la metà di quello dell'acciaio, la deflessione solitamente governa la progettazione, quindi la geometria della sezione deve essere scelta per fornire rigidità senza aggiungere massa.

D: Perché il titanio è difficile da lavorare e cosa dovrebbe riflettere il disegno?
La bassa conduttività termica intrappola il calore di taglio sul tagliente e il basso modulo consente alla parte di flettersi, causando vibrazioni, grippaggi e rapida usura dell'utensile. Il disegno dovrebbe evitare cavità strette e profonde, mantenere modesti i rapporti tra profondità-e-larghezza e riservare tolleranze strette solo per le superfici funzionali.

D: Come dovrebbe essere protetta una parte in titanio dalla corrosione galvanica?
Isolarlo da acciaio, acciaio inossidabile e grafite in servizio umido utilizzando rondelle, boccole o rivestimenti isolanti ed evitare progetti in cui un'ampia area catodica si affaccia su una piccola area di titanio, che accelera l'attacco.

D: Quale qualità di titanio è più facile da modellare e saldare?
Il grado 2 e il grado 9 commercialmente puri, Ti-3Al-2,5V, sono i più tolleranti. Il grado 5, Ti-6Al-4V, offre la massima resistenza ma richiede un controllo del processo più rigoroso durante la saldatura e la formatura.

D: Il titanio necessita di un trattamento termico dopo la saldatura?
I gradi commercialmente puri generalmente non lo fanno, a condizione che la saldatura sia adeguatamente protetta e pulita. Le leghe alfa-beta come il grado 5 di solito traggono beneficio dalla distensione o dalla ricottura post-saldatura e la procedura deve essere qualificata per il giunto specifico.

D: Come si può ridurre il costo del materiale di una parte in titanio?
Selezionando la qualità adeguata più bassa, progettando forme quasi-nette in modo che meno metallo si trasformi in schegge, consolidando gli assemblaggi per ridurre giunti e dispositivi di fissaggio, utilizzando dimensioni di stock standard e riducendo le tolleranze e le finiture superficiali che non sono funzionalmente richieste.

D: Quali standard si applicano a barre, piastre e tubi in titanio?
ASTM B348 per barre e billette, ASTM B265 per lamiere, nastri e piastre, ASTM B337 per tubi senza saldatura e ASTM B338 per tubi saldati, con le corrispondenti designazioni ASME SB utilizzate per le attrezzature a pressione.