Applicazione dei prodotti in lega strutturale di metallurgia delle polveri di titanio all'estero

La tecnologia della metallurgia delle polveri di titanio ebbe inizio nei primi anni ’50, ma fu solo negli anni ’70 che si verificò una svolta significativa. Da allora, i Paesi sviluppati di tutto il mondo hanno investito molti sforzi nella ricerca di questa tecnologia e nello sviluppo dei suoi prodotti metallurgici, rendendola ampiamente utilizzata in numerosi settori industriali.

Negli ultimi anni, i prodotti in titanio destinati al settore aeronautico, oltre ai componenti strutturali ad alte temperature, si stanno orientando verso le leghe di titanio per alte temperature; anche nel settore non aeronautico la domanda di prodotti in titanio è in aumento. Gli esperti della società giapponese Kobo Steel prevedono che, entro la fine del secolo, l’impiego del titanio nell’industria non aeronautica del mercato industriale occidentale aumenterà dall’attuale un terzo della produzione di prodotti lavorati in titanio ad almeno la metà. Analogamente alla metallurgia delle leghe di titanio ottenute per fusione, nello sviluppo delle applicazioni della metallurgia delle polveri di titanio ogni Paese ha le proprie priorità in base alle proprie esigenze. Negli Stati Uniti il titanio è utilizzato soprattutto nell’ingegneria militare e aeronautica, mentre i Paesi industriali dell’Europa occidentale (principalmente Germania, Regno Unito e Francia) si dedicano allo sviluppo di prodotti aeronautici e di alcuni prodotti civili in titanio ottenuti mediante metallurgia delle polveri, soprattutto nel campo dei componenti strutturali aeronautici. Esistono numerose tecnologie e prodotti. Il Giappone ha sviluppato con grande impegno prodotti civili in titanio, in particolare prodotti ottenuti mediante metallurgia delle polveri di titanio per i settori marittimo, chimico, energetico e altri. Anche la Russia ha mostrato un elevato livello di applicazione dei prodotti in titanio ottenuti mediante metallurgia delle polveri nei settori petrolifero, chimico e metallurgico.

Le leghe strutturali di titanio comunemente utilizzate nell’industria comprendono: titanio commercialmente puro, Ti-6 Al-4 V, Ti-5 Al- 25 Sn, Ti-6 Al-6 V-2 Sn- (CuFe), Ti-8 Al-l Mo-l V. Le leghe strutturali di titanio ottenute mediante metallurgia delle polveri utilizzano spesso leghe simili in base alle esigenze effettive, e la Ti-6 Al-4 V è quella più ampiamente utilizzata.

1. Prodotti in leghe strutturali di titanio ottenuti mediante metallurgia delle polveri per applicazioni aeronautiche

1.1 Prodotti aeronautici

Già nel 1956, la American Kitchen Appliance Company utilizzò il metodo della pressatura a caldo della polvere di titanio spugnoso per produrre un gran numero di sedi dei cuscinetti per motori turbogetto GET73, che venivano poi trasformate nel prodotto finale mediante la sola lavorazione di finitura; il costo risultava ridotto del 25%-30% rispetto allo stesso prodotto realizzato lavorando barre forgiate. All’epoca, l’industria aeronautica statunitense utilizzava polvere di lega Ti-6 Al-4 V pressata a caldo per fabbricare rivetti, anelli di bloccaggio per gli aerei da trasporto C-5 A e palette del compressore per i motori TF39, mentre utilizzava polvere non legata per realizzare dischi e sedi delle valvole.

La società statunitense Dynamet utilizzò polvere di lega Ti-6 Al-4 V per realizzare grezzi preliminari e forgiarli in palette per turbine a gas. La US Nuclear Materials and Equipment Company utilizzò il processo di forgiatura, raffinazione e formatura del grezzo preformato per fabbricare le palette direttrici e gli anelli di carico dei motori a turbina a gas. In un progetto navale del valore di 2 milioni di dollari, la Grumman Aerospace degli Stati Uniti utilizzò il metodo della pressatura isostatica a caldo in stampo ceramico per produrre il tirante di supporto interno (0,77 kg) e il telaio della gondola motore (23,85 kg) del caccia F-14. Il tasso di utilizzo del materiale aumentò dal 15%-30% al 50%-60%, raggiungendo in alcuni casi persino il 90%, mentre il costo si ridusse del 25%-37%. Si dice che il costo dei montanti della fusoliera realizzati con polvere di Ti-6 Al-4 V mediante pressatura isostatica a caldo (HIP) per l’aereo F-14 sia diminuito da 400 dollari per pezzo forgiato a 245 dollari.

La MBB tedesca utilizza polvere prelegata (PA) di Ti-6 Al-4 V, sottoposta a pressatura isostatica a caldo e forgiatura, per produrre giunti di bielle di collegamento delle pale degli elicotteri e bracci di collegamento degli autobus aerei, risparmiando il 40% del materiale. Utilizzando esclusivamente il processo HIP, il costo può essere ridotto del 25%; un’ulteriore selezione del processo ottimale può ridurlo fino al 34%.

1.2 Valutazione dei vantaggi economici dei prodotti aeronautici

In generale, per componenti grandi e complessi, la metallurgia delle polveri è più interessante della fusione. Secondo le analisi, la metallurgia delle polveri può ridurre i costi dal 20% al 50%, a seconda delle dimensioni e della complessità del componente.

Grene H. del Kruup Research Institute in Germania utilizzò polveri prelegate di Ti-6Al-4V e Ti-10V-2Fe-3Al e la pressatura isostatica a caldo in stampo ceramico per produrre giranti di forma complessa con proprietà meccaniche paragonabili a quelle delle leghe fuse, riducendo al contempo i costi del 40%. La struttura dei costi è principalmente distribuita tra i processi di forgiatura e lavorazione meccanica. Pertanto, se per i componenti di forma complessa si utilizza una tecnologia di formatura più vicina alla forma netta, i vantaggi economici saranno ancora più evidenti.

La Crucible Materials Company degli Stati Uniti produce un telaio di supporto fisso per il motore del caccia F-18. La forma è relativamente semplice e il costo dipende principalmente dal costo della polvere e dalla scala produttiva [7]. Nella produzione in serie, il costo di questo componente è un terzo di quello dei metodi convenzionali. È evidente che l’uso della metallurgia delle polveri per produrre componenti grandi e complessi può competere con i processi convenzionali. I principali fattori che determinano i costi di produzione sono il costo della polvere, la scala produttiva e la formatura effettiva quasi a forma netta.

1.3 Problemi nello sviluppo dei prodotti aeronautici

Nella produzione di componenti strutturali aeronautici complessi in leghe di titanio ottenuti mediante metallurgia delle polveri, il metodo BE può soddisfare i requisiti prestazionali dei componenti destinati ad applicazioni non soggette a fatica e ridurre notevolmente i costi; per quanto riguarda i componenti prodotti con il metodo PA, le loro prestazioni (in particolare quelle a fatica) sono paragonabili a quelle dei prodotti realizzati mediante fusione; per i componenti grandi e complessi, anche i costi di produzione sono bassi, ma la loro applicazione nel settore aeronautico è relativamente limitata e la lentezza dei progressi è difficile da comprendere. Froes F.H ritiene che la ragione risieda nel conservatorismo intrinseco dell’industria aeronautica. Pertanto, per sviluppare l’applicazione dei prodotti PA, da un lato è necessario mantenere bassi i costi dei prodotti e, dall’altro, il design del prodotto deve raggiungere il livello richiesto dagli utenti. Allo stesso tempo, è necessario aumentare la scala produttiva e produrre i componenti complessi utilizzando tecnologie più vicine alla formatura netta, nonché ricorrere a trattamenti chimici superficiali per migliorarne le proprietà superficiali oppure alla pallinatura per migliorarne le prestazioni a fatica.

2 Prodotti in leghe strutturali di titanio ottenuti mediante metallurgia delle polveri per automobili

2.1 Componenti in titanio per automobili

La leggerezza e l’elevata resistenza del titanio sono state notate da tempo dai produttori automobilistici. Il titanio viene utilizzato nelle auto da corsa da oltre 20 anni. Attualmente, quasi tutte le auto da corsa utilizzano il titanio e anche alcune auto sportive impiegano vari componenti in titanio. L’uso del titanio nei motori delle auto da corsa può ridurre il peso delle parti in movimento e migliorarne le prestazioni di accelerazione. Negli Stati Uniti sono state prodotte e vendute sul mercato valvole di scarico, fermi delle valvole, bielle e altri componenti in titanio per auto da corsa. La prima automobile giapponese a utilizzare il titanio fu la Nissan R382. Attualmente, i principali componenti in titanio utilizzati nelle automobili comprendono:
(1) Valvole. Negli Stati Uniti sono relativamente comuni i produttori specializzati che utilizzano leghe di titanio per realizzare valvole di aspirazione e di scarico. La valvola di aspirazione utilizza la lega Ti-6Al-4V, mentre la valvola di scarico utilizza la lega Ti-6Al-2Sn-4Zn-2Mo. La valvola di aspirazione realizzata in lega di titanio pesa 55 g, cioè 35 g in meno rispetto alla valvola in acciaio, e le prestazioni ad alta velocità migliorano dal 10% al 15%. Una valvola di scarico in titanio può pesare 50 g in meno rispetto a una valvola in acciaio e offre elevata affidabilità e una durata di servizio da 2 a 3 volte superiore. Inoltre, secondo quanto riferito, l’impiego di leghe di titanio per le valvole di aspirazione e di scarico può consentire anche un risparmio di carburante del 2%. Queste valvole sono ora utilizzate in vari tipi di motori automobilistici.

(2) Piattelli delle valvole. I piattelli delle valvole realizzati in lega Ti-6A1-4V sono ampiamente utilizzati nelle auto da corsa e nelle auto sportive, con una produzione annua superiore a 250.000 pezzi. Sono economici e non richiedono trattamenti superficiali (i materiali in titanio per automobili richiedono generalmente speciali trattamenti di indurimento superficiale per risolvere il problema della facile adesione del titanio). Inoltre, sono da 10 a 12 grammi più leggeri delle valvole in acciaio. Il Giappone utilizza la lega Ti-5A1-2Cr-Fe per realizzare i piattelli delle valvole.

(3) Bielle. L’uso della lega di titanio per realizzare le bielle è il modo più efficace per ridurre il peso del motore. Groth K. [10] ha calcolato che, sostituendo le bielle in acciaio con bielle in lega di titanio, le prestazioni migliorano del 43% grazie alla riduzione del peso; se si considera la parte soggetta al carico massimo e sono necessari rinforzi locali, le prestazioni possono migliorare anche del 27%. Anche considerando il basso modulo elastico della lega di titanio e la necessità di rinforzo, le prestazioni possono comunque migliorare del 17%. La biella è realizzata in Ti-6A1-4V e sono in fase di sviluppo anche altri materiali in lega, come Ti-4A1-4Mn0-2Si e Ti-7AI-4Mo.

(4) Albero motore e altri componenti del motore. Il Giappone e altri Paesi stanno producendo in via sperimentale alberi motore in lega Ti-5AI-2Cr-Fe. Questo tipo di albero motore deve essere trattato per prevenirne l’adesione e non è ancora stato adottato nell’uso pratico.
Altri componenti del motore comprendono bilancieri in lega Ti-6A1-4V, molle delle valvole e bulloni inferiori delle bielle.

(5) Carrozzeria e altri componenti. L’uso di tubi e flange in Ti-6AI-4V per le saldature dell’impianto di scarico può ridurre il peso dal 35% al 45%. Nella Porsche 908, tubi e piastre in titanio puro vengono saldati per realizzare un impianto di scarico interamente in titanio, riducendo il peso di 450 kg. Esistono inoltre bulloni, dadi e altri connettori in titanio, nonché componenti della trasmissione come dischi della frizione e piatti spingidisco. Rispetto a un alloggiamento in acciaio, un alloggiamento della frizione in titanio realizzato mediante stampaggio rotazionale può attenuare più facilmente l’impatto distruttivo del volano.

In sintesi, l’uso di leghe di titanio leggere e ad alta resistenza può ridurre il rumore, gli urti e le vibrazioni dei motori automobilistici e migliorare l’efficienza del carburante. Pertanto, poiché i prodotti in titanio si stanno orientando sempre più verso i mercati non aeronautici, il loro ingresso nell’industria automobilistica è di grande importanza. Un rapporto della American Refractory Metals Co., Ltd. ha indicato che Ford utilizzò componenti in lega di titanio per i componenti dei cilindri nei suoi modelli del 1989; Mitsubishi Corporation del Giappone aveva già utilizzato valvole di aspirazione e di scarico in lega di titanio nei suoi modelli del 1986. L’auto sportiva sovralimentata FZR 750R, prodotta dalla YAMAHA Engine Company giapponese, utilizza bielle in lega di titanio. Il prodotto è compatto e dispone di un dispositivo con baricentro ben equilibrato, che consente un uso continuo e duraturo alle alte velocità. Il prezzo è di 2 milioni di yen per veicolo. Il Central Research Institute della Mitsubishi Metal Corporation giapponese utilizza scarti di lega Ti-6AI-2Sn-42r-2Mo per realizzare le teste delle valvole mediante fusione e scarti di lega Ti-6 Al-4V per realizzare gli steli delle valvole, che vengono collegati mediante saldatura per attrito per fabbricare le valvole di aspirazione e di scarico dei motori automobilistici.

2.2 Componenti strutturali automobilistici in titanio ottenuti mediante metallurgia delle polveri

I componenti strutturali automobilistici in lega di titanio sopra menzionati sono tutti prodotti ottenuti per fusione o forgiatura. È stato riferito che l’ex Unione Sovietica applicò i prodotti in titanio ottenuti mediante metallurgia delle polveri ai motori automobilistici negli anni ’70. Per esempio, le bielle ottenute mediante metallurgia delle polveri furono utilizzate con successo nell’automobile Zaporozhers-969 da 0,5 t; si stima che per ogni 100.000 bielle in titanio forgiato a caldo mediante metallurgia delle polveri si potessero risparmiare 16.450 rubli. Nel 1975 il Giappone utilizzò titanio sinterizzato per dadi e coperture delle ruote.

Nel 1987, la Clevite Company degli Stati Uniti utilizzò il metodo degli elementi miscelati (BE) per produrre coppe di ritenuta delle molle delle valvole e bielle in titanio. La coppa di ritenuta della molla della valvola in lega Ti-6AI-4V prodotta con il metodo brevettato MR-9 dell’azienda, dopo la pressatura a freddo e la sinterizzazione sotto vuoto, soddisfa pienamente i requisiti delle prestazioni meccaniche (in particolare quelle a fatica). Il peso si riduce dai 28,5 g dei componenti convenzionali in acciaio forgiato agli 8,5 g dei componenti ottenuti mediante metallurgia delle polveri. La resistenza a trazione e le prestazioni a fatica superano entrambe i valori specificati, il peso si riduce del 70%, il tasso di utilizzo del materiale è del 100% e il costo è inferiore a quello dei componenti in titanio fuso da 7,8 g. Il componente ha superato il test di fatica da 10 milioni di cicli condotto dalla Honda Motor Company sulla macchina per prove di fatica Amsler. La Clevite utilizza la pressatura isostatica a freddo e la sinterizzazione sotto vuoto di grezzi per bielle in polvere di lega Ti-6A1-4V, che vengono poi lavorati e collaudati dalla Honda R&D Co., Ltd. secondo il proprio progetto. I risultati mostrano che le bielle prodotte con il processo MR-9 hanno buone prestazioni e che la resistenza alla flessione è superiore del 21%-43% alla resistenza ultima (108 MPa) delle bielle in acciaio con la stessa sezione trasversale. Le bielle e i campioni lucidati superficialmente vengono sottoposti ripetutamente a trazione e compressione e le loro resistenze a fatica sono rispettivamente di 212 MPa e 254 MPa. Il tasso di utilizzo del materiale è dell’80%. Honda stima che si possa ridurre almeno il 33% del peso.

2.3 Possibili sviluppi

Poiché il titanio tende a essere utilizzato nel settore civile e le sue caratteristiche apportano miglioramenti significativi alle prestazioni delle automobili, il titanio possiede un grande potenziale per la produzione su larga scala nell’industria automobilistica. Sebbene il prezzo elevato sia il motivo per cui le leghe di titanio non sono state ampiamente utilizzate nelle automobili, ciò è evidentemente dovuto anche alla scarsa promozione e allo sviluppo insufficiente. Sebbene l’uso del titanio per ridurre di 1 kg il peso aumenti il costo di 600-800 yen, rendendone ancora difficile l’impiego nelle automobili comuni, con il problema energetico sempre più grave le automobili ad alta efficienza dei consumi sono diventate una preoccupazione comune per i costruttori e i clienti. Ogni automobile necessita soltanto di 1 kg di componenti in titanio e, considerando l’attuale scala della produzione automobilistica, la quantità di titanio utilizzata sarebbe considerevole. È evidente che, selezionando correttamente i componenti dell’automobile, ottimizzando il design del prodotto, adottando una tecnologia di metallurgia delle polveri a elementi miscelati che soddisfi i requisiti prestazionali dell’automobile e abbia costi contenuti, e organizzando razionalmente la produzione su scala, è possibile che i materiali strutturali in lega di titanio vengano ampiamente utilizzati nelle automobili comuni.

L’uso della metallurgia delle polveri per produrre leghe di titanio basate su composti intermetallici Ti3Al e TiAl può sostituire l’acciaio resistente al calore nei motori automobilistici, ridurre il peso dell’automobile e migliorare l’efficienza dei consumi. Potrebbe essere più facile introdurle nell’uso pratico rispetto alle ceramiche tecniche per automobili.

3. Altre applicazioni

Gli esperti giapponesi prevedono che il titanio sinterizzato ottenuto mediante metallurgia delle polveri possa avere i seguenti impieghi nella meccanica di precisione: componenti per macchine fotografiche (otturatori, ecc.), componenti per orologi (casse degli orologi), strumenti di misura, componenti di macchine per prove, fotocopiatrici, componenti di macchine da stampa, ecc.; nell’industria elettronica può essere utilizzato per: rulli guida dei registratori a nastro, materiali per testine magnetiche, apparecchiature di comunicazione (materiali per membrane vibranti), componenti di elettrodomestici, cuscinetti, ecc. Inoltre, viene utilizzato anche in beni di uso quotidiano, articoli sportivi, prodotti artigianali e apparecchiature medicali. Nell’industria civile, l’uso della metallurgia delle polveri di titanio è redditizio anche rispetto alla fusione delle leghe di titanio. In effetti, alcuni componenti di forma speciale, dadi, anelli delle valvole, supporti dei cilindri e altri accessori di alcuni sistemi idraulici sono stati prodotti in serie. Negli ultimi anni, il Giappone ha prestato grande attenzione allo sviluppo delle applicazioni del titanio negli articoli sportivi, nell’edilizia, nella decorazione, nell’arredamento, negli utensili da cucina e in altri settori; i suoi prodotti sono fondamentalmente prodotti fusi e lavorati. È evidente che, per l’industria civile, che attribuisce maggiore importanza ai vantaggi economici, l’applicazione della metallurgia delle polveri di titanio in alcuni prodotti è molto interessante. Il Giappone ha sviluppato biciclette in titanio, comprendenti cerchi, telai, travi, serie sterzo, manubri, anelli guida, ingranaggi e altri componenti in titanio, realizzati mediante laminazione, formatura o forgiatura. Ogni bicicletta pesa da 8,5 a 9,5 kg e la domanda è piuttosto elevata. Il prezzo di ogni bicicletta da corsa di alta gamma è compreso tra 250.000 e 300.000 yen.

Per esempio, Mori Industries, Shimano e altre aziende giapponesi hanno sperimentato la produzione di un gruppo di componenti per biciclette di alta gamma denominato DURA-ACE, comprendente dispositivi con guarnitura e pignoni, dispositivi guida del volano, pedali, rotelline guida, freni a pattino e altri componenti già venduti sul mercato. Dopo la sostituzione dei componenti in ferro, è possibile ridurre il peso della bicicletta del 50%-60%. Migliorando la durezza delle leghe di titanio mediante trattamenti termici e superficiali, si possono ottenere prestazioni soddisfacenti. In applicazioni di questo tipo, l’uso di leghe di titanio ottenute mediante metallurgia delle polveri, simili ai componenti sopra menzionati e ad altri componenti come i dadi, è tecnicamente ed economicamente fattibile.