Saldatura per diffusione e titanio: un connubio vincente
Come funziona il diffusion bonding e perché viene considerato il metodo di giunzione ottimale da utilizzare in presenza di titanio e leghe di titanio? in questo articolo, TAV VACUUM FURNACES cerca di fare chiarezza dando una spiegazione quanto più esaustiva in merito al processo di saldatura per diffusione e al suo impiego, forte della pluriennale esperienza di TAV VACUUM FURNACES come produttore di forni a vuoto.
Il diffusion bonding (o saldatura per diffusione) è un processo di trasformazione allo stato solido che consente di unire materiali simili e dissimili tra loro. Questa tecnica si basa sulla diffusione atomica degli elementi che devono essere uniti. Il diffusion bonding è un processo molto interessante perché consente di legare tra loro materiali dissimili con diverse caratteristiche termo-fisiche che non potrebbero essere unite con altri procedimenti. Il diffusion bonding è soprattutto utilizzato nell’industria aerospaziale per unire materiali e forme impossibili da realizzare (come, ad esempio, le costruzioni a nido d’ape).
Metalli, leghe, ceramiche e prodotti di metallurgia delle polveri possono quindi essere uniti attraverso questo processo con una minima deformazione macroscopica. Componenti di alta precisione con forme complesse o sezioni trasversali possono così essere realizzati senza successive lavorazioni, ottenendo buone tolleranze dimensionali. Con la tecnica di diffusion bonding inoltre le eterogeneità chimiche possono essere minimizzate ed è possibile evitare difetti comuni come la distorsione.
Oggi, la maggior parte delle operazioni di diffusion bonding vengono eseguite nei forni sottovuoto. Il diffusion bonding, infatti, si basa su temperatura, pressione, tempo e livelli di vuoto molto bassi per facilitare lo scambio atomico tra i materiali.
Titanio e leghe di titanio: ecco perché utilizzarli
Perché il titanio sembra essere il materiale più indicato per il diffusion bonding? La risposta è da cercare nelle prerogative stesse del materiale. Per cominciare, il titanio (Ti) ha un’elevata resistenza, una buona resistenza all’erosione e una resistenza ottimale alle alte temperature che lo rendono la scelta prioritaria in diverse applicazioni industriali. Inoltre il titanio è il 30% più resistente dell’acciaio, pur essendo il 40% più leggero e il 60% più pesante dell’alluminio anche se due volte più resistente. Il titanio viene utilizzato in lega con alluminio, manganese, ferro, molibdeno e altri metalli al fine di accrescerne le già elevate caratteristiche meccaniche di resistenza, specie alle alte temperature e alla corrosione.
Nell’industria aerospaziale viene usato per la costruzione di componenti strutturali alari e di “skin”, per i sistemi idraulici dei velivoli, per diversi componenti di motori aerei e per cabine di velivoli spaziali, dove è insostituibile. In virtù delle sue particolari caratteristiche, trova numerosi impieghi nel settore marino per la realizzazione di eliche di imbarcazioni e navi o altre parti soggette a corrosione, come gli apparati sottomarini. In campo militare con il titanio si producono razzi, missili e altro. In ambito medico, questo materiale viene utilizzato per realizzare protesi di ginocchio e anca, pace-maker, piastre e viti per le ossa e piastre craniche per le fratture del cranio. Da segnalare inoltre la crescita della domanda di titanio proveniente dall’industria petrolchimica e dalle piattaforme petrolifere in mare e anche dall’industria motociclistica.
Con l’aumento dell’impiego del titanio e delle sue leghe, il processo di giunzione di Ti e Ti leghe è di particolare interesse. Purtroppo, però, saldare questo tipo di materiale è piuttosto difficile in quanto è altamente reattivo chimicamente alle alte temperature e tende a ossidarsi a basse pressioni parziali di ossigeno. Durante il processo di saldatura, le leghe di Ti assorbono molto facilmente ossigeno e azoto dall’atmosfera. Di conseguenza, la saldatura per diffusione sottovuoto risulta il metodo di giunzione migliore per il titanio e le sue leghe.
Eliminare anche a bassa temperatura vapori di oli o solventi e tracce di umidità
Per realizzare il ciclo termico necessario per il diffusion bonding del titanio, un forno da vuoto TAV VACUUM FURNACES deve operare in alta temperatura e ad alta pressione di Argon. Il vuoto è richiesto per eliminare anche le più piccole tracce di idrogeno ma anche di altri gas o vapori, tra cui ossigeno, azoto e vapore acqueo. Il vuoto inoltre svolge un compito importante da un punto di vista della pulizia dei pezzi, cruciale per il successo del trattamento stesso perché permette di eliminare anche a bassa temperatura vapori di oli o solventi e tracce di umidità (eventualmente un segnale avviserebbe dell’opportunità di interrompere il ciclo a causa di evaporazione di inquinanti e questo prima di rovinare la carica). Il vuoto viene mantenuto fino alla temperatura di diffusione e solo al raggiungimento di questa la pressione del gas raggiunge il set di processo. Data la dimensione (generalmente grande) di questi impianti, anche il quantitativo di Argon è elevato, una modalità di introduzione che consente di ridurne il fabbisogno sfruttando il contributo della temperatura nell’aumentarne la pressione.
Alta temperatura e alta pressione sono condizioni che poche volte di riscontrano nei forni a vuoto tradizionali per trattamenti termici, che sono dotati di una camera da vuoto raffreddata ad acqua e di una camera termica che deve isolare la zona calda dalla parete fredda del vessel. Il gas in pressione tende a vanificare la capacità di isolamento del materiale usato per la camera termica, un effetto tanto più evidente quanto maggiore è la permeabilità al gas del materiale stesso.
Nei forni da vuoto ad alta temperatura (2.000°C) e ad alta pressione (centinaia di bar) vengono usate schermature indipendenti dal vessel, a sua protezione, con il compito di intercettare il flusso termico usando un circuito raffreddato ad acqua opportunamente installato. Il vessel, infatti, avendo uno spessore importante a contrasto di una alta pressione, non beneficerebbe del raffreddamento in camicia al punto da non superare il valore limite di temperatura sulla faccia interna. Il rischio sarebbe un cedimento del vessel per esplosione.
Nei forni di diffusion bonding per il titanio di TAV VACUUM FURNACES le temperature in gioco si aggirano intorno ai 1.000°C e le pressioni sono dell’ordine di decine di bar, motivo per cui è ancora possibile usare il board di grafite come elemento isolante della “hot zone”. Tuttavia, la stratificazione di temperatura che i moti convettivi tenderebbero a instaurare deve essere compensata con un design verticalmente asimmetrico della camera termica, sia per quanto riguarda l’isolamento termico (con spessore non uniforme) sia del resistore. Questa configurazione è del tutto diversa da quella che normalmente si trova nei forni a vuoto, dove l’uniformità dell’irraggiamento viene ottenuta con la massima simmetria di tutte le condizioni e richiede una maggiore esperienza da parte del costruttore.
Alcuni casi dove la saldatura per diffusione si applica con successo
La saldatura per diffusione trova impiego in diversi ambiti applicativi. Con questa tecnologia è possibile ad esempio realizzare palettaggi di turbina saldando i due elementi laterali della pala con interposta all’interno di una sagoma anche questa di titanio. Sulle superfici non coperte dalla sagoma interna viene distribuito un layer di polvere ceramica. Una volta effettuato il trattamento di saldatura, si provvede a insufflare dilatando per pressione i lati e sollevando i lembi sagomati del metallo interposto. Questa soluzione rappresenta una valida alternativa alla struttura honeycomb. Il pezzo viene poi ad acquisire lo svergolamento tipico di un profilo alare, mediante pressatura a caldo in uno stampo. L’uso di un palettaggio così costruito assicura al motore un rendimento più elevato.
Altra applicazione del diffusion bonding è la produzione di scambiatori di calore in titanio per impieghi in ambiente marino e contatti con acqua di mare. La tecnica è la stessa del caso precedente e il forno è simile. Anche in questo caso si disegna tra elemento ed elemento un percorso di polvere ceramica, che delimita le zone dove è impedita la diffusione. Una volta che il pacco degli elementi dello scambiatore è saldato, si introduce gas in pressione che allontana le superfici non saldate, realizzando il percorso interno del liquido dello scambiatore stesso. In genere questi prodotti hanno una dimensione notevole, per cui il vantaggio dovuto al materiale non riguarda solo la capacità di resistere alla corrosione, ma anche il peso diviene un elemento importante per il tipo di ambiente a cui è destinato.
La saldatura per diffusione in forno a vuoto viene utilizzata anche in caso di elementi strutturali di aeromobili. Questa applicazione risolve il problema legato a una saldatura a TIG convenzionale poiché nella saldatura a TIG la giunzione non dà le stesse garanzie della saldatura per diffusione. Il cordone di saldatura a TIG presenta infatti fenomeni di discontinuità e di porosità che rendono difficile ottenere una buona finitura.