Processi di lavorazione a caldo del titanio e delle leghe di titanio

Una sintesi e una spiegazione sistematica della Cina processi di lavorazione a caldo di titanio e leghe di titanio sono stati realizzati materiali.

Titanio e leghe di titanio hanno eccellenti proprietà complete, quali elevata resistenza specifica, modulo specifico, tenacità, elevata resistenza alla corrosione, resistenza alle alte temperature, saldabilità e assenza di magnetismo. Sono ampiamente utilizzati in vari settori come l'aviazione, l'aerospaziale, la costruzione navale, il petrolio, la chimica, le armi, l'elettronica e le cure mediche. Negli anni '60, i Paesi industrializzati come gli Stati Uniti, il Regno Unito e l'ex Unione Sovietica hanno utilizzato ampiamente il titanio e le leghe di titanio nella produzione di aerei e motori aeronautici. L'applicazione del titanio e dei materiali in lega di titanio nell'industria aeronautica cinese è iniziata relativamente tardi. Negli anni '80, una piccola quantità di titanio e di materiali in lega di titanio è stata gradualmente utilizzata nella produzione di aeromobili e motori per l'aviazione. Tuttavia, dopo l'ingresso nel XXI secolo, il livello di applicazione del titanio e dei materiali in lega di titanio nell'industria aeronautica cinese è notevolmente migliorato. Dopo quasi 40 anni di sforzi in Cina, sono stati compiuti progressi significativi nella microstruttura delle leghe, nella tecnologia di lavorazione, nella lega e in altre tecnologie. Soprattutto negli ultimi 20 anni, grazie alla ricerca ingegneristica e ai test esplorativi condotti da ricercatori di vari istituti di ricerca, produttori professionali e università, la lavorazione a caldo del titanio e delle leghe di titanio in Cina ha formato un sistema tecnologico di processo relativamente completo.

1. Classificazione del titanio e delle leghe di titanio

I metodi di classificazione del titanio e delle leghe di titanio includono la classificazione di McGellen, la classificazione del coefficiente di stabilità β e la classificazione per definizione in GB/T 6611-2008. In letteratura esistono alcune differenze nella classificazione del titanio e delle leghe di titanio, ma la classificazione generale è coerente. Ecco una breve introduzione alla classificazione di McGovern. Questo metodo di classificazione è il metodo di classificazione di McGovern del 1956 in base alla composizione di fase del titanio e delle leghe di titanio allo stato di ricottura. Inizialmente, il titanio e le leghe di titanio erano suddivisi grossolanamente in tre categorie: leghe di tipo α, leghe di tipo α + β e leghe di tipo β. Tuttavia, con il rapido sviluppo della ricerca e dell'applicazione del titanio e delle leghe di titanio, esistono sempre più tipi di leghe di titanio e le limitazioni di questo metodo di classificazione classico di McGovern diventano sempre più grandi. Pertanto, i discendenti hanno migliorato su questa base e hanno suddiviso il titanio e le leghe di titanio in cinque categorie: la struttura di base del titanio e delle leghe di titanio dopo la ricottura è la fase α, che viene chiamata lega di tipo α. La struttura di base dopo la ricottura è fase α + fase β, ma la fase α è principalmente chiamata lega di tipo α. La struttura di base dopo la ricottura è la fase α + la fase β, che viene chiamata lega di tipo (α + β). La struttura di base dopo la ricottura è la fase β, ma esiste una certa fase α chiamata lega di tipo near β. La struttura di base dopo la ricottura è la fase β, che è il tipo di lega β.

2. Struttura del titanio e delle leghe di titanio

2.1 Microstruttura delle leghe di titanio di tipo quasi α e di tipo α + β

2.1.1 L'organizzazione Weinstein

In generale, si riferisce alla struttura as-cast del titanio e delle leghe di titanio, oppure la temperatura di inizio e la temperatura finale della lega di titanio si trovano nella regione della fase β, la deformazione non è molto grande (generalmente inferiore a 50%), oppure quando la lega viene riscaldata fino alla fase β e poi raffreddata lentamente, si ottiene la struttura widmanstatten. La struttura Widmanstatten è caratterizzata da grani β originali grossolani, e il confine di grano α chiaro è distribuito sul confine di grano β originale. Il cristallo β originale è un dominio di fascio α lamellare e l'α lamellare è una fase β, come mostrato in Fig.1 (a).

2.1.2 Organizzazione del paniere netto

La lega di titanio si deforma in prossimità della temperatura di transizione β o inizia a deformarsi nella regione di fase β, ma termina la deformazione nella regione bifase e la quantità di deformazione è 50%-80%. La struttura a cestello è caratterizzata dalla distruzione del confine del grano β originale durante il processo di deformazione; non appare alcuno o solo una piccola quantità di confine del grano granulare α, e il foglio α nel grano β originale diventa più corto (cioè, il rapporto di aspetto è piccolo), la dimensione del dominio del fascio α è piccola. I cluster sono interlacciati, come mostrato in Fig.1 (b).

2.1.3 Organizzazione mista

La lega di titanio viene deformata nella parte superiore della regione bifasica o dopo la deformazione nella regione bifasica; viene riscaldata alla temperatura superiore della regione bifasica e poi raffreddata ad aria per ottenere una struttura mista. La struttura mista è caratterizzata dalla distribuzione di particelle α primarie non collegate sulla matrice di trasformazione β e il numero è inferiore a 40% (definito come 50% in letteratura). Esistono due forme di α nella struttura mista: una è costituita dalle particelle α primarie equiaxate e l'altra è la striscia secondaria α sulla matrice trasformata β. La maggior parte della letteratura è chiamata organizzazione a due stati. Tuttavia, a causa dello sviluppo di un'organizzazione a tre stati basata sull'organizzazione a due stati negli anni '90, è più appropriato chiamarla organizzazione mista, che include un'organizzazione a due stati e un'organizzazione a tre stati. Espressione dell'organizzazione a tre stati: (α + α + β) organizzazione, caratteristiche: α ≈ 10%-20%, α ≈ 60%-70%, e intreccio caotico, come mostrato nella Fig.1 (c).

2.1.4 Struttura isometrica

La struttura equiax può essere generalmente ottenuta quando la lega di titanio viene deformata nella regione bifase al di sotto della temperatura di formazione della struttura bimodale (circa 30-60 °C al di sotto del punto di transizione di fase β). La struttura equiaxed è caratterizzata da una distribuzione uniforme di matrice α primaria equiaxed con un contenuto superiore a 40%, e vi è una certa quantità di struttura β. Più bassa è la temperatura di deformazione, maggiore è la densità di α primario e di dislocazione. Il contenuto di α primario equiaxed definisce principalmente la struttura mista e la struttura equiaxed. In letteratura si definisce che il contenuto di α primario equiaxed è superiore a 50%. Tuttavia, è attualmente riconosciuto che il contenuto di α primari equiaxati è superiore a 40%, addirittura superiore a 70%-80%. La morfologia degli α primari equiaxati comprende forme sferiche, ellittiche, a forma di oliva, a forma di martello e di striscia lunga. Struttura equiax = (α + β) = (α + α + β). La matrice di β comprende le strisce sottili α e il fondo nero tra le strisce sottili è il residuo di β, come mostrato in Fig.1 (d).

2.2 Microstrutture di titanio e leghe di titanio di tipo α e di tipo β

La microstruttura tipica del titanio di tipo α e delle leghe di titanio è un singolo grano α, come mostrato nella Figura 1 (e); la microstruttura tipica della lega di titanio di tipo β è un singolo grano β, come mostrato nella Fig.1 (f). Le proprietà del titanio e delle leghe di titanio sono determinate dalla loro microstruttura e la microstruttura del titanio e delle leghe di titanio è determinata principalmente dalla lavorazione termica (forgiatura, trattamento termico).

3. Forgiatura di titanio e leghe di titanio

3.1 Scopo della forgiatura

3.1.1 Miglioramento della microstruttura e delle proprietà

La billetta più originale per il titanio e le leghe di titanio forgiatura è un lingotto. Durante la processo di forgiaturala struttura as-cast subisce una deformazione e una ricristallizzazione. Le dendriti grossolane e i grani colonnari originari si trasformano in strutture ricristallizzate equiax con grani fini e di dimensioni uniformi. Allo stesso tempo, la segregazione, la porosità, i pori e le cricche originali nel lingotto rendono la struttura del metallo più densa e ne migliorano la plasticità e le proprietà meccaniche.

3.1.2 Modificare forma e dimensioni

Per ottenere le specifiche e le dimensioni dello spezzone desiderate, è necessario ricorrere a un'adeguata deformazione di forgiatura.

3.2 Forgiatura libera di titanio e leghe di titanio (produzione di billette)

La cosiddetta forgiatura libera è un metodo di forgiatura in cui il flusso di metallo non è limitato o non è completamente limitato nella direzione perpendicolare alla forza di deformazione. Il vantaggio principale dello stampaggio libero è che non è necessario uno stampo di forgiatura, i pezzi vengono messi in produzione rapidamente e le dimensioni e il peso dei pezzi non sono limitati. Lo svantaggio è che non è possibile forgiare pezzi con forme complesse e requisiti di elevata precisione dimensionale, il tasso di utilizzo del materiale è basso e l'efficienza produttiva potrebbe essere maggiore. La forgiatura libera è adatta alla produzione di pezzi singoli e di piccoli lotti.

Fig.1 Microstrutture tipiche di titanio e leghe di titanio
La forgiatura libera di titanio e leghe di titanio comprende principalmente la forgiatura di lingotti, forgiatura di barre, forgiatura di lastre, forgiatura di anellie la forgiatura di pezzi grezzi. Nella produzione di prodotti in titanio e leghe di titanio, anelli, forgiatiecc. Sono ulteriormente lavorati a caldo (forgiati, ecc.) sulla base di barre qualificate. Pertanto, la produzione di barre è la chiave per la produzione di prodotti in titanio e leghe di titanio.

3.2.1 Riscaldamento della forgiatura di titanio e leghe di titanio

Il titanio e le leghe di titanio hanno le caratteristiche della trasformazione allotropica. Quando il titanio e le leghe di titanio sono allo stato solido, la struttura cristallina della loro disposizione atomica cambia al variare della temperatura (trasformazione della microstruttura). A temperatura ambiente, la fase α-Ti (fase α) del cristallo esagonale a struttura stretta è dominante, mentre la fase β-Ti (fase β) del cristallo cubico a corpo centrato è dominante ad alta temperatura. Quando la temperatura di riscaldamento supera una certa temperatura, l'α-Ti (fase α) del cristallo esagonale a struttura stretta del titanio e delle leghe di titanio si converte completamente nella β-Ti (fase β) del cristallo cubico a corpo centrato, che viene chiamata temperatura di transizione β (punto di transizione di fase). Esiste un solo piano cristallino con la disposizione atomica più densa, il piano {0001}, per il cristallo esagonale a struttura stretta. Un piano di scivolamento può avere tre direzioni di scivolamento, quindi il numero di sistemi di scivolamento è 1 × 3 = 3. Poiché il titanio e le leghe di titanio sono principalmente α-Ti (fase α) del cristallo esagonale a pacchetti ravvicinati a temperatura ambiente, la maggior parte del titanio e delle leghe di titanio hanno scarse prestazioni nella lavorazione a freddo. La fase β-Ti è un cristallo cubico a corpo centrato. Ci sono sei piani cristallini {110} con la disposizione più densa degli atomi nel cristallo cubico a corpo centrato; ognuno ha due direzioni di scorrimento, quindi il numero di sistemi di scorrimento è 6 × 2 = 12. Nel cristallo cubico a corpo centrato ci sono 48 piani di scorrimento principali e piani di scorrimento secondari. Pertanto, la plasticità del titanio e delle leghe di titanio diventa migliore e la resistenza alla deformazione si riduce notevolmente dopo il riscaldamento ad alte temperature, a vantaggio della deformazione per forgiatura.
Pertanto, quasi tutto il titanio e le leghe di titanio vengono forgiati a caldo. Durante la forgiatura del titanio e delle leghe di titanio, a causa della struttura as-cast, della scarsa plasticità, della forma del lingotto troppo grande e dell'ampia superficie di sollecitazione alla deformazione, viene generalmente riscaldato a 100-200 °C al di sopra della temperatura di transizione β per migliorare efficacemente la plasticità a caldo e ridurre notevolmente la resistenza alla deformazione per unità di superficie. Nel successivo processo di forgiatura, la temperatura di riscaldamento viene gradualmente abbassata rispetto alla forgiatura del grezzo fino a raggiungere la temperatura di transizione β. Questo metodo di processo è caratterizzato da un'elevata resa, da una struttura uniforme e da un'elevata richiesta di tonnellaggio dell'attrezzatura. Tuttavia, alcuni produttori di titanio e leghe di titanio adottano il processo di riscaldamento e deformazione per forgiatura direttamente nella zona bifase dopo il completamento dell'apertura della billetta. Lo svantaggio di questo processo è che il tasso di rendimento è basso e la struttura è irregolare, ma è adatto alla produzione di piccole attrezzature. I processi specifici dei produttori di titanio e di leghe di titanio sono diversi. La maggior parte dei processi specifici si basa sull'esperienza pratica e sui dati dei test accumulati dai produttori stessi. A causa della scarsa plasticità della struttura widmanstatten o della struttura a cestello ottenuta per deformazione al di sopra della temperatura di transizione β, nella maggior parte delle norme tecniche di prodotto la microstruttura delle barre di lega di titanio di tipo α e α + β è generalmente richiesta come struttura equilatera o mista con buona plasticità. Pertanto, 2-3 fuochi o anche più nella fase successiva di forgiatura delle barre di titanio e leghe di titanio sono riscaldati e forgiati entro 20-60 °C al di sotto del punto di transizione di fase.
La conducibilità termica del titanio è piccola, pari a 1/15 di quella dell'alluminio e a 1/5 di quella del ferro. Pertanto, è necessario preriscaldare a basse temperature le billette di titanio e leghe di titanio con un diametro (spessore) superiore a 300 μs per evitare la criccatura interna della billetta. Allo stesso tempo, non è facile mantenere il titanio e le leghe di titanio per troppo tempo ad alte temperature per evitare il deterioramento della struttura. Pertanto, per il riscaldamento del titanio e delle leghe di titanio, la temperatura del forno vuoto viene generalmente portata a una temperatura predeterminata e poi riscaldata nella billetta caricata. Il tempo di mantenimento del riscaldamento del titanio e delle leghe di titanio viene generalmente calcolato in base allo spessore di 0,5-0,8min/mm; il tempo di mantenimento più lungo non supera generalmente 1,2min/mm e lo stato caldo viene dimezzato. Poiché la temperatura di riscaldamento è sensibile alla trasformazione del titanio e delle leghe di titanio, la forgiatura del titanio e delle leghe di titanio è generalmente riscaldata da un forno a resistenza con una precisione di controllo della temperatura di (±10-15) °C. Tuttavia, a causa della struttura grossolana della fusione, formata dalla solidificazione diretta del metallo liquido, la precisione di controllo della temperatura del forno di riscaldamento non è elevata. Pertanto, la forgiatura delle billette può essere riscaldata da un forno a riverbero a combustibile solido, da un forno a petrolio, da un forno a gas naturale, ecc. 

3.2.2 Deformazione di forgiatura per fuoco di titanio e leghe di titanio 

Il deformazione per forgiatura di titanio e leghe di titanio è generalmente superiore a 60%-75%, la deformazione di forgiatura del fuoco intermedio è generalmente controllata a 40%-75% e la deformazione di forgiatura del prodotto finito è controllata a più di 20%. 
Quando il titanio e le leghe di titanio vengono forgiati con un martello a velocità elevata, è necessario considerare l'effetto termico nel processo di forgiatura. A causa della scarsa conducibilità termica del titanio e delle leghe di titanio e la temperatura è molto sensibile alla sua microstruttura, il calore di deformazione del nucleo della barra durante il processo di forgiatura sul martello rende facile che la temperatura locale della lega si avvicini o superi la temperatura di transizione β, con conseguente surriscaldamento della struttura del nucleo. Pertanto, la billetta non può essere continuamente colpita con forza quando il processo di forgiatura a martello viene utilizzato per prodotti in titanio e in lega di titanio con requisiti organizzativi e prestazionali.

3.2.3 Il metodo di raffreddamento dopo la forgiatura del titanio e delle leghe di titanio 

Nel processo tradizionale, il metodo di raffreddamento del titanio e delle leghe di titanio dopo la forgiatura è il raffreddamento ad aria. Dopo il riscaldamento e la deformazione di forgiatura nel punto di transizione di fase, la microstruttura della lega di titanio di tipo α e della lega di titanio di tipo α + β è costituita da una piccola quantità di fase α primaria equiaxed e da una grande quantità di fase β ad alta temperatura. Quando la forgiatura viene raffreddata ad aria dopo la forgiatura, con la diminuzione della temperatura di forgiatura, la maggior parte della fase β stabile nella microstruttura ad alta temperatura si trasforma gradualmente nella fase α stabile a temperatura ambiente. In altre parole, durante il processo di raffreddamento ad aria dopo la forgiatura, una piccola quantità di α primario equilatero nella microstruttura cresce o si aggrega gradualmente con la diminuzione della temperatura. Una grande quantità di fase β ad alta temperatura si trasforma gradualmente in fase α del nastro e fase β residua con la diminuzione della temperatura. La fase α a strisce cresce gradualmente, si ispessisce e si aggrega. Questo fenomeno non favorisce il miglioramento della microstruttura e delle proprietà. Inoltre, la velocità di raffreddamento tra la superficie e il nucleo della billetta è molto diversa e la consistenza della microstruttura e delle proprietà sulla billetta è molto diversa. croce-La sezione è scarsa. Analogamente, per il titanio monofase e la lega di titanio, il raffreddamento ad aria fa crescere i grani monofase e peggiora la consistenza della granulometria interna ed esterna.
Date le carenze di cui sopra, negli ultimi anni alcuni produttori di titanio e leghe di titanio hanno adottato il processo di raffreddamento ad acqua dopo la forgiatura di billette di titanio e leghe di titanio e la produzione di billette intermedie. Dopo la forgiatura, la lega di titanio quasi α e la lega di titanio α + β sono raffreddate dall'acqua, che ha una velocità di raffreddamento elevata e un grande sottoraffreddamento. Da un lato, una piccola quantità di α equiaxed primario nella struttura ad alta temperatura non ha tempo sufficiente per crescere; dall'altro, il raffreddamento rapido fa sì che un gran numero di fasi β ad alta temperatura si trasformi troppo tardi in fasi α stabili a striscia, e non c'è tempo per far crescere e coartare le nuove fasi α a striscia. Pertanto, la fase α equiax primaria e la fase α del nastro nella microstruttura prodotta dal processo di raffreddamento ad acqua dopo la forgiatura sono più piccole di quelle prodotte dal processo di raffreddamento ad aria dopo la forgiatura. Dall'esperimento si evince che il raffreddamento ad acqua dopo la forgiatura può non solo affinare la struttura ad alta piega del titanio e della lega di titanio, ma anche la sua struttura a bassa piega. I difetti cristallini (dislocazioni, subgrains) e la microstruttura deformata con un'aumentata densità di dislocazioni sono stati completamente o parzialmente fissati a temperatura ambiente dal raffreddamento ad acqua dopo la forgiatura, aumentando così il numero di nuclei cristallini per la ricristallizzazione durante il successivo trattamento termico. Durante il successivo trattamento termico, il meccanismo di precipitazione della fase β si è trasformato dal meccanismo di nucleazione indotta sotto raffreddamento ad aria alla modalità di nucleazione indipendente, e si sono ottenute strisce fini, caotiche e intrecciate di α primario e α secondario, che hanno potuto migliorare significativamente la resistenza. Analogamente, per il titanio monofase e la lega di titanio, il raffreddamento ad acqua inibisce la crescita dei grani monofase e la consistenza dei grani interni ed esterni è buona. 

3.2.4 Controllo della fase nelle leghe di titanio di tipo α e di tipo α + β

I prodotti di forgiatura libera della lega di titanio di tipo α e della lega di titanio di tipo α + β richiedono generalmente che le loro microstrutture siano equiaxate o miste e che il contenuto della fase α primaria sia richiesto. Ad esempio, il GJB493-88 stabilisce che il contenuto di α primario della barra per la pala del rotore non deve essere inferiore a 30%, il contenuto di α primario della barra per la pala dello statore non deve essere inferiore a 25% ed è richiesta la dimensione della striscia lunga α. La striscia lunga α della barra per la pala del rotore è inferiore a 0,06 mm e la striscia lunga α della barra per la pala dello statore è inferiore a 0,08 mm. Ad esempio, il documento "HB5432-89 Forgiati in lega di titanio per aeromobili TC4" stabilisce che il contenuto primario di α nella struttura ad alto ingrandimento dei forgiati liberi non deve essere inferiore a 15%, il contenuto primario di α nella struttura ad alto ingrandimento dei forgiati in stampo deve essere 15%-55% e la striscia lunga α non deve superare 0,2 mm. Ad esempio, il GJB1538 stabilisce che la striscia lunga α nel tessuto ad alto ingrandimento con diametro superiore a 150 non superi 0,25 mm. Prendendo come esempio la produzione di barre in lega di titanio TC4 bifase α + β, la chiave per ottenere una barra che soddisfi i requisiti della GJB493-88 è il controllo della temperatura di riscaldamento di forgiatura e della deformazione: più la temperatura di riscaldamento per la forgiatura del prodotto finito è vicina alla temperatura di transizione β, minore è il numero di α primari nella microstruttura della lega, peggiore è la plasticità e maggiore è la resistenza; maggiore è il tempo di forgiatura e maggiore è la deformazione della lega al di sotto della temperatura di transizione β, più fine, uniforme e vicina alla forma sferica degli α primari nella microstruttura della lega.
La maggior parte delle barre, degli anelli, delle torte e di altri prodotti in lega di titanio richiede un test a ultrasuoni. Le strutture α di Widmanstatten e basketweave sono a forma di lath grossolano e il confine del grano è più evidente. Nei test a ultrasuoni, l'attenuazione della lega e il livello di riflessione dell'onda di fondo superano facilmente i requisiti dell'onda di difetto nella norma, ed è più difficile rilevare i difetti metallurgici nella lega. Pertanto, la maggior parte delle norme tecniche non consente di fornire prodotti in lega di titanio in questi due stati strutturali. Per le strutture equiax e miste, la grande deformazione durante il processo di forgiatura fa sì che il confine del grano α sia completamente rotto e sferoidizzato, anche l'α primario nel cristallo è completamente sferoidizzato e il listello secondario α diventa molto corto. Il confine di grano della lega non esiste quasi più (il cristallo sfuocato si presenta nell'ispezione a basso ingrandimento). Di conseguenza, l'attenuazione è molto ridotta durante il processo di rilevamento dei difetti a ultrasuoni. È facile rilevare i piccoli difetti metallurgici richiesti dalla norma. La struttura equiax o mista è la più desiderabile nella produzione di materiali in titanio. 

3.3 Pressofusione (lega di titanio di tipo α e di tipo α + β) 

La cosiddetta forgiatura a stampo è il metodo di forgiatura del metallo grezzo nella scanalatura del modello di forgiatura. I vantaggi della forgiatura a stampo sono la possibilità di forgiare pezzi con forme complesse e un'elevata precisione dimensionale, l'elevato utilizzo del materiale, l'alta efficienza produttiva, le eccellenti proprietà meccaniche e la buona stabilità della qualità, che è adatta alla produzione di massa. Lo svantaggio è che la necessità di utilizzare cicli di produzione di stampi professionali è lunga e l'investimento in attrezzature e stampi è elevato.
Gli stampi vengono utilizzati soprattutto per la lavorazione di parti utilizzate nell'industria aeronautica, per cui lo stampaggio di leghe di titanio è ampiamente utilizzato nell'industria aeronautica. La forgiatura convenzionale α + β, la forgiatura quasi β, la forgiatura sub β e la forgiatura completa β della lega di titanio, spesso menzionate in vari tipi di letteratura, si riferiscono generalmente al processo di stampaggio finito della lega di titanio (tipo quasi α, tipo α + β). Le billette utilizzate per la forgiatura in stampo di prodotti finiti in lega di titanio sono generalmente billette qualificate con microstruttura equilatera o mista prodotte per forgiatura libera. 

3.3.1 Forgiatura convenzionale α + β

Il processo di forgiatura convenzionale α + β della lega di titanio HB/Z 199-91 è definito come forgiatura dopo il riscaldamento nella regione di fase α + β al di sotto della temperatura di transizione di fase β di 25-50 °C o inferiore. La forgiatura convenzionale ottiene generalmente una struttura equiabita o mista con buona plasticità a temperatura ambiente e stabilità termica, ma scarse prestazioni ad alta temperatura, tenacità alla frattura e resistenza alla propagazione delle cricche. Attualmente, i forgiati in lega di titanio di tipo α e in lega di titanio di tipo α + β sono prodotti principalmente con questo processo. Più di 80% di fucinati in lega di titanio nei motori aeronautici cinesi sono prodotti con questo processo di forgiatura convenzionale α + β.

3.3.2 Forgiatura vicino alla β

La definizione di processo di forgiatura quasi β di una lega di titanio contenuta nel marchio di navigazione HB/Z 199-91 è la forgiatura dopo un riscaldamento a 10-15 °C al di sotto del punto di transizione di fase β. I forgiati in lega di titanio prodotti con la forgiatura convenzionale α + β hanno un'elevata plasticità a temperatura ambiente e stabilità termica, ma scarse prestazioni ad alta temperatura, a fatica e tenacità alla frattura. Per questo motivo, negli anni '80, nello stabilimento Aerospace 148 sono stati studiati i processi di forgiatura convenzionale α + β, forgiatura quasi β e forgiatura β del disco del compressore del motore aeronautico in lega di titanio TC11. La microstruttura ottenuta dal test di forgiatura quasi β è di circa 20% equiaxed fase α primaria distribuita sulla matrice di breve, fine e disordinata struttura a cesto, che è una struttura mista. La plasticità e la stabilità termica di questa struttura non sono inferiori a quelle dei fucinati convenzionali, ma le prestazioni ad alta temperatura, la resistenza alla fatica e la tenacità alla frattura sono notevolmente migliorate rispetto ai fucinati convenzionali e presentano eccellenti proprietà meccaniche complete. Inoltre, la temperatura di riscaldamento di questo processo di forgiatura è superiore a quella della forgiatura tradizionale e la resistenza alla deformazione della lega è ridotta, il che migliora le prestazioni del processo termico. Allo stesso tempo, la temperatura di riscaldamento non supera il punto di transizione β, evitando così i difetti della forgiatura β. Sulla base di un test riuscito, 148 fabbriche hanno prodotto stampi per dischi di compressori WP13 per motori aeronautici TC11 utilizzando un processo di forgiatura quasi β e li hanno installati nella macchina per la valutazione dell'installazione. Successivamente, Zhou et al. hanno condotto una ricerca approfondita sul processo di forgiatura quasi β e hanno introdotto la tecnologia di trattamento di rafforzamento e tempra. La struttura ottenuta dal processo di forgiatura near-β è stata denominata struttura a tre stati (circa 10%-20% equiaxed α, 50%-60% basket-shaped α e un margine di trasformazione β matrix). Studiando il processo di forgiatura quasi β della lega di titanio TC11, si è scoperto che questa struttura può migliorare le prestazioni ad alta temperatura, la tenacità alla frattura e le prestazioni a fatica a basso ciclo del materiale senza ridurre la plasticità e la stabilità termica e può migliorare la temperatura di servizio del materiale di 20-50 °C.

3.3.3 Forgiatura sub-β

La definizione del processo di forgiatura sub-β per il titanio e la lega di titanio in HB/Z 199-91 è la seguente: la forgiatura viene effettuata dopo un riscaldamento a 10-40 °C al di sopra del punto di transizione di fase β e la deformazione viene completata interamente o principalmente nella regione bifase α + β al di sotto del punto di transizione di fase β. Grazie alla frantumazione preferenziale dell'α di confine, la striscia α nella regione di confine è equilatera e si ottiene la struttura a cesto. La caratteristica fondamentale della struttura a cestello è che il confine del grano α è rotto e l'α intragranulare è a cestello, ma questa struttura è difficile da ottenere. Questo processo di forgiatura produce generalmente fucinati con elevati requisiti di tenacità alla frattura. 
I dischi in lega di titanio TC17 per motori aeronautici sono stati prodotti con processo di stampaggio a caldo/isotermico sub-β presso la China Aviation Industry Forging Factory e la Baosteel Special Steel Branch (ex Shanghai No.5 Steel Plant) e sono entrati nelle applicazioni ingegneristiche. Poiché il concetto di progettazione degli aeromobili passa gradualmente dalla pura resistenza statica del passato alla sicurezza-vita, alla sicurezza contro i danni e persino al moderno concetto di progettazione con tolleranza ai danni, i materiali avanzati in lega di titanio si stanno gradualmente sviluppando verso leghe di titanio tolleranti ai danni con elevata tenacità alla frattura e basso tasso di crescita delle cricche. Lo sviluppo e l'applicazione di leghe di titanio tolleranti ai danni negli Stati Uniti sono all'avanguardia. Ad esempio, il titanio utilizzato nel caccia di quarta generazione F-22 negli Stati Uniti comprende principalmente la lega di titanio Ti-6Al-4VELI a media resistenza e la lega di titanio Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo-S ad alta resistenza. Secondo quanto riferito, i forgiati finiti di queste due leghe di titanio sono prodotti con la tecnologia di lavorazione a caldo β. A partire dall'"Undicesimo piano quinquennale", sulla base della situazione nazionale, la Cina ha sviluppato autonomamente la lega di titanio TC4-DT a media resistenza e la lega di titanio TC21 ad alta resistenza e la relativa tecnologia di lavorazione termica β, che sono state applicate alle parti strutturali dei cuscinetti chiave dei caccia avanzati.

3.3.4 Forgiatura completa β

La definizione di processo di forgiatura completa β per la lega di titanio HB/Z 199-91 è che la forgiatura viene effettuata dopo il riscaldamento a 50 °C o a una temperatura superiore al punto di transizione di fase β, e la deformazione viene completata interamente o principalmente nella zona di fase β. L'affinamento dei grani è ottenuto dalla ricristallizzazione dinamica della fase β e si ottiene una struttura lamellare. La microstruttura dei prodotti ottenuti con questo processo è per lo più una struttura widmanstatten, e la plasticità e la stabilità termica sono troppo scarse, per cui il metodo di processo non viene quasi utilizzato nella produzione di fucinati finiti. 

3.3.5 Elementi chiave della produzione di stampi per leghe di titanio

Analogamente al processo di forgiatura libera, i principali fattori di controllo nel processo di stampaggio della lega di titanio sono la temperatura di riscaldamento, la deformazione a fuoco, la temperatura finale di forgiatura e il metodo di raffreddamento dopo la forgiatura. Tra questi, il più critico è la temperatura di riscaldamento. "La norma HB 5355-94 sul controllo della qualità del processo di forgiatura stabilisce che i forni di riscaldamento per la forgiatura del titanio e delle leghe di titanio devono essere di tipo II-IV. Per la forgiatura quasi-β e la forgiatura sub-β, si dovrebbero scegliere forni di riscaldamento a resistenza II con una buona precisione di controllo della temperatura e una buona uniformità della temperatura. L'influenza della deformazione a fuoco, della temperatura finale di forgiatura e della modalità di raffreddamento dopo la forgiatura sulla microstruttura e sulle proprietà dei fucinati è coerente con quella della forgiatura libera di cui sopra, che può essere regolata in modo flessibile in base al processo specifico.

4. Trattamento termico del titanio e delle leghe di titanio

4.1 Trattamento termico del titanio di tipo α e delle leghe di titanio

Questo tipo di titanio e di leghe di titanio viene generalmente trattato con una ricottura ordinaria. Quando è necessario mantenere l'effetto di rafforzamento della deformazione a freddo, si ricorre alla ricottura di distensione. La ricottura di ricristallizzazione può essere utilizzata quando è necessario ripristinare la plasticità. 

4.2 Trattamento termico di leghe di titanio quasi α e α + β 

Il trattamento termico di questo tipo di lega di titanio comprende principalmente la ricottura ordinaria, la doppia ricottura, la tempra + l'invecchiamento e così via. 
La doppia ricottura mira a migliorare la tenacità alla frattura della lega, a stabilizzare la struttura e a ottenere una buona corrispondenza tra resistenza e plasticità. È generalmente indicata per le leghe di titanio che lavorano ad alte temperature. Lo scopo della ricottura secondaria è quello di decomporre completamente la fase β metastabile ottenuta con la ricottura primaria, produrre un certo grado di effetto di rafforzamento per invecchiamento e ottenere una struttura con resistenza simile a quella della ricottura ordinaria, elevata tenacità alla frattura e struttura stabile ad alta temperatura.
Le caratteristiche principali della tempra + invecchiamento sono le seguenti: Durante la tempra si verifica la trasformazione martensitica, ovvero la trasformazione isomerica. La plasticità e la tenacità della lega aumentano leggermente, mentre la resistenza e la durezza diminuiscono leggermente. Nel successivo processo di invecchiamento, a causa della decomposizione della fase metastabile e della produzione della fase intermedia, la durezza e la resistenza della lega aumentano, mentre la plasticità e la tenacità diminuiscono. Supponiamo che il contenuto di elemento stabile β nella lega di titanio non sia elevato. In questo caso, il quenching prevede che la fase β si trasformi da reticolo cubico a corpo centrato a reticolo esagonale per effetto del taglio, e questa soluzione solida supersatura con reticolo esagonale è chiamata martensite esagonale α'. Se il contenuto dell'elemento stabile β nella lega di titanio è elevato, la resistenza al taglio del reticolo è grande. Durante la tempra, la fase metastabile formata dalla fase β dal reticolo cubico a corpo centrato alla martensite ortorombica α' si decompone durante l'invecchiamento, e α' → α + β, α' → α + β otterrà fasi α e β disperse, con conseguente effetto di rafforzamento della dispersione. Questo è il principio di base del rafforzamento mediante trattamento termico (tempra e invecchiamento) per la maggior parte delle leghe di titanio bifasiche. 

4.3 Trattamento termico della lega di titanio β 

La lega di titanio di tipo β è generalmente utilizzata nello stato di soluzione solida + trattamento termico di invecchiamento. Questa lega viene prima disciolta in prossimità del punto di transizione di fase e poi sottoposta a un invecchiamento artificiale a lungo termine a una temperatura inferiore. Dopo il trattamento di invecchiamento, una grande quantità di fase α si disperde nei confini dei grani β e all'interno dei grani della microstruttura della lega, svolgendo un ruolo di rafforzamento della dispersione e migliorando la resistenza della lega e riducendone la plasticità. 
Autore: Zhang Lijun