Resistenza alla corrosione e all'usura della lega di titanio

1 Tecnologia di modifica superficiale delle leghe di titanio
La lega di titanio ha una bassa densità, un’elevata resistenza specifica, una buona resistenza alla corrosione e una forte resistenza alla fatica. È ampiamente utilizzata nei settori aerospaziale, degli involucri, automobilistico, medico e in altri campi. Tuttavia, la lega di titanio presenta un elevato coefficiente di attrito, è molto sensibile all’usura adesiva e al micro-usura, ha una scarsa resistenza all’usura, può incendiarsi facilmente in condizioni di attrito ad alta temperatura e alta velocità e presenta una resistenza relativamente scarsa all’ossidazione ad alta temperatura, compromettendo seriamente la sicurezza e l’affidabilità della struttura e limitandone notevolmente l’applicazione.

Pertanto, migliorare ulteriormente proprietà superficiali della lega di titanio, quali la resistenza all’usura, la resistenza all’ossidazione ad alta temperatura e la resistenza alla corrosione, è diventato un problema urgente da risolvere. Oltre a migliorare la composizione e il processo di preparazione della lega, la modifica superficiale della lega di titanio è attualmente il metodo più efficace.

Nelle tecnologie tradizionali di modifica superficiale, l’impianto ionico è limitato dall’energia degli ioni impiantati e lo strato di rinforzo è molto sottile; la cementazione ionica, la borurazione e la nitrurazione presentano gli svantaggi di un ciclo di lavorazione lungo e di una facile deformazione dei pezzi ad alta temperatura; lo strato modificato mediante spruzzatura termica ha una struttura porosa e una resistenza di adesione relativamente bassa con il substrato, inoltre non è facile formare un legame metallurgico con elevata resistenza di adesione. La tecnologia di modifica superficiale laser è il risultato della combinazione tra la tecnologia laser e il trattamento termico dei metalli. Consiste nell’applicare un’energia estremamente elevata alla superficie del materiale per provocare cambiamenti fisici e chimici, modificando così in modo significativo la durezza superficiale, la resistenza all’usura, la resistenza alla corrosione e le prestazioni ad alta temperatura del materiale. Grazie alla velocità di riscaldamento estremamente elevata prodotta dall’alta densità di energia, alla precisa potenza di uscita controllabile e alla selettività della superficie locale da modificare, la tecnologia di modifica superficiale laser ha attirato grande attenzione.

2 Strato di rivestimento in materiale composito tic/ti
Il rivestimento laser, noto anche come rivestimento laser o fusione laser, è un nuovo tipo di tecnologia di lavorazione dei materiali e di modifica superficiale. Consiste essenzialmente nello spruzzare sulla superficie metallica una polvere con proprietà specifiche, come resistenza all’usura, alla corrosione e all’ossidazione, oppure nell’alimentare simultaneamente la polvere insieme al fascio laser, per poi farla fondere, espandere e solidificare rapidamente sotto l’azione del fascio laser, formando sulla superficie del substrato uno strato di legame metallurgico privo di cricche e pori. Si tratta di una tecnologia di modifica superficiale. La tecnologia di rivestimento laser presenta i seguenti vantaggi: 1) il fascio laser ha un’elevata densità di energia, un’elevata velocità di raffreddamento durante la solidificazione e una struttura di solidificazione fine nello strato di rivestimento laser; 2) è possibile eseguire rivestimenti diversi su parti diverse dello stesso componente in base alle necessità: 3) il substrato e lo strato di rivestimento sono uniti da un legame metallurgico e la struttura dello strato di rivestimento presenta evidenti caratteristiche di gradiente, garantendo una buona adesione tra lo strato di rivestimento e il substrato.

Il rivestimento laser è la tecnologia di modifica superficiale laser delle leghe di titanio più utilizzata. In base ai diversi componenti e alle proprietà ottenute dallo strato di rivestimento laser, esso si suddivide principalmente in strati di rivestimento resistenti all’usura, resistenti all’ossidazione ad alta temperatura, biologici e con barriera termica. La resistenza all’usura della lega di titanio è relativamente scarsa, pertanto la ricerca sul rivestimento laser della superficie delle leghe di titanio si concentra principalmente sul miglioramento della resistenza all’usura. I materiali utilizzati per lo strato modificato resistente all’usura mediante rivestimento laser sulla superficie della lega di titanio sono principalmente B, C, Ni, Si, B4C, Cr2C3, TiC, BN, Si C, Ti B, TiB2, A1203 e altri.

I materiali ceramici presentano un’eccellente resistenza all’usura, alla corrosione, al calore e all’ossidazione ad alta temperatura, ma la loro fragilità, la scarsa resistenza alla fatica, la sensibilità alle sollecitazioni e alle cricche e la difficoltà di lavorazione ne limitano l’applicazione. La ricerca sulla tecnologia dei rivestimenti ceramici mediante rivestimento laser sulla superficie delle leghe di titanio ha ampliato l’ambito di applicazione dei materiali ceramici, combinando organicamente le eccellenti prestazioni dei materiali ceramici con la tenacità e la buona lavorabilità dei materiali in lega di titanio, sfruttando appieno i vantaggi complessivi dei due tipi di materiali e soddisfacendo i requisiti delle prestazioni strutturali, come resistenza e tenacità, e delle prestazioni ambientali, come resistenza all’usura, alla corrosione e alle alte temperature, ottenendo una struttura di materiale composito molto efficiente.

3 Legatura laser della superficie della lega di titanio
La legatura laser consiste nel fondere rapidamente uno o più elementi di lega con la superficie del substrato sotto l’azione di un fascio laser ad alta energia, ossia nell’utilizzare il laser per modificare la composizione chimica della superficie del metallo e della lega. Questo metodo presenta i seguenti vantaggi:

1) dopo il trattamento superficiale locale dei componenti metallici è possibile ottenere le prestazioni delle leghe avanzate;

2) la profondità e la larghezza dello strato modificato sono controllate con precisione;

3) grazie all’elevato gradiente di temperatura dello strato riscaldato dal laser, lo strato di legame è sottile, la qualità del legame è buona e l’effetto negativo sulle prestazioni del metallo di base è minimo. La differenza tra legatura laser e rivestimento laser consiste nel fatto che la legatura laser prevede la completa miscelazione, allo stato liquido, degli elementi di lega aggiunti con lo strato superficiale del substrato per formare uno strato legato; il rivestimento laser, invece, prevede la fusione completa dello strato di pre-rivestimento e la fusione parziale dello strato superficiale del substrato, in modo che lo strato di rivestimento e il materiale del substrato formino un legame metallurgico, mantenendo sostanzialmente invariata la composizione dello strato di rivestimento.

4 Preparazione di una piastra di titanio fusa al laser

La fusione laser consiste nell’utilizzare un fascio laser ad alta densità di energia per scansionare la superficie del pezzo, fondere uno strato sottile della superficie e solidificarlo a una velocità di raffreddamento estremamente elevata. La fusione laser consente di ottenere sulla superficie del materiale metallico uno strato modificato con elevata durezza, alta resistenza e buone prestazioni ad alta temperatura, mantenendo al contempo una buona tenacità del nucleo del componente, così da conferire al componente una buona resistenza alla corrosione, elevata tenacità all’urto e alta resistenza alla fatica. La fusione laser è un processo metallurgico fisico non equilibrato di solidificazione rapida e localizzata. Questo metodo presenta un’elevata densità di potenza, una ridotta deformazione del pezzo e un processo semplice. In particolare, il gradiente di temperatura dell’interfaccia di solidificazione nella fusione laser può raggiungere 103K/mm e la velocità di solidificazione può arrivare a diversi metri al secondo, consentendo di ottenere una microstruttura e una struttura ultrafini. Pertanto, negli ultimi anni, la tecnologia di fusione laser è stata ampiamente utilizzata nelle tecnologie di modifica superficiale dei metalli ed è stata applicata anche alle superfici delle leghe di titanio.

5 Risoluzione del problema delle cricche superficiali laser
Sebbene la tecnologia di modifica superficiale laser delle leghe di titanio sia stata ampiamente utilizzata in questa fase, restano ancora molti problemi da risolvere per quanto riguarda il processo. Il primo è il problema delle cricche superficiali laser. Inoltre, la ripetibilità dei risultati della lavorazione laser, in particolare la scarsa ripetibilità dei risultati della legatura laser e del rivestimento laser utilizzando polveri ceramiche, costituisce anch’essa un problema importante.

5.1 Parametri di processo del fascio laser nella modifica superficiale laser I principali parametri del processo di modifica superficiale laser includono la potenza del laser, la dimensione dello spot, la velocità di scansione, il grado di sovrapposizione e la distribuzione dell’energia del fascio laser, che influenzano la qualità dello strato modificato. La distribuzione dell’energia del fascio laser è descritta dal modello del fascio laser, che comprende principalmente quattro modelli: modello gaussiano, modello multimodale, modello rettangolare e modello a sommità concava. Il fascio gaussiano è particolarmente adatto alle applicazioni di taglio e saldatura, ma non alla modifica superficiale laser. Tende a causare gassificazione e fusione in profondità nella matrice. Quando vengono modificati più laser, nella zona di sovrapposizione dello strato modificato si generano facilmente difetti gravi, come collassi e pori. Per ottenere uno strato modificato uniforme e ad alte prestazioni, questi parametri devono essere ottimizzati complessivamente per raggiungere la combinazione migliore.

5.2 Nano-densità e meccanismo di formazione delle cricche durante la modifica
La modifica superficiale laser della lega di titanio è un processo metallurgico di fusione e solidificazione rapide. Durante la lavorazione laser si verificano fenomeni fisici e chimici complessi, quali trasferimento di calore, trasferimento di massa, convezione, diffusione e cambiamento di fase. Le cricche si verificano molto facilmente sulla superficie dello strato modificato e nella zona di transizione tra lo strato modificato e la matrice. Difetti interni come le cricche influenzano seriamente la qualità dello strato modificato. Pertanto, il meccanismo di formazione delle cricche durante la modifica laser è diventato un tema di grande interesse per i ricercatori di diversi Paesi. Molti studiosi hanno proposto metodi di controllo delle cricche durante la modifica laser, tra cui principalmente l’ottimizzazione dei parametri del processo di modifica laser, la regolazione dei materiali dello strato modificato, la modifica degli strati modificati al laser con additivi, il preriscaldamento e il raffreddamento lento dei substrati in lega di titanio durante la modifica laser e l’introduzione di vibrazioni ultrasoniche durante la modifica laser. Gli studi hanno dimostrato che l’introduzione di vibrazioni ultrasoniche durante il rivestimento laser può migliorare la fluidità del bagno fuso liquido, consentendo alle bolle di fuoriuscire rapidamente e rendendo più uniforme la distribuzione della struttura; l’applicazione di vibrazioni ultrasoniche durante il processo di solidificazione può rompere i dendriti in crescita e disperderli nelle varie parti della massa fusa, formando piccoli nuclei distribuiti uniformemente. Le vibrazioni ultrasoniche possono inoltre facilitare il rifornimento di liquido nei pori tra i dendriti, contribuendo a ridurre le cavità da ritiro ed eliminando parzialmente la fonte delle tensioni di trazione, riducendo così le cricche nello strato rifuso. Gli effetti di cavitazione e agitazione delle onde ultrasoniche nel bagno fuso possono uniformare la temperatura del bagno, migliorare lo stato di solidificazione del bagno e ridurre le tensioni termiche residue e la sensibilità alla formazione di cricche.

5.3 Rivestimento composito a gradiente
Mentre la tecnologia di modifica superficiale laser singola è in fase di sviluppo, la tecnologia composita di modifica superficiale laser, che integra due o più tecnologie di modifica superficiale, si è sviluppata rapidamente. La tecnologia composita di modifica superficiale laser non solo può migliorare le proprietà superficiali delle leghe di titanio, ma anche migliorare la morfologia superficiale dello strato modificato e ridurre la formazione di cricche. Golbeeiwski M et al. hanno preparato un rivestimento composito a gradiente contenente TiN e Ti2N su un substrato in lega di titanio mediante nitrurazione al plasma a scarica luminescente e rifusione laser, migliorando notevolmente le proprietà superficiali della lega di titanio. Yilbas B.S. et al. hanno depositato TiN su una lega di titanio nitrurata al laser utilizzando la tecnologia PVD e hanno riscontrato che la resistenza di adesione e la resistenza al taglio dello strato di film TiN formato con il substrato di titanio erano significativamente migliorate rispetto allo strato di film preparato utilizzando esclusivamente la tecnologia PVD.

5.4 Caratteristiche strutturali dei rivestimenti ceramici nanocompositi spruzzati al plasma
Grazie alla struttura speciale dei nanomateriali, essi possiedono proprietà eccellenti difficili da ottenere nei materiali comuni, creando condizioni favorevoli per migliorare le prestazioni degli strati di modifica superficiale laser delle leghe di titanio. Combinando le nanopolveri con la tecnologia di modifica superficiale laser per preparare sulla superficie delle leghe di titanio uno strato di modifica composito superficiale contenente nanostrutture, è possibile cambiare le proprietà meccaniche, fisiche e chimiche della superficie della lega di titanio, conferire nuove funzioni alla superficie della lega di titanio e raggiungere l’obiettivo di combinare la modifica superficiale del materiale con la funzionalizzazione.

La modifica superficiale laser è una tecnologia ideale per il trattamento superficiale delle leghe di titanio, che ha attirato grande attenzione in tutti i Paesi. In particolare, l’ampio utilizzo delle leghe di titanio nei settori militare, aerospaziale, automobilistico, medico e in altri campi ha accresciuto l’interesse per le attività di ricerca e sviluppo in questo settore. Rispetto alla ricerca estera sulla tecnologia di modifica superficiale laser delle leghe di titanio, la ricerca teorica e sperimentale pertinente in Cina è iniziata tardi e le applicazioni pratiche sono ancora limitate. Esiste un notevole divario in termini di apparecchiature, processi, materiali e ricerca di base. Per ampliare ulteriormente lo sviluppo delle applicazioni delle leghe di titanio, è urgente condurre ricerche sulla tecnologia di modifica superficiale laser delle leghe di titanio.