Scherillo, Fabio (2015) Dissoluzione Elettrochimica del Can per la Produzione di Manufatti 'Near Net Shape' in Ti6Al4V ottenuti mediante Hot Isostatic Pressing. [Tesi di dottorato]

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Abstract

Il seguente lavoro di tesi si inserisce all'interno del progetto di ricerca "TitaForm", inserito nella costellazione "Titanium", che rappresenta un'iniziativa industriale italiana per le tecnologie del titanio ad uso aeronautico. L'utilizzo sempre crescente della percentuale di composito a matrice polimerica richiede, parimenti, una percentuale di titanio sempre crescente nelle strutture aeronautiche primarie, non solo dei motori ed asservimenti. L'industria aeronautica moderna deve rispondere a due pressanti richieste: abbattere i consumi di esercizio (quindi l'inquinamento correlato, in ottemperanza alle linee guida di normativa internazionale), ed i costi di produzione legati alle tecnologie e materiali. Gli orientamenti delle nuove costruzioni aeronautiche hanno individuato la risposta ad entrambe queste esigenze nell'incremento della quota di materiale composito a matrice polimerica che però necessita dell'accoppiamento a strutture di lega di titanio, che ha come risultato finale un complessivo incremento della quota di utilizzo del titanio fino ad oltre il 18% del peso totale. Le tecnologie di fabbricazione di componenti in lega di titanio oggi in uso comportano una forte perdita di materiale (che è molto costoso: più di 10 volte rispetto le leghe di alluminio), nelle lavorazioni di macchina. In particolare se consideriamo per un componente di titanio generico, la quota parte di materiale acquistato (Buy) rispetto a quello che in realtà è utilizzato e quindi posto in volo (Fly), tale rapporto Buy/Fly oggi per i componenti di titanio vale almeno 20. L'innovazione è cominciata a partire dagli anni Ottanta con la realizzazione di strutture secondarie (parti mobili) in fibra di carbonio, fino ad arrivare oggigiorno alla produzione di strutture primarie (impennaggi) ed intere parti di fusoliera. L'importanza di questa profonda evoluzione nei processi produttivi offre grandi vantaggi in termini di costi di esercizio e di impatto ambientale, grazie a un risparmio di carburante dell'ordine del 20%, sia per l'acquisizione di competenze industriali e ingegneristiche. Tuttavia, la carboresina non può sostituire completamente le leghe metalliche per la realizzazione di tutti gli elementi che compongono un velivolo. L'utilizzo delle leghe metalliche, infatti, è indispensabile per quelle parti strutturali soggette a forti carichi concentrati o che richiedono spessori minimi. Inoltre, l'introduzione del materiale composito ha implicato problematiche inerenti ai fenomeni di corrosione da accoppiamento galvanico che si generano all'interfaccia tra componenti in composito e componenti in leghe metalliche convenzionali. Gli studi effettuati verso la ricerca di leghe metalliche compatibili con i materiali compositi, hanno dimostrato che le leghe di titanio presentano elevata resistenza alla corrosione e valori del coefficiente di dilatazione termica prossimi a quelli dei materiali compositi. Tali caratteristiche, unitamente alle eccellenti proprietà fisiche e meccaniche, le rendono idonee all'applicazione in strutture aeronautiche, permettendo la sostituzione delle tradizionali leghe di alluminio. L'uso del titanio in quantità sempre più ampie comporta un eccessivo costo di fabbricazione dovuto: (i) al costo della materia prima, (ii) agli elevati volumi di sfridi e (iii) alle complesse e costose lavorazioni di finitura. L'industria del titanio è orientata quindi allo studio di tecnologie ad elevato rapporto Buy/Fly, numerose sono le vie che si possono percorrere per raggiungere l'obiettivo, tra queste le più importanti sono le tecnologie basate sulla deformazione a caldo e sulla tecnologia delle polveri. Nell'ambito di quest'ultima classe la compattazione ad alta pressione, conosciuta come Hot Isostatic Pressing (HIP), presenta caratteristiche molto promettenti. Infatti consente, rispetto alla sinterizzazione tradizionale, di ottenere compattati privi di anisotropia e con porosità residue molto basse. Per ottenere un compattato mediante HIP si procede al riempimento, mediante opportune tecniche, di un contenitore (Can) che poi viene posto in forno ad elevata pressione. Dato che, in linea teorica, al Can è possibile dare qualunque forma l'HIP è da considerarsi una tecnologia Near Net Shape. Nel caso delle leghe di titanio, il contenitore è generalmente di acciaio inox e le temperature e le pressioni di compattazione sono dell'ordine degli 800-1100 °C e 1000-1300 bar. In queste condizioni operative tra il compattato ed il Can si crea un forte legame basato su processi diffusivi in fase solida con formazione di intermetallici. Per la rimozione del Can esistono diverse tecniche, da quelle tradizionali basate sull'asportazione di truciolo a tecnologie non convenzionali come la rimozione agli ultrasuoni o la rimozione elettrochimica. Nel presente lavoro di tesi è stata studiata la rimozione elettrochimica utilizzando due diverse soluzioni, una contenente solo cloruri e l'altra costituita da cloruri con l'aggiunta di un agente complessante in grado di formare con gli ioni metallici composti particolarmente solubili. I risultati ottenuti hanno mostrato la validità della dissoluzione elettrochimica come strumento della rimozione del Can, in particolare l'aggiunta dei complessanti consente di spingere la rimozione fino al bulk del compattato rendendo la somma dei processi di Hot Isostatic Pressing-Rimozione elettrochimica una vera tecnologia "near Net Shape"

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