In questo articolo vi parlerò del processo di diffusion bonding facendo particolare riferimento al titanio, in quanto è oggi un materiale che trova largo impiego in molti settori, dall'industria aerospaziale al settore medico, grazie alle sue indiscusse proprietà intrinseche. In particolare, il titanio viene utilizzato sempre più frequentemente nel diffusion bonding (o saldatura per diffusione), grazie alla capacità di sciogliere il proprio ossido alla temperatura di diffusione. Ma vediamo, nel dettaglio, come funziona la saldatura per diffusione in generale, perché viene considerata il metodo di giunzione migliore da utilizzare con il titanio (Ti) e leghe di titanio, e quale ciclo termico viene richiesto in un forno a vuoto di diffusion bonding per il titanio. Per concludere, vi fornirò anche qualche esempio di applicazioni di diffusion bonding.

Come funziona il processo di diffusion bonding

La saldatura per diffusione è un processo di trasformazione allo stato solido che consente di unire materiali simili e dissimili. Tale tecnica si basa sulla diffusione atomica degli elementi che devono essere uniti. Il diffusion bonding è un processo molto interessante, in particolar modo perché consente di legare tra loro materiali dissimili. Il processo viene utilizzato soprattutto nell'industria aerospaziale per unire materiali e forme che altrimenti non potrebbero essere fatte (per esempio, le costruzioni a nido d'ape).

Unire materiali dissimili con diverse caratteristiche termo-fisiche, che non sarebbe possibile con altri procedimenti, può essere effettuato attraverso il diffusion bonding. Metalli, leghe, ceramiche e prodotti di metallurgia delle polveri possono essere uniti attraverso questo processo con minima deformazione macroscopica. Componenti di alta precisione con forme complesse o sezioni trasversali possono essere così realizzati senza successive lavorazioni, ottenendo buone tolleranze dimensionali. Grazie alla tecnica di diffusion bonding le eterogeneità chimiche possono essere minimizzate. Inoltre, 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.

Perché utilizzare il diffusion bonding con il titanio

Il Titanio (Ti) è un materiale eccellente ed è ampiamente utilizzato in varie applicazioni industriali in virtù della sua elevata resistenza, buona resistenza all'erosione e resistenza ad alte temperature. È il 30% più resistente dell’acciaio, pur essendo rispetto a questo il 40% più leggero ed ancora il 60% più pesante dell’alluminio ma due volte più resistente. Il titanio è un materiale che viene usato in lega con Alluminio, Manganese, Ferro, Molibdeno ed altri metalli al fine di accrescerne le già notevoli caratteristiche meccaniche di resistenza, specie alle alte temperature ed 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 aereo e per cabine di velivoli spaziali, dove è insostituibile. In virtù delle sue eccezionali caratteristiche trova molti impieghi in campo marino per eliche di imbarcazioni e navi o altre parti soggette a corrosione come per gli apparati sottomarini. In campo militare con questo materiale si producono razzi, missili ed altro. Nel settore medico il titanio è usato per realizzare protesi di ginocchio e anca, pace-maker, piastre e viti per le ossa e piastre craniche per le fratture del cranio. Inoltre, sta crescendo la richiesta di titanio per l’industria petrolchimica e per le piattaforme petrolifere in mare ed anche per l’industria motociclistica.

Con l'aumento dell'uso del titanio e delle sue leghe, il processo di giunzione di Ti e Ti leghe è di grande interesse. Purtroppo, la saldatura di questo materiale è difficile in quanto è altamente reattivo chimicamente ad alte temperature e tende ad ossidarsi a bassissime pressioni parziali di ossigeno. Durante il processo di saldatura, le leghe di Ti assorbono ossigeno e azoto dall'atmosfera molto facilmente. Di conseguenza, la saldatura per diffusione sottovuoto è il metodo di giunzione migliore per il titanio e le leghe in titanio.

Diamo ora un'occhiata alla saldatura per diffusione nei forni a vuoto con particolare attenzione al il ciclo termico necessario per il diffusion bonding del titanio. Infine, vi fornirò qualche esempio di applicazioni di diffusion bonding.

Come funziona la saldatura per diffusione nel forno a vuoto

Relativamente al ciclo termico richiesto per il diffusion bonding del titanio, il forno da vuoto deve operare in alta temperatura ed 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 svolge, inoltre, un compito importante a riguardo della pulizia dei pezzi, requisito molto importante per il successo del trattamento stesso, in quanto permette di eliminare ancora a bassa temperatura vapori di oli o solventi e tracce di umidità - eventualmente darebbe un segnale sull'opportunità di interrompere il ciclo a causa di evaporazione di inquinanti e questo prima di rovinare la carica. Il vuoto è mantenuto fino alla temperatura di diffusione e solo al raggiungimento di questa la pressione del gas raggiunge il set di processo. Data la dimensione in genere grande di questi impianti, anche il quantitativo di argon è elevato, e questa modalità di introduzione consente di ridurne il fabbisogno sfruttando il contributo della temperatura nell’aumentarne la pressione.

Alta temperatura e alta pressione sono condizioni che poco si sposano con le caratteristiche dei forni a vuoto tradizionali per trattamenti termici, che hanno una camera da vuoto raffreddata ad acqua e 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 e questo effetto è tanto più evidente quanto maggiore è la permeabilità al gas del materiale stesso.

Nei forni da vuoto ad altissima temperatura (2000 °C) ed altissima 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 notevole 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 di un cedimento del vessel per esplosione!

Nei forni di diffusion bonding del titanio, le temperature in gioco raggiungono una temperatura attorno ai 1000 °C e le pressioni sono dell’ordine di decine di bar, 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 ad 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, in cui l’uniformità dell’irraggiamento viene ottenuta con la massima simmetria di tutte le condizioni, e richiede una maggiore esperienza da parte del costruttore.

Dove la saldatura per diffusione si applica meglio

Oggi è possibile con questa tecnologia realizzare palettaggi di turbina saldando i due elementi laterali della pala con interposta all’interno 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 ad insufflare dilatando per pressione i lati e sollevando i lembi sagomati del metallo interposto. Questa soluzione è 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 fa acquisire al motore un rendimento più elevato.

Altra applicazione riguarda la produzione di scambiatori di calore in titanio per usi in ambiente marino e contatti con acqua di mare. La tecnica è la stessa del caso precedente e il forno 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 elemento importante per il tipo di ambiente cui è destinato.

Da ultimo, viene confermato l’utilizzo della saldatura per diffusione in forno a vuoto per elementi strutturali di aeromobili. Questa applicazione risolve il problema legato ad una saldatura a TIG convenzionale. Con la saldatura a TIG la giunzione non dà le stesse garanzie della saldatura per diffusione. Il cordone di saldatura a TIG presenta fenomeni di discontinuità e presenza di porosità ed è perciò difficile ottenere una buona finitura.

E voi, che cosa ne pensate della saldatura per diffusione? Volete condividere con noi anche altre possibili applicazioni del diffusion bonding?