Preparazione del composito Ti6Al4V+SiC fibre e sua evoluzione strutturale dopo trattamenti termici

Un composito con matrice metallica in lega Ti6Al4V rinforzato con fibre di SiC unidirezionali è stato prodotto mediante compattazione isostatica a caldo (HIP). Misure di diffrazione dei raggi X eseguite a temperature crescenti fino a 600°C in atmosfera di argon ed a temperatura ambiente dopo il ciclo termico hanno permesso di monitorare l’evoluzione delle tensioni residue. Stress bi-assiali di tensione nel piano parallelo a quello contenente le fibre si sviluppano progressivamente man mano che la temperatura cresce e in parte rimangono dopo il raffreddamento. Un dato importante che emerge dai risultati ottenuti è che il reticolo della lega Ti6Al4V subisce delle deformazioni permanenti quando il materiale è sottoposto a trattamenti termici in atmosfera di argon. L’espansione del reticolo è tanto maggiore quanto più alta è la temperatura di trattamento. I valori dei coefficienti di espansione sono di circa un ordine di grandezza maggiori rispetto a quelli, trovati in letteratura, ottenuti operando in condizioni di vuoto. Questa differenza è chiaramente da attribuire alla diversa atmosfera, più ricca di ossigeno ed azoto nel nostro caso. La solubilità di azoto ed ossigeno nella lega cresce al crescere della temperatura pertanto la concentrazione di questi gas nel reticolo aumenta durante i trattamenti termici ed una certa quantità residua rimane anche dopo il raffreddamento a temperatura ambiente. Questo fenomeno avviene anche nella matrice del composito, tuttavia il reticolo subisce una minore espansione durante il riscaldamento. Dopo raffreddamento a temperatura ambiente il reticolo si trova in uno stato di compressione rispetto alle condizioni iniziali e sperimentalmente si è visto uno spostamento dei picchi di diffrazione dei RX verso angoli maggiori quindi distanze interplanari minori. Al contrario di quanto riscontrato nella lega (dilatazione residua) in questo caso si riscontra uno stato di compressione residua. Anche nei campioni di composito trattati per 1 h a 100, 200, 300, 400, 500 e 600°C si riscontra uno stato di compressione. Nella lega l’espansione del reticolo a seguito dell’aumento di temperatura presenta due componenti: una è dovuta alla dilatazione termica, l’altra è dovuta all’assorbimento di azoto ed ossigeno. La prima componente si annulla una volta che il metallo viene raffreddato a temperatura ambiente, la seconda si annullerebbe se i gas assorbiti ad alta temperatura fossero rilasciati completamente. Tuttavia, una parte degli atomi di azoto e ossigeno rimangono intrappolati nel reticolo e questo comporta un effetto di espansione residua. Nel caso del composito l’espansione del metallo trova un vincolo costituito dalle fibre, collegate alla matrice da un’interfaccia che, come mostrato dalle osservazioni AFM, sostanzialmente non viene compromessa dal riscaldamento. Le fibre di SiC hanno un coefficiente di espansione termica decisamente inferiore a quello della matrice metallica; questo fatto comporta l’insorgere di tensioni crescenti all’aumentare della temperatura. Il fatto che nei diversi piani cristallini {hkl} si osservino deformazioni di diversa entità dipende da come sono orientati i grani rispetto alle fibre, cioè dalla tessitura. I risultati di questo lavoro preliminare portano a concludere che per rendere minimi gli stati tensionali, che insorgono inevitabilmente nel composito quando viene riscaldato in un’atmosfera contenente azoto ed ossigeno, è decisivo controllare la tessitura, in particolare quella dei due lamierini esterni .