Il settore aerospaziale ha l’obiettivo di raggiungere la neutralità carbonica nelle emissioni di gas serra entro il 2050, come riferisce il quotidiano LA Times.
Regolamenti sulle emissioni più severi richiedono temperature di servizio più elevate dai nuovi tipi di motore e nuovi materiali come le superleghe resistenti al calore (HRSA, Heat-Resistant Super Alloy) per i componenti con maggiori temperature. Tuttavia, l’efficiente lavorazione di componenti in HRSA è un processo molto difficile per i costruttori.
In questo articolo, Sébastien Jaeger, Industry Solution Manager Aerospace per Sandvik Coromant, spiega perché un’efficiente lavorazione dei componenti in HRSA per motori aerospaziali richiede una strategia bilanciata sul piano complessivo, ovvero che comprenda macchine, utensili, geometrie e gli stessi materiali degli utensili.
Le leghe HRSA
Le HRSA stanno dominando nel settore dei componenti per turbine e compressori di motori a reazione. Le principali qualità utilizzate per queste applicazioni sono quelle a base di nichel come Inconel, Waspaloy e Udimet.
Nonostante ciò, le proprietà delle HRSA variano molto a seconda della composizione e del processo di produzione. Il trattamento termico ha un’importanza particolare: un componente temprato per precipitazione, ovvero “invecchiato”, può avere una durezza doppia rispetto a un pezzo ricotto o non trattato.
Regolamenti più severi sulle emissioni richiedono temperature di servizio più elevate dai nuovi tipi di motore e nuovi materiali per i componenti più con maggiori temperature. In risposta a queste sfide, la quantità complessiva di HRSA presenti in un motore a reazione è aumentata rispetto a quella di altri materiali.
Tuttavia, i vantaggi rappresentati dalle HRSA implicano anche nuove sfide nella produzione. Innanzitutto, la resistenza alle alte temperature comporta forze di taglio elevate.
In secondo luogo, una bassa conducibilità termica e l’eccellente temprabilità portano anche a elevate temperature di taglio. Infine, la tendenza all’incrudimento dà origine all’usura a intaglio.
I componenti
Dischi turbina, casse, blisk e alberi costituiscono pezzi difficili da lavorare: molti di essi presentano pareti sottili e tutti hanno forme complesse. Questi componenti motore, fondamentali per la sicurezza, devono rispettare criteri severi per qualità e precisione dimensionale.
Le precondizioni per il successo includono una macchina potente, utensili rigidi, inserti ad alte prestazioni e una programmazione ottimale.
I principali metodi di lavorazione possono variare. Generalmente i componenti per disco, anelli e alberi sono realizzati al tornio mentre per casse e blisk si ricorre spesso alla fresatura.
Ulteriori informazioni su tali metodi sono disponibili nelle risorse online di Sandvik Coromant dedicati alle conoscenze applicative nel settore dei motori aerospaziali, aeroknowledge.com.
Tre fasi di lavorazione
La lavorazione delle HRSA è generalmente suddivisa in tre fasi. Durante la prima fase di lavorazione (FSM, First Stage Machining), un semilavorato fuso o forgiato riceve la forma di base. Il pezzo da lavorare è di norma in condizione ricotta (con una tipica durezza Rockwell di circa 25 HRC), ma spesso ha una crosta ruvida e irregolare. La priorità è una buona produttività e un’efficiente asportazione del sovrametallo.
Tra la prima fase e la fase intermedia di lavorazione (ISM), il pezzo viene trattato termicamente fino a raggiungere una condizione di ricottura maggiore: generalmente pari a circa 36-46 HRC. A questo punto, il componente riceve la sua forma finale, tranne che per il sovrametallo lasciato per la finitura. La produttività rimane importante ma, in questo caso, lo è anche la sicurezza del processo.
Qualità, inserti in metallo duro
La forma finale e la finitura superficiale sono il risultato dell’ultima fase di lavorazione (LSM). Qui diventano importanti la finitura superficiale, l’accuratezza delle tolleranze dimensionali e l’attenzione a evitare deformazioni e tensioni residue eccessive.
Nei componenti critici rotanti, le proprietà di resistenza alla fatica sono i criteri più importanti e non lasciano spazio a difetti superficiali che potrebbero innescare la formazione di cricche. L’affidabilità delle parti critiche è garantita dall’applicazione di un processo di lavorazione collaudato e certificato.
I requisiti generali degli inserti multitaglienti comprendono una buona tenacità dei taglienti e un elevato grado di adesione tra substrato e rivestimento. Mentre le forme di base negative vengono utilizzate per l’alta resistenza e l’economia, la geometria dovrebbe essere positiva.
Durante la lavorazione delle HRSA è opportuno applicare sempre liquido refrigerante, eccetto che nella fresatura con inserti in ceramica. Gli inserti in ceramica richiedono un volume abbondante di refrigerante mentre, per il metallo duro, è fondamentale la precisione del flusso.
Quando si usano inserti in metallo duro, un’elevata pressione del refrigerante offre ulteriori vantaggi, tra cui una maggiore durata utensile e un efficiente controllo truciolo.
I parametri di lavorazione variano a seconda delle condizioni e del materiale. Durante la fase FSM, si mira soprattutto a una buona produttività attraverso l’uso di velocità di avanzamento elevate e grandi profondità di taglio.
Nella fase ISM, vengono spesso utilizzati inserti in ceramica per aumentare la velocità. Le fasi finali si concentrano sulla qualità e la profondità di taglio è piccola. Dato che un’elevata velocità di taglio può compromettere la finitura superficiale, per la finitura si utilizzano inserti in metallo duro.
Un tagliente affilato
La deformazione plastica e l’intaglio sono i tipici meccanismi di usura degli inserti in metallo duro, mentre lo sfaldamento superiore è quello più comune per gli inserti in ceramica.
La vulnerabilità alla deformazione plastica diminuisce aumentando la resistenza all’usura e la durezza a caldo. Anche una geometria positiva e un tagliente affilato sono importanti per ridurre la generazione di calore e le forze di taglio.
I rimedi contro l’usura a intaglio sul tagliente principale includono l’uso di un piccolo angolo di registrazione utilizzando, ad esempio, un inserto quadrato o rotondo o una profondità di taglio inferiore al raggio di punta.
Gli inserti rivestiti per deposizione fisica mediante vapore (PVD, Physical Vapor Deposition) sono più resistenti all’usura a intaglio sul tagliente principale, mentre un inserto rivestito per deposizione chimica mediante vapore (CVD, Chemical Vapour Deposition) rivela una migliore resistenza all’usura a intaglio sul bordo posteriore. Nella finitura, l’usura a intaglio sul bordo posteriore può compromettere la finitura superficiale.
Per una lavorazione efficiente dei componenti motore in HRSA è necessaria una soluzione completa e ben bilanciata che tenga conto, in particolare, di fattori quali la condizione del pezzo, il materiale dell’utensile, le raccomandazioni sui dati di taglio, l’uso del refrigerante e l’adozione di strategie di lavorazione ottimizzate.
Con questi fattori in atto, i costruttori possono fare la loro parte in vista dell’obiettivo del settore aerospaziale di raggiungere la neutralità carbonica nelle emissioni di gas entro il 2050.
