Procedimento per la produzione di un multistrato composito a matrice metallica rinforzato e multistrato composito così ottenibile. Process for the production of a composite multilayer with reinforced metal matrix and composite multilayer thus obtainable.
* ;L'invenzione si riferisce al settore della produzione di compositi in matrice metallica per uso strutturale quali pannelli e gusci in strutture aerospaziali o aeronautiche . ;;La presente invenzione ha per oggetto un procedimento per la produzione in particolare di compositi in matrice di alluminio rinforzati con titanio mediante co-laminazioni successive. ;;Sono state fatte diverse proposte per risolvere il problema della produzione di compositi in matrice metallica. ;;Ad oggi per la produzione di pannelli compositi in matrice di alluminio rinforzati con titanio (a strati continui) à ̈ nota una tecnologia molto onerosa dal punto di vista dei costi e dei tempi di realizzazione. Inoltre la dimensione massima di pannelli compositi realizzati mediante tale tecnologia à ̈ limitata dalla dimensione del forno per il trattamento necessario. Tale tecnologia consiste sostanzialmente nella successione delle seguenti fasi di produzione:. ;taglio di lamierini di titanio e alluminio in dimensioni opportune ;condizionamento (decapaggio) dei lamierini di Ti e Al ;sovrapposizione dei lamierini nella successione desiderata ;incapsulamento in contenitore metallico dei lamierini sovrapposti ;evacuazione dell'aria presente nel contenitore e sua sigillatura ;pressatura isostatica a caldo ;rimozione dal contenitore dei lamierini. ;Questa procedura à ̈ limitata nella sua efficacia dalla difficoltà di legame diffusivo tra alluminio e titanio a causa della presenza, difficilmente evitabile, di uno strato continuo e impermeabile di allumina o titania all'interfaccia. La deformazione plastica indotta dalla pressatura isostatica a caldo, di gran lunga inferiore a quella ottenibile mediante il procedimento oggetto della presente invenzione, non permette la rimozione o la frammentazione di questo strato, con conseguenze che compromettono la qualità e la resistenza meccanica dell'accoppiamento diffusivo. ;;Altri sistemi di produzione di compositi sono stati proposti in GB 1336204, US 7293690, GB 1157346. ;;GB 1336204 descrive un procedimento che comprende le fasi di pulizia e rimozione di ossido dalle superfici da accoppiare, un pre-riscaldamento di un foglio di alluminio o lega di alluminio e di titanio o lega di titanio ad una temperatura da 500 a 1000°F (260-537°C), un accoppiamento dei fogli tramite laminazione per ottenere una riduzione del 'foglio composito dal 3 al 50%, preferibilmente di 7-15%, ed un post-riscaldamento di detto foglio composito ad una temperatura di 500-1150<0>F (260-620°C). ;;US 7293690 descrive un processo per la produzione di un materiale composito metallico ottenuto da un foglio nucleo di alluminio e uno strato di titanio rivestito su almeno un lato del foglio nucleo. L'alluminio e il titanio sono legati fra loro tramite laminazione. Solo il foglio di alluminio prima di essere laminato viene preriscaldato ad una temperatura nell’intervallo da 50 a 200°C. ;;GB 1157346 descrive un metodo per la produzione di un foglio composito metallico comprendente un foglio di alluminio o lega di Al e uno di titanio o lega di Ti. I lamierini sono uniti mediante adesivo o laminazione che viene preceduta da un riscaldamento dell'alluminio a 850-900°F (454,4-482,2°C) mentre il titanio viene mantenuto a temperatura ambiente. La laminazione viene effettuata in modo tale da laminare l'alluminio del 30-70% e il titanio del 10-50%, essendo la riduzione complessiva 50 %. La fase di laminazione del composito viene quindi seguita da un riscaldamento a 850-950°F (454,4-510,0°C) per un periodo tra 30 minuti e due ore di trattamento termico. ;JP 4160126 A descrive un procedimento per la preparazione di un composito multistrato Al-Ti-Al via clad-rolling . Non à ̈ tuttavia previsto-anteriormente alla prima laminazione - un trattamento termico, a temperature e per tempi prefissati, dei lamierini sovrapposti . ;;I compositi ottenuti con i sistemi di produzione noti, sostanzialmente basati sulla giunzione diffusiva mediante pressatura isostatica a caldo, non sono tuttavia del tutto soddisfacenti non solo per ragioni economiche ma anche per ragioni tecnologiche. Infatti essi presentano il problema della dipendenza dell'ingombro del componente rispetto alla dimensione della camera della pressa isostatica. Inoltre tale metodo necessità di un condizionamento tecnologicamente oneroso delle superfici che partecipano alla giunzione diffusiva, data la lieve deformazione plastica in gioco e la conseguente impossibilità di distribuire lo strato di ossido su superfici più ampie. ;;Esiste pertanto nello specifico settore l'esigenza di disporre di un processo di produzione di compositi economico, affidabile, di elevata semplicità realizzativa e che permetta la realizzazione di strutture di dimensioni più ampie. ;;Questa esigenza à ̈ soddisfatta dal procedimento secondo la presente invenzione che offre inoltre altri vantaggi che risulteranno evidenti nel seguito. ;E' infatti oggetto della presente invenzione un procedimento per la produzione di un materiale multistrato composito a matrice metallica comprendente le seguenti operazioni: ;sovrapposizione di tre lamierini in cui un lamierino di un primo metallo à ̈ interposto fra due lamierini di un secondo metallo, avendo il primo metallo resistenza meccanica superiore al secondo metallo ed il secondo metallo densità inferiore al primo metallo; ;trattamento termico dei tre lamierini sovrapposti a temperatura compresa tra temperatura ambiente e 550°C per tempi compresi fra 15 minuti e 2 ore; giunzione dei tre lamierini trattati termicamente mediante una prima laminazione con tasso di riduzione totale inferiore al 60% per ottenere un prodotto intermedio di primo stadio a tre strati; taglio del prodotto intermedio di primo stadio risultante per ottenere due laminati a tre strati; sovrapposizione dei due laminati a tre strati risultanti per ottenere, dopo trattamento termico a temperatura inferiore a 550°C e dopo giunzione mediante seconda laminazione, un prodotto multistrato di secondo stadio; ;eventuale ripetizione di taglio, sovrapposizione, trattamento termico e giunzione mediante successive laminazioni dei laminati di secondo stadio per ottenere il multistrato composito a matrice metallica desiderato. ;In una forma di realizzazione preferita della presente invenzione, il primo metallo à ̈ titanio o lega di titanio e il secondo metallo à ̈ alluminio o lega di alluminio . ;In questo caso la giunzione tra i due metalli avviene mediante un primo stadio di laminazione ad un tasso di riduzione totale compreso tra 30% e 60%. ;Secondo l'invenzione i due prodotti di primo stadio vengono accoppiati mediante un secondo stadio di laminazione con un tasso di riduzione pari al 50% preceduto da un trattamento termico a temperatura compresa tra 200°C e 500°C per tempi compresi tra 15 minuti e 1 ora. ;Il materiale composito può essere ottenuto mediante ripetizione di successive laminazioni di secondo stadio applicate ad un accoppiamento di due prodotti di secondo stadio, in modo tale che ogni laminazione di secondo stadio à ̈ applicata ad un accoppiamento costituito da prodotti della laminazione di secondo stadio precedente. ;Il numero delle laminazioni di secondo stadio à ̈ preferibilmente compreso tra 1 e 10. ;Secondo l'invenzione i lamierini sottoposti a laminazione ed i laminati in lavorazione sono trattati mediante operazione di pulizia tramite sabbiatura dei materiali costituenti e successivamente trattati termicamente in atmosfera inerte o in aria. ;I lamierini sovrapposti nel procedimento secondo la presente invenzione hanno preferibilmente uno spessore totale compreso tra 3 e 6 mm, il titanio ha uno spessore compreso tra 1 mm e 2 mm, l'alluminio uno spessore compreso tra 1 mm e 2 mm. ;Il prodotto dell'ultima laminazione di secondo stadio può essere soggetto ad un ulteriore trattamento termico a temperatura compresa tra 300°C e 550°C per un tempo compreso tra 8 ore e 40 ore. ;E' anche oggetto dell'invenzione un composito multistrato a matrice metallica, ottenibile con il procedimento illustrato in precedenza. ;;Di seguito vengono esposti i principali vantaggi del procedimento e l'invenzione: ;rimozione del duro strato di ossido formabile all'interfaccia tra i due metalli da accoppiare mediante elevata deformazione plastica del materiale; estensione dell'interfaccia diffusiva tra Ti e Al ad una superficie doppia ad ogni ciclo di laminazione del 50%. La pressatura isostatica a caldo non à ̈ in grado di impartire tale grado di deformazione agli strati sovrapposti; ;il grado di dispersione ottenuto non à ̈ raggiungibile con quanto descritto nello stato dell'arte. Con i successivi cicli di laminazione à ̈ possibile produrre 2<n>strati di titanio con conseguente elevato numero di interfacce ed un avvicinamento di interfacce difficilmente producibile mediante impilamento manuale. Ad esempio per n = 10 si ottengono 1024 strati di titanio; ;dimensioni maggiori del prodotto finale ottenibili grazie all'utilizzo del laminatoio invece che alla pressa isostatica a caldo, mentre con la pressa isostatica a caldo si deve sviluppare una macchina con dimensione almeno pari alla estensione superficiale del pannello . ;;Si à ̈ data finora una descrizione di carattere generale dell'invenzione. Con l'aiuto delle figure e degli esempi seguenti verrà ora data una descrizione più dettagliata di sue forme di realizzazione finalizzate a farne meglio comprendere scopi, caratteristiche, vantaggi e modalità operative. ;;La figura 1 mostra un esempio di applicazione del composito a pannelli curvi che costituiscono il mantello della fusoliera di un aeromobile. ;;La figura 2 mostra la micrografia di un multistrato composito secondo l'invenzione ottenuto mediante applicazione di dieci laminazioni di secondo stadio a partire da alluminio/titanio/alluminio ;;La figura 3 mostra la micrografia di un multistrato composito secondo l'invenzione ottenuto mediante applicazione di dieci laminazioni di secondo stadio a partire da alluminio/titanio/alluminio con spessore iniziale di titanio 5 volte superiore a quello della variante mostrata in figura 2. ;;Esempio 1 ;Per la realizzazione di un multistrato composito a matrice metallica per applicazioni strutturali à ̈ stato utilizzato un lamierino di titanio con spessore di 1,5 mm accoppiato esternamente con due lamierini di alluminio con spessore di 1,5 mm ciascuno. ;Prima dell'accoppiamento, ciascun lamierino à ̈ stato pulito mediante sabbiatura ed il prodotto ottenuto à ̈ stato riscaldato in atmosfera inerte ad una temperatura pari a 460°C. ;L'accoppiamento à ̈ stato realizzato con un primo stadio di laminazione con rapporto di riduzione pari al 50% ottenendo un multistrato laminato di spessore pari a 2,25 mm. Un secondo stadio di laminazione à ̈ stato applicato a due laminati sovrapposti, ottenuti mediante il primo stadio con un tasso di riduzione del 50 %, ottenendo un laminato multistrato composto da alluminio/titanio/alluminio/alluminio/titanio/ alluminio di spessore pari a 2,25 mm. ;Il secondo stadio di laminazione à ̈ stato preceduto da un riscaldamento a 460°C per 30 minuti. ;Il laminato così ottenuto à ̈ stato sottoposto a trattamento termico a temperatura di 400°C per un tempo di 16 ore ottenendo un multistrato composito di alluminio con dispersioni di inclusioni di titanio del tipo mostrato in figura 2. ;Il multistrato composito risultante esibisce una rigidezza e resistenza flessionale superiore rispetto all'analogo in lega di alluminio. ;Esempio 2 ;Per la preparazione di un laminato con dispersioni di titanio per applicazioni a temperature superiori rispetto a quelle tipiche di impiego delle leghe di alluminio, à ̈ stato utilizzato un lamierino di titanio con spessore di 1,5 mm accoppiato esternamente con due lamierini di alluminio con spessore di 1,5 mm ciascuno. Prima dell'accoppiamento, ciascun lamierino à ̈ stato pulito mediante sabbiatura ed il prodotto ottenuto à ̈ stato riscaldato in atmosfera inerte ad una temperatura pari a 460°C. ;L'accoppiamento à ̈ stato realizzato con un primo stadio di laminazione con rapporto di riduzione pari al 50% ottenendo un multistrato laminato di spessore pari a 2,25 mm. Un secondo stadio di laminazione à ̈ stato applicato a due laminati sovrapposti, ottenuti mediante il primo stadio con un tasso di riduzione del 50 %, ottenendo un laminato composto da alluminio/titanio/alluminio/alluminio/titanio/alluminio di spessore pari a 2,25 mm. ;Il secondo stadio di laminazione à ̈ stato preceduto da un riscaldamento a 460°C per 30 minuti. ;Altre nove laminazioni di secondo stadio sono state applicate ad un laminato ottenuto dal taglio e dalla sovrapposizione di laminati ottenuti dalla laminazione di secondo stadio precedente. ;Il laminato ottenuto à ̈ stato sottoposto a trattamento termico a temperatura di 520°C per 20 ore ottenendo un multistrato composito di alluminio con dispersioni di inclusioni di titanio e composti intermetallici formati da alluminio e titanio del tipo mostrato in figura 3. ;Il multistrato risultante ha una resistenza meccanica a temperature maggiori di 250°C superiore a quella di una lega di alluminio tradizionale. **; The invention relates to the sector of the production of metal matrix composites for structural use such as panels and shells in aerospace or aeronautical structures. The present invention relates to a process for the production in particular of titanium-reinforced aluminum matrix composites by means of successive co-laminations. ;; Several proposals have been made to solve the problem of producing metal matrix composites. ;; To date, for the production of composite panels in aluminum matrix reinforced with titanium (in continuous layers), a very expensive technology is known from the point of view of costs and production times. Furthermore, the maximum size of composite panels made using this technology is limited by the size of the furnace for the necessary treatment. This technology basically consists in the succession of the following production phases :. ; cutting of titanium and aluminum sheets in suitable dimensions; conditioning (pickling) of the Ti and Al sheets; overlapping of the sheets in the desired sequence; encapsulation of the overlapping sheets in a metal container; evacuation of the air present in the container and its sealing; pressing hot isostatic; removal of the laminations from the container. This procedure is limited in its effectiveness by the difficulty of diffusive bonding between aluminum and titanium due to the presence, difficult to avoid, of a continuous and impermeable layer of alumina or titania at the interface. The plastic deformation induced by hot isostatic pressing, much lower than that obtainable by the process object of the present invention, does not allow the removal or fragmentation of this layer, with consequences that compromise the quality and mechanical resistance of the diffusive coupling. . ;; Other composite production systems have been proposed in GB 1336204, US 7293690, GB 1157346. ;; GB 1336204 describes a process which comprises the steps of cleaning and removing oxide from the surfaces to be coupled, a pre-heating of a sheet of aluminum or aluminum alloy and titanium or titanium alloy at a temperature of 500 to 1000 ° F (260-537 ° C), a coupling of the sheets by lamination to obtain a reduction of the composite sheet from 3 to 50%, preferably of 7-15%, and a post-heating of said composite sheet to a temperature of 500-1150 <0> F (260-620 ° C). US 7293690 discloses a process for the production of a metallic composite material obtained from an aluminum core sheet and a titanium layer coated on at least one side of the core sheet. Aluminum and titanium are bonded together by lamination. Only the aluminum foil before being laminated is preheated to a temperature in the range from 50 to 200 ° C. GB 1157346 discloses a method for producing a metal composite sheet comprising an aluminum or Al alloy sheet and a titanium or Ti alloy sheet. The laminations are joined by adhesive or lamination which is preceded by heating the aluminum to 850-900 ° F (454.4-482.2 ° C) while the titanium is kept at room temperature. Lamination is carried out in such a way as to laminate aluminum by 30-70% and titanium by 10-50%, the overall reduction being 50%. The lamination step of the composite is then followed by heating to 850-950 ° F (454.4-510.0 ° C) for a period between 30 minutes and two hours of heat treatment. JP 4160126 A describes a process for the preparation of an Al-Ti-Al multilayer composite via clad-rolling. However, prior to the first lamination, a heat treatment of the overlapping laminations is not envisaged at predetermined temperatures and times. The composites obtained with known production systems, substantially based on diffusive junction by hot isostatic pressing, are however not entirely satisfactory not only for economic reasons but also for technological reasons. In fact they present the problem of the dependence of the size of the component with respect to the size of the chamber of the isostatic press. Furthermore, this method requires a technologically onerous conditioning of the surfaces participating in the diffusive junction, given the slight plastic deformation involved and the consequent impossibility of distributing the oxide layer over larger surfaces. Therefore, in the specific sector, there is a need to have an economical, reliable composite production process that is extremely simple to manufacture and which allows the creation of larger structures. This need is satisfied by the process according to the present invention which also offers other advantages which will become evident in the following. In fact, the subject of the present invention is a process for the production of a composite multilayer material with a metal matrix comprising the following operations: superposition of three laminations in which a lamination of a first metal is interposed between two laminations of a second metal, the first metal having mechanical resistance higher than the second metal and the second metal having a lower density than the first metal; ; heat treatment of the three superimposed laminations at a temperature between room temperature and 550 ° C for times between 15 minutes and 2 hours; joining the three heat-treated laminations by means of a first lamination with a total reduction rate of less than 60% to obtain a three-layer first-stage intermediate product; cutting the resulting first stage intermediate product to obtain two three-layer laminates; superposition of the two resulting three-layer laminates to obtain, after heat treatment at a temperature below 550 ° C and after joining by second lamination, a second stage multilayer product; possible repetition of cutting, overlapping, heat treatment and joining by successive laminations of the second stage laminates to obtain the desired metal matrix composite multilayer. In a preferred embodiment of the present invention, the first metal is titanium or titanium alloy and the second metal is aluminum or aluminum alloy. In this case the junction between the two metals takes place through a first rolling stage at a total reduction rate between 30% and 60%. According to the invention, the two first stage products are coupled by means of a second lamination stage with a reduction rate equal to 50% preceded by a heat treatment at a temperature between 200 ° C and 500 ° C for times ranging from 15 minutes and 1 hour. ; The composite material can be obtained by repeating successive second stage laminations applied to a coupling of two second stage products, in such a way that each second stage lamination is applied to a coupling consisting of products of the previous second stage lamination . ; The number of second stage laminations is preferably between 1 and 10.; According to the invention, the laminations subjected to lamination and the laminates being processed are treated by cleaning by sandblasting the constituent materials and subsequently thermally treated in an inert atmosphere or in the air. The overlapping laminations in the process according to the present invention preferably have a total thickness comprised between 3 and 6 mm, titanium has a thickness comprised between 1 mm and 2 mm, aluminum a thickness comprised between 1 mm and 2 mm. ; The product of the last second stage lamination can be subjected to a further heat treatment at a temperature between 300 ° C and 550 ° C for a time between 8 hours and 40 hours. Another object of the invention is a multilayer composite with a metal matrix, obtainable with the process described above. The main advantages of the process and the invention are set out below: removal of the hard oxide layer that can be formed at the interface between the two metals to be coupled by means of high plastic deformation of the material; extension of the diffusive interface between Ti and Al to a double surface at each lamination cycle by 50%. Hot isostatic pressing is unable to impart this degree of deformation to the superimposed layers; ; the degree of dispersion obtained cannot be reached with what is described in the state of the art. With the subsequent rolling cycles it is possible to produce 2 <n> layers of titanium with a consequent high number of interfaces and an approach of interfaces difficult to produce by manual stacking. For example, for n = 10, 1024 layers of titanium are obtained; ; larger dimensions of the final product obtainable thanks to the use of the rolling mill instead of the hot isostatic press, while with the hot isostatic press it is necessary to develop a machine with a size at least equal to the surface extension of the panel. Up to now a general description of the invention has been given. With the help of the following figures and examples, a more detailed description of its embodiments will now be given, aimed at making them better understand the purposes, characteristics, advantages and operating methods. Figure 1 shows an example of application of the composite to curved panels that make up the shell of the fuselage of an aircraft. ;; Figure 2 shows the micrograph of a composite multilayer according to the invention obtained by applying ten second stage laminations starting from aluminum / titanium / aluminum ;; Figure 3 shows the micrograph of a composite multilayer according to the invention obtained by applying ten second-stage laminations starting from aluminum / titanium / aluminum with an initial thickness of titanium 5 times higher than that of the variant shown in figure 2. ;; Example 1; For the realization of a composite multilayer with metal matrix for applications structurally, a 1.5 mm thick titanium sheet was used coupled externally with two 1.5 mm thick aluminum sheets. ; Before coupling, each sheet was cleaned by sandblasting and the product obtained was heated in an inert atmosphere to a temperature of 460 ° C. ; The coupling was carried out with a first lamination stage with a reduction ratio equal to 50%, obtaining a laminated multilayer with a thickness of 2.25 mm. A second lamination stage was applied to two overlapping laminates, obtained through the first stage with a reduction rate of 50%, obtaining a multilayer laminate composed of aluminum / titanium / aluminum / aluminum / titanium / aluminum with a thickness of 2 , 25 mm. ; The second lamination stage was preceded by heating at 460 ° C for 30 minutes. ; The laminate thus obtained was subjected to heat treatment at a temperature of 400 ° C for a time of 16 hours to obtain an aluminum composite multilayer with dispersions of titanium inclusions of the type shown in figure 2.; The resulting composite multilayer exhibits higher stiffness and flexural strength than the aluminum alloy analogue. ; Example 2; For the preparation of a laminate with titanium dispersions for applications at higher temperatures than those typical of the use of aluminum alloys, a 1.5 mm thick titanium sheet was used coupled externally with two laminations of aluminum with a thickness of 1.5 mm each. Before coupling, each sheet was cleaned by sandblasting and the product obtained was heated in an inert atmosphere to a temperature of 460 ° C. ; The coupling was carried out with a first lamination stage with a reduction ratio equal to 50%, obtaining a laminated multilayer with a thickness of 2.25 mm. A second lamination stage was applied to two overlapping laminates, obtained through the first stage with a reduction rate of 50%, obtaining a laminate composed of aluminum / titanium / aluminum / aluminum / titanium / aluminum with a thickness of 2, 25 mm. ; The second lamination stage was preceded by heating at 460 ° C for 30 minutes. Another nine second stage laminations were applied to a laminate obtained by cutting and overlapping laminates obtained from the previous second stage lamination. ; The laminate obtained was subjected to heat treatment at a temperature of 520 ° C for 20 hours to obtain an aluminum composite multilayer with dispersions of titanium inclusions and intermetallic compounds formed by aluminum and titanium of the type shown in figure 3.; The multilayer resulting has a mechanical strength at temperatures greater than 250 ° C higher than that of a traditional aluminum alloy. *