Metallurgical characterization of Ti-6Al-4V extruded bars

To understand more accurately the microstructure evolution and the alpha-case formation dynamics in the extrusion process of Ti-6Al-4V titanium alloy, this study was commissioned by an external company to the department of mechanical engineering of the Polytechnic of Milan. The extrusion process currently adopted by the company consists in covering the external surface of the round billet with glass after it has been milled, heating to a temperature of 1120°C, extruding in few seconds and cooling. The cooling is done both by air and by water. After cooling, the obtained bar is straightened at a temperature between 650°C and 750°C. Because of the high propensity of titanium to absorb oxygen and form the alpha-case at high temperatures (like those to which the alloy is submitted to during the extrusion process), it is necessary to submit the extruded bar to acid pickling to remove the alpha-case in compliance with AMS4935H (aerospace material specification). This study analyses the steps of the extrusion process starting from the billet to the final extruded straightened bar with the following objectives: to describe the microstructure modifications, to identify the point along the process at which the alpha-case layer forms and to assess the depth of the layer to be removed. By studying this process, the alpha-case formation could be prevented instead of needing to be removed with a post-extrusion operation. The material used along the study is entirely supplied by the commissioning company and the study tools are available in the laboratory of Metallurgy of the department of mechanical engineering of the Polytechnic of Milan.

Con l’obiettivo di capire in modo più accurato come si evolve la microstruttura e quali sono le dinamiche con cui l’alpha-case si forma durante il processo di estrusione della lega di titanio Ti-6Al-4V, questo studio è stato commissionato da un’azienda al dipartimento di ingegneria meccanica del Politecnico di Milano. Il processo di estrusione attualmente adottato dall’azienda consiste nel coprire la superficie esterna della billetta con del vetro dopo che lo strato esterno è stato fresato, riscaldarla alla temperatura di 1120°C, estruderla in pochi secondi e raffreddare la barra ottenuta. Il raffreddamento è fatto sia in aria che in acqua. La barra così ottenuta è raddrizzata ad una temperatura tra 650°C e 750°C. A causa dell’elevata capacità che il titanio ha nell’assorbire ossigeno e formare alpha-case ad elevate temperature (come quelle a cui la lega è sottoposta durante l’estrusione), è necessario sottoporre la barra estrusa a decapaggio per rimuovere l’alpha-case in conformità alla AMS4935H (aerospace material specification). Questo studio analizza le fasi del processo di estrusione iniziando dalla billetta per arrivare alla barra estrusa e raddrizzata, con i seguenti obiettivi: descrivere le variazioni microstrutturali, identificare il punto del processo in cui l’alpha-case si forma e stabilire qual è lo strato che deve essere rimosso. Con questo studio, la formazione di alpha-case potrebbe essere prevenuta invece di avere la necessità di rimuoverlo con un’operazione dopo l’estrusione. Il materiale utilizzato durante questo studio è interamente fornito dall’azienda committente e gli strumenti utilizzati sono disponibili presso il laboratorio di metallurgia del dipartimento di ingegneria meccanica del Politecnico di Milano.