RILIEVO DEI DIFETTI DI FUSIONE MEDIANTE CONTROLLO TERMOGRAFICO F. Giacobbe *, S. Missori **, R. Montanini ***, A. Sili ***

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1 RILIEVO DEI DIFETTI DI FUSIONE MEDIANTE CONTROLLO TERMOGRAFICO F. Giacobbe *, S. Missori **, R. Montanini ***, A. Sili *** * Istituto Superiore per la Prevenzione e la Sicurezza del Lavoro Dipartimento ISPESL di Messina francesco.giacobbe@ispesl.it ** Dipartimento Ingegneria Meccanica Università di Roma Tor Vergata missori@uniroma2.it *** Dipartimento di Chimica Industriale e Ingegneria dei Materiali Università di Messina rmontanini@ingegneria.unime.it; asili@ingegneria.unime.it KEY WORDS Termografia attiva (active thermography), difetti subsuperficiali (subsurface defects), getto in titanio (titanium cast). SOMMARIO La realizzazione di getti di titanio comporta difficoltà legate all elevato punto di fusione (1668 C), alla possibilità di ossidazione a caldo e di reazione con i materiali della forma; altri problemi frequentemente riscontrati riguardano l incompletezza del getto e la formazione di cavità o di porosità al suo interno. Nel presente lavoro viene effettuato uno studio sperimentale preliminare riguardante il rilievo delle suddette difettosità mediante prove non distruttive (PND). I provini per le indagini sono stati realizzati mediante preparazione di modelli con il metodo a cera persa. Le superfici dei provini variano tra 20x20 e 35x35 mm 2, mentre gli spessori considerati sono compresi tra 1 e 5 mm. Per ogni colata sono stati prodotti uno o, nel caso di piccoli volumi, due provini. I provini hanno tutti una forma di parallelepipedo caratterizzata da larghezza e lunghezza come dimensioni predominanti, in modo da avere superfici più ampie possibili e, quindi, condizioni di elevato scambio termico e di rapida solidificazione per esaltare la possibile formazione di difetti di fusione. Per individuare i difetti sub-superficiali, sono state condotte PND a mezzo termografia ad infrarossi, metodo non comunemente utilizzato per questa tipologia di indagini. La verifica dei risultati ottenuti è stata condotta mediante confronto con esami radiografici a raggi. I controlli termografici sono stati effettuati rilevando la mappatura termica della superficie dei provini in fase di raffreddamento in aria tranquilla, dopo riscaldamento uniforme a circa 170 C (termografia attiva), mediante camera termografica con sensibilità termica di 0.1 C. I primi risultati della ricerca hanno permesso di individuare cavità aventi di dimensioni superiori a 4 mm. 1. INTRODUZIONE I metodi di indagine termografica (1) si avvalgono dell emissione spettrale di un corpo nel campo dell infrarosso. Come è noto, ogni corpo che si trova a una temperatura superiore allo zero assoluto (-273 C) emette radiazione infrarossa in relazione alla sua temperatura. Tanto maggiore è la quantità di energia termica immagazzinata in un corpo, tanto maggiore sarà la quantità di energia sotto forma di raggi infrarossi che vengono emessi verso l'esterno.

2 A seconda del tipo di materiale e dello stato delle superfici si avranno comportamenti differenti per quanto riguarda le emissioni di radiazione infrarossa verso l'ambiente (2). In particolare un corpo può avere diverse caratteristiche di emissività, riflessività e trasmissività. Si consideri un corpo A che emetta una certa quantità di energia (W tot ) sotto forma di radiazione infrarossa che investe il corpo B. Una parte di questa energia viene riflessa dal corpo B (W ρ ), un altra attraversa il corpo stesso (W τ ), infine la restante parte viene assorbita e poi emessa (W ε ), con una frequenza che dipende dalla temperatura raggiunta. Per il principio di conservazione dell'energia, si ha: W tot = W ρ + W τ + W ε = W tot + W tot + W tot Essendo,,, i coefficienti di riflessione, trasmissione ed emissione. Figura 1 Rappresentazione schematica della distribuzione dell energia incidente su un corpo in base al principio di conservazione dell energia Nel campo delle radiazioni infrarosse, per la stragrande maggioranza dei materiali, l energia che attraversa il corpo è trascurabile rispetto alle componenti riflessa ed emessa. Con buona approssimazione, si possono quindi considerare esclusivamente queste due componenti. La tipologia di materiale e il suo stato di finitura superficiale influenzano significativamente i coefficienti di emissione () e di riflessione (). Un corpo metallico sottoposto ad una radiazione incidente si riscalda ed emette una quantità di energia sottoforma di raggi infrarossi in relazione alle condizioni superficiali. Come si vede dalla tabella 1 una superficie grezza o ossidata presenta bassa riflessività ed alta emissività, di conseguenza la quantità di energia termica che viene emessa all'esterno approssima quella incidente. Al contrario una superficie lucida ha una riflessività elevata ed una emissività bassa, di conseguenza la radiazione infrarossa emessa dal corpo è minima e ciò che si misura, ad esempio con una termocamera, è la riflessione dell energia proveniente dall'ambiente esterno. Tipo di superficie ε ρ Non lavorata 0,90 0,10 Lucida 0,20 0,80 Ossidata 0,60 0,40 Verniciata di nero opaco 0,98 0,02 Tabella 1 valori di emissività (ε) e riflessività (ρ) in funzione del tipo di superficie

3 Indipendentemente dallo stato di finitura della superficie, se essa viene trattata con vernice nera opaca, l'emissività cresce fino a valori molto alti, fino a rendere del tutto trascurabile la riflessività. Il metodo termografico (3), applicato su provini trattati con vernice nera opaca, può trovare interessanti applicazioni nel settore delle Prove Non Distruttive (PND). Nel presente lavoro viene effettuato uno studio sperimentale riguardante il rilievo dei difetti (presenza di cavità o di porosità) in getti di titanio utilizzando un metodo di controllo termografico ad infrarossi. La verifica dei risultati ottenuti è condotta mediante confronto con esami radiografici a raggi. 2. MATERIALI E METODI 2.1 REALIZZAZIONE DEI PROVINI IN TITANIO Per la realizzazione dei provini mediante la tecnica della fusione a cera persa, si è utilizzato titanio di purezza commerciale (Ti CP grado 2), di largo impiego nel settore odontotecnico. Sono stati realizzati diversi provini aventi superficie e spessore differenti. La forma prescelta è quella del parallelepipedo avente come dimensioni predominanti la larghezza e la lunghezza, in modo tale da avere superfici più ampie possibili. Le dimensioni dei singoli provini sono riportate nella tabella 2. Ogni singolo provino è stato codificato con una coppia di numeri in modo da essere univocamente identificato. Il primo numero rappresenta lo spessore mentre il secondo un numero progressivo. Q.tà spessore [mm] Codifica Dimensione [mm] x35x x30x x20x x30x x30x x20x1 Tabella 2 identificazione e dimensioni dei provini Disegno [misure in mm] Provino 5.1 Il titanio e le sue leghe commerciali sono suscettibili di formatura per fusione; la colata di pezzi in titanio offre la possibilità di realizzare parti complesse, che sono impossibili o difficili da produrre tramite forgiatura. Le principali difficoltà sono collegate alle seguenti caratteristiche del titanio: alto punto di fusione, bassa fluidità alle temperature di colata ed inoltre alta reattività con i componenti dell'atmosfera, come ossigeno, idrogeno ed azoto e con la maggior parte degli elementi presenti in essa a temperature oltre i 500 C. Nel progettare una forma per la colata del titanio, bisogna tenere conto della sua rapida velocità di solidificazione dovuta a diverse cause concomitanti (basso calore specifico, relativamente alta conducibilità termica delle Figura 2 - Provini in titanio realizzati mediante getti con la tecnica della cera persa

4 forme di colata, inopportunità o difficoltà di realizzare forti surriscaldamenti) e del suo basso peso specifico che implica una ridotta pressione statica del metallo fuso. Dunque non è remota la possibilità di ottenere getti con difetti interni. I provini realizzati hanno caratteristiche geometriche che esaltano le condizioni per ottenere presenza di difetti sotto forma di cavità interne. 2.2 ATTREZZATURE IMPIEGATE PER IL METODO DELLA TERMOGRAFIA ATTIVA La termocamera impiegata (figura 3) ha le seguenti caratteristiche: campo visivo 24 x 18, accuratezza della misurazione della temperatura: ± 2% della lettura o ± 2 C, sensibilità termica: 0,1 C; sensore microbolometrico non raffreddato con risoluzione di 320 x 240 pixel. È noto che l'emissività di un corpo influisca notevolmente nella valutazione della sua temperatura. Nelle nostre prove non è importante il valore esatto della temperatura ma le differenze di temperatura sulla superficie del provino. Nei materiali che presentano superfici riflettenti nell infrarosso (es. il titanio), occorre utilizzare alcuni accorgimenti per evitare di commettere degli errori, dovuti alle riflessioni di energia proveniente dall'ambiente circostante. Figura 3 Temocamera marca: FLIR SYSTEM mod.: ThermaCAM PM575 Per eliminare il suddetto effetto le superfici dei provini sono state ricoperte con una vernice spray nera idonea anche per le alte temperature. Attraverso l uso dello spray è stato risolto il problema delle superfici riflettenti e dei conseguenti effetti sulle immagini termografiche (figura 4). Nella termografia passiva si ricavano le mappe di temperatura con il corpo nel suo stato di equilibrio termico con l ambiente esterno, mentre nella termografia attiva si riscalda il corpo dall esterno e si studia come le mappe di temperatura varino durante la fase di raffreddamento conseguente all apporto termico esterno. a) b) Figura 4 immagini termografiche con differenti finiture superficiali. a) superficie grezza; b) superficie verniciata di color nero La termografia attiva (4, 5), dunque, prende in considerazione il transitorio termico delle superfici per effetto di un riscaldamento esterno. Le discontinuità nella struttura del materiale sono considerati difetti che causano variazioni locali delle proprietà termofisiche

5 dell oggetto in esame (6, 7, 8, 9). In seguito a sollecitazione termica opportuna del campione, la distribuzione superficiale di temperatura in fase di raffreddamento mostra quindi un anomalia, dovuta alla presenza del difetto. 2.3 MODALITÀ DI ESECUZIONE DEI TEST DI TERMOGRAFIA ATTIVA E DEI CONTROLLI RADIOGRAFICI I provini per essere riscaldati in modo uniforme sono stati posti all interno di piastre termiche a resistenza elettrica. Per evitare dispersioni termiche le piastre sono state ricoperte da coibente. La temperatura è stata stabilizzata a mezzo di termostato per una durata di 20 min. Il provino, prelevato dalle piastre riscaldanti, è stato fatto raffreddare in aria ferma fino alla temperatura di 30 C circa. La termocamera è stata posta frontalmente ad una distanza di circa 80 cm. Nel corso del transitorio termico di raffreddamento sono stati memorizzati, circa ogni 10 C, su scheda PMCIA, i singoli termogrammi. Per l elaborazione delle immagini è stato utilizzato il visualizzatore software ThermaCAM Explorer 99 della FLIR System. RIEPILOGO DATI Procedimento di fabbricazione: Apparecchiatura: Getto di fusione Materiale: Titanio FLIR SYSTEM ThermaCAM PM575 Condizioni Superficiali: finitura liscia verniciata color opaco nero Metodo: Termografia attiva Sollecitazione: Resistenza elettrica Temperatura max: C Messa a fuoco: Automatica Distanza: 80 cm 0,98 (superficie nera) Tabella 3 riepilogo dati della sperimentazione mediante termografia attiva Temperatura min: 30 C N fotogrammi: Emissività: Il Controllo Radiografico (10) è stato effettuato impiegando apparecchiature di classe "F" (radioisotopi di Iridio192 con un'energia da 0,3 a 0,6 MeV). 3. RISULTATI E DISCUSSIONE Le termografie di seguito riportate sono riferite ai lati opposti ai perni di colata, in modo tale da avere superfici piane e regolari per le misure. Per commentare le singole termografie è necessario confrontare gli esiti con le corrispondenti radiografie. 3.1 OTTIMIZZAZIONE DELLA SCALA DI VISUALIZZAZIONE CROMATICA Per il provino 5.1 si riportano sia le possibili tipologie di visualizzazione policromatica (figura 5) che un esempio di ricerca dell intervallo di temperatura da attribuire alla scala cromatica, in modo da ottimizzare la visualizzazione del difetto (figura 6).

6 A) B) C) range colorazione: T min =156 C T max =198 C rappresentazione grafica: RAIN range colorazione: T min =166 C T max =226 C rappresentazione grafica: GLOWBOW range colorazione: T min =167 C T max =226 C D) E) F) rappresentazione grafica: IRON range colorazione: T min =161 C T max =208 C rappresentazione grafica: GREYRED range colorazione: T min =165 C T max =193 C rappresentazione grafica: MIDGREEN range colorazione: T min =170 C T max =215 C Figura 5- influenza della rappresentazione grafica nell identificazione e localizzazione del difetto: effetto della visualizzazione policromatica a) b) c) range colorazione: T min =100 C T max =215 C range colorazione: T min =130 C T max =215 C range colorazione: T min =150 C T max =215 C d) e) f) range colorazione: T min =160 C T max =215 C range colorazione: T min =170 C T max =215 C range colorazione: T min =180 C T max =215 C Figura 6- influenza della rappresentazione grafica nell identificazione e localizzazione del difetto: effetto dell intervallo di temperature scelto per la scala cromatica Il software di elaborazione delle immagini termografiche permette molte soluzioni cromatiche (palette colore) per differenziare le temperature rilevate. E stata verificata una

7 migliore differenziazione dei gradienti termici superficiali utilizzando ad esempio le scale cromatiche codificate con le lettere A) e C) nella figura 5. Significativo inoltre è il settaggio della temperatura minima e massima per differenziare la scala cromatica. In figura 6 sono visualizzate sei diverse combinazioni ottenute innalzando il valore della temperatura minima della scala da 100 a 180 C; le immagini evidenziano bene che per ottenere l individuazione del difetto è necessario selezionare un opportuno range per la scala cromatica delle temperature. Infine per quanto riguarda il transitorio termico, è stato valutata la durata del processo di raffreddamento del provino in oltre 6 minuti. Le maggiori disomogeneità di temperatura sulla superficie del provino si hanno nella fase iniziale del transitorio di raffreddamento quando è più elevata la temperatura media. Come mostrato in figura 7, le disomogeneità di temperatura sulla superficie del provino sono tali da permettere l osservazione del difetto interno (la corrispondente temperatura superficiale è inferiore in quanto la velocità di raffreddamento è superiore) solo nelle termografie effettuate durante il primo minuto. In particolare nella prima termografia, effettuata dopo circa 20 s di raffreddamento, le disomogeneità di emissione dalla superficie del provino risultano molto evidenti, consentendo di localizzare il difetto interno. C provino tempo [h.mm.ss] Figura 7- andamento della temperatura media del provino durante la fase di raffreddamento ed indicazione delle termografie effettuate durante il transitorio Per validare gli esiti del controllo termografico sono state eseguite sui singoli provini in titanio delle radiografie, in modo tale da localizzare la presenza di cavità e valutare la loro estensione. Nella figura 8 si riportano, a confronto, le immagini radiografiche e i risultati ottenuti applicando il protocollo operativo della termografia infrarossa citato precedentemente.

8 Provino 5.1 immagine ai raggi provino 2.1 rappresentazione grafica: RAIN range colorazione: T min =154 C T max =190 C rappresentazione grafica: RAIN range colorazione: T min =151 C T max =226 C immagine ai raggi provino 2.2 rappresentazione grafica: RAIN temperatura media: T media =230 C range colorazione: T min =161 C T max =260 C rappresentazione grafica: MIDGREY temperatura media: T media =225 C range colorazione: T min =193 C T max =232 C immagine ai raggi temperatura media: T media =210 C range colorazione: T min =116 C T max =242 C rappresentazione grafica: GREYRED temperatura media: T media =210 C range colorazione: T min =93 C T max =207 C Figura 8 Confronto tra radiografia ai raggi γ ed immagine mediante termografia infrarosso. Le superfici in corrispondenza dei difetti del getto (presenza di cavità per mancato completo riempimento) presentano una temperatura più bassa rispetto alle zone prive di difetti per effetto dell inerzia termica in fase di raffreddamento. Le immagini riportate in figura 8 mostrano la possibilità di identificare l estensione ed il contorno della soffiatura mediante termografia attiva. Tuttavia, il presente metodo, in relazione alla termocamera impiegata, permette l individuazione di soffiature e bolle di dimensioni dell ordine di qualche millimetro. 4. CONCLUSIONI Nel corso degli ultimi anni la termografia all infrarosso ha assunto un ruolo sempre più importante nell ampio panorama dei controlli non distruttivi. Ciò è conseguenza dei diversi

9 vantaggi offerti da tale metodo; esso può essere attuato a distanza, permette di esprimere giudizi in tempo reale, non ci sono vincoli a livello di sicurezza per gli operatori. Il lavoro sperimentale svolto, attraverso la messa a punto di un protocollo di misurazione nel caso di getti in titanio commercialmente puro, ha dimostrato la validità del metodo della termografia attiva nell identificazione di difetti sub-superficiali. Le dimensione e la profondità dei difetti che possono essere rilevati con tale metodo dipendono da molteplici fattori (caratteristiche termo-fisiche del materiale, risoluzione termica della termocamera IR impiegata, metodologia di riscaldamento / raffreddamento del provino, ecc.). L efficacia del metodo di rilevazione dei difetti può essere ulteriormente migliorata sincronizzando l acquisizione della sequenza di termogrammi con la sorgente di stimolazione termica (tecnica di misura lock-in). 5. RINGRAZIAMENTI Si ringrazia il laboratorio odontotecnico DENTAL G di Salvatore Grasso (Messina) per aver messo a disposizione la macchina fonditrice per la realizzazione dei getti in titanio. Si ringrazia la società SICIL SERVICE CND (Milazzo) per aver messo a disposizione le proprie attrezzature per la conduzione dei controlli non distruttivi. 6. BIBLIOGRAFIA 1. UNI Prove non distruttive - Termografia all infrarosso - Termini e definizioni, ASNT - Nondestructive Testing Handbook, Infrared and Thermal Testing Vol 3, G. C. Pandey and Ajay Kumar - Modern-Infra-Red Spectroscopy: A Tool For Noncontact And Nondestructive Evaluation With Special Reference To Process Monitoring, WCNDT, N. Katsunobu, T. Makoto, S. Kazuyoshi Method of detecting defects in materials using infrared thermography, Agency of Industrial Science & Technology, Ministry of International Application, No , C. Meola - A new approach for estimation of defects detection with infrared thermography, Materials Letters, Volume 61, Issue 3, 2007, pp T. Inagaki, T. Ishii, T. Iwamoto - On the NDT and E for the diagnosis of defects using infrared thermography, NDT & E International, Volume 32, Issue 5, 1999, pp M. Choia, K. Kanga, J. Parka, W. Kimb and K. Kimc - Quantitative determination of a subsurface defect of reference specimen by lock-in infrared thermography, NDT & E International, Volume 41, Issue 2, 2008, pp R. Montanini, S. Aliquò, Nondestructive evaluation of plexiglas materialsusing lockin and pulse phase infrared thermography, XIX IMEKO WorldCongress, September 6-11, 2009, Lisbon, Portugal. 9. R. Montanini, S. Aliquò, La termografia radiometrica attiva per ilcontrollo non distruttivo nella produzione industriale, Tutto Misure, N.2, Ed. A&T, Torino, EN Fonderia - Controllo mediante radiografia, 2003