Stop tytanu Gr9 (Ti-3Al-2,5 V) to stop tytanu typu bliskiego-o niskiej zawartości aluminium, uzyskany w wyniku iteracyjnej optymalizacji stopu TC4. Posiada doskonałe właściwości mechaniczne w wysokich i niskich temperaturach, odporność na korozję oraz plastyczność przy obróbce na zimno i na gorąco, a jednocześnie wykazuje stabilną i niezawodną odkształcalność i spawalność. Jest to podstawowy materiał do-wysokiej klasy lekkich rurek. Ze względu na wszechstronne zalety użytkowe, rury ze stopu tytanu Gr9 są szeroko stosowane w kluczowych obszarach, takich jak hydrauliczne przewody paliwowe do silników lotniczych, wysokiej klasy sprzęt sportowy, obudowy wierceń naftowych i rurociągi wymiany ciepła, gdzie stawiane są niezwykle wysokie wymagania procesowe dotyczące jednorodności materiału, stabilności mikrostruktury i konsystencji formowania.
Podczas walcowania na zimno partii rur ze stopu tytanu Gr9,-wystąpiły podłużne pęknięcia penetrujące o dużej powierzchni, gdy rury zostały pocienione z Φ70 mm x 8 mm do Φ55 mm x 6 mm. Pęknięcia skupiały się lokalnie wzdłuż kierunku wzdłużnego korpusu rury, bez wyraźnych zadrapań, uderzeń lub innych uszkodzeń zewnętrznych na powierzchni rury. Pęknięcia całkowicie przeniknęły przez ściankę rury, powodując bezpośrednio 60% wskaźnik złomowania tej partii rur, poważnie wpływając na postęp produkcji i stopień kwalifikacji gotowego produktu. Aby dokładnie zidentyfikować pierwotną przyczynę wady i rozwiązać problem pękania partii, w badaniu przeprowadzono systematyczne eksperymenty, w tym analizę komponentów, obserwacje metalograficzne, analizę morfologii pęknięć i porównanie mikrotwardości, aby dogłębnie przeanalizować mechanizm pękania na zimno rur Gr9 i opracować ukierunkowane rozwiązania optymalizacji procesu.
W tym eksperymencie pobrano wiele zestawów próbek zarówno z pękniętych, jak i nienaruszonych obszarów rury. Skład chemiczny analizowano przy użyciu spektrometru ICP z pełnym-widmem do bezpośredniego-odczytu i analizatora tlenu i azotu TC-600. Jednocześnie przygotowano podłużne i poprzeczne próbki metalograficzne oraz przeprowadzono trawienie metalograficzne przy użyciu kwasu fluorowodorowego, kwasu azotowego i środka trawiącego na bazie wody.- Różnice w strukturze matrycy obserwowano za pomocą mikroskopu optycznego. Mikrostrukturę powierzchni pęknięć obserwowano za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego, a na obu typach próbek przeprowadzono wielopunktowe badania porównawcze twardości za pomocą testera mikrotwardości, aby kompleksowo zidentyfikować podstawowe przyczyny uszkodzeń.
Analiza składu wykazała nieprawidłowości w spękanych próbkach, w tym nadmierną zawartość żelaza i tlenu zbliżającą się do górnej granicy normy, co w istotny sposób wpływa na wahania właściwości materiału. Analiza metalograficzna wykazała, że nienaruszone obszary rury wykazywały jednolitą i stabilną standardową strukturę równoosiową z regularnym układem ziaren i dobrą spójnością mikrostruktury; jednakże spękane obszary wykazywały nieprawidłowe wzbogacenie -fazy w kierunku poprzecznym i znacznie grubsze ziarna w kierunku wzdłużnym, wykazując tendencję do transformacji struktury Widmanstättena i poważnie pogorszoną jednorodność mikrostruktury.
Obserwacja mikroskopowa powierzchni pęknięcia potwierdziła, że pęknięcie rury było typowym kruchym pęknięciem międzykrystalicznym, bez cech odkształcenia plastycznego, co wskazuje na pękanie wywołane procesem-spowodowanym niejednorodnością wewnętrznej mikrostruktury. Badanie twardości dodatkowo potwierdziło wadę, wykazując, że średnia twardość Vickersa w obszarze pęknięcia była o 15% wyższa niż w normalnej osnowie, tworząc miejscowo utwardzone obszary i powodując nierówny opór odkształcenia tocznego rury.
Analiza kompleksowych danych eksperymentalnych ujawniła pierwotną przyczynę pękania wsadu w rurach: Na etapie wytapiania i dozowania stopu Gr9 zastosowano gwoździe żelazne jako środek domieszkujący elementy stopowe. Jednakże żelazne gwoździe nie mogły być równomiernie rozproszone podczas mieszania, co skutkowało nierównym rozkładem żelaza na elektrodach do wytapiania. Ostatecznie doprowadziło to do zlokalizowanych defektów segregacji żelaza we wlewku. Te wydzielone obszary znacznie zwiększyły twardość materiału i odporność na odkształcenia, tworząc lokalnie utwardzone bloki. Podczas późniejszego walcowania na zimno i dużego odkształcenia plastycznego, obszary hartowane nie odpowiadały zdolności odkształcania normalnej osnowy, powodując koncentrację naprężeń, których nie można było równomiernie uwolnić. Ostatecznie doprowadziło to do kruchego pękania wzdłuż granic ziaren, tworząc podłużne pęknięcia penetrujące.
Aby wyeliminować tę pierwotną przyczynę wady procesu, na końcu produkcji wprowadzono precyzyjne modyfikacje procesu. Zoptymalizowano system dozowania stopów, eliminując bezpośrednie dodawanie gwoździ żelaznych i zastępując je przedstopami TiFe i VALFe, aby uzyskać równomierne mieszanie i stabilne wytapianie pierwiastków stopowych. Po optymalizacji procesu i weryfikacji produkcji metodą walcowania okresowego, rury ze stopu tytanu Gr9 nie wykazywały już wad, takich jak pękanie wzdłużne i miejscowe kruche pękanie. Mikrostruktura rury była jednolita, wymiary stabilne, a stopień kwalifikacji formowania uległ znacznej poprawie, w pełni weryfikując dokładność analizy przyczyny wady i skuteczność procesu naprawy.
To badanie procesu pękania na zimno rur Gr9 wyraźnie ujawniło fatalny wpływ nierównomiernego dozowania stopu i segregacji pierwiastków na jakość formowania rur ze stopu tytanu. W produkcji precyzyjnych rur ze stopów tytanu, równomierność dozowania wytapiania, kontrola elementów zanieczyszczeń i stabilność mikrostruktury są kluczowymi kluczami do kontrolowania jakości walcowania na zimno. Optymalizując proces dozowania stopów pośrednich, można uniknąć defektów, takich jak segregacja pierwiastków, nienormalna mikrostruktura i nierówna twardość u źródła, całkowicie rozwiązując problem kruchego pękania podczas walcowania na zimno rur Gr9.
Badania te dostarczają ważnego wsparcia teoretycznego dla standaryzowanej,-skalowej i wysokiej jakości-produkcji walcowanej rur ze stopu tytanu Gr9, skutecznie ulepszając system kontroli procesu wsadowego wytapiania stopu tytanu i formowania plastycznego, a także mają znaczącą wartość aplikacyjną w zakresie poprawy jakości i wydajności precyzyjnych rur tytanowych stosowanych w przemyśle lotniczym, petrochemicznym i-najwyższej klasy sprzęcie.