La lega di titanio Gr9 (Ti-3Al-2,5V) è una lega di titanio a basso contenuto di-alluminio equivalente quasi- derivata dall'ottimizzazione iterativa della lega TC4. Possiede eccellenti proprietà meccaniche alle alte e basse temperature, resistenza alla corrosione e plasticità per la lavorazione a freddo e a caldo, oltre a mostrare formabilità e saldabilità stabili e affidabili. È un materiale di base per tubi leggeri-di fascia alta. Grazie ai suoi vantaggi prestazionali completi, i tubi in lega di titanio Gr9 sono ampiamente utilizzati in aree chiave come le linee di carburante idrauliche per motori aeronautici, attrezzature sportive di fascia alta, involucri di trivellazione petrolifera e condotte di scambio termico, dove vengono imposti requisiti di processo estremamente elevati sull'uniformità del materiale, stabilità della microstruttura e consistenza della formatura.
Durante la produzione di laminazione a freddo di un lotto di tubi in lega di titanio Gr9, si sono verificate crepe longitudinali di ampia-area quando i tubi venivano assottigliati da Φ70 mm×8 mm a Φ55 mm×6 mm. Le crepe erano concentrate localmente lungo la direzione longitudinale del corpo del tubo, senza graffi evidenti, urti o altri danni esterni sulla superficie del tubo. Le crepe sono penetrate completamente nella parete del tubo, causando direttamente un tasso di scarto del 60% per questo lotto di tubi, incidendo gravemente sul progresso della produzione e sul tasso di qualificazione del prodotto finito. Per identificare con precisione la causa principale del difetto e risolvere il problema del cracking batch, questo studio ha condotto esperimenti sistematici tra cui analisi dei componenti, osservazione metallografica, analisi della morfologia della frattura e confronto della microdurezza per analizzare in modo approfondito il meccanismo di cracking della laminazione a freddo dei tubi Gr9 e sviluppare soluzioni mirate di ottimizzazione del processo.
In questo esperimento, sono stati raccolti più set di campioni sia dalle aree fessurate che da quelle intatte del tubo. La composizione chimica è stata analizzata utilizzando uno spettrometro a lettura diretta-a spettro completo ICP e un analizzatore di ossigeno e azoto TC-600. Contemporaneamente, sono stati preparati campioni metallografici longitudinali e trasversali ed è stata eseguita l'incisione metallografica utilizzando un mordenzante a base di acido fluoridrico, acido nitrico e acqua. Le differenze nella struttura della matrice sono state osservate utilizzando un microscopio ottico. La microstruttura della superficie di frattura della cricca è stata osservata utilizzando un microscopio elettronico a scansione e sono stati condotti test di confronto della durezza multipunto su entrambi i tipi di campioni utilizzando un tester di microdurezza per identificare in modo completo le cause principali dei difetti.
L'analisi della composizione ha rivelato anomalie nei campioni fessurati, con un contenuto eccessivo di ferro e un contenuto di ossigeno che si avvicinava al limite superiore dello standard, contribuendo in modo significativo alle fluttuazioni nelle proprietà del materiale. L'analisi metallografica ha mostrato che le aree intatte del tubo presentavano una struttura equiassica standard uniforme e stabile con disposizione regolare dei grani e buona consistenza della microstruttura; tuttavia, le aree fessurate hanno mostrato un arricchimento anomalo della fase - nella direzione trasversale e grani significativamente più grossolani nella direzione longitudinale, mostrando una tendenza verso la trasformazione della struttura di Widmanstätten e un'uniformità della microstruttura gravemente deteriorata.
L'osservazione microscopica della superficie della frattura ha confermato che la fessurazione del tubo era una tipica frattura fragile intergranulare, senza caratteristiche di deformazione plastica, indicando una fessurazione indotta dal processo-causata dalla disomogeneità della microstruttura interna. Le prove di durezza hanno ulteriormente confermato il difetto, mostrando che la durezza Vickers media nell'area fessurata era del 15% superiore a quella della matrice normale, formando regioni indurite localizzate e causando una resistenza irregolare alla deformazione da rotolamento nel tubo.
L'analisi di esaurienti dati sperimentali ha rivelato la causa principale della rottura dei lotti nei tubi: durante la fase di fusione e dosaggio della lega Gr9, i chiodi di ferro sono stati utilizzati come agente dopante per gli elementi di lega. Tuttavia, i chiodi di ferro non potevano essere dispersi uniformemente durante la miscelazione, con conseguente distribuzione non uniforme del ferro sugli elettrodi di fusione. Ciò alla fine ha portato a difetti localizzati di segregazione del ferro all'interno del lingotto. Queste aree segregate hanno aumentato significativamente la durezza del materiale e la resistenza alla deformazione, formando blocchi localmente induriti. Durante la successiva laminazione a freddo e l'elevata deformazione plastica, le aree indurite non corrispondevano alla capacità di deformazione della matrice normale, causando una concentrazione di stress che non poteva essere rilasciata in modo uniforme. Ciò alla fine ha provocato fessurazioni fragili lungo i bordi dei grani, formando fessure penetranti longitudinali.
Per affrontare questa causa principale del difetto di processo, sono state implementate precise modifiche del processo a livello di produzione. Il sistema di dosaggio della lega è stato ottimizzato, eliminando l'aggiunta diretta di chiodi di ferro e sostituendola con leghe madri TiFe e VALFe per ottenere una miscelazione uniforme e una fusione stabile degli elementi leganti. Dopo l'ottimizzazione del processo e la verifica della produzione in batch, i tubi in lega di titanio Gr9 non presentavano più difetti come fessurazioni longitudinali e fratture fragili localizzate. La microstruttura del tubo era uniforme, le dimensioni erano stabili e il tasso di qualificazione della formatura era significativamente migliorato, verificando pienamente l'accuratezza dell'analisi delle cause dei difetti e l'efficacia del processo di rettifica.
Questo studio sul processo di cracking della laminazione a freddo dei tubi Gr9 ha rivelato chiaramente l'impatto fatale del dosaggio irregolare della lega e della segregazione degli elementi sulla qualità di formatura dei tubi in lega di titanio. Nella produzione di tubi di precisione in lega di titanio, l'uniformità dei lotti di fusione, il controllo degli elementi di impurità e la stabilità della microstruttura sono le chiavi fondamentali per controllare la qualità della laminazione a freddo. Ottimizzando il processo di dosaggio della lega intermedia, è possibile evitare all'origine difetti quali la segregazione degli elementi, la microstruttura anomala e la durezza non uniforme, risolvendo completamente il problema delle fessurazioni fragili nella laminazione a freddo dei tubi Gr9.
Questa ricerca fornisce un importante supporto teorico per la produzione laminata standardizzata, su larga{0}}scala e di alta-qualità di tubi in lega di titanio Gr9, migliorando efficacemente il sistema di controllo del processo per la fusione della lega di titanio e la formatura della plastica, e ha un significativo valore applicativo ingegneristico per migliorare la qualità e l'efficienza dei tubi di titanio di precisione utilizzati nel settore aerospaziale, petrolchimico e nelle apparecchiature-di fascia alta.