سبائك التيتانيوم Gr9 (Ti-3Al-2.5V) عبارة عن سبيكة تيتانيوم منخفضة - مكافئة للألومنيوم من النوع - مشتقة من التحسين التكراري لسبائك TC4. إنها تمتلك خواص ميكانيكية ممتازة لدرجات الحرارة العالية والمنخفضة، ومقاومة للتآكل، ولدونة عمل باردة وساخنة، بينما تظهر أيضًا قابلية تشكيل وقابلية لحام مستقرة وموثوقة. إنها مادة أساسية-للأنابيب عالية الجودة وخفيفة الوزن. نظرًا لمزايا الأداء الشامل، تُستخدم أنابيب سبائك التيتانيوم Gr9 على نطاق واسع في المجالات الرئيسية مثل خطوط الوقود الهيدروليكي للمحركات الجوية، والمعدات الرياضية المتطورة، وأغلفة حفر النفط، وخطوط أنابيب التبادل الحراري، حيث يتم وضع متطلبات عملية عالية للغاية على توحيد المواد، واستقرار البنية المجهرية، واتساق التشكيل.
أثناء إنتاج الدرفلة على البارد لمجموعة من أنابيب سبائك التيتانيوم Gr9، حدثت شقوق طولية مخترقة بمساحة كبيرة عندما تم ترقق الأنابيب من Φ70mm×8mm إلى Φ55mm×6mm. تركزت الشقوق محليًا على طول الاتجاه الطولي لجسم الأنبوب، دون وجود خدوش أو صدمات أو أضرار خارجية أخرى واضحة على سطح الأنبوب. اخترقت الشقوق جدار الأنبوب بالكامل، مما تسبب بشكل مباشر في معدل خردة بنسبة 60% لهذه الدفعة من الأنابيب، مما أثر بشدة على تقدم الإنتاج ومعدل تأهيل المنتج النهائي. لتحديد السبب الجذري للخلل بدقة وحل مشكلة تكسير الدفعات، أجرت هذه الدراسة تجارب منهجية بما في ذلك تحليل المكونات، ومراقبة المعادن، وتحليل مورفولوجيا الكسر، ومقارنة الصلابة الدقيقة لتحليل عميق لآلية تكسير الدرفلة على البارد لأنابيب Gr9 وتطوير حلول تحسين العمليات المستهدفة.
في هذه التجربة، تم جمع مجموعات متعددة من العينات من المناطق السليمة والمتشققة للأنبوب. تم تحليل التركيب الكيميائي باستخدام مطياف القراءة الكامل -الطيف المباشر-ICP ومحلل الأكسجين والنيتروجين TC-600. في الوقت نفسه، تم إعداد عينات ميتالوغرافية طولية وعرضية، وتم إجراء النقش الميتالوري باستخدام حمض الهيدروفلوريك، وحمض النيتريك، والنقش المائي. وقد لوحظت الاختلافات في بنية المصفوفة باستخدام المجهر الضوئي. تمت ملاحظة البنية المجهرية لسطح كسر الشق باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح، وتم إجراء اختبار مقارنة الصلابة متعدد النقاط على كلا النوعين من العينات باستخدام اختبار الصلابة الدقيقة لتحديد الأسباب الأساسية للعيوب بشكل شامل.
كشف التحليل التركيبي عن وجود شذوذات في العينات المتشققة، مع اقتراب محتوى الحديد الزائد ومحتوى الأكسجين من الحد الأعلى للمعيار، مما يساهم بشكل كبير في التقلبات في خصائص المواد. أظهر تحليل دراسة المعادن أن المناطق السليمة من الأنبوب أظهرت بنية موحدة ومستقرة قياسية متساوية المحاور مع ترتيب منتظم للحبيبات واتساق جيد للبنية المجهرية؛ ومع ذلك، أظهرت المناطق المتشققة إثراء غير طبيعي للطور - في الاتجاه العرضي وحبيبات خشنة بشكل ملحوظ في الاتجاه الطولي، مما يظهر اتجاهًا نحو تحول بنية Widmanstätten وتدهورًا شديدًا في انتظام البنية المجهرية.
أكدت المراقبة المجهرية لسطح الكسر أن تشقق الأنابيب كان عبارة عن كسر هش نموذجي بين الحبيبات، بدون خصائص التشوه البلاستيكي، مما يشير إلى -تشقق ناتج عن العملية بسبب عدم تجانس البنية المجهرية الداخلية. وقد أثبت اختبار الصلابة الخلل بشكل أكبر، حيث أظهر أن متوسط صلابة فيكرز في المنطقة المتشققة كان أعلى بنسبة 15% من المادة العادية، مما شكل مناطق صلبة محلية وتسبب في مقاومة غير متساوية للتشوه المتدحرج في الأنبوب.
كشف تحليل البيانات التجريبية الشاملة عن السبب الجذري لتشقق الدفعات في الأنابيب: أثناء مرحلة صهر وخلط سبائك Gr9، تم استخدام مسامير الحديد كعامل منشط لعناصر صناعة السبائك. ومع ذلك، لا يمكن تشتيت مسامير الحديد بشكل موحد أثناء الخلط، مما يؤدي إلى توزيع غير متساوي للحديد في أقطاب الصهر. أدى هذا في النهاية إلى عيوب موضعية في فصل الحديد داخل السبيكة. هذه المناطق المنفصلة زادت بشكل كبير من صلابة المواد ومقاومة التشوه، وتشكل كتلًا صلبة محليًا. أثناء الدرفلة الباردة اللاحقة والتشوه البلاستيكي العالي، لم تتطابق المناطق المتصلبة مع قدرة التشوه للمصفوفة الطبيعية، مما تسبب في تركيز الإجهاد الذي لا يمكن إطلاقه بشكل موحد. أدى هذا في النهاية إلى حدوث تشققات هشة على طول حدود الحبوب، مما أدى إلى تشكيل شقوق طولية مخترقة.
ولمعالجة هذا السبب الجذري لخلل العملية، تم تنفيذ تعديلات دقيقة على العملية في نهاية الإنتاج. تم تحسين نظام خلط السبائك، مما أدى إلى التخلص من الإضافة المباشرة لمسامير الحديد واستبدالها بسبائك TiFe وVAlFe الرئيسية لتحقيق خلط موحد وصهر مستقر لعناصر صناعة السبائك. بعد تحسين العملية والتحقق من إنتاج الدرفلة على دفعات، لم تعد أنابيب سبائك التيتانيوم Gr9 تظهر عليها عيوب مثل التشقق الطولي والكسر الهش الموضعي. كانت البنية المجهرية للأنبوب موحدة، وكانت الأبعاد مستقرة، وتم تحسين معدل تأهيل التشكيل بشكل ملحوظ، مما تم التحقق بشكل كامل من دقة تحليل سبب الخلل وفعالية عملية التصحيح.
كشفت هذه الدراسة التي أجريت على عملية التكسير بالدرفلة الباردة لأنابيب Gr9 بوضوح عن التأثير المميت للخلط غير المتساوي للسبائك وفصل العناصر على جودة تشكيل أنابيب سبائك التيتانيوم. في إنتاج أنابيب سبائك التيتانيوم الدقيقة، فإن توحيد خلط الصهر والتحكم في عناصر الشوائب واستقرار البنية المجهرية هي المفاتيح الأساسية للتحكم في جودة التشكيل بالدرفلة على البارد. من خلال تحسين عملية خلط السبائك المتوسطة، يمكن تجنب العيوب مثل فصل العناصر والبنية المجهرية غير الطبيعية والصلابة غير المستوية من المصدر، مما يؤدي إلى حل مشكلة التشقق الهش تمامًا في الدرفلة الباردة لأنابيب Gr9.
يقدم هذا البحث دعمًا نظريًا هامًا لإنتاج الدرفلة المعياري والواسع النطاق والعالي الجودة-لأنابيب سبائك التيتانيوم Gr9، مما يؤدي بشكل فعال إلى تحسين نظام التحكم في عملية صهر سبائك التيتانيوم وتشكيل البلاستيك، كما أن له قيمة تطبيقية هندسية كبيرة لتحسين جودة وكفاءة أنابيب التيتانيوم الدقيقة المستخدمة في معدات الطيران والفضاء والبتروكيماويات والآلات{3} المتطورة.