Titanová slitina Gr9 (Ti-3Al-2,5V) je slitina titanu s nízkým -aluminiovým ekvivalentem blízko- typu odvozená z iterativní optimalizace slitiny TC4. Má vynikající mechanické vlastnosti při vysokých a nízkých teplotách, odolnost proti korozi a plasticitu při zpracování za studena a za tepla a zároveň vykazuje stabilní a spolehlivou tvarovatelnost a svařitelnost. Je to základní materiál pro špičkové{12}}lehké hadice. Vzhledem ke svým komplexním výkonnostním výhodám jsou trubky z titanové slitiny Gr9 široce používány v klíčových oblastech, jako jsou hydraulická palivová vedení pro letecké motory, sportovní vybavení nejvyšší třídy, pláště ropných vrtů a potrubí pro výměnu tepla, kde jsou kladeny extrémně vysoké procesní požadavky na homogenitu materiálu, stabilitu mikrostruktury a konzistenci tváření.
Během válcování za studena u šarže trubek ze slitiny titanu Gr9 došlo při ztenčení trubek z Φ70 mm × 8 mm na Φ55 mm × 6 mm k velkoplošným podélným pronikajícím trhlinám. Praskliny byly lokálně soustředěny podél podélného směru těla trubky, bez zjevných škrábanců, nárazů nebo jiného vnějšího poškození na povrchu trubky. Trhliny zcela pronikly stěnou trubek, což přímo způsobilo 60% zmetkovitost této šarže trubek, což vážně ovlivnilo postup výroby a míru kvalifikace hotového výrobku. Aby bylo možné přesně identifikovat hlavní příčinu defektu a vyřešit problém praskání vsázky, provedla tato studie systematické experimenty včetně analýzy součástí, metalografického pozorování, analýzy morfologie lomu a srovnání mikrotvrdosti s cílem hloubkově analyzovat mechanismus praskání trubek Gr9 válcováním za studena a vyvinout cílená řešení optimalizace procesu.
V tomto experimentu bylo odebráno několik sad vzorků jak z prasklých, tak z neporušených oblastí trubky. Chemické složení bylo analyzováno pomocí ICP -přímého{2}}čtecího spektrometru ICP a analyzátoru kyslíku a dusíku TC-600. Současně byly připraveny podélné a příčné metalografické vzorky a bylo provedeno metalografické leptání pomocí leptadla na bázi kyseliny fluorovodíkové, dusičné a vody. Rozdíly ve struktuře matrice byly pozorovány pomocí optického mikroskopu. Mikrostruktura lomového povrchu trhliny byla pozorována pomocí rastrovacího elektronového mikroskopu a na obou typech vzorků bylo provedeno vícebodové srovnávací testování tvrdosti pomocí mikrotvrdoměru, aby byly komplexně identifikovány hlavní příčiny defektů.
Analýza složení odhalila abnormality v popraskaných vzorcích s nadměrným obsahem železa a obsahem kyslíku blížícím se horní hranici normy, což významně přispívá ke kolísání vlastností materiálu. Metalografická analýza ukázala, že neporušené oblasti trubky vykazovaly jednotnou a stabilní standardní rovnoosou strukturu s pravidelným uspořádáním zrn a dobrou konzistencí mikrostruktury; popraskané oblasti však vykazovaly abnormální obohacení -fáze v příčném směru a výrazně hrubší zrna v podélném směru, což vykazovalo tendenci k transformaci Widmanstättenovy struktury a výrazně zhoršenou uniformitu mikrostruktury.
Mikroskopické pozorování povrchu lomu potvrdilo, že praskání trubky bylo typickým mezikrystalovým křehkým lomem bez charakteristik plastické deformace, což ukazuje na proces-vyvolané praskání způsobené vnitřní nehomogenitou mikrostruktury. Testování tvrdosti dále potvrdilo vadu a ukázalo, že průměrná tvrdost podle Vickerse v popraskané oblasti byla o 15 % vyšší než u normální matrice, což tvořilo lokalizované zpevněné oblasti a způsobilo nerovnoměrný odpor vůči válcování deformace v trubce.
Analýza komplexních experimentálních dat odhalila hlavní příčinu vsázkového praskání v trubkách: Během fáze tavení a vsázky slitiny Gr9 byly jako doping pro legující prvky použity železné hřebíky. Železné hřebíky však nemohly být rovnoměrně rozptýleny během míchání, což mělo za následek nerovnoměrnou distribuci železa na tavicích elektrodách. To nakonec vedlo k lokalizovaným defektům segregace železa v ingotu. Tyto segregované oblasti výrazně zvýšily tvrdost materiálu a odolnost proti deformaci a vytvořily lokálně zpevněné bloky. Během následného válcování za studena a vysoké plastické deformace kalené oblasti neodpovídaly deformační kapacitě normální matrice, což způsobilo koncentraci napětí, která nemohla být rovnoměrně uvolněna. To nakonec vedlo ke křehkému praskání podél hranic zrn, čímž se vytvořily podélné pronikající trhliny.
K vyřešení této hlavní příčiny procesní vady byly na konci výroby implementovány přesné úpravy procesu. Systém dávkování slitiny byl optimalizován, eliminoval přímé přidávání železných hřebíků a nahradil je předslitinami TiFe a VALFe, aby se dosáhlo rovnoměrného míchání a stabilního tavení legujících prvků. Po optimalizaci procesu a ověření výroby dávkovým válcováním již trubky z titanové slitiny Gr9 nevykazovaly vady, jako je podélné praskání a lokalizovaný křehký lom. Mikrostruktura trubky byla stejnoměrná, rozměry byly stabilní a rychlost kvalifikace tváření byla výrazně zlepšena, což plně ověřilo přesnost analýzy příčin defektů a účinnost procesu nápravy.
Tato studie o procesu krakování válcováním za studena u trubek Gr9 jasně odhalila fatální dopad nerovnoměrného dávkování slitin a segregace prvků na kvalitu tváření trubek z titanové slitiny. Při výrobě přesných trubek z titanové slitiny jsou klíčovými klíči pro řízení kvality tváření válcováním za studena rovnoměrnost tavení, kontrola nečistot a stabilita mikrostruktury. Optimalizací procesu dávkování mezislitiny se lze vyhnout defektům, jako je segregace prvků, abnormální mikrostruktura a nerovnoměrná tvrdost, již od zdroje, čímž se zcela vyřeší problém křehkého praskání při válcování trubek Gr9 za studena.
Tento výzkum poskytuje důležitou teoretickou podporu pro standardizovanou, ve velkém{0}}měřítku a vysokou{1}}kvalitní válcovací výrobu trubek z titanové slitiny Gr9, účinně zlepšuje systém řízení procesu tavení titanové slitiny při tavení a tváření plastů a má významnou technickou aplikační hodnotu pro zlepšení kvality a účinnosti přesných titanových trubek používaných v leteckém, petrochemickém a vysoce{3}}endovém zařízení.