La aleación de titanio Gr9 (Ti-3Al-2,5V) es una aleación de titanio con bajo-equivalente en aluminio casi- derivada de la optimización iterativa de la aleación TC4. Posee excelentes propiedades mecánicas a altas y bajas temperaturas, resistencia a la corrosión y plasticidad para trabajo en frío y en caliente, al tiempo que exhibe una conformabilidad y soldabilidad estables y confiables. Es un material central para tubos livianos-de alta gama. Debido a sus amplias ventajas de rendimiento, los tubos de aleación de titanio Gr9 se utilizan ampliamente en áreas clave, como líneas de combustible hidráulicas para motores aeronáuticos, equipos deportivos de alta gama, carcasas de perforación petrolera y tuberías de intercambio de calor, donde se imponen requisitos de proceso extremadamente altos en cuanto a la uniformidad del material, la estabilidad de la microestructura y la consistencia del conformado.
Durante la producción de laminado en frío de un lote de tubos de aleación de titanio Gr9, se produjeron grietas penetrantes longitudinales de gran-área cuando los tubos se adelgazaron de Φ70 mm×8 mm a Φ55 mm×6 mm. Las grietas se concentraron localmente a lo largo de la dirección longitudinal del cuerpo del tubo, sin rayones, impactos u otros daños externos evidentes en la superficie del tubo. Las grietas penetraron completamente la pared del tubo, lo que provocó directamente una tasa de desperdicio del 60 % para este lote de tubos, lo que afectó gravemente el progreso de la producción y la tasa de calificación del producto terminado. Para identificar con precisión la causa raíz del defecto y resolver el problema de craqueo por lotes, este estudio realizó experimentos sistemáticos que incluyeron análisis de componentes, observación metalográfica, análisis de morfología de fractura y comparación de microdureza para analizar en profundidad el mecanismo de craqueo por laminación en frío de los tubos Gr9 y desarrollar soluciones específicas de optimización de procesos.
En este experimento, se recogieron múltiples conjuntos de muestras tanto de las áreas agrietadas como de las intactas de la tubería. La composición química se analizó utilizando un espectrómetro de lectura directa-de espectro completo-ICP y un analizador de oxígeno y nitrógeno TC-600. Simultáneamente, se prepararon muestras metalográficas longitudinales y transversales, y se realizó un grabado metalográfico utilizando un agente decapante a base de ácido fluorhídrico, ácido nítrico y agua-. Las diferencias en la estructura de la matriz se observaron utilizando un microscopio óptico. La microestructura de la superficie de fractura de la grieta se observó utilizando un microscopio electrónico de barrido y se realizaron pruebas de comparación de dureza multipunto en ambos tipos de muestras utilizando un probador de microdureza para identificar exhaustivamente las causas principales de los defectos.
El análisis de composición reveló anomalías en las muestras agrietadas, con un contenido excesivo de hierro y oxígeno acercándose al límite superior del estándar, lo que contribuyó significativamente a las fluctuaciones en las propiedades del material. El análisis metalográfico mostró que las áreas intactas de la tubería exhibieron una estructura equiaxial estándar uniforme y estable con disposición de grano regular y buena consistencia de microestructura; sin embargo, las áreas agrietadas mostraron un enriquecimiento anormal de la fase - en la dirección transversal y granos significativamente más gruesos en la dirección longitudinal, mostrando una tendencia hacia la transformación de la estructura de Widmanstätten y una uniformidad de la microestructura severamente deteriorada.
La observación microscópica de la superficie de la fractura confirmó que el agrietamiento de la tubería era una fractura frágil intergranular típica, sin características de deformación plástica, lo que indica un agrietamiento inducido por el proceso-causado por la falta de homogeneidad de la microestructura interna. Las pruebas de dureza corroboraron aún más el defecto, mostrando que la dureza Vickers promedio en el área agrietada era un 15% mayor que la de la matriz normal, formando regiones endurecidas localizadas y causando una resistencia desigual a la deformación por rodadura en la tubería.
El análisis de datos experimentales completos reveló la causa fundamental del agrietamiento por lotes en las tuberías: durante la etapa de fundición y procesamiento por lotes de la aleación Gr9, se utilizaron clavos de hierro como agente dopante para los elementos de aleación. Sin embargo, los clavos de hierro no se pudieron dispersar uniformemente durante la mezcla, lo que resultó en una distribución desigual del hierro en los electrodos de fundición. En última instancia, esto condujo a defectos localizados de segregación de hierro dentro del lingote. Estas áreas segregadas aumentaron significativamente la dureza del material y la resistencia a la deformación, formando bloques endurecidos localmente. Durante el posterior laminado en frío y la alta deformación plástica, las áreas endurecidas no igualaban la capacidad de deformación de la matriz normal, provocando una concentración de tensiones que no podían liberarse uniformemente. Esto finalmente resultó en grietas frágiles a lo largo de los límites de los granos, formando grietas longitudinales penetrantes.
Para abordar esta causa fundamental del defecto del proceso, se implementaron modificaciones precisas del proceso al final de la producción. Se optimizó el sistema de dosificación de aleaciones, eliminando la adición directa de clavos de hierro y reemplazándolos con aleaciones maestras de TiFe y VAlFe para lograr una mezcla uniforme y una fundición estable de los elementos de aleación. Después de la optimización del proceso y la verificación de la producción de laminado por lotes, los tubos de aleación de titanio Gr9 ya no presentaban defectos como grietas longitudinales y fracturas frágiles localizadas. La microestructura del tubo era uniforme, las dimensiones eran estables y la tasa de calificación de formación mejoró significativamente, verificando plenamente la precisión del análisis de la causa del defecto y la eficacia del proceso de rectificación.
Este estudio sobre el proceso de craqueo por laminación en frío de tubos Gr9 reveló claramente el impacto fatal de la dosificación desigual de aleaciones y la segregación de elementos en la calidad de formación de los tubos de aleación de titanio. En la producción de tubos de aleación de titanio de precisión, la uniformidad del procesamiento por lotes de fundición, el control de los elementos de impureza y la estabilidad de la microestructura son las claves principales para controlar la calidad del conformado por laminación en frío. Al optimizar el proceso de procesamiento por lotes de aleaciones intermedias, se pueden evitar desde la fuente defectos como la segregación de elementos, la microestructura anormal y la dureza desigual, resolviendo por completo el problema del agrietamiento frágil en el laminado en frío de tubos Gr9.
Esta investigación proporciona un importante respaldo teórico para la producción laminada estandarizada, a gran-escala y de alta-calidad de tubos de aleación de titanio Gr9, mejorando efectivamente el sistema de control de procesos para la fundición por lotes de aleaciones de titanio y la conformación de plástico, y tiene un importante valor de aplicación de ingeniería para mejorar la calidad y eficiencia de los tubos de titanio de precisión utilizados en equipos aeroespaciales, petroquímicos y de alta-.