تاثیر فرآیند نورد روکش روی ورق های آلیاژ تیتانیوم Gr5 چیست؟

 

به عنوان یک آلیاژ تیتانیوم + دوبلکس معمولی،آلیاژ تیتانیوم Gr5 (Ti-6Al-4V)مزایای پوشش و نورد تکنولوژی این فناوری از یک لایه روکش فلزی برای بهبود یکنواختی نیروی نورد استفاده می کند و به طور موثر مشکل ترک لبه را در طول پردازش کاهش زیاد آلیاژ تیتانیوم حل می کند. این یک مسیر امکان‌پذیر برای آماده‌سازی ورق‌های با ضخامت‌های مختلف-با عملکرد بالا فراهم می‌کند. ورق فوق نازک 0.5 میلی متری اغلب در قطعات دقیق و ایمپلنت های پزشکی استفاده می شود، در حالی که ورق با ضخامت متوسط ​​3.0 میلی متر-بیشتر در قسمت های تحمل بار ساختاری استفاده می شود. تحت فرآیند روکش و نورد، این مطالعه قانون تکامل ریزساختار و تفاوت‌های خواص مکانیکی ورق‌های آلیاژ تیتانیوم 0.5mm و 3.0mm Gr5 را بررسی می‌کند و همبستگی ذاتی بین پارامترهای ضخامت و عملکرد فرآیند را آشکار می‌کند.

 

 

1. مواد اولیه و آماده سازی نمونه

شمش‌های صنعتی-آلیاژ تیتانیوم Gr5 برای آزمایش انتخاب شدند. ترکیبات شیمیایی اصلی آنها (کسر جرمی) عبارتند از: Al 5.8٪، V 4.2٪، Fe 0.15٪، O 0.12٪ و تعادل Ti است که الزامات استاندارد ASTM B348 را برآورده می کند. پس از بازپخت همگن در 1050 درجه (منطقه) به مدت 4 ساعت، شمش به ضخامت 15 میلی‌متر{12}} رول شده داغ- تبدیل شد. ورق فولادی Q235 (ضخامت 2 میلی متر) به عنوان مواد روکش استفاده شد. از جوشکاری قوس آرگون برای مونتاژ و جوشکاری آلیاژ تیتانیوم و صفحه فولادی روکش فلزی در یک بسته نورد چند لایه بسته استفاده شد تا اطمینان حاصل شود که آلیاژ تیتانیوم مستقیماً با هوا در طول فرآیند نورد تماس نمی‌گیرد تا از آلودگی اکسیداسیون جلوگیری شود.

فرآیندهای نورد متمایز برای دو ضخامت هدف:

 

• ورق 3.0 میلی متری: بسته روکش دار در دمای 930 درجه (بخش دمای متوسط + ناحیه دوبلکس) به مدت 2 ساعت گرم و عایق بندی شد، در یک گرما به اندازه 3.5 میلی متر نورد شد، سپس در معرض تبلور مجدد در دمای 800 درجه به مدت 1 ساعت قرار گرفت تا ضخامت سازه نورد حذف شود، و در نهایت ضخامت نورد 8 صاف شود. 3.0 میلی متر از طریق 2 عبور با نرخ کاهش نورد سرد حدود 14٪.
• ورق 0.5 میلی متری: با استفاده از ورق 3.0 میلی متری به عنوان ورق میانی، پس از شات بلاست سطحی، فرآیند نورد سرد در دمای اتاق برای رسیدن به ضخامت هدف از طریق 20 پاس نورد پیش رونده با نرخ کاهش کل 83 درصد اتخاذ شد. بازپخت تنش زدایی در دمای پایین در دمای 650 درجه به مدت 30 دقیقه هر 5 بار انجام شد تا از ایجاد ترک در هنگام نورد جلوگیری شود.

 

هر دو ضخامت ورق در نهایت تحت بازپخت خلاء در دمای 650 درجه به مدت 1 ساعت قرار گرفتند تا تنش سرد کاری نهایی از بین برود و پایداری ساختاری تضمین شود.

 

2. روش های تست

تجهیزات تست: OM&TEM

 

مشخصات ریزساختار با استفاده از میکروسکوپ نوری OLYMPUS GX71 (OM) و میکروسکوپ الکترونی عبوری FEI Tecnai G2 F20 (TEM) انجام شد. پس از سنگ زنی و پرداخت، نمونه ها با معرف کرول (HF:HNO3:H2O=1:3:10) به مدت 5-8 ثانیه برای نمایش ساختار متالوگرافی اچ شدند. نمونه‌های TEM با استفاده از پولیش الکترولیتی دوبار اسپری با سیال متانول: نیتریک اسید=3:1 در دمای 20- درجه تهیه شد.

آزمایش‌های خواص مکانیکی مطابق با استانداردهای ASTM E8/E8M بر روی دستگاه تست جهانی Instron 5969 برای آزمایش‌های کششی دمای اتاق با نرخ کشش 2 میلی‌متر در دقیقه انجام شد. برای هر ضخامت سه نمونه موازی گرفته شد و از مقدار متوسط ​​به عنوان نتیجه نهایی استفاده شد. میکروسختی با استفاده از سختی سنج ZWICK/Roell ZHV30 Vickers با بار 100 گرم و زمان نگهداری 15 ثانیه آزمایش شد. برای هر نمونه ده امتیاز آزمایش شد و پس از حذف حداکثر و حداقل مقدار میانگین گرفته شد.

 

 

1. ساختار کلان و اندازه دانه

هر دو ضخامت ورق های آلیاژ تیتانیوم دارای ساختار دوبلکس + هستند، اما تفاوت های قابل توجهی در اندازه دانه، توزیع فاز و مکانیسم تشکیل به دلیل ضخامت (تفاوت در فناوری پردازش) وجود دارد.

 

تصاویر میکروگراف در مورد ورق تیتانیوم 0.5mm و 3.0mm

 

پارامتر	ورق متوسط ​​3.0 میلی متری-ضخیم	0.5 میلی متر-ورق فوق العاده نازک
اندازه دانه	8-12μm (معادل درشت)	2-5μm (بسیار-خوب)
توزیع فاز	ناپیوسته (نوارها/جزایر)	پیوسته (شبکه + رسوبات پراکنده)
مکانیسم اصلی	نورد گرم با دمای متوسط- + نورد سرد متوسط	نورد سرد با کاهش زیاد + بازپخت{1}در دمای پایین

 

2. مقایسه خواص مکانیکی

ضخامت ورق (میلی متر)	مقاومت کششی Rm (MPa)	قدرت تسلیم Rp0.2 (MPa)	ازدیاد طول بعد از شکست A (%)	میکروسختی HV
3.0	898	840	17.7	260
0.5	1035	980	16.5	320
نرخ بهبود عملکرد (%)	15.2	16.7	-1.2	23.1

 

 

فرآیند نورد روکشی می‌تواند به طور مؤثری-ورق‌های آلیاژ تیتانیوم Gr5 با کارایی بالا را آماده کند. تفاوت‌های قابل‌توجهی در ریزساختار و خواص مکانیکی ورق‌های با ضخامت‌های مختلف وجود دارد: ورق 3.0 میلی‌متری با ضخامت متوسط- یک ساختار نوار + هم محور با اندازه دانه 8-12 میکرومتر، مقاومت کششی در دمای اتاق 898 مگاپاسکال، و ازدیاد طول پس از شکستگی ارائه می‌کند. ورق فوق نازک 0.5 میلی متری یک ساختار شبکه + بسیار ریز با اندازه دانه 2 تا 5 میکرومتر تشکیل می دهد، استحکام کششی به 1035 مگاپاسکال افزایش می یابد، و ازدیاد طول بعد از شکست در 16.5٪ حفظ می شود و ترکیب خوبی از استحکام بالا و انعطاف پذیری بالا را به دست می آورد.

 

ضخامت-تغییر شکل نورد غالب و پارامترهای فرآیند هسته اصلی کنترل ریزساختار هستند: فرآیند ترکیبی نورد سرد کاهشی بزرگ و بازپخت قطعه‌ای کلید دستیابی به دانه‌بندی فوق‌العاده-صفحه ورق 0.5 میلی‌متری است، در حالی که متوسط{3}}ویژگی‌های نورد گرم نسبت به درجه حرارت و کاهش ساختار نورد سرد کوچک را تعیین می‌کند. ورق 3.0 میلی متری؛ لایه روکش در بهبود یکنواختی تغییر شکل و جلوگیری از ایجاد نقص در تهیه هر دو ضخامت ورق نقش دارد.

 

ورق با ضخامت متوسط ​​3.0 میلی متری{1}}، با انعطاف پذیری خوب و استحکام متوسط، برای اجزای باربری- مانند قطعات ساختاری هوافضا و خطوط لوله مهندسی دریایی مناسب است. ورق فوق نازک 0.5 میلی متری، با استحکام ویژه و دقت ابعادی عالی، می تواند در زمینه های پیشرفته مانند ایمپلنت های پزشکی (به عنوان مثال، بوش های مفصل مصنوعی) و اجزای سبک وزن تیغه های موتور aero استفاده شود.