L'alliage de titane Gr9 (Ti-3Al-2,5 V) est un alliage de titane de type faible-équivalent en aluminium proche- dérivé de l'optimisation itérative de l'alliage TC4. Il possède d'excellentes propriétés mécaniques à haute et basse température, une résistance à la corrosion et une plasticité de travail à froid et à chaud, tout en présentant également une formabilité et une soudabilité stables et fiables. Il s'agit d'un matériau de base pour les tubes légers haut de gamme. En raison de ses avantages complets en termes de performances, les tubes en alliage de titane Gr9 sont largement utilisés dans des domaines clés tels que les conduites de carburant hydrauliques pour les moteurs d'avion, les équipements sportifs haut de gamme, les carters de forage pétrolier et les canalisations d'échange thermique, où des exigences de processus extrêmement élevées sont imposées en termes d'uniformité des matériaux, de stabilité de la microstructure et de cohérence de la formation.
Au cours de la production de laminage à froid d'un lot de tubes en alliage de titane Gr9, des fissures pénétrantes longitudinales de grande surface se sont produites lorsque les tubes ont été amincis de Φ70 mm × 8 mm à Φ55 mm × 6 mm. Les fissures étaient localement concentrées le long de la direction longitudinale du corps du tube, sans rayures, impacts ou autres dommages externes évidents sur la surface du tube. Les fissures ont complètement pénétré la paroi du tube, provoquant directement un taux de rebut de 60 % pour ce lot de tubes, impactant gravement la progression de la production et le taux de qualification du produit fini. Pour identifier avec précision la cause première du défaut et résoudre le problème de fissuration par lots, cette étude a mené des expériences systématiques comprenant l'analyse des composants, l'observation métallographique, l'analyse de la morphologie de la rupture et la comparaison de la microdureté pour analyser en profondeur le mécanisme de fissuration du laminage à froid des tubes Gr9 et développer des solutions ciblées d'optimisation des processus.
Dans cette expérience, plusieurs ensembles d’échantillons ont été collectés dans les zones fissurées et intactes du tuyau. La composition chimique a été analysée à l'aide d'un spectromètre à lecture directe à spectre complet-ICP-et d'un analyseur d'oxygène et d'azote TC-600. Simultanément, des échantillons métallographiques longitudinaux et transversaux ont été préparés et une gravure métallographique a été réalisée à l'aide d'un acide fluorhydrique, d'un acide nitrique et d'un agent d'attaque à base d'eau -. Les différences de structure matricielle ont été observées à l’aide d’un microscope optique. La microstructure de la surface de fracture des fissures a été observée à l'aide d'un microscope électronique à balayage, et des tests de comparaison de dureté multipoints ont été effectués sur les deux types d'échantillons à l'aide d'un testeur de microdureté afin d'identifier de manière exhaustive les principales causes des défauts.
L'analyse de la composition a révélé des anomalies dans les échantillons fissurés, avec une teneur excessive en fer et une teneur en oxygène proche de la limite supérieure de la norme, contribuant de manière significative aux fluctuations des propriétés des matériaux. L'analyse métallographique a montré que les zones intactes du tuyau présentaient une structure équiaxiale standard uniforme et stable avec une disposition régulière des grains et une bonne cohérence de la microstructure ; cependant, les zones fissurées présentaient un enrichissement anormal en phase - dans le sens transversal et des grains significativement plus grossiers dans le sens longitudinal, présentant une tendance à la transformation de la structure de Widmanstätten et à une uniformité de la microstructure gravement détériorée.
L'observation microscopique de la surface de fracture a confirmé que la fissuration du tuyau était une fracture fragile intergranulaire typique, sans caractéristiques de déformation plastique, indiquant une fissuration induite par un processus -causé par une inhomogénéité de la microstructure interne. Les tests de dureté ont également corroboré le défaut, montrant que la dureté Vickers moyenne dans la zone fissurée était 15 % supérieure à celle de la matrice normale, formant des régions durcies localisées et provoquant une résistance inégale à la déformation par roulement dans le tuyau.
L'analyse de données expérimentales complètes a révélé la cause profonde de la fissuration des tubes dans les tubes : pendant la phase de fusion et de dosage de l'alliage Gr9, des clous en fer ont été utilisés comme agent dopant pour les éléments d'alliage. Cependant, les clous de fer ne pouvaient pas être uniformément dispersés pendant le mélange, ce qui entraînait une répartition inégale du fer au niveau des électrodes de fusion. Cela a finalement conduit à des défauts localisés de ségrégation du fer au sein du lingot. Ces zones ségréguées ont considérablement augmenté la dureté du matériau et la résistance à la déformation, formant des blocs localement durcis. Lors du laminage à froid et de la déformation plastique élevée qui a suivi, les zones durcies ne correspondaient pas à la capacité de déformation de la matrice normale, provoquant une concentration de contraintes qui ne pouvait pas être libérée uniformément. Cela a finalement abouti à des fissures fragiles le long des joints de grains, formant des fissures pénétrantes longitudinales.
Pour remédier à cette cause fondamentale du défaut du processus, des modifications précises du processus ont été mises en œuvre à la fin de la production. Le système de dosage des alliages a été optimisé, éliminant l'ajout direct de clous en fer et le remplaçant par des alliages maîtres TiFe et VAlFe pour obtenir un mélange uniforme et une fusion stable des éléments d'alliage. Après l'optimisation du processus et la vérification de la production par laminage par lots, les tubes en alliage de titane Gr9 ne présentaient plus de défauts tels que des fissures longitudinales et des fractures fragiles localisées. La microstructure du tube était uniforme, les dimensions étaient stables et le taux de qualification de formage était considérablement amélioré, vérifiant pleinement l'exactitude de l'analyse des causes des défauts et l'efficacité du processus de rectification.
Cette étude sur le processus de craquage par laminage à froid des tubes Gr9 a clairement révélé l'impact fatal d'un dosage inégal des alliages et de la ségrégation des éléments sur la qualité de formage des tubes en alliage de titane. Dans la production de tubes de précision en alliage de titane, l'uniformité du lot de fusion, le contrôle des éléments d'impuretés et la stabilité de la microstructure sont les clés essentielles pour contrôler la qualité du formage par laminage à froid. En optimisant le processus de dosage des alliages intermédiaires, des défauts tels que la ségrégation des éléments, une microstructure anormale et une dureté inégale peuvent être évités à la source, résolvant ainsi complètement le problème de la fissuration fragile lors du laminage à froid des tubes Gr9.
Cette recherche fournit un support théorique important pour la production de laminage standardisée, à grande échelle et de haute qualité de tubes en alliage de titane Gr9, améliorant efficacement le système de contrôle des processus pour la fusion des alliages de titane et le formage du plastique, et a une valeur d'application technique significative pour améliorer la qualité et l'efficacité des tubes de titane de précision utilisés dans les équipements aérospatiaux, pétrochimiques et haut de gamme.