ما هو تأثير عملية الدرفلة المكسوة على صفائح سبائك التيتانيوم Gr5؟

 

باعتبارها سبيكة تيتانيوم نموذجية + مزدوجة،سبائك التيتانيوم Gr5 (Ti-6Al-4V)يستفيد من الكسوة والمتداول تكنولوجيا. تستخدم هذه التقنية طبقة كسوة معدنية لتحسين تجانس قوة التدحرج، مما يؤدي بشكل فعال إلى حل مشكلة تشقق الحواف أثناء معالجة التخفيض الكبير لسبائك التيتانيوم. فهو يوفر مسارًا ممكنًا للتحضير-عالي الأداء للصفائح ذات السماكات المختلفة. تُستخدم الصفائح الرقيقة جدًا-بسمك 0.5 مم غالبًا في المكونات الدقيقة والمزروعات الطبية، في حين تُستخدم الصفائح السميكة المتوسطة-بسمك 3.0 مم في الغالب في الأجزاء الحاملة للحمل الهيكلي-. في إطار عملية الكسوة والدرفلة، تستكشف هذه الدراسة قانون تطور البنية المجهرية واختلافات الخواص الميكانيكية لصفائح سبائك التيتانيوم Gr5 مقاس 0.5 مم و3.0 مم، مما يكشف عن العلاقة الجوهرية بين معلمات السُمك وأداء العملية.

 

 

1. المواد الخام وإعداد العينات

تم اختيار سبائك التيتانيوم الصناعية -Gr5 للتجربة. تركيباتها الكيميائية الرئيسية (الجزء الكتلي) هي: Al 5.8%، V 4.2%، Fe 0.15%، O 0.12%، والرصيد هو Ti، الذي يلبي متطلبات معيار ASTM B348. بعد التجانس والتليين عند 1050 درجة (منطقة) لمدة 4 ساعات، تم تشكيل السبيكة لتصبح 15 مم-ساخنة ملفوفة على الساخن-فارغة. تم استخدام صفيحة فولاذية Q235 (بسمك 2 مم) كمادة للتكسية. تم استخدام لحام قوس الأرجون لتجميع ولحام سبائك التيتانيوم الفارغة واللوحة الفولاذية المغلفة في حزمة درفلة مغلفة مغلقة، مما يضمن عدم اتصال سبائك التيتانيوم بالهواء مباشرة أثناء عملية اللف لتجنب التلوث بالأكسدة.

عمليات الدرفلة المتمايزة للسماكتين المستهدفتين:

 

• ورقة 3.0 مم: تم تسخين حزمة الدرفلة المغطاة وعزلها عند 930 درجة (قسم درجة الحرارة المتوسطة لمنطقة + منطقة الطباعة المزدوجة) لمدة ساعتين، ثم درفلتها على الساخن - إلى 3.5 مم في حرارة واحدة، ثم إخضاعها لإعادة التبلور والتليين عند 800 درجة لمدة ساعة واحدة لإزالة إجهاد التدحرج وتحسين الهيكل، وأخيرًا درفلتها على البارد - إلى السمك النهائي الذي يبلغ 3.0 مم من خلال ممرين مع معدل تخفيض الدرفلة على البارد حوالي 14%.
• لوح 0.5 مم: باستخدام لوح 3.0 مم كالفراغ الوسيط، بعد السفع بالخردق على السطح، تم اعتماد عملية الدرفلة على البارد في درجة حرارة الغرفة للوصول إلى السمك المستهدف من خلال 20 تمريرة من الدرفلة التدريجية بمعدل تخفيض إجمالي قدره 83%. يتم تنفيذ التلدين بتخفيف الضغط بدرجة حرارة منخفضة عند 650 درجة لمدة 30 دقيقة كل 5 تمريرات لمنع التشققات أثناء التدحرج.

 

تم أخيرًا إخضاع سماكة الصفائح للتلدين الفراغي عند 650 درجة لمدة ساعة واحدة للتخلص من إجهاد العمل البارد النهائي وضمان الاستقرار الهيكلي.

 

2. طرق الاختبار

معدات الاختبار: OM&TEM

 

تم إجراء توصيف البنية المجهرية باستخدام المجهر الضوئي OLYMPUS GX71 (OM) والمجهر الإلكتروني للإرسال FEI Tecnai G2 F20 (TEM). بعد الطحن والتلميع، تم حفر العينات باستخدام كاشف كرول (HF:HNO₃:H₂O=1:3:10) لمدة 5-8 ثوانٍ لعرض البنية المعدنية. تم تحضير عينات TEM عن طريق التلميع الكهربائي بالرش المزدوج مع مائع عمل من الميثانول: حمض النيتريك =3:1 عند -20 درجة.

تم إجراء اختبارات الخصائص الميكانيكية وفقًا لمعايير ASTM E8/E8M على جهاز اختبار عالمي Instron 5969 لاختبارات الشد في درجة حرارة الغرفة بمعدل شد يبلغ 2 مم/دقيقة. تم أخذ ثلاث عينات متوازية لكل سمك، واستخدمت القيمة المتوسطة كنتيجة نهائية. تم اختبار الصلابة الدقيقة باستخدام جهاز اختبار الصلابة ZWICK/Roell ZHV30 Vickers بحمولة 100 جم وزمن احتجاز يبلغ 15 ثانية. تم اختبار عشر نقاط لكل عينة، وتم أخذ القيمة المتوسطة بعد إزالة القيم القصوى والدنيا.

 

 

1. البنية الكلية وحجم الحبوب

يحتوي كلا سمك صفائح سبائك التيتانيوم على هيكل مزدوج +، ولكن هناك اختلافات كبيرة في حجم الحبيبات وتوزيع الطور وآلية التشكيل بسبب السُمك (الاختلافات في تكنولوجيا المعالجة).

 

صور مجهرية حوالي 0.5 مم و 3.0 مم من صفائح التيتانيوم

 

المعلمة	3.0 ملم متوسط-ورقة سميكة	ورقة رفيعة للغاية بسمك 0.5 مم.-
حجم الحبوب	8–12 ميكرومتر (خشن متساوي المحاور)	2–5 ميكرومتر (فائقة -ناعمة)
توزيع المرحلة	متقطع (المشارب / الجزر)	مستمر (الشبكة + الرواسب المتفرقة)
الآلية الأساسية	درجة حرارة متوسطة للدرفلة على الساخن + درجة حرارة متوسطة للدرفلة على البارد	انخفاض كبير في الدرفلة على البارد + التلدين بدرجة حرارة منخفضة-.

 

2.مقارنة الخواص الميكانيكية

سمك الورقة (مم)	قوة الشد Rm (MPa)	قوة الخضوع Rp0.2 (MPa)	الاستطالة بعد الكسر أ (٪)	الصلابة الدقيقة الجهد العالي
3.0	898	840	17.7	260
0.5	1035	980	16.5	320
معدل تحسين الأداء (%)	15.2	16.7	-1.2	23.1

 

 

يمكن لعملية الدرفلة أن تقوم بتحضير صفائح سبائك التيتانيوم Gr5 عالية الأداء بشكل فعال. هناك اختلافات كبيرة في البنية المجهرية والخواص الميكانيكية للصفائح ذات السماكات المختلفة: تقدم الصفائح السميكة المتوسطة 3.0 مم - بنية شريطية + متساوية بحجم حبيبات تبلغ 8-12 ميكرومتر، وقوة شد في درجة حرارة الغرفة تبلغ 898 ميجا باسكال، واستطالة بعد الكسر بنسبة 17.7%؛ تشكل الصفائح الرقيقة للغاية بسمك 0.5 مم بنية شبكة + فائقة الدقة بحجم حبيبات 2-5 ميكرومتر، وتزداد قوة الشد إلى 1035 ميجاباسكال، ويتم الحفاظ على الاستطالة بعد الكسر بنسبة 16.5%، مما يحقق مزيجًا جيدًا من القوة العالية واللدونة العالية.

 

تعد السُمك-تشوه اللف المسيطر ومعلمات العملية هي جوهر التحكم في البنية المجهرية: تعد العملية المجمعة للدرفلة الباردة ذات التخفيض الكبير والتليين المجزأ هي المفتاح لتحقيق التحسين الفائق للحبيبات-للصفيحة مقاس 0.5 مم، في حين أن الدرفلة على الساخن بدرجة الحرارة المتوسطة- والدلفنة على البارد ذات التخفيض الصغير تحدد خصائص هيكل الحبوب الخشنة متساوية المحاور للوح 3.0 مم؛ تلعب طبقة الكسوة دورًا في تحسين تجانس التشوه ومنع تكوين العيوب في تحضير كلا سمكي الصفائح.

 

إن الصفائح السميكة المتوسطة-3.0 مم، والتي تتمتع بمرونة جيدة وقوة متوسطة، مناسبة للمكونات الحاملة للحمل-مثل الأجزاء الهيكلية الفضائية الجوية وخطوط أنابيب الهندسة البحرية؛ يمكن استخدام الصفائح الرقيقة للغاية -بسمك 0.5 مم، مع قوتها المحددة الممتازة ودقة أبعادها، في المجالات المتطورة-مثل الغرسات الطبية (على سبيل المثال، البطانات المفصلية الاصطناعية) والمكونات خفيفة الوزن لشفرات المحرك الهوائي-.