تحسين العملية وتحليل الأداء لأنابيب سبائك التيتانيوم Ti-B25

من أجل تسريع تطبيق سبائك التيتانيوم Ti-B25 في أنظمة اتصالات السفن، استخدمت هذه الدراسة برنامج العناصر المحدودة DEFORM-3D لمحاكاة عملية بثق الأنابيب في ظل ظروف درجة حرارة تشوه 900 درجة ومعدل إجهاد 0.1 ثانية^-1 بناءً على المعادلة التأسيسية التي تم إنشاؤها في المرحلة المبكرة ومعلمات العملية المُحسَّنة بواسطة مخطط العمل الساخن، وتم التحقق منها من خلال تجارب البثق الفعلية. تُظهر النتائج أنه في ظل ظروف العملية هذه، تم بثق كتلة أنبوب من سبائك التيتانيوم Ti-B25 بقطر 62 مم × 12 مم بنجاح، مع جودة سطح ممتازة وحبيبات مُعاد تبلورها في الهيكل. بعد معالجة الشيخوخة بالمحلول عند 830 درجة /1 ساعة + 600 درجة /8 ساعات، أظهرت كتلة الأنبوب تطابقًا ممتازًا للقوة واللدونة، مما يلبي تمامًا متطلبات استخدام أنابيب هوائي السفينة.

1. بناء نموذج العناصر المحدودة
1. النموذج الهندسي
يوضح الشكل 1 مخططًا تخطيطيًا للقطعة المعدنية المبثوقة والقالب. تم إنشاء النموذج ثلاثي الأبعاد للقطعة المعدنية وأسطوانة البثق وقضيب البثق باستخدام برنامج SolidWorks وتم تحويله إلى ملف STL يمكن التعرف عليه بواسطة برنامج DEFORM-3D.

من أجل تحسين كفاءة الحساب، تم تقسيم 1/4 فقط من الأنبوب بشكل دقيق (انظر الشكل 2) لضمان دقة وتقارب عملية المحاكاة.

2. النموذج التأسيسي
استنادًا إلى الدراسة السابقة حول سلوك التشوه في درجات الحرارة العالية لسبائك التيتانيوم Ti-B25، تستخدم هذه المحاكاة معادلة تكوينية محددة (يتم حذف الصيغة المحددة هنا وعرضها في شكل صورة)، والتي تصف بدقة السلوك الرومولوجي للمادة عند درجات حرارة مختلفة ومعدلات إجهاد.

3. ضبط المعلمات
وفقًا لمخطط المعالجة الحرارية لسبائك التيتانيوم Ti-B25، يتم اختيار درجة حرارة التشوه على أنها 900 درجة ومعدل الانفعال هو 0.1 ثانية^-1. في الوقت نفسه، يتم ضبط معامل الاحتكاك بين السبيكة والقالب على 0.3 ويتم ضبط الموصلية الحرارية على 5. تستخدم عملية المحاكاة حجم خطوة 0.5 مم، بإجمالي 600 خطوة، ويتم حفظ البيانات كل خطوتين لضمان شمولية نتائج المحاكاة.

ثانياً: نتائج المحاكاة والتحليل
1. تحليل مجال الإجهاد
يوضح الشكل 3 توزيع مجال الإجهاد لأنابيب سبائك التيتانيوم Ti-B25 في مراحل مختلفة أثناء عملية البثق. في المرحلة المبكرة، يتركز الإجهاد الكبير عند رأس وذيل الأنبوب؛ ومع تقدم عملية البثق، يزداد الإجهاد بشكل كبير بعد دخول الطرف الأمامي إلى برميل البثق، ويتم إطلاق الإجهاد بسرعة بعد المرور عبر حزام التحجيم. يستمر ظهور أقصى إجهاد مكافئ عند نصف قطر قالب برميل البثق.

2. تحليل مجال الانفعال
يوضح الشكل 4 تغيرات مجال الانفعال أثناء عملية البثق. الانفعال الأولي صغير، ومع مرور الأنبوب عبر حزام التحجيم، يزداد الانفعال بشكل حاد، وخاصة عند نصف قطر حزام التحجيم، مما يسهل تكوين منطقة ميتة للتشوه، ويجب إيلاء اهتمام خاص لذلك.

3. تحليل مجال درجة الحرارة
يوضح الشكل 5 توزيع مجال درجة الحرارة أثناء عملية البثق. في المرحلة المبكرة، يبرد سطح كتلة الأنبوب بسبب التبادل الحراري، ويسخن جزء التشوه بسبب تحويل عمل التشوه البلاستيكي إلى طاقة حرارية، مما يؤدي إلى مجال درجة حرارة غير متساوٍ بشكل خطير. يبلغ أعلى وأدنى فرق في درجة الحرارة 170 درجة، مما يشير إلى أن درجة حرارة التشوه تحتاج إلى التحكم الصارم وأن تصميم القالب يحتاج إلى التحسين.

ثالثا: تجربة بثق الأنبوب
1. تقييم جودة السطح
تستخدم التجربة معلمات درجة حرارة التشوه 900 درجة، ومعدل الانفعال 0.1 ثانية^-1، وسرعة البثق 50 مم/ثانية للبثق. كما هو موضح في الشكل 6، فإن الأنبوب المبثوق يتميز باستقامة عالية وسطح أملس، ولكن هناك عيوب طفيفة في الطرف الأمامي بسبب الانخفاض المفاجئ في درجة الحرارة والتشوه غير المستقر، وهي ظاهرة طبيعية.

2. الخصائص الميكانيكية لدرجة حرارة الغرفة
من خلال معالجة الشيخوخة بالمحلول الصلب، يظهر أنبوب سبائك التيتانيوم Ti-B25 توافقًا ممتازًا بين القوة والمرونة، مما يلبي المتطلبات الصارمة لأنابيب هوائي السفينة. تؤكد هذه النتيجة دقة المحاكاة الرقمية وعقلانية معلمات العملية.