Dokonano przeglądu stanu badań i postępu technologii przetwarzania kompozytów z osnową tytanu (TiMMC) w aspekcie tradycyjnej obróbki mechanicznej, obróbki pola energetycznego kompozytu, obróbki kucia i wytwarzania addytywnego. Charakterystyka TiMMC przetwarzanych różnymi technikami przetwarzania. Zmierzając do głównych problemów obecnych badań, prognozuje się kierunek rozwoju technologii przetwarzania TiMMCs w przyszłości.
zdjęcie
Starszy inżynier na poziomie naukowca Wang Guangping
01
preambuła
Tytan i jego stopy są szeroko stosowane w przemyśle lotniczym, petrochemicznym, morskim i medycznym ze względu na ich doskonałe właściwości, takie jak wysoka wytrzymałość właściwa, doskonała odporność na korozję chemiczną i dobra biokompatybilność [1-4]. Jednak moduł Younga, odporność na ścieranie i żaroodporność stopów tytanu są niższe niż stali i stopów na bazie niklu, co ogranicza ich dalsze zastosowania w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym [5-8]. Pojawienie się kompozytów z osnową tytanową (TiMMC) stanowi nową alternatywę dla przezwyciężenia powyższych problemów. TiMMCs to materiał kompozytowy składający się z tytanu i jego stopów jako matrycy oraz ceramiki (cząstek, wiskerów, włókien krótkich i ciągłych włókien długich) jako fazy wzmacniającej (patrz rysunek 1).
zdjęcie
a) Ciągłe kompozyty z osnową tytanową wzmocnione długimi włóknami
zdjęcie
b) Kompozyty na bazie tytanu wzmocnione cząstkami c) Kompozyty na bazie tytanu wzmocnione wąsami/krótkimi włóknami
Rycina 1 Schemat ideowy TiMMC z różnymi typami faz wzmacniających
Zachowując doskonałe właściwości matrycy, TiMMCs mogą również uzyskać kompleksowe właściwości, których nie można osiągnąć za pomocą pojedynczej fazy wzmacniającej lub matrycy poprzez komplementarność i korelację właściwości włókna i matrycy. Na przykład granica plastyczności kompozytu (TiC plus Ti5Si3)/Ti przygotowanego przez HUO i in. [9] ma aż 829 MPa, czyli o 178 procent więcej niż czystego tytanu, przy zachowaniu wysokiego wydłużenia na poziomie 8,1 procent oraz dużej wytrzymałości i średniej plastyczności. W porównaniu z laminowanymi kompozytami TiC/Ti, wytrzymałość i plastyczność TiMMC są jednocześnie zwiększone, co skutkuje doskonałą synergią wytrzymałości i ciągliwości. Wysoki moduł właściwy TiMMC jest głównym czynnikiem promującym jego szerokie zastosowanie w kadłubach samolotów, podczas gdy wysoka wytrzymałość właściwa jest siłą napędową do promowania jego zastosowania w przemyśle silnikowym [10]. Na przykład Stany Zjednoczone objęły wiodącą rolę w stosowaniu kompozytów na bazie tytanu wzmocnionych cząstkami stałymi do produkcji części silników lotniczych. Z powodzeniem zastosowano kompozytowe łopaty wirnika na bazie tytanu wzmocnione cząstkami, opracowane przez Stany Zjednoczone, co nie tylko poprawia wydajność łopat wirnika, ale także ogranicza lotnictwo. Koszt produkcji silnika spadł aż o 60 USD,000 [11]. Amerykańska firma Boeing Aircraft Company opracowała kompozytowy korbowód na bazie tytanu wzmocniony cząsteczkami, który nie tylko znacznie zwiększa temperaturę pracy, ale także zmniejsza masę o prawie 40 procent w porównaniu z tym przed ulepszeniem i został pomyślnie zastosowany w samolocie Boeing 787[12]. Atlantyckie Centrum Badawcze w Stanach Zjednoczonych z powodzeniem opracowało materiał kompozytowy na bazie tytanu wzmocniony cząsteczkami do podwozia helikoptera i został on pomyślnie zastosowany. W porównaniu z tradycyjnymi materiałami waga jest znacznie zmniejszona [13]. Francuskie Centrum Badań Lotniczych i brytyjska firma Rolls-Royce wykorzystały kompozyty z osnową tytanu wzmocnione cząsteczkami do przygotowania łopatek silników lotniczych i osiągnęły sukces [14, 15]. W branży motoryzacyjnej stale rosną wymagania dotyczące lekkich konstrukcji, co znacznie sprzyja stosowaniu TiMMC. Toyota Corporation z Japonii po raz pierwszy zastosowała materiały kompozytowe BTi / Ti do samochodowych zaworów wydechowych, zaworów wydechowych silników samochodowych i innych części, zaworów silnika itp. Całkowita masa jest zmniejszona o prawie 40 procent i ma zalety długiej żywotności i niskich kosztów [16]. W tym samym czasie kraje takie jak Europa i Stany Zjednoczone zaczęły również stosować materiały kompozytowe na bazie tytanu wzmocnione cząstkami, aby zastąpić tradycyjne materiały stalowe do produkcji głównych części samochodów, aby zmniejszyć wagę samochodów i jeszcze bardziej poprawić osiągi samochodów [17]. Zakres zastosowań TiMMC pokazano na rysunku 2.
zdjęcie
Rysunek 2 Zakres zastosowań TiMMC
Ze względu na złożoność składu materiałowego TiMMC jest znacznie trudniejszy w obróbce niż konwencjonalne materiały inżynierskie i jest nowym rodzajem materiału trudnego w obróbce. Tymczasem, chociaż TiMMC zawierające równomiernie rozmieszczone wzmocnienia lub nieciągłe wzmocnienia generalnie wykazują wyższą wytrzymałość, plastyczność i wytrzymałość w stosunku do czystej osnowy są nieuchronnie zagrożone [18]. Na przykład, nawet w przypadku in-situ TiC i Ti5Si3, dane dotyczące wytrzymałości na rozciąganie pokazują, że wydłużenie przy zerwaniu gwałtownie spada z 17,2 procent do 1,53 procent, gdy przyrost granicy plastyczności materiału kompozytowego osiąga 410 MPa, co nakłada wyższe wymagania na technologię przetwarzania [19 ]. W związku z tym, jak osiągnąć wysoką wydajność i niskie uszkodzenia przetwarzania TiMMC, stało się gorącym punktem badawczym w dziedzinie przetwarzania materiałów kompozytowych.
Typowe metody przetwarzania TiMMC obejmują obróbkę skrawaniem, kucie, odlewanie i wytwarzanie addytywne [20]. Obróbka polega na sile mechanicznej do zmiany kształtu materiałów, co pozwala na wydajną produkcję masową i przetwarzanie wsadowe. Jest to jedna z najczęściej stosowanych metod obróbki na zimno. Może osiągnąć bardzo precyzyjne wymiary i wymagania dotyczące jakości powierzchni i nadaje się do różnych rodzajów materiałów, w tym materiałów kompozytowych. obróbka materiałów. Typowe operacje obróbki obejmują cięcie, wiercenie, frezowanie i szlifowanie. Kucie, odlewanie i wytwarzanie przyrostowe to typowe procesy obróbki cieplnej, które mogą poprawić właściwości mechaniczne i strukturę materiałów kompozytowych [21]. Ponadto przy wyborze odpowiedniej technologii przetwarzania do przetwarzania TiMMC konieczne jest kompleksowe rozważenie różnych właściwości każdego składnika w materiale kompozytowym, a także zużycia i rozszerzalności cieplnej między materiałem kompozytowym a narzędziem do obróbki, w celu uzyskać części TiMMC o doskonałej wydajności.
W tym artykule dokonano przeglądu obecnej technologii przetwarzania TiMMC i przedstawiono perspektywę przetwarzania TiMMC w przyszłości, aby zapewnić teoretyczne wsparcie dla wysokowydajnego zastosowania TiMMC.
02
Obróbka skrawaniem
Ze względu na ograniczenia technologii przygotowania TiMMC, obróbka skrawaniem jest nadal nieodzownym procesem w produkcji TiMMC. W porównaniu z materiałem osnowy, zbrojenie ma wyższą twardość, większą wytrzymałość i trudniejsze przetwarzanie, a podczas przetwarzania wystąpią problemy, takie jak fragmentacja fazy wzmacniającej, wyciąganie i odklejanie. Proces cięcia TiMMC został kompleksowo zbadany pod kątem optymalizacji i innych aspektów.
2.1 Obróbka skrawaniem
Mając na uwadze brak systematycznych badań parametrów skrawania, takich jak mechanizm zużycia narzędzia, siła skrawania oraz zmiany temperatury skrawania w procesie skrawania TiMMC, Bian Weiliang [22] przeprowadził badania parametrów toczenia różnych narzędzi (TiCp plus TiB w) /TC4. Diament monokrystaliczny i węglik spiekany są wykorzystywane w obróbce materiałów. Przy tych samych warunkach skrawania żywotność narzędzia PKD jest dłuższa. Gdy narzędzie z monokrystalicznego diamentu tnie TiMMC, zużycie narzędzia wynika głównie z powtarzającego się skrobania wzmocnienia o wysokiej twardości w stosunku do narzędzia. Podczas skrawania samego stopu TC4 stop tytanu wiąże się z narzędziem, a zużycie spowodowane dyfuzją elementów materiału obrabianego do narzędzia jest bardziej znaczące. Podczas obróbki TiMMC narzędziami z węglików spiekanych oczywista jest również dyfuzja i wiązanie materiału obrabianego.
W celu dalszego zbadania wpływu parametrów skrawania i metod smarowania na charakterystykę skrawania, NIKNAM i in. [23] przeprowadzili eksperymenty toczenia na sucho i półsucho kompozytów z osnową tytanu wzmocnionych cząstkami (PTMC) i przeanalizowali siłę skrawania przy różnych parametrach skrawania. , chropowatość powierzchni i usuwanie cząstek. Wyniki pokazują, że siła skrawania jest większa w stanie półsuchym i powstanie warstewka smaru, która utrudnia płynny postęp skrawania.
DUONG i in. [24] zbadali początkowe zużycie narzędzia podczas toczenia TiMMC i stwierdzili, że zużycie jest najważniejszym mechanizmem skrawania TiMMC, a dyfuzja i adhezja występowały we wszystkich warunkach. W procesie obróbki skrawaniem stwierdzono nową postać zużycia twardej cienkiej warstwy, która w tym przypadku prowadziłaby do zużycia dyfuzyjnego i guza mechanicznego. W odróżnieniu od PTMC, kompozyty z osnową tytanową wzmocnione włóknami ciągłymi mają wyjątkową anizotropię dzięki ciągłości włókien. W celu wyjaśnienia mechanizmu skrawania kompozytów z osnową tytanową wzmacnianych włóknami ciągłymi, ZAN[25] i in. W teście prostopadłego skrawania SiCf/Ti-6Al-4V uzyskano zachowanie się formowania wiórów i mechanizm deformacji materiału kompozytowego w niskiej temperaturze, temperaturze pokojowej i wysokiej temperaturze, i stwierdzono, że w porównaniu z tworzeniem się pasmo ścinania adiabatycznego podczas procesu skrawania stopu tytanu SiCf/Ti Szerokość zęba piłokształtnego -6Al-4V jest większa. Rysunek 3 to schematyczny diagram cięcia naprzemiennych warstw SiCf/Ti-6Al-4V w różnych temperaturach.
zdjęcie
a) kriogeniczny (CT)
zdjęcie
b) Temperatura pokojowa (RT)
Rys.3 Schemat cięcia naprzemiennych warstw kompozytów z osnową tytanową wzmocnionych włóknami w różnych temperaturach
2.2 Szlifowanie
Szlifowanie opiera się na wielu ziarnach ściernych na powierzchni ściernicy, które jednocześnie tną przedmiot obrabiany w celu usunięcia materiału, który jest odpowiedni do precyzyjnej i ultraprecyzyjnej obróbki materiałów. DING i in. [26, 27] opracowali trójwymiarowy model procesu szlifowania metodą elementów skończonych, aby zrozumieć zachowanie TiCp/Ti-6Al{5}}V podczas szlifowania konwencjonalnego i szybkiego, i w oparciu o model elementów skończonych omówiono zachowanie podczas usuwania materiału. Zachowanie podczas usuwania i wpływ prędkości szlifowania na kształtowanie się cech obrabianej powierzchni (patrz rysunek 4). Wyniki pokazują, że usuwanie materiału podczas szlifowania TiCp/Ti-6Al-4V można podzielić na plastyczne usuwanie materiału osnowy metalicznej i kruche usuwanie cząstek wzmocnionych TiC. Podobnie LIU i in. [28] stwierdzili, że usuwanie materiału podczas szlifowania z dużą prędkością PTMC można podzielić na cztery etapy: usuwanie plastyczne osnowy stopu, inicjacja pęknięć w ulepszonych cząstkach, propagacja pęknięć w ulepszonych cząstkach i kruche niszczenie ulepszonych cząstek. W porównaniu z prędkością szlifowania, nieodkształcona grubość wióra ma większy wpływ na powstawanie wad powierzchni obrabianej. Na tej podstawie LI i in. [29, 30] badali wydajność szlifowania jednowarstwowej galwanicznej ściernicy CBN i lutowanej ściernicy CBN do PTMC (patrz rysunek 5). Wyniki pokazały, że ściernica jednowarstwowa z lutowanym CBN jest bardziej odpowiednia niż ściernica galwaniczna do szlifowania z dużą prędkością PTMC. Liu Chaojie i in. [31] przeanalizowali model siły szlifowania szlifowania bocznego PTMC za pomocą symulacji. Podczas usuwania matrycy fluktuacja siły szlifowania jest regularna. Podczas usuwania cząstek wzmocnionych TiC na powierzchni materiału pojawią się pęknięcia i rozszerzą się. Na powierzchni usuwane są również masywne wióry, a fluktuacja siły szlifowania w obszarze usuwania zbrojonych cząstek jest duża. Ponadto normalne i styczne siły szlifowania zwiększają się wraz ze wzrostem grubości pojedynczego wióra ściernego.
zdjęcie
a) Symulacja PTMC zwykłego szlifowania
zdjęcie
b) Wyniki badań zwykłych szlifierek PTMC
zdjęcie
c) Symulacja PTMC szlifowania z dużą prędkością
zdjęcie
d) Eksperymentalne wyniki szlifowania z dużą prędkością PTMC
Rys. 4 Wyniki symulacji i badań zachowania się usuwania PTMC przy różnych prędkościach
(w porównaniu z =3m/min, ap=0,010 mm)
zdjęcie
a) Szlifowanie galwaniczną ściernicą CBN
zdjęcie
b) Szlifowanie lutowaną ściernicą CBN
Rysunek 5 Porównanie ściernicy CBN ocynkowanej galwanicznie i ściernicy CBN lutowanej do szlifowania PTMC
03
Złożone przetwarzanie pola energetycznego
Szlifowanie wspomagane wibracjami ultradźwiękowymi to technologia przetwarzania złożonego, która wprowadza wibracje ultradźwiękowe do tradycyjnej technologii szlifowania w celu obniżenia temperatury skrawania i poprawy jakości szlifowania. W obróbce wspomaganej wibracjami ultradźwiękowymi stan styku między narzędziem a przedmiotem obrabianym zmienia się z powodu drgań o wysokiej częstotliwości, a narzędzie i przedmiot obrabiany są w przerywanym kontakcie, któremu towarzyszą efekty kawitacji i uderzenia o wysokiej częstotliwości, tak że kontakt między obrabiany przedmiot i narzędzie Zmniejsza się siła tarcia, zmniejszając w ten sposób ciepło skrawania i siłę skrawania, co może wydłużyć żywotność narzędzia i poprawić jakość obróbki. Technologia obróbki wspomaganej wibracjami ultradźwiękowymi jest szeroko stosowana w materiałach trudnych w obróbce, takich jak stopy na bazie niklu, TiMMC i kompozyty z osnową ceramiczną.
WU i in. [32] przeprowadzili próbę osiowego szlifowania ultradźwiękowego wspomaganego drganiami na PTMC i stwierdzili, że pod działaniem ultradźwięków zwiększa się trajektoria cięcia ziaren ściernych, a ziarna ścierne wielokrotnie naciskają na powierzchnię przedmiotu obrabianego w celu zmniejszenia chropowatości powierzchni wartość. YUE i in. [33] przeprowadzili test szlifowania wspomaganego drganiami ultradźwiękowymi pojedynczego ziarna ściernego PTMCs, porównali wpływ szlifowania zwykłego i ultradźwiękowego na szybkość usuwania materiału przy różnych prędkościach szlifowania i różnych prędkościach posuwu oraz ustalili ultradźwiękowy model grubości cięcia pojedyncze ziarno ścierne pod działaniem pokazuje, że wibracje ultradźwiękowe z większym prawdopodobieństwem powodują mikropękanie ziaren ściernych, które mogą stale aktualizować stan krawędzi skrawającej i utrzymywać ostrość ziaren ściernych przez cały czas. ZHAO i in. [34] wykorzystali samodzielnie wykonaną platformę wibracyjną (patrz rysunek 6) do przeprowadzenia testu szlifowania wspomaganego wibracjami ultradźwiękowymi na PTMC i porównali go ze zwykłym testem szlifowania. W porównaniu ze zwykłym szlifowaniem, szlifowanie wspomagane wibracjami ultradźwiękowymi może obniżyć temperaturę szlifowania o 24,2 procent do 51,8 procent, a jednocześnie szybkość usuwania materiału można zwiększyć o 2,8 razy.
zdjęcie
Rysunek 6 Platforma ultradźwiękowa drgań promieniowych i urządzenie do pomiaru drgań
BEIJANI i in. [35] po raz pierwszy zastosowali obróbkę wspomaganą laserem (LAM) do obróbki TiMMC na podstawie tradycyjnego toczenia (patrz rysunek 7). Wyniki pokazują, że w porównaniu z obróbką konwencjonalną, chociaż wartość chropowatości powierzchni przedmiotu obrabianego wzrasta o 15 procent, całkowita objętość skrawania narzędzia LAM wzrasta o 180 procent, a żywotność narzędzia jest skutecznie poprawiona, co przypisuje się przeniesieniu cząstki w matrycy, a nie pękanie.
zdjęcie
a) Schemat ideowy
zdjęcie
b) Rzeczywiste urządzenie
Rysunek 7 Urządzenie do testowania przetwarzania wspomaganego laserem
04
Przetwarzanie wytwarzania przyrostowego
Laserowa technologia wytwarzania addytywnego umożliwia bezpośrednie wytwarzanie złożonych części konstrukcyjnych, co daje ogromne perspektywy zastosowania w produkcji TiMMC. BANERJEE i in. [36] z powodzeniem przetworzyli kompozyty TiB/TC4 przy użyciu laserowej technologii przetwarzania stereofonicznego (LENSTM) oraz wykorzystali skaningową mikroskopię elektronową i transmisyjną mikroskopię elektronową do szczegółowego scharakteryzowania mikrostruktury osadzonych kompozytów. Wyniki pokazały, że opracowana metoda Mikrostruktura kompozytu TiB/TC4 jest znacznie udoskonalona i stabilna termodynamicznie. Podobnie GU i in. [37] zastosowali selektywne stapianie laserowe (SLM) do obróbki przygotowanego proszku kompozytowego TiC/Ti i uzyskali kompozyty matrycowe TiAl3 (faza główna) i Ti3AlC2 (faza wtórna) wzmocnione cząstkami TiC. Pomimo niewielkiego wzrostu ziarna w stosunku do zmielonego proszku, kompozyt poddany obróbce SLM nadal wykazuje drobną mikrostrukturę. [38] wykorzystali technologię obróbki laserowej bezpośredniego osadzania metali (DMD) do przygotowania PTMC zawierających różne frakcje objętościowe (TiB plus TiC) z surowców proszkowych składających się z wstępnie stopowanych (Ti-6Al-4V plus B4C ) mieszanki proszkowe. Badania mechaniczne wykazały, że przy 20-600 stopniu twardość Vickersa wzmocnionych cząstkami TiMMC zawierających B4C wzrasta o 10 procent -15 procent , a moduł Younga wzrasta o 10 procent . Przygotowanie TiMMC za pomocą technologii obróbki laserowej DMD pokazano na rycinie 8.
zdjęcie
Ryc.8 Schemat ideowy TiMMC przygotowanych technologią obróbki laserowej DMD
05
Kucie
Kucie może wyeliminować luźne wady materiałów podczas procesu wytapiania, skutecznie udoskonalić mikrostrukturę i uzyskać wysokiej jakości odkuwki, które pasują do struktury i parametrów.
Odpowiedni naukowcy zagraniczni badali wpływ kucia na gorąco na mikrostrukturę i właściwości wytrzymałościowe kompozytów z osnową Ti-TiB. Badania wykazały, że wydłużenie w temperaturze pokojowej kutych kompozytów Ti-13.3B i Ti{3}}B osiąga odpowiednio 6,1% i 5,2%, a właściwości materiału ulegają skutecznej poprawie. Domowy uczony Hu Jiarui i in. [39] kute PTMC ze spiekanego TiC wytworzone in situ, wyeliminowano wady strukturalne PTMC po kuciu, nastąpiła dynamiczna rekrystalizacja oraz poprawiono właściwości mechaniczne w temperaturze pokojowej. Morfologia SEM pękania przy rozciąganiu TiMMC wzmocnionych cząstkami TiC pokazano na ryc. 9. Jednocześnie, dzięki ulepszonej strukturze matrycy, poprawia się odporność na zużycie PTMC po kuciu. To samo
[40] porównali i przeanalizowali właściwości mechaniczne materiałów kompozytowych 5% (TiB plus TiC)/Ti-1100. Przy 500-650 stopniu odlany materiał kompozytowy był kruchy, a kuty materiał kompozytowy pękał plastycznie, a wytrzymałość i wydłużenie materiału kompozytowego po kuciu są znacznie zwiększone.
zdjęcie
a) Spiekanie (pęknięcia penetrujące osnowę) b) Spiekanie (pęknięcia międzykrystaliczne i ziarna
zdjęcie
c) -kucie d) ( plus ) - kucie
Ryc. 9 Morfologia SEM pęknięcia przy rozciąganiu TiMMC wzmocnionych cząstkami TiC
06
wniosek
Ze względu na obecność faz wzmacniających TiMMC wykazują inne właściwości mechaniczne i mechanizmy przetwarzania niż tradycyjne stopy tytanu. Patrząc w przyszłość, przetwarzanie TiMMC będzie się rozwijać w następujących aspektach.
(1) Udoskonalenie technologii przetwarzania Technologia przetwarzania TiMMC będzie stale ulepszana w celu poprawy wydajności produkcji i jakości produktu. Opracowane zostaną nowe narzędzia skrawające i metody obróbki, aby zmniejszyć siły skrawania i zużycie narzędzi oraz zrealizować synergiczne usuwanie heterogenicznych składników TiMMC.
(2) Połączenie wielu technologii przetwarzania TiMMC mają słabą plastyczność w temperaturze pokojowej, a kompleksowe przetwarzanie TiMMC przy użyciu różnych metod obróbki termicznej, takich jak wysokotemperaturowe odkształcanie superplastyczne, kucie na gorąco i odkształcanie przez wytłaczanie na gorąco, może zmaksymalizować potencjał zastosowania TiMMC w różnych pola.
(3) Rozwój nowych materiałów Wraz z postępem nauki i technologii opracowywane będą nowe TiMMC o wyższej wydajności i szerszym zakresie zastosowań. Na przykład nano-TiMMC, wielofunkcyjne TiMMC i odporne na wysokie temperatury TiMMC będą dalej wspierać rozwój TiMMC.
(4) Zrównoważony rozwój i ochrona środowiska Zrównoważony rozwój i ochrona środowiska staną się kluczowymi kwestiami podczas przetwarzania TiMMC. Przyszłym kierunkiem rozwoju będzie rozwój bardziej przyjaznych dla środowiska metod przetwórstwa, recykling odpadów materiałów kompozytowych oraz zmniejszenie energochłonności.
(5) Aplikacje wielopolowe TiMMC będą stosowane w większej liczbie dziedzin. Oprócz istniejącego przemysłu lotniczego i motoryzacyjnego, medycyna, energetyka i budownictwo będą nadal badać potencjał zastosowań TiMMC.
