Status istraživanja i napredak tehnologije obrade kompozita s matricom titana (TiMMC) pregledani su s aspekta tradicionalne mehaničke obrade, obrade kompozita energetskim poljem, obrade kovanjem i aditivne proizvodnje. Karakteristike TiMMC-a obrađenih različitim tehnikama obrade. Ciljajući na glavne probleme u trenutnim istraživanjima, predviđa se trend razvoja tehnologije obrade TiMMC-a u budućnosti.
slika
Viši inženjer Wang Guangping na razini istraživača
01
preambula
Titan i njegove legure naširoko se koriste u zrakoplovstvu, petrokemiji, pomorstvu i medicini zbog svojih izvrsnih svojstava kao što su visoka specifična čvrstoća, izvrsna otpornost na kemijsku koroziju i dobra biokompatibilnost [1-4]. Međutim, Youngov modul, otpornost na habanje i otpornost na toplinu legura titana niži su od onih čelika i legura na bazi nikla, što ograničava njihovu daljnju primjenu u automobilskoj i zrakoplovnoj industriji [5-8]. Pojava matričnih kompozita od titana (TiMMC) pruža novu alternativu za prevladavanje gore navedenih problema. TiMMC je kompozitni materijal koji se sastoji od titana i njegovih legura kao matrice i keramike (čestice, viski, kratka vlakna i kontinuirana duga vlakna) kao ojačavajuća faza (vidi sliku 1).
slika
a) Kompoziti s titanskom matricom ojačani kontinuiranim dugim vlaknima
slika
b) Kompoziti na bazi titana ojačani česticama c) Kompoziti na bazi titana ojačani viskom/kratkim vlaknima
Slika 1. Shematski dijagram TiMMC-a s različitim vrstama faza ojačanja
Zadržavajući izvrsna svojstva matrice, TiMMC-ovi također mogu dobiti sveobuhvatna svojstva koja se ne mogu postići jednom fazom ojačanja ili matricom kroz komplementarnost i korelaciju svojstava vlakana i matrice. Na primjer, granica razvlačenja (TiC plus Ti5Si3)/Ti kompozita koju su pripremili HUO et al. [9] iznosi čak 829 MPa, što je 178 posto više od čistog titana, uz zadržavanje visokog istezanja od 8,1 posto te visoke čvrstoće i srednje plastičnosti. U usporedbi s laminiranim TiC/Ti kompozitima, čvrstoća i duktilnost TiMMC-a su istovremeno poboljšane, što rezultira izvrsnom sinergističkom izvedbom čvrstoće i duktilnosti. Visoki specifični modul TiMMC-a glavni je čimbenik za promicanje njegove široke primjene u trupu zrakoplova, dok je visoka specifična čvrstoća pokretačka snaga za promicanje njegove primjene u industriji motora [10]. Na primjer, Sjedinjene Države preuzele su vodstvo u korištenju kompozita na bazi titana ojačanih česticama za proizvodnju dijelova zrakoplovnih motora. Kompozitne lopatice rotora na bazi titana ojačane česticama koje su razvile Sjedinjene Države uspješno su primijenjene, što ne samo da poboljšava performanse lopatica rotora, već također smanjuje zrakoplovstvo. Troškovi proizvodnje motora pali su za čak 60 USD,000 [11]. Boeing Aircraft Company iz Sjedinjenih Američkih Država razvila je klipnjaču stajnog trapa zrakoplova ojačanu česticama na bazi titana, koja ne samo da ima značajno povećanje radne temperature, već i smanjuje masu za gotovo 40 posto u usporedbi s onom prije poboljšanja. , a uspješno je primijenjen na zrakoplovu Boeing 787[12] . Atlantski istraživački centar Sjedinjenih Američkih Država uspješno je razvio kompozitni materijal na bazi titana ojačan česticama za stajne trapove helikoptera i on je uspješno primijenjen. U usporedbi s tradicionalnim materijalima, težina je znatno smanjena [13]. Francuski aeronautički istraživački centar i britanska tvrtka Rolls-Royce koristili su kompozite titanijske matrice ojačane česticama za pripremu lopatica zrakoplovnih motora i postigli uspjeh [14, 15]. U području automobilske industrije zahtjevi za laganim konstrukcijama stalno rastu, što uvelike promiče primjenu TiMMC-a. Toyota Corporation iz Japana prva je upotrijebila BTi/Ti kompozitne materijale za automobilske ispušne ventile, ispušne ventile automobilskih motora i druge dijelove, ventile motora itd. Ukupna masa smanjena je za gotovo 40 posto, a ima prednosti dugog vijeka trajanja i niske cijene [16]. U isto vrijeme, zemlje poput Europe i Sjedinjenih Država također su počele koristiti kompozitne materijale na bazi titana ojačane česticama kako bi zamijenile tradicionalne čelične materijale za proizvodnju glavnih dijelova automobila, kako bi se smanjila težina automobila i dodatno poboljšala performanse automobila [17]. Raspon primjene TiMMC-a prikazan je na slici 2.
slika
Slika 2 Raspon primjene TiMMC-a
Zbog složenosti sastava materijala, TiMMC je mnogo teže obraditi nego konvencionalne inženjerske materijale i nova je vrsta materijala koji se teško obrađuje. U međuvremenu, iako TiMMC-ovi koji sadrže jednoliko raspoređena ojačanja ili diskontinuirana ojačanja općenito pokazuju veću čvrstoću, duktilnost i žilavost u odnosu na čistu matricu neizbježno su ugrožene [18]. Na primjer, čak i s in situ TiC i Ti5Si3, podaci o vlačnoj čvrstoći pokazuju da istezanje pri prekidu naglo pada sa 17,2 posto na 1,53 posto kada porast granice razvlačenja kompozitnog materijala dosegne 410 MPa, što postavlja veće zahtjeve za tehnologiju obrade [19]. ]. Stoga je pitanje kako postići visokoučinkovitu obradu TiMMC-a bez oštećenja postalo žarište istraživanja u području obrade kompozitnih materijala.
Uobičajene metode obrade TiMMC-a uključuju strojnu obradu, kovanje, lijevanje i aditivnu proizvodnju [20]. Strojna obrada se oslanja na mehaničku silu za promjenu oblika materijala, što može učinkovito izvesti masovnu proizvodnju i serijsku obradu. To je jedna od najčešće korištenih metoda hladne obrade. Može postići visoke precizne dimenzije i zahtjeve za kvalitetom površine, a prikladan je za različite vrste materijala uključujući kompozitne materijale. obrada materijala. Uobičajene operacije strojne obrade uključuju rezanje, bušenje, glodanje i brušenje. Kovanje, lijevanje i aditivna proizvodnja tipični su procesi toplinske obrade koji mogu poboljšati mehanička svojstva i strukturu kompozitnih materijala [21]. Osim toga, pri odabiru odgovarajuće tehnologije obrade za obradu TiMMC-a, potrebno je sveobuhvatno razmotriti različite karakteristike svake komponente u kompozitnom materijalu, kao i trošenje i toplinsko širenje između kompozitnog materijala i alata za obradu, kako bi se dobiti TiMMC dijelove s izvrsnim performansama.
U ovom radu daje se pregled trenutne tehnologije obrade TiMMC-a i predviđa se obrada TiMMC-a u budućnosti, kako bi se pružila teorijska potpora za primjenu TiMMC-a visokih performansi.
02
Strojna obrada
Zbog ograničenja tehnologije pripreme TiMMC-a, strojna obrada je još uvijek neizostavan proces u proizvodnji TiMMC-a. U usporedbi s matričnim materijalom, armatura ima veću tvrdoću, veću čvrstoću i težu obradu, te će se pojaviti problemi kao što su fragmentacija faze armature, izvlačenje i odvajanje tijekom obrade. Proces rezanja TiMMC-a opsežno je proučavan u smislu optimizacije i drugih aspekata.
2.1 Strojna obrada
Ciljajući na nedostatak sustavnih istraživanja o reznim performansama kao što su mehanizam trošenja alata, sila rezanja i promjene temperature rezanja u procesu rezanja TiMMC-a, Bian Weiliang [22] proveo je istraživanje o performansama različitog tokarenja alata (TiCp plus TiB w) /TC4. U obradi materijala koriste se monokristalni dijamant i cementni karbid. Pod istim uvjetima rezanja životni vijek PCD alata je duži. Kada monokristalni dijamantni alat reže TiMMC, trošenje alata uglavnom dolazi od ponovljenog struganja poboljšane visoke tvrdoće u odnosu na alat. Prilikom rezanja same legure TC4, legura titana je vezana za alat i trošenje uzrokovano difuzijom elemenata obradnog materijala na alat je značajnije. Kod obrade TiMMC-a s alatima od tvrdog metala, difuzija i veza materijala izratka su također očigledni.
Kako bi dalje istražili utjecaj parametara rezanja i metoda podmazivanja na karakteristike strojne obrade, NIKNAM et al. [23] proveli su pokuse suhog i polusuhog tokarenja na česticama ojačanim titanijevim matričnim kompozitima (PTMC) i analizirali silu rezanja pod različitim parametrima rezanja. hrapavost površine i ponašanje uklanjanja čestica. Rezultati pokazuju da je sila rezanja veća u polusuhim uvjetima, te će se stvoriti film maziva koji ometa glatko napredovanje rezanja.
DUONG i sur. [24] proučavali su ponašanje početnog trošenja alata tijekom tokarenja TiMMC-a i otkrili da je trošenje najvažniji mehanizam u rezanju TiMMC-a, a difuzija i adhezija su pronađeni u svim uvjetima. A u procesu strojne obrade pronađen je novi oblik trošenja tvrdog tankog sloja koji bi u ovom slučaju doveo do difuzijskog trošenja i mehaničkog tumora. Za razliku od PTMC-a, kompoziti s titanskom matricom ojačani kontinuiranim vlaknima imaju jedinstvenu anizotropiju zbog kontinuiteta vlakana. Kako bi razjasnili mehanizam rezanja kompozita s titanskom matricom ojačanih kontinuiranim vlaknima, ZAN[25] et al. Ispitivanjem ortogonalnog rezanja SiCf/Ti-6Al-4V utvrđeno je ponašanje stvaranja strugotine i mehanizam deformacije kompozitnog materijala na niskoj temperaturi, sobnoj temperaturi i visokoj temperaturi, te je utvrđeno da je u usporedbi s stvaranjem adijabatska posmična traka tijekom procesa rezanja legure titana, SiCf/Ti Širina zuba -6Al-4V je veća. Slika 3 je shematski dijagram rezanja izmjeničnog sloja SiCf/Ti-6Al-4V na različitim temperaturama.
slika
a) Kriogeni (CT)
slika
b) Sobna temperatura (RT)
Slika 3. Dijagram rezanja izmjeničnih slojeva kompozita s titan matricom ojačanih vlaknima pri različitim temperaturama
2.2 Brušenje
Brušenje se oslanja na mnoga abrazivna zrna na površini brusnog kotača za istovremeno rezanje obratka radi uklanjanja materijala, što je prikladno za preciznu i ultrapreciznu obradu materijala. DING i sur. [26, 27] uspostavili su trodimenzionalni model konačnih elemenata procesa mljevenja kako bi razumjeli ponašanje uklanjanja materijala TiCp/Ti-6Al-4V tijekom konvencionalnog brušenja i brušenja velikom brzinom, i na temelju modela konačnih elemenata, raspravljali o ponašanju uklanjanja materijala. Ponašanje uklanjanja i učinak brzine brušenja na formiranje značajki obrađene površine (vidi sliku 4). Rezultati pokazuju da se ponašanje uklanjanja materijala tijekom mljevenja TiCp/Ti-6Al-4V može podijeliti na duktilno uklanjanje materijala metalne matrice i krhko uklanjanje čestica ojačanih TiC. Slično, LIU et al. [28] zaključili su da se uklanjanje materijala pri brzom mljevenju PTMC-a može podijeliti u četiri faze: plastično uklanjanje matrice legure, inicijacija pukotine u poboljšanim česticama, širenje pukotine u poboljšanim česticama i krti slom poboljšanih čestica. U usporedbi s brzinom brušenja, nedeformirana debljina strugotine ima veći utjecaj na stvaranje grešaka obrađene površine. Na temelju toga, LI et al. [29, 30] proučavali su performanse brušenja jednoslojne galvanizirane CBN brusne ploče i lemljene CBN brusne ploče za PTMC (vidi sliku 5). Rezultati su pokazali da je jednoslojna lemljena CBN brusna ploča prikladnija od galvanizirane brusne ploče za brzo brušenje PTMC-a. Liu Chaojie i sur. [31] analizirao je model sile brušenja bočnog brušenja PTMC-a pomoću simulacije. Pri uklanjanju matrice fluktuacija sile mljevenja je pravilna. Prilikom uklanjanja čestica ojačanih TiC-om, pukotine će se pojaviti i proširiti na površini materijala. Također postoje masivni čipovi koji se uklanjaju na površini, a fluktuacija sile brušenja u području gdje se uklanjaju ojačane čestice je velika. Osim toga, i normalna i tangencijalna sila brušenja rastu s povećanjem debljine pojedinačne abrazivne strugotine.
slika
a) Simulacija PTMC-a običnog brušenja
slika
b) Rezultati ispitivanja običnih PTMC-ova za mljevenje
slika
c) Simulacija PTMC-a brušenja velike brzine
slika
d) Eksperimentalni rezultati brzobrzinskog mljevenja PTMC-a
Slika 4 Simulacija i rezultati ispitivanja ponašanja uklanjanja PTMC-a pri različitim brzinama
(vs=3m/min, ap=0.010mm)
slika
a) Brušenje galvaniziranom CBN brusnom pločom
slika
b) Brušenje lemljenom CBN brusnom pločom
Slika 5 Usporedba galvanizirane CBN brusne ploče i lemljene CBN brusne ploče za brušenje PTMC-a
03
Obrada kompozitnog energetskog polja
Brušenje potpomognuto ultrazvučnom vibracijom složena je tehnologija obrade koja uvodi ultrazvučnu vibraciju u tradicionalnu tehnologiju brušenja kako bi se smanjila temperatura rezanja i poboljšala kvaliteta mljevenja. U ultrazvučnoj obradi potpomognutoj vibracijama, kontaktno stanje između alata i obratka se mijenja zbog visokofrekventnih vibracija, a alat i radni komad su u povremenom kontaktu, popraćenom učincima kavitacije i visokofrekventnim udarima, tako da kontakt između izratka i alata Sila trenja se smanjuje, čime se smanjuje toplina rezanja i sila rezanja, a može produžiti životni vijek alata i poboljšati kvalitetu obrade. Tehnologija strojne obrade potpomognuta ultrazvučnim vibracijama naširoko se koristi u materijalima koje je teško obraditi kao što su legure na bazi nikla, TiMMC i kompoziti s keramičkom matricom.
WU i sur. [32] su proveli ispitivanje brušenja potpomognuto aksijalnim ultrazvučnim vibracijama na PTMC-ima i otkrili da se pod djelovanjem ultrazvuka putanja rezanja abrazivnih zrna povećava, a abrazivna zrna opetovano pritiskaju površinu izratka kako bi se smanjila hrapavost površine vrijednost. YUE i sur. [33] proveo je ispitivanje mljevenja potpomognuto ultrazvučnim vibracijama PTMC-ovih pojedinačnih abrazivnih zrna, usporedio utjecaj običnog brušenja i ultrazvučnog brušenja na brzinu skidanja materijala pri različitim brzinama brušenja i različitim brzinama dodavanja i uspostavio ultrazvučni model debljine rezanja pojedinačno abrazivno zrno pod djelovanjem pokazuje da je vjerojatnije da će ultrazvučna vibracija uzrokovati mikro-lomljenje abrazivnih zrna, što može kontinuirano ažurirati stanje oštrice i održavati oštrinu abrazivnih zrna u svakom trenutku. ZHAO i sur. [34] koristili su vlastitu radijalnu vibracijsku platformu (vidi sliku 6) za provođenje ultrazvučnog testa mljevenja potpomognutog vibracijama na PTMC-ima i usporedili ga s uobičajenim testom brušenja. U usporedbi s običnim mljevenjem, mljevenje potpomognuto ultrazvučnom vibracijom može smanjiti temperaturu mljevenja za 24,2 posto na 51,8 posto, au isto vrijeme, brzina uklanjanja materijala može se povećati za 2,8 puta.
slika
Slika 6 Ultrazvučna platforma radijalnih vibracija i uređaj za mjerenje vibracija
BEIJANI i sur. [35] koristili su laserski potpomognutu obradu (LAM) za obradu TiMMC-a po prvi put na temelju tradicionalnog tokarenja (vidi sliku 7). Rezultati pokazuju da se u usporedbi s konvencionalnom strojnom obradom, iako se vrijednost površinske hrapavosti obratka povećava za 15 posto, ukupni volumen rezanja LAM alata povećava za 180 posto, a vijek trajanja alata je učinkovito poboljšan, što se pripisuje prijenosu čestice u matrici, a ne lom.
slika
a) Shematski dijagram
slika
b) Stvarni uređaj
Slika 7 Ispitni uređaj za obradu uz pomoć lasera
04
Prerada aditivne proizvodnje
Tehnologija laserske aditivne proizvodnje može izravno proizvesti složene strukturne dijelove, pokazujući velike mogućnosti primjene u proizvodnji TiMMC-a. BANERJEE i sur. [36] uspješno su obradili TiB/TC4 kompozite korištenjem tehnologije obrade laserskog stereoformiranja (LENSTM) i koristili skenirajuću elektronsku mikroskopiju i transmisijsku elektronsku mikroskopiju za detaljnu karakterizaciju mikrostrukture nataloženih kompozita. Rezultati su pokazali da je metoda pripremljena Mikrostruktura kompozita TiB/TC4 značajno rafinirana i termodinamički stabilna. Slično, GU et al. [37] koristili su selektivno lasersko taljenje (SLM) za obradu pripremljenog praha kompozita TiC/Ti i dobili matrične kompozite TiAl3 (glavna faza) i Ti3AlC2 (sekundarna faza) ojačane česticama TiC. Unatoč laganom rastu zrna u odnosu na mljeveni prah, kompozit tretiran SLM-om još uvijek pokazuje finu mikrostrukturu. [38] upotrijebili su tehnologiju laserske obrade izravnog taloženja metala (DMD) za pripremu PTMC-a koji sadrže različite volumne udjele (TiB plus TiC) od praškastih sirovina sastavljenih od prethodno legiranih (Ti-6Al-4V plus B4C ) praškaste smjese. Mehaničke studije su pokazale da se na 20-600 stupnju, Vickersova tvrdoća česticama ojačanog TiMMC-a koji sadrži B4C povećava za 10 posto -15 posto, a Youngov modul raste za 10 posto. Priprema TiMMCs tehnologijom DMD laserske obrade prikazana je na slici 8.
slika
Slika 8. Shematski dijagram TiMMC-a pripremljenih DMD laserskom tehnologijom obrade
05
Kovanje
Kovanje može eliminirati labave nedostatke materijala tijekom procesa taljenja, učinkovito poboljšati mikrostrukturu i dobiti visokokvalitetne otkivke koji odgovaraju strukturi i performansama.
Relevantni strani znanstvenici proučavali su učinak vrućeg kovanja na mikrostrukturu i vlačna svojstva matričnih kompozita Ti-TiB. Istraživanja su pokazala da istezanje na sobnoj temperaturi kovanih kompozita Ti-13.3B i Ti-7B doseže 6,1 posto odnosno 5,2 posto, a svojstva materijala su učinkovito poboljšana. Domaći znanstvenik Hu Jiarui et al. [39] kovali su PTMC od sinteriranog TiC-a generiranog in situ, a strukturni nedostaci PTMC-a nakon kovanja su eliminirani, došlo je do dinamičke rekristalizacije i poboljšana su mehanička svojstva na sobnoj temperaturi. SEM morfologija vlačnog loma TiMMC ojačanih česticama TiC prikazana je na slici 9. U isto vrijeme, zbog poboljšane strukture matrice, poboljšana je otpornost na trošenje PTMCs nakon kovanja. isti
[40] usporedili su i analizirali mehanička svojstva 5 posto (TiB plus TiC)/Ti-1100 kompozitnih materijala. Na 500-650 stupnju, lijevani kompozitni materijal bio je krti lom, a kovani kompozitni materijal bio je duktilan lom, a Čvrstoća i istezanje kompozitnog materijala nakon kovanja značajno su povećani.
slika
a) Sinterovanje (pukotine koje prodiru u matriks) b) Sinterovanje (međuzrnske pukotine i pukotine zrna
slika
c) -kovanje d) ( plus )-kovanje
Slika 9 SEM morfologija vlačnog loma TiMMC ojačanih česticama TiC
06
zaključak
Zbog prisutnosti ojačavajućih faza, TiMMC-ovi pokazuju drugačija mehanička svojstva i mehanizme obrade od tradicionalnih legura titana. Gledajući unaprijed, obrada TiMMC-a razvijat će se u sljedećim aspektima.
(1) Poboljšanje tehnologije obrade Tehnologija obrade TiMMC-a neprestano će se poboljšavati kako bi se poboljšala učinkovitost proizvodnje i kvaliteta proizvoda. Razvit će se novi alati za rezanje i metode obrade kako bi se smanjile sile rezanja i trošenje alata te kako bi se ostvarilo sinergijsko uklanjanje TiMMC heterogenih komponenti.
(2) Kombinacija višestrukih tehnologija obrade TiMMC-ovi imaju lošu plastičnost na sobnoj temperaturi, a sveobuhvatna obrada TiMMC-ova upotrebom različitih metoda toplinske obrade kao što su visokotemperaturna superplastična deformacija, vruće kovanje i deformacija vrućom ekstruzijom može maksimalno povećati potencijal primjene TiMMC-a u raznim polja.
(3) Razvoj novih materijala S napretkom znanosti i tehnologije, razvijat će se novi TiMMC-ovi s višim performansama i širim područjima primjene. Na primjer, nano-TiMMC-ovi, višenamjenski TiMMC-ovi i TiMMC-ovi otporni na visoke temperature dodatno će promicati razvoj TiMMC-ova.
(4) Održivost i zaštita okoliša Održivost i zaštita okoliša postat će ključna razmatranja pri obradi TiMMC-a. Razvoj ekološki prihvatljivijih metoda obrade, recikliranje otpadnih kompozitnih materijala i smanjenje potrošnje energije bit će budući smjer razvoja.
(5) TiMMC će se primjenjivati u više područja primjene. Uz postojeću zrakoplovnu i automobilsku industriju, medicinska, energetska i građevinska polja također će nastaviti istraživati potencijal primjene TiMMC-a.
