Vaadeldi titaanmaatrikskomposiitide (TiMMC) töötlemistehnoloogia uurimisseisu ja edusamme traditsioonilise mehaanilise töötlemise, komposiitenergiavälja töötlemise, sepistamise ja lisandite valmistamise aspektidest. Erinevate töötlemistehnikatega töödeldud TiMMC-de omadused. Pöördudes praeguste uuringute põhiprobleemide poole, nähakse ette TiMMC-de töötlemistehnoloogia arengutrend tulevikus.
pilt
Teadlase tasemel vaneminsener Wang Guangping
01
preambula
Titaani ja selle sulameid kasutatakse laialdaselt kosmose-, naftakeemia-, mere- ja meditsiinivaldkonnas tänu nende suurepärastele omadustele, nagu kõrge eritugevus, suurepärane keemiline korrosioonikindlus ja hea biosobivus [1-4]. Titaanisulamite Youngi moodul, kulumiskindlus ja kuumakindlus on aga madalamad kui terasel ja niklipõhistel sulamitel, mis piirab nende edasist kasutamist autotööstuses ja kosmosetööstuses [5-8]. Titaanmaatrikskomposiitide (TiMMC) ilmumine annab uue alternatiivi ülaltoodud probleemide ületamiseks. TiMMC-d on komposiitmaterjal, mis koosneb maatriksiks titaanist ja selle sulamitest ning tugevdava faasina keraamikast (osakesed, vurrud, lühikesed kiud ja pidevad pikad kiud) (vt joonis 1).
pilt
a) Pidev pika kiuga tugevdatud titaanmaatrikskomposiidid
pilt
b) Osakestega tugevdatud titaanipõhised komposiidid c) vurr-/lühikeste kiududega tugevdatud titaanipõhised komposiidid
Joonis 1 Erinevat tüüpi tugevdusfaasidega TiMMC-de skemaatiline diagramm
Säilitades maatriksi suurepärased omadused, võivad TiMMC-d saada kiu ja maatriksi omaduste komplementaarsuse ja korrelatsiooni kaudu ka kõikehõlmavaid omadusi, mida ei ole võimalik saavutada ühe tugevdusfaasi või maatriksiga. Näiteks HUO jt poolt valmistatud (TiC pluss Ti5Si3)/Ti komposiidi voolavuspiir. [9] on koguni 829 MPa, mis on 178 protsenti kõrgem kui puhtal titaanil, säilitades samal ajal suure 8,1 protsendi pikenemise ning suure tugevuse ja keskmise plastilisuse. Võrreldes lamineeritud TiC / Ti komposiitidega on TiMMC-de tugevus ja elastsus samaaegselt suurenenud, mille tulemuseks on suurepärane tugevuse ja elastsuse sünergiline jõudlus. TiMMC-de kõrge erimoodul on peamine tegur, mis soodustab selle laialdast kasutamist õhusõidukite kere puhul, samas kui suur eritugevus on liikumapanev jõud selle rakendamise edendamisel mootoritööstuses [10]. Näiteks asusid Ameerika Ühendriigid juhtpositsioonile osakestega tugevdatud titaanil põhinevate komposiitide kasutamisel lennukimootorite osade valmistamisel. Edukalt on rakendatud Ameerika Ühendriikides välja töötatud osakestega tugevdatud titaanil põhinevaid komposiitrootori labasid, mis mitte ainult ei paranda rootorilabade jõudlust, vaid vähendab ka lennuliiklust. Mootori tootmiskulud langesid lausa 60 dollari võrra,000 [11]. Ameerika Ühendriikide lennufirma Boeing Aircraft Company on välja töötanud osakestega tugevdatud titaanil põhineva komposiitlennukite teliku ühendusvarda, mis mitte ainult ei tõsta oluliselt töötemperatuuri, vaid vähendab ka massi ligi 40 protsenti võrreldes sellega, mis oli enne täiustamist. ja seda on edukalt rakendatud Boeing 787 lennukitel[12] . Ameerika Ühendriikide Atlandi uurimiskeskus töötas edukalt välja osakestega tugevdatud titaanipõhise komposiitmaterjali helikopterite teliku jaoks ja seda on edukalt rakendatud. Võrreldes traditsiooniliste materjalidega on kaal oluliselt vähenenud [13]. Prantsuse Aeronautikauuringute Keskus ja Briti Rolls-Royce'i ettevõte kasutasid osakestega tugevdatud titaanmaatrikskomposiite lennukimootorite labade valmistamiseks ja saavutasid edu [14, 15]. Autotööstuses tõusevad kergkonstruktsioonide nõuded pidevalt, mis soodustab oluliselt TiMMC-de kasutamist. Jaapani Toyota Corporation kasutas esmakordselt BTi/Ti komposiitmaterjale autode väljalaskeklappide, mootorite väljalaskeklappide ja muude osade, mootoriklappide jms jaoks. Kogumassi vähendatakse peaaegu 40 protsenti ning selle eeliseks on pikk kasutusiga ja madal hind. [16]. Samal ajal on sellised riigid nagu Euroopa ja Ameerika Ühendriigid hakanud kasutama ka osakestega tugevdatud titaanipõhiseid komposiitmaterjale, et asendada traditsioonilisi terasmaterjale autode põhiosade valmistamisel, et vähendada autode kaalu ja parandada autode kaalu veelgi. autode jõudlus [17]. TiMMC-de kasutusala on näidatud joonisel 2.
pilt
Joonis 2 TiMMC-de kasutusala
Materjali koostise keerukuse tõttu on TiMMC-sid palju raskem töödelda kui tavalisi insenerimaterjale ja see on uut tüüpi raskesti töödeldav materjal. Samal ajal, kuigi ühtlaselt jaotatud tugevdusi või katkendlikke tugevdusi sisaldavad TiMMC-d on üldiselt tugevamad, on plastilisus ja sitkus puhta maatriksiga võrreldes paratamatult ohustatud [18]. Näiteks isegi in situ TiC ja Ti5Si3 puhul näitavad tõmbeandmed, et katkendlik pikenemine väheneb järsult 17,2 protsendilt 1,53 protsendile, kui komposiitmaterjali voolavuspiiri juurdekasv jõuab 410 MPa-ni, mis seab töötlemistehnoloogiale kõrgemad nõuded [19 ]. Seetõttu on see, kuidas saavutada TiMMC-de kõrge efektiivsusega ja vähese kahjuga töötlemine, muutunud komposiitmaterjalide töötlemise valdkonna uurimistööks.
TiMMC-de levinumad töötlemismeetodid hõlmavad töötlemist, sepistamist, valamist ja lisandite valmistamist [20]. Mehaaniline töötlemine tugineb materjalide kuju muutmiseks mehaanilisele jõule, mis võimaldab tõhusalt teostada masstootmist ja partiide töötlemist. See on üks kõige sagedamini kasutatavaid külmtöötlusmeetodeid. See võib saavutada ülitäpsed mõõtmed ja pinnakvaliteedi nõuded ning sobib erinevat tüüpi materjalidele, sealhulgas komposiitmaterjalidele. materjali töötlemine. Tavalised töötlemistoimingud hõlmavad lõikamist, puurimist, freesimist ja lihvimist. Sepistamine, valamine ja lisandite tootmine on tüüpilised termilise töötlemise protsessid, mis võivad parandada komposiitmaterjalide mehaanilisi omadusi ja struktuuri [21]. Lisaks tuleb TiMMC-de töötlemiseks sobiva töötlemistehnoloogia valimisel igakülgselt arvesse võtta komposiitmaterjali iga komponendi erinevaid omadusi, samuti kulumist ja soojuspaisumist komposiitmaterjali ja töötlemisvahendi vahel, et hankige suurepärase jõudlusega TiMMC-de osi.
Selles artiklis vaadeldakse TiMMC-de praegust töötlemistehnoloogiat ja kavandatakse TiMMC-de töötlemist tulevikus, et pakkuda teoreetilist tuge TiMMC-de suure jõudlusega rakendusele.
02
Mehaaniline töötlemine
TiMMC-de valmistamise tehnoloogia piirangute tõttu on töötlemine TiMMC-de valmistamisel endiselt asendamatu protsess. Võrreldes maatriksmaterjaliga on armatuuril suurem kõvadus, suurem tugevus ja raskem töötlemine ning töötlemise ajal esineb selliseid probleeme nagu tugevdusfaasi killustumine, väljatõmbamine ja lahtiühendamine. TiMMC-de lõikamisprotsessi on optimeerimise ja muude aspektide osas põhjalikult uuritud.
2.1 Mehaaniline töötlemine
Bian Weiliang [22], mille eesmärgiks oli süstemaatilise uuringute puudumine lõikejõudluse kohta, nagu tööriista kulumismehhanism, lõikejõud ja lõiketemperatuuri muutused TiMMC-de lõikamisprotsessis, uuris erinevate tööriistade treimise (TiCp pluss TiB w) jõudlust. /TC4. Materjali töötlemisel kasutatakse monokristalli teemanti ja tsementeeritud karbiidi. Samades lõiketingimustes on PCD tööriista eluiga pikem. Kui monokristall-teemanttööriist lõikab TiMMC-sid, tuleneb tööriista kulumine peamiselt tööriistaga võrreldes suure kõvaduse suurendamise korduvast kraapimisest. Ainuüksi TC4 sulami lõikamisel seotakse titaanisulam tööriista külge ja töötlemismaterjali elementide tööriistale difusioonist põhjustatud kulumine on olulisem. TiMMC-de töötlemisel tsementeeritud karbiidtööriistadega on ka töödeldava detaili materjali difusioon ja sidumine ilmne.
Lõikeparameetrite ja määrimismeetodite mõju töötlusomadustele edasiseks uurimiseks uurisid NIKNAM et al. [23] viisid läbi kuiv- ja poolkuivtreimise katsed osakestega tugevdatud titaanmaatrikskomposiitidega (PTMC) ning analüüsisid lõikejõudu erinevate lõikeparameetrite juures. , pinna karedus ja osakeste eemaldamise käitumine. Tulemused näitavad, et poolkuivas olekus on lõikejõud suurem ja tekib määrdeainekile, mis takistab lõikamise sujuvat kulgu.
DUONG et al. [24] uuris tööriista esialgset kulumiskäitumist TiMMC-de pööramisel ja leidis, et kulumine on TiMMC-de lõikamisel kõige olulisem mehhanism ning difusioon ja adhesioon leiti kõikides tingimustes. Ja töötluse käigus leiti uus kõva õhukese kihi kulumisvorm, mis antud juhul tooks kaasa difusioonikulumise ja mehaanilise kasvaja. Erinevalt PTMC-dest on pidevatel kiududega tugevdatud titaanmaatrikskomposiitidel ainulaadne anisotroopia kiudude järjepidevuse tõttu. Pidevate kiududega tugevdatud titaanmaatrikskomposiitide lõikemehhanismi selgitamiseks uurisid ZAN[25] et al. SiCf/Ti-6Al-4V ortogonaalse lõikamise katsega saadi komposiitmaterjali laastude moodustumise käitumine ja deformatsioonimehhanism madalal temperatuuril, toatemperatuuril ja kõrgel temperatuuril ning leiti, et võrrelduna adiabaatiline nihkeriba titaanisulami, SiCf/Ti lõikamisprotsessi ajal. -6Al-4V saehamba laius on suurem. Joonis 3 on SiCf/Ti-6Al-4V vahelduva kihi lõikamise skemaatiline diagramm erinevatel temperatuuridel.
pilt
a) krüogeenne (CT)
pilt
b) Toatemperatuur (RT)
Joonis 3 Kiudtugevdatud titaanmaatrikskomposiitide vahelduvate kihtide lõikamise diagramm erinevatel temperatuuridel
2.2 Lihvimine
Lihvimine tugineb paljudele lihvketta pinnal olevatele abrasiivsetele teradele, et üheaegselt lõigata töödeldav detail, et eemaldada materjal, mis sobib materjalide täppis- ja ülitäpseks töötlemiseks. DING et al. [26, 27] lõid lihvimisprotsessi kolmemõõtmelise lõplike elementide mudeli, et mõista TiCp/Ti-6Al-4V materjali eemaldamise käitumist tavapärase lihvimise ja kiire lihvimise ajal, ja lõplike elementide mudeli põhjal arutas materjali eemaldamise käitumist. Eemaldamiskäitumine ja lihvimiskiiruse mõju töödeldud pinnaomaduste kujunemisele (vt joonis 4). Tulemused näitavad, et materjali eemaldamise käitumise TiCp/Ti-6Al-4V jahvatamisel saab jagada metallmaatriksi materjali plastiliseks eemaldamiseks ja TiC-tugevdatud osakeste rabedaks eemaldamiseks. Samamoodi on LIU jt. [28] järeldasid, et materjali eemaldamise PTMC-de kiirel lihvimisel saab jagada neljaks etapiks: sulamimaatriksi plastiline eemaldamine, pragude teke täiustatud osakestes, pragude levimine täiustatud osakestes ja täiustatud osakeste rabedad purunemised. Võrreldes lihvimiskiirusega on deformeerimata laastu paksusel suurem mõju töödeldud pinnadefektide tekkele. Selle põhjal LI et al. [29, 30] uurisid PTMC-de ühekihilise galvaniseeritud CBN-lihvketta ja kõvajoodisega CBN-lihvketta lihvimistõhusust (vt joonis 5). Tulemused näitasid, et ühekihiline kõvajoodisega CBN-lihvketas on PTMC-de kiireks lihvimiseks sobivam kui galvaniseeritud lihvketas. Liu Chaojie jt. [31] analüüsis simulatsiooni abil PTMC-de külglihvimise lihvimisjõu mudelit. Maatriksi eemaldamisel on lihvimisjõu kõikumine regulaarne. TiC-tugevdatud osakeste eemaldamisel tekivad materjali pinnale praod, mis laienevad. Samuti on pinnalt eemaldatud massiivsed laastud ning lihvimisjõu kõikumine tugevdatud osakeste eemaldamise piirkonnas on suur. Lisaks suurenevad nii tavaline kui ka tangentsiaalne lihvimisjõud ühe abrasiivse laastu paksuse suurenemisega.
pilt
a) Tavalise lihvimise PTMC simulatsioon
pilt
b) Tavaliste lihvimis-PTMC-de testitulemused
pilt
c) Kiirlihvimis-PTMC-de simulatsioon
pilt
d) PTMC-de kiirlihvimise katsetulemused
Joonis 4 PTMC-de eemaldamise käitumise simulatsioon ja testimise tulemused erinevatel kiirustel
(vs =3m/min, ap=0,010 mm)
pilt
a) Lihvimine galvaniseeritud CBN-lihvkettaga
pilt
b) Lihvimine joodetud CBN-lihvkettaga
Joonis 5 Galvaniseeritud CBN-lihvketta ja kõvajoodisega CBN-lihvketta võrdlus PTMC-de lihvimiseks
03
Komposiitenergiavälja töötlemine
Ultraheli vibratsiooniga lihvimine on kombineeritud töötlemistehnoloogia, mis tutvustab ultraheli vibratsiooni traditsioonilisele lihvimistehnoloogiale, et vähendada lõiketemperatuuri ja parandada jahvatuskvaliteeti. Ultraheli vibratsiooniga töötlemisel muutub tööriista ja tooriku kontakti olek kõrgsagedusliku vibratsiooni tõttu ning tööriist ja toorik on katkendlikus kontaktis, millega kaasnevad kavitatsiooniefektid ja kõrgsageduslikud löögid, nii et toorik ja tööriist Hõõrdejõud väheneb, vähendades seeläbi lõikesoojust ja lõikejõudu ning võib pikendada tööriista kasutusiga ja parandada töötlemise kvaliteeti. Ultraheli vibratsiooniga töötlemistehnoloogiat on laialdaselt kasutatud raskesti töödeldavates materjalides, nagu niklipõhised sulamid, TiMMC-d ja keraamilised maatrikskomposiidid.
WU et al. [32] tegi PTMC-del aksiaalse ultraheli vibratsiooniga lihvimistesti ja avastas, et ultraheli toimel suureneb abrasiiviterade lõiketrajektoor ja abrasiiviterad suruvad korduvalt töödeldava detaili pinnale, et vähendada pinna karedust. väärtus. YUE et al. [33] viisid läbi PTMC-de üksiku abrasiivse tera ultraheli vibratsiooni abil lihvimise testi, võrdlesid tavalise lihvimise ja ultraheli lihvimise mõju materjali eemaldamise kiirusele erinevatel lihvimiskiirustel ja erinevatel etteandekiirustel ning koostasid ultraheliuuringu. Üksik abrasiivtera toimel näitab, et ultraheli vibratsioon põhjustab tõenäolisemalt abrasiivsete terade mikromurdmist, mis võib pidevalt uuendada lõiketera olekut ja säilitada abrasiivsete terade teravust kogu aeg. ZHAO et al. [34] kasutas isevalmistatud radiaalset vibratsiooniplatvormi (vt joonis 6), et viia läbi ultraheli vibratsiooniga lihvimiskatse PTMC-del ja võrrelda seda tavalise lihvimistestiga. Võrreldes tavalise lihvimisega võib ultraheli vibratsiooniga lihvimine vähendada lihvimistemperatuuri 24,2 protsendi võrra 51,8 protsendini ja samal ajal saab materjali eemaldamise kiirust suurendada 2,8 korda.
pilt
Joonis 6 Radiaalvibratsiooni ultraheliplatvorm ja vibratsiooni mõõtmise seade
BEIJANI jt. [35] kasutas TiMMC-de töötlemiseks esmakordselt traditsioonilise treimise alusel laser-assisted machining (LAM) (vt joonis 7). Tulemused näitavad, et võrreldes tavapärase töötlusega, kuigi tooriku pinnakaredus suureneb 15 protsenti, suureneb LAM-tööriista lõikemaht 180 protsenti ja tööriista eluiga on tõhusalt paranenud, mis on tingitud töötluse ülekandmisest. osakesed maatriksis, mitte murduvad.
pilt
a) Skemaatiline diagramm
pilt
b) Tegelik seade
Joonis 7 Laser-abiga töötlemise katseseade
04
Tootmislisandite töötlemine
Laserlisandite tootmistehnoloogia abil saab otse toota keerulisi konstruktsiooniosi, mis näitavad TiMMC-de valmistamisel suurepäraseid rakendusväljavaateid. BANERJEE et al. [36] töötlesid edukalt TiB/TC4 komposiite laserstereovormimistehnoloogia (LENSTM) abil ning kasutasid skaneerivat elektronmikroskoopiat ja transmissioonielektronmikroskoopiat, et iseloomustada üksikasjalikult ladestunud komposiitide mikrostruktuuri. Tulemused näitasid, et valmistatud meetod TiB/TC4 komposiitmikrostruktuur on oluliselt täiustatud ja termodünaamiliselt stabiilne. Samamoodi on GU et al. [37] kasutas valmistatud TiC/Ti komposiitpulbri töötlemiseks selektiivset lasersulatamist (SLM) ja saadi TiC osakestega tugevdatud TiAl3 (põhifaas) ja Ti3AlC2 (teise faasi) maatrikskomposiitid. Vaatamata kergele terade kasvule võrreldes jahvatatud pulbriga, on SLM-iga töödeldud komposiidil siiski peen mikrostruktuur. [38] kasutas metalli otsesadestamise (DMD) lasertöötlustehnoloogiat, et valmistada erinevaid mahuosasid (TiB pluss TiC) sisaldavaid PTMC-sid eellegeeritud (Ti-6Al-4V plus B4C) pulbri toorainest. ) pulbrisegud. Mehaanilised uuringud on näidanud, et 20-600 kraadi juures suureneb B4C-d sisaldavate osakestega tugevdatud TiMMC-de Vickersi kõvadus 10 protsenti -15 protsenti ja Youngi moodul 10 protsenti. TiMMC-de valmistamine DMD lasertöötlustehnoloogia abil on näidatud joonisel 8.
pilt
Joonis 8 DMD lasertöötlustehnoloogia abil valmistatud TiMMC-de skemaatiline diagramm
05
Sepistamine
Sepistamine võib kõrvaldada materjalide lahtised defektid sulatusprotsessi ajal, täiustada tõhusalt mikrostruktuuri ja saada kvaliteetseid sepiseid, mis vastavad struktuurile ja jõudlusele.
Vastavad välismaa teadlased on uurinud kuumsepistamise mõju Ti-TiB maatrikskomposiitide mikrostruktuurile ja tõmbeomadustele. Uuringud on näidanud, et sepistatud Ti-13.3B ja Ti-7B komposiitide toatemperatuuril pikenemine ulatub vastavalt 6,1 protsendini ja 5,2 protsendini ning materjali omadused on tõhusalt paranenud. Kodumaine teadlane Hu Jiarui jt. [39] sepistati in situ tekitatud paagutatud TiC-st ja PTMC-de struktuurilised vead pärast sepistamist kõrvaldati, toimus dünaamiline ümberkristallisatsioon ja paranesid mehaanilised omadused toatemperatuuril. TiC-osakestega tugevdatud TiMMC-de tõmbemurdumise SEM-morfoloogia on näidatud joonisel 9. Samal ajal paraneb maatriksi paranenud struktuuri tõttu PTMC-de kulumiskindlus pärast sepistamist. sama
[40] võrdles ja analüüsis 5 protsendi (TiB pluss TiC)/Ti-1100 komposiitmaterjalide mehaanilisi omadusi. 500-650 kraadi juures purunes valatud komposiitmaterjal rabedalt ja sepistatud komposiitmaterjal oli plastiline ning komposiitmaterjali tugevus ja pikenemine pärast sepistamist on oluliselt suurenenud.
pilt
a) paagutamine (maatriksi läbistavad praod) b) paagutamine (teradevahelised praod ja terapraod
pilt
c) -sepistamine d) ( pluss )-sepistamine
Joonis 9 TiC-osakestega tugevdatud TiMMC-de tõmbemurdude SEM-morfoloogia
06
järeldus
Tugevdusfaaside olemasolu tõttu on TiMMC-del traditsioonilistest titaanisulamitest erinevad mehaanilised omadused ja töötlemismehhanismid. Tulevikku vaadates areneb TiMMC-de töötlemine järgmistes aspektides.
(1) Töötlemistehnoloogia täiustamine TiMMC-de töötlemistehnoloogiat täiustatakse pidevalt, et parandada tootmise tõhusust ja toote kvaliteeti. Töötatakse välja uusi lõiketööriistu ja töötlemismeetodeid, et vähendada lõikejõude ja tööriista kulumist ning realiseerida TiMMC-de heterogeensete komponentide sünergilist eemaldamist.
(2) Mitme töötlemistehnoloogia kombinatsioon TiMMC-del on toatemperatuuril halb plastilisus ja TiMMC-de terviklik töötlemine erinevate termilise töötlemise meetodite, näiteks kõrgtemperatuurse superplastilise deformatsiooni, kuumsepistamise ja kuumekstrusioonideformatsiooni abil, võib maksimeerida TiMMC-de kasutuspotentsiaali erinevates valdkondades. väljad.
(3) Uute materjalide arendamine Teaduse ja tehnoloogia edenedes töötatakse välja uusi TiMMC-sid, millel on suurem jõudlus ja laiemad kasutusvaldkonnad. Näiteks nano-TiMMC-d, multifunktsionaalsed TiMMC-d ja kõrgel temperatuuril vastupidavad TiMMC-d soodustavad veelgi TiMMC-de arendamist.
(4) Jätkusuutlikkus ja keskkonnakaitse Säästlikkus ja keskkonnakaitse on TiMMC-de töötlemisel põhikaalutlusteks. Keskkonnasõbralikumate töötlemisviiside arendamine, jäätmete komposiitmaterjalide taaskasutamine ja energiatarbimise vähendamine on tuleviku arengusuund.
(5) Mitme väljaga rakendus TiMMC-sid rakendatakse rohkematel väljadel. Lisaks olemasolevatele kosmose- ja autotööstusele jätkavad TiMMC-de rakenduspotentsiaali uurimist ka meditsiini-, energeetika- ja ehitusvaldkonnad.
