Starea cercetării și progresul tehnologiei de prelucrare a compozitelor cu matrice de titan (TiMMC) au fost revizuite din aspectele prelucrării mecanice tradiționale, procesării câmpurilor energetice compozite, procesării forjate și fabricației aditive. Caracteristicile TiMMC-urilor procesate prin diferite tehnici de procesare. Vizând principalele probleme din cercetarea actuală, este prospectată tendința de dezvoltare a tehnologiei de prelucrare a TiMMC-urilor în viitor.
imagine
Inginer senior la nivel de cercetător Wang Guangping
01
preambul
Titanul și aliajele sale sunt utilizate pe scară largă în domeniile aerospațial, petrochimic, maritim și medical datorită proprietăților lor excelente, cum ar fi rezistența specifică ridicată, rezistența excelentă la coroziune chimică și biocompatibilitatea bună [1-4]. Cu toate acestea, modulul Young, rezistența la uzură și rezistența la căldură a aliajelor de titan sunt mai mici decât cele ale aliajelor de oțel și nichel, ceea ce limitează aplicațiile ulterioare ale acestora în domeniul auto și aerospațial [5-8]. Apariția compozitelor cu matrice de titan (TiMMC) oferă o nouă alternativă pentru a depăși problemele de mai sus. TiMMCs este un material compozit compus din titan și aliajele sale ca matrice și ceramică (particule, mustăți, fibre scurte și fibre lungi continue) ca fază de armare (vezi Figura 1).
imagine
a) Compozite cu matrice de titan armate cu fibre lungi continue
imagine
b) Compozite pe bază de titan armate cu particule c) Compozite pe bază de titan armate cu fibre scurte/Whisker
Figura 1 Diagrama schematică a TiMMC-urilor cu diferite tipuri de faze de armare
Menținând proprietățile excelente ale matricei, TiMMC-urile pot obține, de asemenea, proprietăți cuprinzătoare care nu pot fi atinse printr-o singură fază sau matrice de armare prin complementaritatea și corelarea proprietăților fibrei și ale matricei. De exemplu, limita de curgere a compozitului (TiC plus Ti5Si3)/Ti preparat de HUO et al. [9] este la fel de mare ca 829MPa, care este cu 178% mai mare decât cea a titanului pur, menținând în același timp o alungire mare de 8,1% și având rezistență ridicată și plasticitate medie. În comparație cu compozitele laminate TiC/Ti, rezistența și ductilitatea TiMMC-urilor sunt simultan îmbunătățite, rezultând o performanță sinergetică excelentă rezistență-ductilitate. Modulul specific ridicat al TiMMC-urilor este principalul factor care promovează aplicarea sa largă în fuselajul aeronavelor, în timp ce rezistența specifică ridicată este forța motrice pentru promovarea aplicării sale în industria motoarelor [10]. De exemplu, Statele Unite au preluat conducerea în utilizarea compozitelor pe bază de titan armate cu particule pentru fabricarea pieselor pentru motoare aeronautice. Paletele rotorului din compozit pe bază de titan armate cu particule dezvoltate de Statele Unite au fost aplicate cu succes, ceea ce nu numai că îmbunătățește performanța palelor rotorului, dar reduce și aviația. Costul de producție al motorului a scăzut cu până la 60 USD,000 [11]. Compania Boeing Aircraft din Statele Unite a dezvoltat o biela compozită pentru trenul de aterizare a aeronavei, armată cu particule, pe bază de titan, care nu numai că are o creștere semnificativă a temperaturii de serviciu, dar și reduce masa cu aproape 40% în comparație cu cea dinainte de îmbunătățire. , și a fost aplicat cu succes pe aeronava Boeing 787[12] . Centrul de Cercetare Atlantic din Statele Unite a dezvoltat cu succes un material compozit pe bază de titan armat cu particule pentru trenul de aterizare a elicopterelor și a fost aplicat cu succes. În comparație cu materialele tradiționale, greutatea este mult redusă [13]. Centrul de Cercetare Aeronautică Franceză și compania britanică Rolls-Royce au folosit compozite cu matrice de titan armate cu particule pentru a pregăti paletele motoarelor aeriene și au obținut succes [14, 15]. În domeniul auto, cerințele pentru structurile ușoare sunt în continuă creștere, ceea ce promovează foarte mult aplicarea TiMMC-urilor. Toyota Corporation din Japonia a folosit pentru prima dată materiale compozite BTi/Ti pentru supape de evacuare a automobilelor, supape de evacuare a motoarelor de automobile și alte piese, supape de motor etc. Masa totală este redusă cu aproape 40 la sută și are avantajele duratei de viață ridicate și costurilor reduse. [16]. În același timp, țări precum Europa și Statele Unite au început, de asemenea, să folosească materiale compozite pe bază de titan armate cu particule pentru a înlocui materialele tradiționale din oțel pentru a fabrica piesele principale ale automobile, astfel încât să reducă greutatea automobilelor și să îmbunătățească în continuare performanța automobilelor [17]. Domeniul de aplicare al TiMMC-urilor este prezentat în Figura 2.
imagine
Figura 2 Domeniul de aplicare a TiMMC-urilor
Datorită complexității compoziției materialelor, TiMMC-urile sunt mult mai dificil de prelucrat decât materialele de inginerie convenționale și reprezintă un nou tip de material dificil de prelucrat. Între timp, deși TiMMC-urile care conțin armături distribuite uniform sau armături discontinue prezintă în general o rezistență mai mare, ductilitatea și tenacitatea în raport cu matricea pură sunt în mod inevitabil compromise [18]. De exemplu, chiar și cu TiC și Ti5Si3 in-situ, datele de tracțiune arată că alungirea la rupere scade brusc de la 17,2% la 1,53% atunci când creșterea limitei de curgere a materialului compozit atinge 410MPa, ceea ce impune cerințe mai mari asupra tehnologiei de prelucrare [19]. ]. Prin urmare, modul de realizare a procesării de înaltă eficiență și cu daune reduse a TiMMC-urilor a devenit un punct fierbinte de cercetare în domeniul prelucrării materialelor compozite.
Metodele comune de procesare ale TiMMC includ prelucrarea, forjarea, turnarea și fabricarea aditivă [20]. Prelucrarea se bazează pe forța mecanică pentru a schimba forma materialelor, care poate realiza eficient producția de masă și procesarea în loturi. Este una dintre cele mai utilizate metode de prelucrare la rece. Poate atinge dimensiuni de înaltă precizie și cerințe de calitate a suprafeței și este potrivit pentru diferite tipuri de materiale, inclusiv materiale compozite. prelucrarea materialelor. Operațiile obișnuite de prelucrare includ tăierea, găurirea, frezarea și șlefuirea. Forjarea, turnarea și fabricarea aditivă sunt procese tipice de prelucrare termică care pot îmbunătăți proprietățile mecanice și structura materialelor compozite [21]. În plus, atunci când alegeți o tehnologie de procesare adecvată pentru prelucrarea TiMMC-urilor, este necesar să luați în considerare în mod cuprinzător diferitele caracteristici ale fiecărei componente din materialul compozit, precum și uzura și dilatarea termică dintre materialul compozit și instrumentul de prelucrare, pentru a obțineți piese TiMMC cu performanțe excelente.
În această lucrare, este trecută în revistă tehnologia actuală de procesare a TiMMC-urilor și este prospectată procesarea TiMMC-urilor în viitor, pentru a oferi suport teoretic pentru aplicarea de înaltă performanță a TiMMC-urilor.
02
Prelucrare
Datorită limitărilor tehnologiei de preparare a TiMMC-urilor, prelucrarea este încă un proces indispensabil în fabricarea TiMMC-urilor. În comparație cu materialul matricei, armătura are o duritate mai mare, o rezistență mai mare și o prelucrare mai dificilă și vor exista probleme precum fragmentarea fazei de armătură, extragerea și delipirea în timpul procesării. Procesul de tăiere al TiMMC-urilor a fost studiat cuprinzător în ceea ce privește optimizarea și alte aspecte.
2.1 Prelucrare
Vizând lipsa cercetărilor sistematice privind performanța de tăiere, cum ar fi mecanismul de uzură a sculei, forța de tăiere și schimbările de temperatură de tăiere în procesul de tăiere al TiMMC, Bian Weiliang [22] a efectuat cercetări privind performanța diferitelor strunjiri a sculelor (TiCp plus TiB w) /TC4. Diamantul monocristal și carbura cimentată sunt utilizate în prelucrarea materialelor. În aceleași condiții de tăiere, durata de viață a sculei PCD este mai lungă. Când unealta diamantată cu un singur cristal taie TiMMC-uri, uzura sculei vine în principal din răzuirea repetată a creșterii durității ridicate în raport cu unealta. Când tăiați numai aliajul TC4, aliajul de titan este lipit de unealtă și Uzura cauzată de difuzia elementelor de material de prelucrare la unealtă este mai semnificativă. La prelucrarea TiMMC-urilor cu scule din carbură cimentată, difuzia și lipirea materialului piesei de prelucrat sunt, de asemenea, evidente.
Pentru a explora în continuare influența parametrilor de tăiere și a metodelor de lubrifiere asupra caracteristicilor de prelucrare, NIKNAM și colab. [23] au efectuat experimente de strunjire uscată și semi-uscă pe compozite cu matrice de titan armate cu particule (PTMC) și au analizat forța de tăiere în funcție de diferiți parametri de tăiere. , rugozitatea suprafeței și comportamentul de îndepărtare a particulelor. Rezultatele arată că forța de tăiere este mai mare în condiții semi-uscate și se va produce o peliculă de lubrifiant, care împiedică desfășurarea lină a tăierii.
DUONG şi colab. [24] au studiat comportamentul inițial la uzura sculei în timpul strunjirii TiMMC-urilor și au descoperit că uzura este cel mai important mecanism în tăierea TiMMC-urilor, iar difuzia și aderența au fost găsite în toate condițiile. Și o nouă formă de uzură a stratului subțire dur a fost găsită în procesul de prelucrare, care în acest caz ar duce la uzură prin difuzie și tumoră mecanică. Spre deosebire de PTMC, compozitele cu matrice de titan armată cu fibre continue au o anizotropie unică datorită continuității fibrelor. Pentru a clarifica mecanismul de tăiere al compozitelor cu matrice de titan armată cu fibre continue, ZAN[25] et al. Testul de tăiere ortogonală SiCf/Ti-6Al{-4V a obținut comportamentul de formare a așchiilor și mecanismul de deformare al materialului compozit la temperatură scăzută, temperatura camerei și temperatură ridicată și a constatat că, în comparație cu formarea de Banda de forfecare adiabatică în timpul procesului de tăiere a aliajului de titan, SiCf/Ti Lățimea dintelui de ferăstrău -6Al{-4V este mai mare. Figura 3 este o diagramă schematică a tăierii stratului alternativ de SiCf/Ti-6Al{-4V la diferite temperaturi.
imagine
a) Criogenic (CT)
imagine
b) Temperatura camerei (RT)
Fig.3 Diagrama de tăiere a straturilor alternative de compozite cu matrice de titan armate cu fibre la diferite temperaturi
2.2 Măcinare
Slefuirea se bazează pe multe granule abrazive de pe suprafața discului de șlefuit pentru a tăia simultan piesa de prelucrat pentru a îndepărta materialul, care este potrivit pentru prelucrarea de precizie și ultra-precizie a materialelor. DING și colab. [26, 27] a stabilit un model tridimensional cu elemente finite al procesului de măcinare pentru a înțelege comportamentul de îndepărtare a materialului TiCp/Ti-6Al{-4V în timpul șlefuirii convenționale și al măcinarii de mare viteză, și pe baza modelului cu elemente finite, a discutat comportamentul de îndepărtare a materialului. Comportamentul la îndepărtare și efectul vitezei de șlefuire asupra formării caracteristicilor suprafeței prelucrate (vezi Figura 4). Rezultatele arată că comportamentul de îndepărtare a materialului în timpul măcinării TiCp/Ti-6Al{-4V poate fi împărțit în îndepărtarea ductilă a materialului cu matrice metalică și îndepărtarea fragilă a particulelor armate cu TiC. În mod similar, LIU și colab. [28] au concluzionat că îndepărtarea materialului în măcinarea de mare viteză a PTMC-urilor poate fi împărțită în patru etape: îndepărtarea plastică a matricei de aliaj, inițierea fisurii în particulele îmbunătățite, propagarea fisurilor în particulele îmbunătățite și eșecul fragil al particulelor îmbunătățite. În comparație cu viteza de șlefuire, grosimea așchiilor neformate are o influență mai mare asupra formării defectelor de suprafață prelucrată. Pe această bază, LI et al. [29, 30] au studiat performanța de șlefuire a discului de șlefuit CBN galvanizat cu un singur strat și a discului de șlefuit CBN lipit pentru PTMC (vezi Figura 5). Rezultatele au arătat că roata de șlefuit CBN lipită cu un singur strat este mai potrivită decât roata de șlefuit galvanizată pentru șlefuirea de mare viteză a PTMC. Liu Chaojie și colab. [31] a analizat modelul forței de șlefuire a șlefuirii laterale a PTMC prin intermediul simulării. La îndepărtarea matricei, fluctuația forței de măcinare este regulată. La îndepărtarea particulelor armate cu TiC, vor apărea fisuri și se vor extinde pe suprafața materialului. Există, de asemenea, așchii masivi îndepărtați pe suprafață, iar fluctuația forței de măcinare în zona în care sunt îndepărtate particulele armate este mare. În plus, forțele de șlefuire normale și tangenţiale cresc ambele odată cu creșterea grosimii unui singur așchiu abraziv.
imagine
a) Simulare PTMC de măcinare obișnuită
imagine
b) Rezultatele testelor PTMC-urilor obișnuite de măcinare
imagine
c) Simularea PTMC-urilor de măcinare de mare viteză
imagine
d) Rezultate experimentale ale măcinării de mare viteză a PTMC-urilor
Fig. 4 Simularea și rezultatele testelor ale comportamentului de îndepărtare a PTMC-urilor la viteze diferite
(față de =3m/min, ap=0,010 mm)
imagine
a) Slefuire cu disc abraziv CBN galvanizat
imagine
b) Slefuire cu disc abraziv CBN
Figura 5 Comparația dintre discul de șlefuit CBN galvanizat și discul de șlefuit CBN lipit pentru șlefuirea PTMC-urilor
03
Prelucrarea câmpului energetic compozit
Șlefuirea asistată cu vibrații ultrasonice este o tehnologie de procesare compusă care introduce vibrația ultrasonică în tehnologia tradițională de șlefuire pentru a reduce temperatura de tăiere și a îmbunătăți calitatea șlefuirii. În prelucrarea asistată cu vibrații ultrasonice, starea de contact dintre unealtă și piesa de prelucrat se modifică din cauza vibrațiilor de înaltă frecvență, iar unealta și piesa de prelucrat sunt în contact intermitent, însoțite de efecte de cavitație și de impacturi de înaltă frecvență, astfel încât contactul dintre piesa de prelucrat și unealta Forța de frecare este redusă, reducând astfel căldura de tăiere și forța de tăiere și poate crește durata de viață a sculei și poate îmbunătăți calitatea prelucrării. Tehnologia de prelucrare asistată cu vibrații cu ultrasunete a fost utilizată pe scară largă în materiale dificil de prelucrat, cum ar fi aliajele pe bază de nichel, TiMMC și compozitele cu matrice ceramică.
WU şi colab. [32] a efectuat un test de șlefuire asistată de vibrații ultrasonice axiale pe PTMC și a constatat că, sub acțiunea ultrasunetelor, traiectoria de tăiere a boabelor abrazive crește, iar boabele abrazive presează în mod repetat suprafața piesei de prelucrat pentru a reduce rugozitatea suprafeței. valoare. YUE şi colab. [33] a efectuat testul de șlefuire asistată prin vibrații ultrasonice a granulelor abrazive unice PTMC, a comparat influența șlefuirii obișnuite și a șlefuirii cu ultrasunete asupra ratei de îndepărtare a materialului la diferite viteze de șlefuire și viteze de avans diferite și a stabilit modelul ultrasonic de grosime de tăiere a unui Un singur bob abraziv sub acțiune arată că vibrația ultrasonică este mai probabil să provoace micro-ruperea boabelor abrazive, ceea ce poate actualiza continuu starea muchiei de tăiere și poate menține ascuțimea boabelor abrazive în orice moment. ZHAO şi colab. [34] a folosit o platformă de vibrații radiale realizată de sine stătător (vezi Figura 6) pentru a efectua un test de șlefuire asistată de vibrații ultrasonice pe PTMC și l-a comparat cu testul de șlefuire obișnuit. În comparație cu șlefuirea obișnuită, măcinarea asistată cu vibrații ultrasonice poate reduce temperatura de măcinare cu 24,2% până la 51,8% și, în același timp, rata de îndepărtare a materialului poate fi crescută de 2,8 ori.
imagine
Figura 6 Platformă cu ultrasunete pentru vibrații radiale și dispozitiv de măsurare a vibrațiilor
BEIJANI et al. [35] a folosit prelucrarea asistată cu laser (LAM) pentru a procesa TiMMC-uri pentru prima dată pe baza strunjirii tradiționale (vezi Figura 7). Rezultatele arată că, în comparație cu prelucrarea convențională, deși valoarea rugozității suprafeței piesei de prelucrat crește cu 15%, volumul total de tăiere al sculei LAM crește cu 180%, iar durata de viață a sculei este îmbunătățită efectiv, ceea ce este atribuit transferului de particulele din matrice, mai degrabă decât să se fractureze.
imagine
a) Diagrama schematică
imagine
b) Dispozitivul real
Figura 7 Dispozitiv de testare a procesării asistate cu laser
04
Procesare de fabricație aditivă
Tehnologia de fabricație aditivă cu laser poate produce direct piese structurale complexe, arătând perspective mari de aplicare în fabricarea TiMMC-urilor. BANERJEE şi colab. [36] a procesat cu succes compozite TiB/TC4 folosind tehnologia de procesare a stereoformarii laser (LENSTM) și a folosit microscopia electronică cu scanare și microscopia electronică cu transmisie pentru a caracteriza microstructura compozitelor așa cum sunt depozitate în detaliu. Rezultatele au arătat că metoda preparată Microstructura compozită TiB/TC4 este rafinată semnificativ și este stabilă termodinamic. În mod similar, GU și colab. [37] a folosit topirea selectivă cu laser (SLM) pentru a procesa pulberea compozită TiC/Ti preparată și a obținut compozite matrice TiAl3 (fază principală) și Ti3AlC2 (fază secundară) armate cu particule de TiC. În ciuda creșterii ușoare a boabelor în raport cu pulberea măcinată, compozitul tratat cu SLM prezintă încă o microstructură fină. [38] a folosit tehnologia de procesare cu laser prin depunere directă a metalelor (DMD) pentru a prepara PTMC-uri care conțin diferite fracțiuni de volum (TiB plus TiC) din materii prime pulbere compuse din prealiat (Ti-6Al{-4V plus B4C). ) amestecuri de pulberi. Studiile mecanice au arătat că la 20-600 grade , duritatea Vickers a TiMMC-urilor armate cu particule care conțin B4C crește cu 10 la sută -15 la sută , iar modulul Young crește cu 10 la sută . Prepararea TiMMC-urilor prin tehnologia de procesare cu laser DMD este prezentată în Figura 8.
imagine
Fig.8 Diagrama schematică a TiMMC-urilor pregătite prin tehnologia de procesare cu laser DMD
05
Forjare
Forjarea poate elimina defectele libere ale materialelor în timpul procesului de topire, poate rafina eficient microstructura și poate obține piese forjate de înaltă calitate, care se potrivesc cu structura și performanța.
Cercetătorii străini relevanți au studiat efectul forjarii la cald asupra microstructurii și proprietăților de tracțiune ale compozitelor cu matrice Ti-TiB. Studiile au arătat că alungirea la temperatura camerei a compozitelor forjate Ti-13.3B și Ti{-7B atinge 6,1% și, respectiv, 5,2%, iar proprietățile materialului sunt îmbunătățite efectiv. Savantul autohton Hu Jiarui et al. [39] PTMC-uri forjate de TiC sinterizat generate in situ, iar defectele structurale ale PTMC-urilor după forjare au fost eliminate, a avut loc recristalizarea dinamică și proprietățile mecanice la temperatura camerei au fost îmbunătățite. Morfologia SEM la rupere la tracțiune a TiMMC-urilor armate cu particule de TiC este prezentată în Fig. 9. În același timp, datorită structurii îmbunătățite a matricei, rezistența la uzură a PTMC-urilor după forjare este îmbunătățită. la fel
[40] a comparat și analizat proprietățile mecanice ale materialelor compozite de 5% (TiB plus TiC)/Ti-1100. La gradul 500-650, materialul compozit turnat a fost fracturat fragil, iar materialul compozit forjat a fost fracturat ductil, iar rezistența și alungirea materialului compozit după forjare sunt semnificativ crescute.
imagine
a) Sinterizare (fisuri de penetrare a matricei) b) Sinterizare (fisuri intergranulare și fisuri de cereale)
imagine
c) -forjare d) ( plus )-forjare
Fig.9 Morfologia SEM de fractură la tracțiune a TiMMC-urilor întărite cu particule de TiC
06
concluzie
Datorită prezenței fazelor de armare, TiMMC-urile prezintă proprietăți mecanice și mecanisme de procesare diferite față de aliajele tradiționale de titan. Privind în viitor, procesarea TiMMC-urilor se va dezvolta în următoarele aspecte.
(1) Îmbunătățirea tehnologiei de procesare Tehnologia de procesare a TiMMC-urilor va fi îmbunătățită continuu pentru a îmbunătăți eficiența producției și calitatea produsului. Vor fi dezvoltate noi instrumente de tăiere și metode de procesare pentru a reduce forțele de așchiere și uzura sculelor și pentru a realiza îndepărtarea sinergică a componentelor eterogene TiMMC.
(2) Combinația de tehnologii de procesare multiple TiMMC-urile au o plasticitate scăzută la temperatura camerei, iar prelucrarea completă a TiMMC-urilor prin utilizarea diferitelor metode de prelucrare termică, cum ar fi deformarea superplastică la temperatură înaltă, forjarea la cald și deformarea extrudarii la cald poate maximiza potențialul de aplicare al TiMMC-urilor în diverse câmpuri.
(3) Dezvoltarea de noi materiale Odată cu progresul științei și tehnologiei, vor fi dezvoltate noi TiMMC-uri cu performanțe mai mari și domenii de aplicare mai largi. De exemplu, nano-TiMMC-urile, TiMMC-urile multifuncționale și TiMMC-urile durabile la temperatură înaltă vor promova în continuare dezvoltarea TiMMC-urilor.
(4) Durabilitatea și protecția mediului Durabilitatea și protecția mediului vor deveni considerații cheie la procesarea TiMMC-urilor. Dezvoltarea unor metode de procesare mai ecologice, reciclarea deșeurilor de materiale compozite și reducerea consumului de energie vor fi direcția viitoare de dezvoltare.
(5) TiMMC-urile pentru aplicații pe mai multe câmpuri vor fi aplicate în mai multe domenii. Pe lângă industriile aerospațiale și auto existente, domeniile medical, energetic și construcții vor continua să exploreze și potențialul de aplicare al TiMMC-urilor.
