Stav výskumu a pokrok technológie spracovania kompozitov s titánovou matricou (TiMMC) bol zhodnotený z hľadiska tradičného mechanického spracovania, spracovania kompozitného energetického poľa, spracovania kovania a výroby aditív. Charakteristika TiMMC spracovaných rôznymi technikami spracovania. Pri zameraní sa na hlavné problémy súčasného výskumu sa predpokladá vývojový trend technológie spracovania TiMMC v budúcnosti.
obrázok
Vedúci inžinier na úrovni výskumníka Wang Guangping
01
preambula
Titán a jeho zliatiny sú široko používané v kozmickom, petrochemickom, námornom a medicínskom odbore vďaka svojim vynikajúcim vlastnostiam, ako je vysoká špecifická pevnosť, vynikajúca chemická odolnosť proti korózii a dobrá biokompatibilita [1-4]. Avšak Youngov modul, odolnosť proti opotrebovaniu a tepelná odolnosť zliatin titánu sú nižšie ako u ocele a zliatin na báze niklu, čo obmedzuje ich ďalšie aplikácie v automobilovom a leteckom priemysle [5-8]. Vznik kompozitov s titánovou matricou (TiMMC) poskytuje novú alternatívu na prekonanie vyššie uvedených problémov. TiMMC je kompozitný materiál zložený z titánu a jeho zliatin ako matrice a keramiky (častice, whiskery, krátke vlákna a kontinuálne dlhé vlákna) ako výstužnej fázy (pozri obrázok 1).
obrázok
a) Titánové matricové kompozity vystužené kontinuálnymi dlhými vláknami
obrázok
b) Kompozity na báze titánu vystužené časticami c) Kompozity na titánovej báze vystužené krátkymi vláknami
Obrázok 1 Schematický diagram TiMMC s rôznymi typmi výstužných fáz
Pri zachovaní vynikajúcich vlastností matrice môžu TiMMC získať aj komplexné vlastnosti, ktoré nie je možné dosiahnuť jedinou vystužovacou fázou alebo matricou prostredníctvom komplementarity a korelácie vlastností vlákna a matrice. Napríklad medza klzu (TiC plus Ti5Si3)/Ti kompozitu pripraveného HUO et al. [9] je až 829 MPa, čo je o 178 percent viac ako u čistého titánu, pri zachovaní vysokého predĺženia 8,1 percenta a má vysokú pevnosť a strednú plasticitu. V porovnaní s laminovanými TiC/Ti kompozitmi sa súčasne zvyšuje pevnosť a ťažnosť TiMMC, čo vedie k vynikajúcemu synergickému výkonu medzi pevnosťou a ťažnosťou. Vysoký špecifický modul TiMMC je hlavným faktorom na podporu jeho širokého použitia v trupe lietadiel, zatiaľ čo vysoká špecifická pevnosť je hnacou silou na podporu jeho aplikácie v priemysle motorov [10]. Spojené štáty sa napríklad ujali vedenia v používaní kompozitov na báze titánu vystužených časticami na výrobu častí leteckých motorov. Časticami vystužené kompozitné rotorové listy na báze titánu vyvinuté Spojenými štátmi boli úspešne aplikované, čo nielen zlepšuje výkon rotorových listov, ale tiež znižuje mieru letectva. Výrobné náklady motora klesli až o 60 USD,000 [11]. Spoločnosť Boeing Aircraft Company of United States vyvinula časticami vystuženú kompozitnú ojnicu podvozku lietadla na báze titánu, ktorá má nielen výrazné zvýšenie prevádzkovej teploty, ale tiež znižuje hmotnosť takmer o 40 percent v porovnaní s pred zlepšením. a bol úspešne aplikovaný na lietadlách Boeing 787[12]. Atlantické výskumné centrum Spojených štátov amerických úspešne vyvinulo časticami vystužený kompozitný materiál na báze titánu pre pristávacie zariadenie helikoptér a bol úspešne aplikovaný. V porovnaní s tradičnými materiálmi je hmotnosť výrazne znížená [13]. Francúzske centrum pre výskum letectva a britská spoločnosť Rolls-Royce použili kompozity s titánovou matricou vystužené časticami na prípravu lopatiek leteckých motorov a dosiahli úspech [14, 15]. V automobilovej oblasti sa požiadavky na ľahké konštrukcie neustále zvyšujú, čo výrazne podporuje aplikáciu TiMMC. Japonská korporácia Toyota prvýkrát použila kompozitné materiály BTi/Ti na automobilové výfukové ventily, výfukové ventily automobilových motorov a iné diely, ventily motora atď. Celková hmotnosť je znížená takmer o 40 percent a má výhody vysokej životnosti a nízkych nákladov. [16]. Zároveň krajiny ako Európa a Spojené štáty americké tiež začali používať časticami vystužené kompozitné materiály na báze titánu, aby nahradili tradičné oceľové materiály na výrobu hlavných častí automobilov, aby sa znížila hmotnosť automobilov a ďalej sa zlepšil výkon automobilov [17]. Rozsah použitia TiMMC je znázornený na obrázku 2.
obrázok
Obrázok 2 Rozsah použitia TiMMC
Kvôli zložitosti materiálového zloženia je TiMMC oveľa náročnejšie na spracovanie ako bežné inžinierske materiály a ide o nový typ ťažko spracovateľného materiálu. Zatiaľ čo TiMMC obsahujúce rovnomerne rozložené výstuže alebo diskontinuálne výstuže vo všeobecnosti vykazujú vyššiu pevnosť, ťažnosť a húževnatosť v porovnaní s čistou matricou sú nevyhnutne ohrozené [18]. Napríklad aj pri in-situ TiC a Ti5Si3 údaje o ťahu ukazujú, že predĺženie pri pretrhnutí prudko klesá zo 17,2 percenta na 1,53 percenta, keď prírastok medze klzu kompozitného materiálu dosiahne 410 MPa, čo kladie vyššie požiadavky na technológiu spracovania [19 ]. Preto sa ako dosiahnuť vysokú účinnosť a nízke poškodenie spracovania TiMMC stalo výskumným centrom v oblasti spracovania kompozitných materiálov.
Bežné metódy spracovania TiMMC zahŕňajú obrábanie, kovanie, odlievanie a aditívnu výrobu [20]. Obrábanie sa spolieha na mechanickú silu na zmenu tvaru materiálov, ktoré môžu efektívne vykonávať hromadnú výrobu a dávkové spracovanie. Je to jedna z najčastejšie používaných metód spracovania za studena. Dokáže dosiahnuť veľmi presné rozmery a požiadavky na kvalitu povrchu a je vhodný pre rôzne typy materiálov vrátane kompozitných materiálov. spracovanie materiálu. Bežné obrábacie operácie zahŕňajú rezanie, vŕtanie, frézovanie a brúsenie. Kovanie, odlievanie a aditívna výroba sú typické procesy tepelného spracovania, ktoré môžu zlepšiť mechanické vlastnosti a štruktúru kompozitných materiálov [21]. Okrem toho je pri výbere vhodnej technológie spracovania na spracovanie TiMMC potrebné komplexne zvážiť rôzne vlastnosti každého komponentu v kompozitnom materiáli, ako aj opotrebovanie a tepelnú rozťažnosť medzi kompozitným materiálom a nástrojom na spracovanie, aby sa získať diely TiMMC s vynikajúcim výkonom.
V tomto článku je preskúmaná súčasná technológia spracovania TiMMC a predpokladá sa spracovanie TiMMC v budúcnosti, aby sa poskytla teoretická podpora pre vysoko výkonnú aplikáciu TiMMC.
02
Obrábanie
Kvôli obmedzeniam technológie prípravy TiMMC je obrábanie stále nevyhnutným procesom pri výrobe TiMMC. V porovnaní s matricovým materiálom má výstuž vyššiu tvrdosť, vyššiu pevnosť a náročnejšie spracovanie a počas spracovania sa vyskytnú problémy, ako je fragmentácia fázy výstuže, vyťahovanie a rozpájanie. Proces rezania TiMMC bol komplexne študovaný z hľadiska optimalizácie a ďalších aspektov.
2.1 Obrábanie
Bian Weiliang [22], zameraný na nedostatok systematického výskumu rezného výkonu, ako je mechanizmus opotrebovania nástroja, rezná sila a zmeny reznej teploty v procese rezania TiMMC, vykonal výskum výkonnosti rôznych nástrojov sústruženia (TiCp plus TiB w). /TC4. Pri spracovaní materiálov sa používa monokryštálový diamant a slinutý karbid. Pri rovnakých rezných podmienkach je životnosť PCD nástroja dlhšia. Keď monokryštálový diamantový nástroj reže TiMMC, opotrebovanie nástroja pochádza hlavne z opakovaného škrabania vysokého zvýšenia tvrdosti v porovnaní s nástrojom. Pri rezaní samotnej zliatiny TC4 je zliatina titánu spojená s nástrojom a opotrebenie spôsobené difúziou prvkov spracovávaného materiálu do nástroja je výraznejšie. Pri obrábaní TiMMC nástrojmi zo slinutého karbidu je zrejmá aj difúzia a lepenie materiálu obrobku.
Aby sa ďalej preskúmal vplyv rezných parametrov a metód mazania na charakteristiky obrábania, NIKNAM et al. [23] uskutočnili suché a polosuché sústružnícke experimenty na časticami vystužených titánových matricových kompozitoch (PTMC) a analyzovali reznú silu pri rôznych rezných parametroch. drsnosť povrchu a správanie pri odstraňovaní častíc. Výsledky ukazujú, že rezná sila je väčšia v polosuchom stave a vytvorí sa film maziva, ktorý bráni hladkému priebehu rezu.
DUONG a kol. [24] študovali počiatočné opotrebenie nástroja počas sústruženia TiMMC a zistili, že opotrebovanie je najdôležitejším mechanizmom pri rezaní TiMMC a že difúzia a adhézia boli zistené za všetkých podmienok. A v procese obrábania sa našla nová forma opotrebovania tvrdej tenkej vrstvy, ktorá by v tomto prípade viedla k difúznemu opotrebovaniu a mechanickému nádoru. Na rozdiel od PTMC majú kompozity s titánovou matricou vystužené kontinuálnymi vláknami jedinečnú anizotropiu v dôsledku kontinuity vlákien. Aby sa objasnil mechanizmus rezania kompozitov s matricou titánu vystužených súvislými vláknami, ZAN[25] a kol. Test ortogonálneho rezania SiCf/Ti{2}}Al-4V získal správanie pri tvorbe triesok a mechanizmus deformácie kompozitného materiálu pri nízkej teplote, izbovej teplote a vysokej teplote a zistilo sa, že v porovnaní s tvorbou adiabatický strižný pás pri procese rezania zliatiny titánu, SiCf/Ti Šírka pílového zuba -6Al-4V je väčšia. Obrázok 3 je schematický diagram rezania vrstiev SiCf/Ti-6Al-4V pri rôznych teplotách.
obrázok
a) Kryogénne (CT)
obrázok
b) Izbová teplota (RT)
Obr.3 Schéma rezu striedajúcich sa vrstiev kompozitov s matricou titánu vystužených vláknami pri rôznych teplotách
2.2 Brúsenie
Brúsenie sa spolieha na množstvo brúsnych zŕn na povrchu brúsneho kotúča, ktoré súčasne reže obrobok na odstránenie materiálu, čo je vhodné na presné a ultra presné obrábanie materiálov. DING a kol. [26, 27] vytvorili trojrozmerný model konečných prvkov procesu brúsenia, aby pochopili úber materiálu TiCp/Ti-6Al-4V počas konvenčného brúsenia a vysokorýchlostného brúsenia, a na základe modelu konečných prvkov diskutovali o správaní sa pri odstraňovaní materiálu. Správanie pri úbere a vplyv rýchlosti brúsenia na vytváranie obrobených povrchových prvkov (pozri obrázok 4). Výsledky ukazujú, že správanie pri odstraňovaní materiálu počas mletia TiCp/Ti-6Al-4V možno rozdeliť na tvárne odstraňovanie materiálu kovovej matrice a krehké odstraňovanie častíc vystužených TiC. Podobne LIU a kol. [28] dospeli k záveru, že odstraňovanie materiálu pri vysokorýchlostnom mletí PTMC možno rozdeliť do štyroch etáp: plastické odstraňovanie zliatinovej matrice, iniciácia trhlín v zosilnených časticiach, šírenie trhlín v vylepšených časticiach a krehké zlyhanie vylepšených častíc. V porovnaní s rýchlosťou brúsenia má nedeformovaná hrúbka triesky väčší vplyv na vznik obrobených povrchových defektov. Na tomto základe LI a kol. [29, 30] študovali brúsny výkon jednovrstvového galvanicky pokovovaného CBN brúsneho kotúča a spájkovaného CBN brúsneho kotúča pre PTMC (pozri obrázok 5). Výsledky ukázali, že jednovrstvový spájkovaný CBN brúsny kotúč je vhodnejší ako galvanický brúsny kotúč na vysokorýchlostné brúsenie PTMC. Liu Chaojie a kol. [31] analyzovali model brúsnej sily bočného brúsenia PTMC pomocou simulácie. Pri odstraňovaní matrice je kolísanie brúsnej sily pravidelné. Pri odstraňovaní častíc vystužených TiC sa na povrchu materiálu objavia a rozšíria trhliny. Na povrchu dochádza aj k odstráneniu masívnych triesok a veľké je kolísanie brúsnej sily v oblasti odstránenia zosilnených častíc. Okrem toho sa normálna aj tangenciálna brúsna sila zvyšujú so zvyšovaním hrúbky jednotlivej brúsnej triesky.
obrázok
a) Simulácia bežného brúsenia PTMC
obrázok
b) Výsledky testov bežných brúsnych PTMC
obrázok
c) Simulácia vysokorýchlostného brúsenia PTMC
obrázok
d) Experimentálne výsledky vysokorýchlostného mletia PTMC
Obr. 4 Výsledky simulácie a testovania správania pri odstraňovaní PTMC pri rôznych rýchlostiach
(vs=3m/min, pribl.=0,010 mm)
obrázok
a) Brúsenie galvanicky pokovovaným CBN brúsnym kotúčom
obrázok
b) Brúsenie spájkovaným CBN brúsnym kotúčom
Obrázok 5 Porovnanie elektrolyticky pokovovaného CBN brúsneho kotúča a spájkovaného CBN brúsneho kotúča na brúsenie PTMC
03
Spracovanie kompozitného energetického poľa
Brúsenie s pomocou ultrazvukových vibrácií je technológia spracovania zmesí, ktorá zavádza ultrazvukové vibrácie do tradičnej technológie brúsenia na zníženie teploty rezania a zlepšenie kvality brúsenia. Pri obrábaní s pomocou ultrazvukových vibrácií sa kontaktný stav medzi nástrojom a obrobkom mení v dôsledku vysokofrekvenčných vibrácií a nástroj a obrobok sú v prerušovanom kontakte sprevádzanom kavitačnými efektmi a vysokofrekvenčnými nárazmi, takže kontakt medzi obrobok a nástroj Trecia sila je znížená, čím sa znižuje rezné teplo a rezná sila a môže zvýšiť životnosť nástroja a zlepšiť kvalitu spracovania. Technológia obrábania s pomocou ultrazvukových vibrácií sa široko používa v ťažko obrobiteľných materiáloch, ako sú zliatiny na báze niklu, TiMMC a kompozity s keramickou matricou.
WU a kol. [32] vykonali axiálny ultrazvukový vibračný test brúsenia na PTMC a zistili, že pri pôsobení ultrazvuku sa dráha rezu brúsnych zŕn zväčšuje a brúsne zrná opakovane tlačia na povrch obrobku, aby sa znížila drsnosť povrchu. hodnotu. YUE a kol. [33] vykonali test brúsenia za pomoci ultrazvukových vibrácií jednotlivých brúsnych zŕn PTMC, porovnali vplyv bežného brúsenia a ultrazvukového brúsenia na rýchlosť úberu materiálu pri rôznych rýchlostiach brúsenia a rôznych rýchlostiach posuvu a stanovili ultrazvukový model hrúbky rezu Jedno brúsne zrno pri pôsobení ukazuje, že ultrazvukové vibrácie s väčšou pravdepodobnosťou spôsobia mikrorozbitie brúsnych zŕn, ktoré môžu neustále aktualizovať stav reznej hrany a udržiavať ostrosť brúsnych zŕn po celú dobu. ZHAO a kol. [34] použili vlastnú radiálnu vibračnú platformu (pozri obrázok 6) na vykonanie testu brúsenia pomocou ultrazvukových vibrácií na PTMC a porovnali ho s bežným testom brúsenia. V porovnaní s bežným brúsením môže brúsenie pomocou ultrazvukových vibrácií znížiť teplotu brúsenia o 24,2 percenta na 51,8 percenta a súčasne sa rýchlosť úberu materiálu môže zvýšiť 2,8-krát.
obrázok
Obrázok 6 Ultrazvuková platforma radiálnych vibrácií a zariadenie na meranie vibrácií
BEIJANI a kol. [35] použili laserom podporované obrábanie (LAM) na spracovanie TiMMC po prvýkrát na základe tradičného sústruženia (pozri obrázok 7). Výsledky ukazujú, že v porovnaní s konvenčným obrábaním, aj keď sa hodnota drsnosti povrchu obrobku zvýši o 15 percent, celkový rezný objem nástroja LAM sa zvýši o 180 percent a životnosť nástroja sa efektívne zlepší, čo sa pripisuje prenosu častice v matrici a nie lámanie.
obrázok
a) Schematický diagram
obrázok
b) Skutočné zariadenie
Obrázok 7 Zariadenie na testovanie laserom
04
Aditívne výrobné spracovanie
Technológia laserovej aditívnej výroby môže priamo vyrábať zložité konštrukčné diely, čo má skvelé aplikačné vyhliadky pri výrobe TiMMC. BANERJEE a kol. [36] úspešne spracovali kompozity TiB/TC4 pomocou technológie laserového stereoformovania (LENSTM) a použili skenovaciu elektrónovú mikroskopiu a transmisnú elektrónovú mikroskopiu na podrobnú charakteristiku mikroštruktúry takto uložených kompozitov. Výsledky ukázali, že pripravená metóda Mikroštruktúra TiB/TC4 kompozitu je výrazne prepracovaná a je termodynamicky stabilná. Podobne GU a spol. [37] použili selektívne tavenie laserom (SLM) na spracovanie pripraveného prášku TiC/Ti kompozitu a získali časticami TiC vystužené matricové kompozity TiAl3 (hlavná fáza) a Ti3AlC2 (sekundárna fáza). Napriek miernemu rastu zŕn v porovnaní s mletým práškom, kompozit upravený SLM stále vykazuje jemnú mikroštruktúru. [38] použili technológiu laserového spracovania priamej depozície kovov (DMD) na prípravu PTMC obsahujúcich rôzne objemové frakcie (TiB plus TiC) z práškových surovín zložených z predlegovaných (Ti-6Al-4V plus B4C ) práškové zmesi. Mechanické štúdie ukázali, že pri 20-600 stupni sa tvrdosť podľa Vickersa časticami vystužených TiMMC obsahujúcich B4C zvyšuje o 10 percent -15 percent a Youngov modul sa zvyšuje o 10 percent. Príprava TiMMC technológiou laserového spracovania DMD je znázornená na obrázku 8.
obrázok
Obr.8 Schematický diagram TiMMC pripravených technológiou laserového spracovania DMD
05
Kovanie
Kovanie môže eliminovať voľné defekty materiálov počas procesu tavenia, efektívne zjemniť mikroštruktúru a získať vysoko kvalitné výkovky, ktoré zodpovedajú štruktúre a výkonu.
Relevantní zahraniční vedci študovali vplyv kovania za tepla na mikroštruktúru a ťahové vlastnosti kompozitov s matricou Ti-TiB. Štúdie ukázali, že predĺženie kovaných kompozitov Ti-13.3B a Ti{3}}B pri izbovej teplote dosahuje 6,1 percenta a 5,2 percenta a vlastnosti materiálu sa účinne zlepšili. Domáci učenec Hu Jiarui a spol. [39] kované PTMC zo sintrovaného TiC generovaného in situ a štrukturálne defekty PTMC po kovaní boli eliminované, nastala dynamická rekryštalizácia a zlepšili sa mechanické vlastnosti pri izbovej teplote. Morfológia lomu v ťahu SEM častíc TiC vystužených TiMMC je znázornená na obr. 9. Zároveň sa vďaka zlepšenej štruktúre matrice zlepšila odolnosť PTMC proti opotrebeniu po kovaní. rovnaký
[40] porovnávali a analyzovali mechanické vlastnosti 5-percentných (TiB plus TiC)/Ti-1100 kompozitných materiálov. Pri 500-650 stupni bol odliaty kompozitný materiál krehký a kovaný kompozitný materiál mal tvárny lom a pevnosť a predĺženie kompozitného materiálu po kovaní sa výrazne zvýšili.
obrázok
a) Spekanie (trhliny prenikajúce matricou) b) Spekanie (medzikryštalické trhliny a trhliny zŕn
obrázok
c) -kovanie d) ( plus )-kovanie
Obr.9 SEM morfológia ťahového lomu TiMMC vystužených časticami TiC
06
záver
Vďaka prítomnosti výstužných fáz vykazujú TiMMC odlišné mechanické vlastnosti a mechanizmy spracovania ako tradičné zliatiny titánu. Pokiaľ ide o budúcnosť, spracovanie TiMMC sa bude vyvíjať v nasledujúcich aspektoch.
(1) Zlepšenie technológie spracovania Technológia spracovania TiMMC sa bude neustále zlepšovať, aby sa zlepšila efektívnosť výroby a kvalita produktov. Budú vyvinuté nové rezné nástroje a metódy spracovania na zníženie rezných síl a opotrebovania nástrojov a na realizáciu synergického odstraňovania heterogénnych komponentov TiMMC.
(2) Kombinácia viacerých technológií spracovania TiMMC majú zlú plasticitu pri izbovej teplote a komplexné spracovanie TiMMC pomocou rôznych metód tepelného spracovania, ako je vysokoteplotná superplastická deformácia, kovanie za tepla a deformácia vytláčaním za tepla, môže maximalizovať aplikačný potenciál TiMMC v rôznych poliach.
(3) Vývoj nových materiálov S pokrokom vedy a techniky sa budú vyvíjať nové TiMMC s vyšším výkonom a širšími oblasťami použitia. Napríklad nano-TiMMC, multifunkčné TiMMC a vysokoteplotné odolné TiMMC budú ďalej podporovať vývoj TiMMC.
(4) Udržateľnosť a ochrana životného prostredia Udržateľnosť a ochrana životného prostredia sa stanú kľúčovými faktormi pri spracovaní TiMMC. Rozvoj ekologickejších metód spracovania, recyklácia odpadových kompozitných materiálov a znižovanie spotreby energie budú budúcim smerom vývoja.
(5) Viacúčelové aplikácie TiMMC sa budú uplatňovať vo viacerých oblastiach. Okrem existujúceho leteckého a automobilového priemyslu bude aj oblasť medicíny, energetiky a stavebníctva pokračovať v skúmaní aplikačného potenciálu TiMMC.
