Forskningsstatusen och framstegen för bearbetningstekniken för titanmatriskompositer (TiMMC) granskades utifrån aspekterna av traditionell mekanisk bearbetning, kompositenergifältbearbetning, smidesbearbetning och additiv tillverkning. Egenskaper hos TiMMCs bearbetade med olika bearbetningstekniker. Med sikte på huvudproblemen i nuvarande forskning, förväntas utvecklingstrenden av TiMMCs processteknologi i framtiden.
bild
Senior ingenjör Wang Guangping på forskarnivå
01
inledning
Titan och dess legeringar används i stor utsträckning inom flyg-, petrokemiska, marina och medicinska områden på grund av deras utmärkta egenskaper såsom hög specifik hållfasthet, utmärkt kemisk korrosionsbeständighet och god biokompatibilitet [1-4]. Youngs modul, slitstyrka och värmebeständighet hos titanlegeringar är dock lägre än för stål och nickelbaserade legeringar, vilket begränsar deras ytterligare tillämpningar inom fordons- och flygindustrin [5-8]. Framväxten av titanmatriskompositer (TiMMC) ger ett nytt alternativ för att övervinna ovanstående problem. TiMMCs är ett kompositmaterial som består av titan och dess legeringar som matris och keramik (partiklar, whiskers, korta fibrer och kontinuerliga långa fibrer) som förstärkningsfas (se figur 1).
bild
a) Kontinuerliga långfiberförstärkta titanmatriskompositer
bild
b) Partikelförstärkta titanbaserade kompositer c) Whisker/kortfiberförstärkta titanbaserade kompositer
Figur 1 Schematiskt diagram av TiMMC med olika typer av förstärkningsfaser
Samtidigt som de utmärkta egenskaperna hos matrisen bibehålls, kan TiMMCs också erhålla omfattande egenskaper som inte kan uppnås med en enda förstärkningsfas eller matris genom komplementariteten och korrelationen mellan egenskaperna hos fibern och matrisen. Till exempel, sträckgränsen för (TiC plus Ti5Si3)/Ti-komposit framställd av HUO et al. [9] är så hög som 829MPa, vilket är 178 procent högre än för rent titan, samtidigt som det bibehåller en hög töjning på 8,1 procent och har hög hållfasthet och medium plasticitet. Jämfört med de laminerade TiC/Ti-kompositerna, förbättras styrkan och duktiliteten hos TiMMCs samtidigt, vilket resulterar i en utmärkt hållfasthet-duktilitetssynergistisk prestanda. Den höga specifika modulen hos TiMMCs är den viktigaste faktorn för att främja dess breda tillämpning i flygplanskroppar, medan den höga specifika styrkan är drivkraften för att främja dess tillämpning inom motorindustrin [10]. Till exempel tog USA ledningen när det gäller att använda partikelförstärkta titanbaserade kompositer för att tillverka delar till flygmotorer. De partikelförstärkta titanbaserade kompositrotorbladen som utvecklats av USA har använts framgångsrikt, vilket inte bara förbättrar rotorbladens prestanda, utan också minskar flyget. Tillverkningskostnaden för motorn sjönk med så mycket som $60,000 [11]. Boeing Aircraft Company i USA har utvecklat en partikelförstärkt titanbaserad sammansatt vevstång för landningsställ för flygplan, som inte bara har en betydande ökning av driftstemperaturen, utan också minskar massan med nästan 40 procent jämfört med den före förbättringen , och har framgångsrikt använts på Boeing 787-flygplanet[12]. Atlantic Research Center i USA utvecklade framgångsrikt ett partikelförstärkt titanbaserat kompositmaterial för helikopterlandningsställ, och det har använts framgångsrikt. Jämfört med traditionella material är vikten kraftigt reducerad [13]. French Aeronautical Research Centre och det brittiska Rolls-Royce-företaget använde partikelförstärkta titanmatriskompositer för att förbereda flygmotorblad och nådde framgång [14, 15]. Inom fordonsområdet ökar kraven på lätta strukturer ständigt, vilket i hög grad främjar tillämpningen av TiMMC. Toyota Corporation i Japan använde först BTi/Ti-kompositmaterial för bilavgasventiler, bilmotoravgasventiler och andra delar, motorventiler, etc. Den totala massan minskas med nästan 40 procent, och det har fördelarna med hög livslängd och låg kostnad [16]. Samtidigt har länder som Europa och USA också börjat använda partikelförstärkta titanbaserade kompositmaterial för att ersätta traditionella stålmaterial för att tillverka huvuddelar av bilar, för att minska vikten på bilar och ytterligare förbättra prestanda hos bilar [17]. Tillämpningsområdet för TiMMC visas i figur 2.
bild
Figur 2 Användningsområde för TiMMC
På grund av komplexiteten i materialsammansättningen är TiMMCs mycket svårare att bearbeta än konventionella tekniska material, och är en ny typ av svårbearbetade material. Samtidigt, även om TiMMCs som innehåller likformigt fördelade förstärkningar eller diskontinuerliga förstärkningar i allmänhet uppvisar högre hållfasthet, äventyras duktiliteten och segheten i förhållande till den rena matrisen oundvikligen [18]. Till exempel, även med in-situ TiC och Ti5Si3, visar dragdata att brottöjningen sjunker kraftigt från 17,2 procent till 1,53 procent när sträckgränsökningen för kompositmaterialet når 410 MPa, vilket ställer högre krav på processteknik [19 ]. Därför har hur man uppnår högeffektiv bearbetning med låga skador av TiMMCs blivit en forskningshotspot inom kompositmaterialbearbetning.
Vanliga bearbetningsmetoder för TiMMC inkluderar bearbetning, smide, gjutning och additiv tillverkning [20]. Bearbetning är beroende av mekanisk kraft för att ändra formen på material, vilket effektivt kan utföra massproduktion och batchbearbetning. Det är en av de mest använda kallbearbetningsmetoderna. Den kan uppnå högprecisionsdimensioner och ytkvalitetskrav och är lämplig för olika typer av material inklusive kompositmaterial. materialbearbetning. Vanliga bearbetningsoperationer inkluderar skärning, borrning, fräsning och slipning. Smide, gjutning och additiv tillverkning är typiska termiska processer som kan förbättra de mekaniska egenskaperna och strukturen hos kompositmaterial [21]. Dessutom, när man väljer en lämplig bearbetningsteknik för att bearbeta TiMMCs, är det nödvändigt att heltäckande överväga de olika egenskaperna hos varje komponent i kompositmaterialet, såväl som slitage och termisk expansion mellan kompositmaterialet och bearbetningsverktyget, för att skaffa TiMMCs delar med utmärkt prestanda.
I det här dokumentet granskas den nuvarande bearbetningstekniken för TiMMCs, och bearbetningen av TiMMCs i framtiden är prospekterad, för att ge teoretiskt stöd för den högpresterande tillämpningen av TiMMC.
02
Maskinbearbetning
På grund av begränsningarna i beredningstekniken för TiMMC, är bearbetning fortfarande en oumbärlig process vid tillverkning av TiMMC. Jämfört med matrismaterialet har förstärkning högre hårdhet, högre hållfasthet och svårare bearbetning, och det kommer att finnas problem som förstärkningsfasfragmentering, utdragning och avbindning under bearbetning. Skärningsprocessen av TiMMCs har studerats omfattande i termer av optimering och andra aspekter.
2.1 Bearbetning
Med sikte på bristen på systematisk forskning om skärprestanda såsom verktygsslitagemekanism, skärkraft och skärtemperaturförändringar i skärprocessen av TiMMC, utförde Bian Weiliang [22] forskning om prestanda för olika verktygsvarvning (TiCp plus TiB w) /TC4. Enkristalldiamant och hårdmetall används vid materialbearbetning. Under samma skärförhållanden är livslängden för PCD-verktyget längre. När enkristalldiamantverktyget skär TiMMCs, kommer slitaget på verktyget huvudsakligen från den upprepade skrapningen av den höga hårdhetsförbättringen i förhållande till verktyget. När man skär enbart TC4-legeringen binds titanlegeringen till verktyget och slitaget som orsakas av diffusionen av bearbetningsmaterialelement till verktyget är mer betydande. Vid bearbetning av TiMMC med hårdmetallverktyg är diffusionen och bindningen av arbetsstyckets material också uppenbar.
För att ytterligare utforska inverkan av skärparametrar och smörjmetoder på bearbetningsegenskaper, har NIKNAM et al. [23] utförde torra och halvtorra svarvexperiment på partikelförstärkta titanmatriskompositer (PTMC) och analyserade skärkraften under olika skärparametrar. , ytjämnhet och partikelavlägsnande beteende. Resultaten visar att skärkraften är större under det halvtorra tillståndet, och en film av smörjmedel kommer att produceras, vilket hindrar en jämn skärning.
DUONG et al. [24] studerade det initiala verktygsslitagebeteendet under TiMMCs svarvning och fann att slitage är den viktigaste mekanismen vid TiMMCs skärning, och diffusion och vidhäftning hittades under alla förhållanden. Och en ny slitform av hårt tunt lager hittades i bearbetningsprocessen, vilket i det här fallet skulle leda till diffusionsslitage och mekanisk tumör. Till skillnad från PTMC:er har kontinuerliga fiberförstärkta titanmatriskompositer unik anisotropi på grund av fibrernas kontinuitet. För att klargöra skärmekanismen för kontinuerliga fiberförstärkta titanmatriskompositer, ZAN[25] et al. SiCf/Ti-6Al-4V ortogonalt skärningstest erhöll spånbildningsbeteendet och deformationsmekanismen för kompositmaterialet vid låg temperatur, rumstemperatur och hög temperatur, och fann att jämfört med bildandet av adiabatiskt skjuvband under skärprocessen av titanlegering, SiCf/Ti. Bredden på -6Al-4V sågtand är större. Figur 3 är ett schematiskt diagram över SiCf/Ti-6Al-4V alternerande lagerskärning vid olika temperaturer.
bild
a) Kryogen (CT)
bild
b) Rumstemperatur (RT)
Fig.3 Skärdiagram av alternerande lager av fiberförstärkta titanmatriskompositer vid olika temperaturer
2.2 Slipning
Slipning förlitar sig på många slipkorn på slipskivans yta för att samtidigt skära av arbetsstycket för att ta bort material, vilket är lämpligt för precisions- och ultraprecisionsbearbetning av material. DING et al. [26, 27] etablerade en tredimensionell finita elementmodell av slipprocessen för att förstå materialborttagningsbeteendet hos TiCp/Ti-6Al-4V under konventionell slipning och höghastighetsslipning, och baserat på den finita elementmodellen diskuterade materialborttagningsbeteendet. Borttagningsbeteendet och effekten av sliphastighet på bildandet av bearbetade ytegenskaper (se figur 4). Resultaten visar att materialavlägsningsbeteendet under malning av TiCp/Ti-6Al-4V kan delas in i duktilt avlägsnande av metallmatrismaterial och sprödt avlägsnande av TiC-förstärkta partiklar. På liknande sätt har LIU et al. [28] drog slutsatsen att materialavlägsnande vid höghastighetsslipning av PTMC:er kan delas in i fyra steg: plastiskt avlägsnande av legeringsmatris, sprickinitiering i förbättrade partiklar, sprickutbredning i förbättrade partiklar och sprött misslyckande av förbättrade partiklar. Jämfört med sliphastigheten har odeformerad spåntjocklek en större inverkan på bildandet av bearbetade ytdefekter. På denna grund har LI et al. [29, 30] studerade slipprestandan hos enlagers elektropläterad CBN-slipskiva och lödd CBN-slipskiva för PTMC (se figur 5). Resultaten visade att enskiktslödd CBN-slipskiva är mer lämplig än elektropläterad slipskiva för höghastighetsslipning av PTMC. Liu Chaojie et al. [31] analyserade slipkraftsmodellen för PTMCs sidoslipning med hjälp av simulering. När matrisen tas bort är fluktuationen av slipkraften regelbunden. När de TiC-förstärkta partiklarna tas bort kommer sprickor att uppstå och expandera på materialets yta. Det tas också bort massiva spån på ytan, och fluktuationen av slipkraften i området där de förstärkta partiklarna avlägsnas är stor. Dessutom ökar de normala och tangentiella slipkrafterna båda med ökningen av tjockleken på enslipande spån.
bild
a) Simulering av vanlig slipning av PTMC
bild
b) Testresultat av vanliga slipande PTMC:er
bild
c) Simulering av PTMC:er för höghastighetsslipning
bild
d) Experimentella resultat av höghastighetsslipning av PTMC
Fig. 4 Simulering och testresultat av PTMCs borttagningsbeteende vid olika hastigheter
(mot =3m/min, ca=0.010 mm)
bild
a) Slipning med elektropläterad CBN-slipskiva
bild
b) Slipning med lödd CBN-slipskiva
Figur 5 Jämförelse mellan elektropläterad CBN-slipskiva och lödd CBN-slipskiva för slipning av PTMC:er
03
Bearbetning av sammansatt energifält
Ultraljudsvibrationsassisterad slipning är en sammansatt bearbetningsteknik som introducerar ultraljudsvibration till den traditionella sliptekniken för att minska skärtemperaturen och förbättra slipkvaliteten. Vid vibrationsassisterad bearbetning med ultraljud ändras kontakttillståndet mellan verktyget och arbetsstycket på grund av högfrekvent vibration, och verktyget och arbetsstycket är i intermittent kontakt, åtföljd av kavitationseffekter och högfrekventa stötar, så att kontakten mellan arbetsstycket och verktyget Friktionskraften reduceras, vilket minskar skärvärmen och skärkraften, och kan öka verktygets livslängd och förbättra bearbetningskvaliteten. Ultraljudsvibrationsassisterad bearbetningsteknik har använts i stor utsträckning i svårbearbetade material som nickelbaserade legeringar, TiMMCs och keramiska matriskompositer.
WU et al. [32] utförde ett axiellt ultraljudsvibrationsassisterat sliptest på PTMC:er och fann att under inverkan av ultraljud ökar skärbanan för slipkorn, och slipkornen trycker upprepade gånger på ytan av arbetsstycket för att minska ytråheten värde. YUE et al. [33] utförde det ultraljudsvibrationsassisterade sliptestet av PTMC:s enkla slipkorn, jämförde inverkan av vanlig slipning och ultraljudsslipning på materialavlägsningshastigheten vid olika sliphastigheter och olika matningshastigheter, och etablerade ultraljudsmodellen för skärtjockleken för en enstaka slipkorn under verkan visar att ultraljudsvibrationen är mer sannolikt att orsaka mikrobrytning av slipkornen, vilket kontinuerligt kan uppdatera skäreggens tillstånd och bibehålla skärpan hos slipkornen hela tiden. ZHAO et al. [34] använde en egentillverkad radiell vibrationsplattform (se figur 6) för att utföra ett ultraljudsvibrationsassisterat sliptest på PTMC och jämförde det med det vanliga sliptestet. Jämfört med vanlig slipning kan ultraljudsvibrationsassisterad slipning minska sliptemperaturen med 24,2 procent till 51,8 procent, och samtidigt kan materialavlägsningshastigheten ökas med 2,8 gånger.
bild
Figur 6 Ultraljudsplattform för radiell vibration och vibrationsmätanordning
BEIJANI et al. [35] använde laserassisterad bearbetning (LAM) för att bearbeta TiMMCs för första gången på basis av traditionell svarvning (se figur 7). Resultaten visar att jämfört med konventionell bearbetning, även om arbetsstyckets ytjämnhet ökar med 15 procent, ökar den totala skärvolymen för LAM-verktyget med 180 procent, och verktygslivslängden förbättras effektivt, vilket tillskrivs överföringen av partiklar i matrisen snarare än spricka.
bild
a) Schematiskt diagram
bild
b) Faktisk enhet
Figur 7 Laserassisterad bearbetningstestenhet
04
Additiv tillverkningsbearbetning
Tillverkningsteknik för lasertillverkning kan direkt tillverka komplexa konstruktionsdelar, vilket visar stora tillämpningsmöjligheter vid tillverkning av TiMMC. BANERJEE et al. [36] framgångsrikt bearbetade TiB/TC4-kompositer med hjälp av laserstereoformningsteknik (LENSTM), och använde svepelektronmikroskopi och transmissionselektronmikroskopi för att karakterisera mikrostrukturen hos de avsatta kompositerna i detalj. Resultaten visade att den framställda metoden. TiB/TC4-kompositmikrostrukturen är avsevärt förfinad och är termodynamiskt stabil. På liknande sätt har GU et al. [37] använde selektiv lasersmältning (SLM) för att bearbeta det beredda TiC/Ti-kompositpulvret och erhöll TiC-partikelförstärkta TiAl3 (huvudfas) och Ti3AlC2 (sekundär fas) matriskompositer. Trots lätt korntillväxt i förhållande till det malda pulvret uppvisar den SLM-behandlade kompositen fortfarande en fin mikrostruktur. [38] använde laserbearbetningsteknik för direkt metalldeponering (DMD) för att framställa PTMC:er som innehåller olika volymfraktioner (TiB plus TiC) från pulverråmaterial som består av förlegerade (Ti-6Al-4V plus B4C ) pulverblandningar. Mekaniska studier har visat att vid 20-600 grad ökar Vickers-hårdheten för partikelförstärkta TiMMCs som innehåller B4C med 10 procent -15 procent, och Youngs modul ökar med 10 procent. Beredningen av TiMMC med DMD-laserbehandlingsteknik visas i figur 8.
bild
Fig. 8 Schematiskt diagram av TiMMCs framställda av DMD-laserbehandlingsteknologi
05
Smide
Smide kan eliminera lösa defekter av material under smältningsprocessen, effektivt förfina mikrostrukturen och erhålla smide av hög kvalitet som matchar strukturen och prestanda.
Relevanta utländska forskare har studerat effekten av varmsmide på mikrostrukturen och dragegenskaperna hos Ti-TiB-matriskompositer. Studier har visat att rumstemperaturförlängningen av de smidda Ti-13.3B- och Ti-7B-kompositerna når 6,1 procent respektive 5,2 procent, och materialegenskaperna förbättras effektivt. Inhemsk forskare Hu Jiarui et al. [39] smidda PTMCs av sintrade TiC genererade in situ, och de strukturella defekterna av PTMCs efter smidning eliminerades, dynamisk omkristallisation inträffade och de mekaniska egenskaperna vid rumstemperatur förbättrades. Dragbrotts-SEM-morfologin för TiC-partikelförstärkta TiMMCs visas i fig. 9. Samtidigt, på grund av den förbättrade matrisstrukturen, förbättras slitstyrkan hos PTMC:er efter smide. samma
[40] jämförde och analyserade de mekaniska egenskaperna hos 5 procent (TiB plus TiC)/Ti-1100 kompositmaterial. Vid 500-650 grad var det gjutna kompositmaterialet sprödbrott, och det smidda kompositmaterialet var formbart brott, och hållfastheten och töjningen av kompositmaterialet efter smide har ökat signifikant.
bild
a) Sintring (matrispenetrerande sprickor) b) Sintring (intergranulära sprickor och kornsprickor)
bild
c) -smidning d) ( plus )-smidning
Fig. 9 Dragbrott SEM-morfologi för TiMMCs förstärkta av TiC-partiklar
06
slutsats
På grund av närvaron av förstärkningsfaser uppvisar TiMMC:er olika mekaniska egenskaper och bearbetningsmekanismer från traditionella titanlegeringar. Framöver kommer behandlingen av TiMMC att utvecklas i följande aspekter.
(1) Förbättring av bearbetningsteknologi Bearbetningstekniken för TiMMC kommer att förbättras kontinuerligt för att förbättra produktionseffektiviteten och produktkvaliteten. Nya skärverktyg och bearbetningsmetoder kommer att utvecklas för att minska skärkrafter och verktygsslitage, och för att realisera synergistiskt avlägsnande av TiMMCs heterogena komponenter.
(2) Kombination av flera bearbetningsteknologier TiMMCs har dålig rumstemperatur-plasticitet, och den omfattande bearbetningen av TiMMCs genom att använda olika termiska bearbetningsmetoder såsom högtemperatur superplastisk deformation, varmsmidning och hetextruderingsdeformation kan maximera tillämpningspotentialen för TiMMCs i olika fält.
(3) Ny materialutveckling Med vetenskapens och teknikens framsteg kommer nya TiMMCs att utvecklas med högre prestanda och bredare användningsområden. Till exempel kommer nano-TiMMCs, multifunktionella TiMMCs och högtemperatur hållbara TiMMCs att ytterligare främja utvecklingen av TiMMCs.
(4) Hållbarhet och miljöskydd Hållbarhet och miljöskydd kommer att bli viktiga överväganden vid bearbetning av TiMMC. Utvecklingen av miljövänligare bearbetningsmetoder, återvinning av avfallskompositmaterial och minskning av energiförbrukningen kommer att vara den framtida utvecklingsriktningen.
(5) Multi-field application TiMMCs kommer att tillämpas i fler fält. Utöver den befintliga flyg- och fordonsindustrin kommer medicin-, energi- och konstruktionsområdena också att fortsätta utforska tillämpningspotentialen för TiMMC.
