Состояние исследований и прогресс технологии обработки композитов с титановой матрицей (TiMMC) были рассмотрены с точки зрения традиционной механической обработки, обработки композитного энергетического поля, обработки ковкой и аддитивного производства. Характеристики TiMMC, обработанных различными методами обработки. Ориентируясь на основные проблемы текущих исследований, просматривается направление развития технологии обработки TiMMC в будущем.
картина
Старший инженер исследовательского уровня Ван Гуанпин
01
преамбула
Титан и его сплавы широко используются в аэрокосмической, нефтехимической, морской и медицинской областях благодаря своим превосходным свойствам, таким как высокая удельная прочность, превосходная химическая коррозионная стойкость и хорошая биосовместимость [1-4]. Однако модуль Юнга, износостойкость и жаростойкость титановых сплавов ниже, чем у сталей и сплавов на основе никеля, что ограничивает их дальнейшее применение в автомобильной и аэрокосмической областях [5-8]. Появление композитов с титановой матрицей (TiMMC) обеспечивает новую альтернативу преодолению вышеуказанных проблем. TiMMC представляет собой композитный материал, состоящий из титана и его сплавов в качестве матрицы и керамики (частиц, нитевидных кристаллов, коротких волокон и непрерывных длинных волокон) в качестве армирующей фазы (см. рис. 1).
картина
а) Композиты с титановой матрицей, армированные непрерывным длинным волокном
картина
b) Композиты на основе титана, армированные частицами c) Композиты на основе титана, армированные короткими волокнами/усами
Рис. 1. Схематическая диаграмма TiMMC с различными типами армирующих фаз.
Сохраняя превосходные свойства матрицы, TiMMC также могут приобретать комплексные свойства, которые не могут быть достигнуты с помощью одной армирующей фазы или матрицы за счет взаимодополняемости и корреляции свойств волокна и матрицы. Например, предел текучести композита (TiC плюс Ti5Si3)/Ti, полученного HUO et al. [9] достигает 829 МПа, что на 178% выше, чем у чистого титана, при сохранении высокого удлинения 8,1%, высокой прочности и средней пластичности. По сравнению с ламинированными композитами TiC/Ti прочность и пластичность TiMMC одновременно повышаются, что приводит к превосходным синергетическим характеристикам прочности и пластичности. Высокий удельный модуль TiMMC является основным фактором, способствующим его широкому применению в фюзеляже самолетов, а высокая удельная прочность является движущей силой, способствующей его применению в двигателестроении [10]. Например, Соединенные Штаты лидировали в использовании армированных частицами композитов на основе титана для производства деталей авиационных двигателей. Успешно применяются армированные частицами композитные лопасти несущего винта на основе титана, разработанные в США, что не только улучшает характеристики лопастей несущего винта, но и снижает авиацию. Стоимость производства двигателя снизилась на целых 60 долларов000 [11]. Американская компания Boeing Aircraft Company разработала шатун шасси самолета из композитного материала на основе титана, армированного частицами, который не только имеет значительное повышение рабочей температуры, но и снижает массу почти на 40 процентов по сравнению с тем, что было до усовершенствования. , и был успешно применен на самолете Боинг 787[12]. Атлантический исследовательский центр США успешно разработал армированный частицами композитный материал на основе титана для шасси вертолета, и он успешно применяется. По сравнению с традиционными материалами вес значительно снижен [13]. Французский центр авиационных исследований и британская компания Rolls-Royce использовали армированные частицами титановые матричные композиты для изготовления лопаток авиационных двигателей и добились успеха [14, 15]. В автомобильной сфере требования к легким конструкциям постоянно растут, что значительно способствует применению TiMMC. Японская корпорация Toyota впервые применила композитные материалы BTi/Ti для выпускных клапанов автомобилей, выпускных клапанов автомобильных двигателей и других деталей, клапанов двигателей и т. д. Общая масса снижена почти на 40 процентов, и он имеет преимущества длительного срока службы и низкой стоимости. [16]. В то же время такие страны, как Европа и США, также начали использовать армированные частицами композитные материалы на основе титана для замены традиционных стальных материалов для изготовления основных частей автомобилей, чтобы уменьшить вес автомобилей и еще больше улучшить производительность автомобилей [17]. Область применения TiMMC показана на рисунке 2.
картина
Рисунок 2 Область применения TiMMC
Из-за сложности состава материала TiMMC намного сложнее обрабатывать, чем обычные конструкционные материалы, и это новый тип труднообрабатываемого материала. Между тем, хотя TiMMC, содержащие равномерно распределенные армирующие элементы или прерывистые армирующие элементы, обычно демонстрируют более высокую прочность, пластичность и ударная вязкость по сравнению с чистой матрицей неизбежно ухудшаются [18]. Например, даже при использовании TiC и Ti5Si3 in-situ данные по растяжению показывают, что удлинение при разрыве резко падает с 17,2% до 1,53%, когда прирост предела текучести композитного материала достигает 410 МПа, что предъявляет более высокие требования к технологии обработки [19]. ]. Поэтому вопрос о том, как добиться высокоэффективной обработки TiMMC с низким уровнем повреждений, стал предметом исследований в области обработки композитных материалов.
Общие методы обработки TiMMC включают механическую обработку, ковку, литье и аддитивное производство [20]. Механическая обработка зависит от механической силы для изменения формы материалов, что позволяет эффективно выполнять массовое производство и серийную обработку. Это один из самых распространенных способов холодной обработки. Он может обеспечить высокую точность размеров и требований к качеству поверхности и подходит для различных типов материалов, включая композитные материалы. обработка материала. Обычные операции механической обработки включают резку, сверление, фрезерование и шлифование. Ковка, литье и аддитивное производство являются типичными процессами термической обработки, которые могут улучшить механические свойства и структуру композиционных материалов [21]. Кроме того, при выборе подходящей технологии обработки TiMMC необходимо всесторонне учитывать различные характеристики каждого компонента композитного материала, а также износ и тепловое расширение между композитным материалом и обрабатывающим инструментом, чтобы получить детали TiMMC с отличными характеристиками.
В этой статье рассматривается текущая технология обработки TiMMC и рассматривается обработка TiMMC в будущем, чтобы обеспечить теоретическую поддержку высокопроизводительного применения TiMMC.
02
Обработка
Из-за ограничений технологии подготовки TiMMC механическая обработка по-прежнему является обязательным процессом при производстве TiMMC. По сравнению с матричным материалом армирование имеет более высокую твердость, более высокую прочность и более сложную обработку, и во время обработки будут возникать такие проблемы, как фрагментация фазы армирования, вытягивание и отслоение. Процесс резки TiMMC был всесторонне изучен с точки зрения оптимизации и других аспектов.
2.1 Обработка
Стремясь к отсутствию систематических исследований характеристик резания, таких как механизм износа инструмента, сила резания и изменения температуры резания в процессе резания TiMMC, Bian Weiliang [22] провел исследование характеристик токарной обработки различных инструментов (TiCp плюс TiB w) /TC4. Монокристаллический алмаз и цементированный карбид используются при обработке материалов. При тех же условиях резания срок службы инструмента с ПКА больше. Когда инструмент из монокристаллического алмаза режет TiMMC, износ инструмента в основном происходит из-за многократного царапания инструмента с высокой твердостью. При резании только сплава TC4 титановый сплав связан с инструментом, и износ, вызванный диффузией элементов обрабатываемого материала на инструмент, более значителен. При обработке TiMMC инструментами из цементированного карбида диффузия и сцепление материала заготовки также очевидны.
Для дальнейшего изучения влияния параметров резания и методов смазки на характеристики обработки NIKNAM et al. [23] провели эксперименты по сухой и полусухой токарной обработке армированных частицами композитов с титановой матрицей (PTMC) и проанализировали силу резания при различных параметрах резания. , шероховатость поверхности и поведение при удалении частиц. Результаты показывают, что сила резания больше в полусухом состоянии, и будет образовываться пленка смазки, которая препятствует плавному ходу резания.
ДУОНГ и др. [24] изучили поведение начального износа инструмента во время точения TiMMC и обнаружили, что износ является наиболее важным механизмом при резании TiMMC, а диффузия и адгезия были обнаружены во всех условиях. И в процессе механической обработки была обнаружена новая форма износа твердого тонкого слоя, которая в данном случае привела бы к диффузионному износу и механической опухоли. В отличие от PTMC, композиты с титановой матрицей, армированные непрерывным волокном, обладают уникальной анизотропией благодаря непрерывности волокон. Чтобы прояснить механизм резания композитов с титановой матрицей, армированных непрерывным волокном, ZAN [25] et al. Испытание на ортогональное резание SiCf/Ti-6Al-4V выявило характер образования стружки и механизм деформации композитного материала при низкой температуре, комнатной температуре и высокой температуре и показало, что по сравнению с образованием полоса адиабатического сдвига в процессе резания титанового сплава SiCf/Ti. Ширина пилообразной формы -6Al-4V больше. На рис. 3 представлена схема чередующейся резки слоев SiCf/Ti-6Al-4V при различных температурах.
картина
а) Криогенный (КТ)
картина
б) Комнатная температура (КТ)
Рис.3 Схема резки чередующихся слоев композитов с армированной волокном титановой матрицей при различных температурах
2.2 Шлифовка
Шлифование основано на том, что множество абразивных зерен на поверхности шлифовального круга одновременно разрезают заготовку и удаляют материал, что подходит для точной и сверхточной обработки материалов. ДИНГ и др. [26, 27] создали трехмерную конечно-элементную модель процесса шлифования, чтобы понять поведение удаления материала TiCp/Ti-6Al-4V при обычном шлифовании и высокоскоростном шлифовании, и на основе модели конечных элементов обсудили поведение удаления материала. Характер удаления и влияние скорости шлифования на формирование элементов обработанной поверхности (см. рис. 4). Результаты показывают, что поведение удаления материала при шлифовании TiCp/Ti-6Al-4V можно разделить на пластичное удаление материала металлической матрицы и хрупкое удаление армированных частиц TiC. Точно так же LIU et al. [28] пришли к выводу, что удаление материала при высокоскоростном шлифовании ПМК можно разделить на четыре стадии: пластическое удаление матрицы сплава, зарождение трещин в усовершенствованных частицах, распространение трещин в усовершенствованных частицах и хрупкое разрушение усовершенствованных частиц. По сравнению со скоростью шлифования толщина недеформированной стружки оказывает большее влияние на образование дефектов обрабатываемой поверхности. На этом основании LI et al. [29, 30] изучали шлифовальные характеристики однослойного эльборового шлифовального круга с гальваническим покрытием и напайного эльборового шлифовального круга для ПТМК (см. рис. 5). Результаты показали, что однослойный напайный эльборовый шлифовальный круг более подходит для высокоскоростного шлифования ПТМК, чем шлифовальный круг с гальваническим покрытием. Лю Чаоцзе и др. [31] проанализировали модель шлифовальной силы бокового шлифования ПТМК с помощью моделирования. При удалении матрицы колебание силы шлифования закономерно. При удалении армированных частиц TiC на поверхности материала появляются и расширяются трещины. На поверхности также удаляется массивная стружка, а колебание силы шлифования в области удаления армированных частиц велико. Кроме того, нормальная и тангенциальная силы шлифования увеличиваются с увеличением толщины одиночной абразивной стружки.
картина
а) Моделирование ПТМК обычного шлифования
картина
б) Результаты испытаний ПМК обычного шлифования
картина
в) Моделирование высокоскоростного шлифования ПТМК
картина
г) Экспериментальные результаты высокоскоростного измельчения ПТМК
Рис. 4 Моделирование и результаты испытаний поведения удаления ПТМК на разных скоростях
(по сравнению с =3 м/мин, ap=0,010 мм)
картина
a) Шлифование гальваническим шлифовальным кругом из CBN
картина
б) Шлифование напаянным эльборовым шлифовальным кругом
Рис. 5. Сравнение шлифовального круга из эльбора с гальваническим покрытием и шлифовального круга из эльбора с припоем для шлифования ПТМК.
03
Комбинированная обработка энергетического поля
Шлифование с ультразвуковой вибрацией — это технология обработки соединений, которая вводит ультразвуковую вибрацию в традиционную технологию шлифования для снижения температуры резки и улучшения качества шлифования. При ультразвуковой вибрационной обработке состояние контакта между инструментом и заготовкой изменяется за счет высокочастотной вибрации, а инструмент и заготовка находятся в прерывистом контакте, сопровождающемся кавитационными эффектами и высокочастотными ударами, так что контакт между заготовка и инструмент. Сила трения уменьшается, тем самым снижая тепловыделение и силу резания, что может увеличить срок службы инструмента и улучшить качество обработки. Технология обработки с использованием ультразвуковой вибрации широко используется для обработки труднообрабатываемых материалов, таких как сплавы на основе никеля, TiMMC и композиты с керамической матрицей.
ВУ и др. [32] провели осевое ультразвуковое вибрационное шлифование на ПМК и обнаружили, что под действием ультразвука траектория резания абразивных зерен увеличивается, а абразивные зерна многократно давят на поверхность заготовки для уменьшения шероховатости поверхности. ценить. ЮЭ и др. [33] провели испытание одинарного абразивного зерна ПТМК с помощью ультразвуковой вибрации, сравнили влияние обычного шлифования и ультразвукового шлифования на скорость съема материала при разных скоростях шлифования и разных скоростях подачи и установили ультразвуковую модель толщины резания Одиночное абразивное зерно под действием показывает, что ультразвуковая вибрация с большей вероятностью вызовет микроразрушение абразивных зерен, что может постоянно обновлять состояние режущей кромки и постоянно поддерживать остроту абразивных зерен. ЧЖАО и др. [34] использовали самодельную радиальную вибрационную платформу (см. рис. 6) для проведения испытания на шлифование ПТМК с помощью ультразвуковой вибрации и сравнили его с обычным испытанием на шлифование. По сравнению с обычным шлифованием, шлифование с помощью ультразвуковой вибрации может снизить температуру шлифования на 24,2-51,8%, и в то же время скорость съема материала может быть увеличена в 2,8 раза.
картина
Рис. 6. Ультразвуковая платформа радиальной вибрации и устройство измерения вибрации.
БЕЙДЖАНИ и др. [35] впервые применили лазерную обработку (LAM) для обработки TiMMC на основе традиционной токарной обработки (см. рис. 7). Результаты показывают, что по сравнению с обычной обработкой, хотя значение шероховатости поверхности заготовки увеличивается на 15 процентов, общий объем резания инструмента LAM увеличивается на 180 процентов, а срок службы инструмента эффективно увеличивается, что связано с передачей частицы в матрице, а не разрушение.
картина
а) Принципиальная схема
картина
б) Фактическое устройство
Рис. 7. Устройство для испытаний лазерной обработки.
04
Аддитивное производство
Технология лазерного аддитивного производства позволяет напрямую изготавливать сложные конструкционные детали, демонстрируя большие перспективы применения в производстве TiMMC. БАНЕРДЖИ и др. [36] успешно обработали композиты TiB/TC4 с использованием технологии обработки лазерного стереоформирования (LENSTM) и использовали сканирующую электронную микроскопию и просвечивающую электронную микроскопию для детальной характеристики микроструктуры композитов после их осаждения. Результаты показали, что микроструктура полученного композита TiB/TC4 значительно улучшена и является термодинамически стабильной. Точно так же ГУ и соавт. [37] использовали селективное лазерное плавление (SLM) для обработки приготовленного композитного порошка TiC/Ti и получили матричные композиты TiAl3 (основная фаза) и Ti3AlC2 (вторичная фаза), армированные частицами TiC. Несмотря на небольшой рост зерен по сравнению с измельченным порошком, композит, обработанный SLM, по-прежнему имеет тонкую микроструктуру. [38] использовали технологию лазерной обработки прямого осаждения металлов (DMD) для получения ПМК, содержащих различные объемные доли (TiB плюс TiC) из порошкового сырья, состоящего из предварительно легированных (Ti-6Al-4V плюс B4C ) порошковые смеси. Механические исследования показали, что при степени 20-600 твердость по Виккерсу армированных частицами TiMMC, содержащих B4C, увеличивается на 10 процентов -15 процентов, а модуль Юнга увеличивается на 10 процентов. Подготовка TiMMC с помощью технологии лазерной обработки DMD показана на рисунке 8.
картина
Рис.8 Принципиальная схема TiMMC, изготовленных по технологии лазерной обработки DMD
05
Ковка
Ковка позволяет устранить незакрепленные дефекты материалов в процессе плавки, эффективно улучшить микроструктуру и получить высококачественные поковки, соответствующие структуре и характеристикам.
Соответствующие зарубежные ученые изучали влияние горячей штамповки на микроструктуру и свойства при растяжении матричных композитов Ti-TiB. Исследования показали, что удлинение при комнатной температуре кованых композитов Ti-13.3B и Ti-7B достигает 6,1 процента и 5,2 процента соответственно, а свойства материала значительно улучшаются. Отечественный ученый Hu Jiarui et al. [39] кованые ПМК из спеченного TiC генерировались на месте, при этом структурные дефекты ПМК после ковки устранялись, происходила динамическая рекристаллизация, улучшались механические свойства при комнатной температуре. На рис. 9 показана РЭМ-морфология разрушения при растяжении армированных частицами TiC сплавов TiMMC. В то же время благодаря улучшенной структуре матрицы износостойкость ПМК после ковки повышается. такой же
[40] сравнили и проанализировали механические свойства 5-процентных (TiB плюс TiC)/Ti-1100 композитных материалов. При степени 500-650 литой композиционный материал подвергался хрупкому разрушению, а кованый композиционный материал - вязкому разрушению, и прочность и удлинение композиционного материала после ковки значительно увеличиваются.
картина
а) спекание (трещины, проникающие в матрицу) б) спекание (межкристаллитные трещины и трещины зерен)
картина
в)-ковка г)(плюс)-ковка
Рис. 9 Морфология разрыва при растяжении, полученная с помощью РЭМ, TiMMC, армированного частицами TiC.
06
заключение
Благодаря наличию армирующих фаз TiMMC обладают механическими свойствами и механизмами обработки, отличными от традиционных титановых сплавов. Забегая вперед, обработка TiMMC будет развиваться в следующих аспектах.
(1) Совершенствование технологии обработки Технология обработки TiMMC будет постоянно совершенствоваться для повышения эффективности производства и качества продукции. Будут разработаны новые режущие инструменты и методы обработки для снижения сил резания и износа инструментов, а также для реализации синергетического удаления разнородных компонентов TiMMC.
(2) Комбинация нескольких технологий обработки TiMMC имеет плохую пластичность при комнатной температуре, а комплексная обработка TiMMC с использованием различных методов термической обработки, таких как высокотемпературная сверхпластическая деформация, горячая ковка и деформация горячей экструзией, может максимизировать потенциал применения TiMMC в различных областях. поля.
(3) Разработка новых материалов. С развитием науки и техники будут разрабатываться новые TiMMC с более высокими характеристиками и более широкими областями применения. Например, нано-TiMMC, многофункциональные TiMMC и стойкие к высоким температурам TiMMC будут способствовать дальнейшему развитию TiMMC.
(4) Устойчивость и защита окружающей среды Устойчивость и защита окружающей среды станут ключевыми факторами при обработке TiMMC. Будущим направлением развития станет разработка более экологически чистых методов обработки, переработка отходов композитных материалов и снижение энергопотребления.
(5) TiMMC для многопрофильных приложений будут применяться в большем количестве полей. В дополнение к существующей аэрокосмической и автомобильной промышленности, области медицины, энергетики и строительства также будут продолжать изучать потенциал применения TiMMC.
