Lo stato della ricerca e il progresso della tecnologia di lavorazione dei compositi a matrice di titanio (TiMMC) sono stati esaminati dagli aspetti della lavorazione meccanica tradizionale, della lavorazione del campo energetico composito, della lavorazione della forgiatura e della produzione additiva. Caratteristiche delle TiMMC elaborate con diverse tecniche di elaborazione. Mirando ai principali problemi della ricerca attuale, si prospetta il trend di sviluppo della tecnologia di elaborazione dei TiMMC in futuro.
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Ingegnere senior a livello di ricercatore Wang Guangping
01
preambolo
Il titanio e le sue leghe sono ampiamente utilizzate nei settori aerospaziale, petrolchimico, marino e medico grazie alle loro eccellenti proprietà come l'elevata forza specifica, l'eccellente resistenza alla corrosione chimica e la buona biocompatibilità [1-4]. Tuttavia, il modulo di Young, la resistenza all'usura e la resistenza al calore delle leghe di titanio sono inferiori a quelle dell'acciaio e delle leghe a base di nichel, il che limita le loro ulteriori applicazioni nei settori automobilistico e aerospaziale [5-8]. L'emergere di compositi a matrice di titanio (TiMMC) fornisce una nuova alternativa per superare i problemi di cui sopra. TiMMCs è un materiale composito composto da titanio e sue leghe come matrice e ceramica (particelle, baffi, fibre corte e fibre lunghe continue) come fase di rinforzo (vedi Figura 1).
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a) Compositi a matrice di titanio rinforzati con fibre lunghe continue
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b) Compositi a base di titanio rinforzati con particelle c) Compositi a base di titanio rinforzati con whisker/fibre corte
Figura 1 Diagramma schematico di TiMMC con diversi tipi di fasi di rinforzo
Pur mantenendo le eccellenti proprietà della matrice, i TiMMC possono anche ottenere proprietà complete che non possono essere raggiunte da una singola fase o matrice di rinforzo attraverso la complementarità e la correlazione delle proprietà della fibra e della matrice. Ad esempio, la resistenza allo snervamento del composito (TiC plus Ti5Si3)/Ti preparato da HUO et al. [9] è alto fino a 829 MPa, che è il 178 percento superiore a quello del titanio puro, pur mantenendo un elevato allungamento dell'8,1 percento e con elevata resistenza e media plasticità. Rispetto ai compositi laminati TiC/Ti, la forza e la duttilità dei TiMMC sono contemporaneamente migliorate, risultando in un'eccellente prestazione sinergica forza-duttilità. L'elevato modulo specifico dei TiMMC è il fattore principale per promuovere la sua ampia applicazione nella fusoliera degli aerei, mentre l'elevata forza specifica è la forza trainante per promuoverne l'applicazione nell'industria dei motori [10]. Ad esempio, gli Stati Uniti hanno assunto un ruolo guida nell'utilizzo di compositi a base di titanio rinforzati con particelle per la produzione di parti di motori aeronautici. Le pale del rotore composite a base di titanio rinforzate con particelle sviluppate dagli Stati Uniti sono state applicate con successo, il che non solo migliora le prestazioni delle pale del rotore, ma riduce anche l'aviazione. Il costo di produzione del motore è diminuito di ben $ 60,000 [11]. La Boeing Aircraft Company degli Stati Uniti ha sviluppato una biella per carrello di atterraggio in composito a base di titanio rinforzato con particelle, che non solo ha un aumento significativo della temperatura di servizio, ma riduce anche la massa di quasi il 40 percento rispetto a quella prima del miglioramento , ed è stato applicato con successo sul Boeing 787[12] . L'Atlantic Research Center degli Stati Uniti ha sviluppato con successo un materiale composito a base di titanio rinforzato con particelle per il carrello di atterraggio degli elicotteri, ed è stato applicato con successo. Rispetto ai materiali tradizionali, il peso è notevolmente ridotto [13]. Il Centro francese di ricerca aeronautica e la società britannica Rolls-Royce hanno utilizzato compositi a matrice di titanio rinforzati con particelle per preparare le pale dei motori aeronautici e hanno ottenuto il successo [14, 15]. Nel settore automobilistico, i requisiti per le strutture leggere sono in costante aumento, il che promuove notevolmente l'applicazione dei TiMMC. Toyota Corporation of Japan ha utilizzato per la prima volta materiali compositi BTi/Ti per valvole di scarico di automobili, valvole di scarico di motori di automobili e altre parti, valvole di motori, ecc. [16]. Allo stesso tempo, anche paesi come l'Europa e gli Stati Uniti hanno iniziato a utilizzare materiali compositi a base di titanio rinforzati con particelle per sostituire i tradizionali materiali in acciaio per la produzione di parti principali di automobili, in modo da ridurre il peso delle automobili e migliorare ulteriormente la prestazioni delle automobili [17]. Il campo di applicazione delle TiMMC è mostrato nella Figura 2.
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Figura 2 Campo di applicazione dei TiMMC
A causa della complessità della composizione del materiale, i TiMMC sono molto più difficili da lavorare rispetto ai materiali tecnici convenzionali ed è un nuovo tipo di materiale difficile da lavorare. Nel frattempo, sebbene i TiMMC contenenti rinforzi uniformemente distribuiti o rinforzi discontinui mostrino generalmente una maggiore resistenza, la duttilità e la tenacità relative alla matrice pura sono inevitabilmente compromesse [18]. Ad esempio, anche con TiC e Ti5Si3 in situ, i dati di trazione mostrano che l'allungamento a rottura scende bruscamente dal 17,2% all'1,53% quando l'incremento della resistenza allo snervamento del materiale composito raggiunge 410 MPa, il che pone requisiti più elevati alla tecnologia di lavorazione [19 ]. Pertanto, come ottenere un'elaborazione ad alta efficienza e a basso danno dei TiMMC è diventato un punto di riferimento della ricerca nel campo della lavorazione dei materiali compositi.
I metodi di lavorazione comuni dei TiMMC includono la lavorazione meccanica, la forgiatura, la fusione e la produzione additiva [20]. La lavorazione si basa sulla forza meccanica per modificare la forma dei materiali, che può eseguire in modo efficiente la produzione di massa e l'elaborazione in lotti. È uno dei metodi di lavorazione a freddo più utilizzati. Può raggiungere dimensioni di alta precisione e requisiti di qualità della superficie ed è adatto a vari tipi di materiali, compresi i materiali compositi. lavorazione del materiale. Le operazioni di lavorazione comuni includono il taglio, la foratura, la fresatura e la rettifica. La forgiatura, la fusione e la produzione additiva sono tipici processi di lavorazione termica che possono migliorare le proprietà meccaniche e la struttura dei materiali compositi [21]. Inoltre, quando si sceglie una tecnologia di lavorazione adatta per lavorare i TiMMC, è necessario considerare in modo completo le diverse caratteristiche di ciascun componente nel materiale composito, nonché l'usura e l'espansione termica tra il materiale composito e lo strumento di lavorazione, al fine di ottenere parti TiMMC con prestazioni eccellenti.
In questo documento, viene esaminata l'attuale tecnologia di elaborazione delle TiMMC e si prospetta l'elaborazione delle TiMMC in futuro, al fine di fornire un supporto teorico per l'applicazione ad alte prestazioni delle TiMMC.
02
Lavorazione
A causa dei limiti della tecnologia di preparazione dei TiMMC, la lavorazione è ancora un processo indispensabile nella produzione dei TiMMC. Rispetto al materiale della matrice, il rinforzo ha una durezza maggiore, una resistenza maggiore e una lavorazione più difficile, e durante la lavorazione ci saranno problemi come la frammentazione della fase di rinforzo, l'estrazione e il distacco. Il processo di taglio dei TiMMC è stato ampiamente studiato in termini di ottimizzazione e altri aspetti.
2.1 Lavorazione
Mirando alla mancanza di una ricerca sistematica sulle prestazioni di taglio come il meccanismo di usura dell'utensile, la forza di taglio e le variazioni di temperatura di taglio nel processo di taglio dei TiMMC, Bian Weiliang [22] ha svolto una ricerca sulle prestazioni di diversi utensili di tornitura (TiCp più TiB w) /TC4. Il diamante monocristallino e il carburo cementato sono utilizzati nella lavorazione dei materiali. Nelle stesse condizioni di taglio, la vita dell'utensile PCD è più lunga. Quando l'utensile diamantato monocristallino taglia i TiMMC, l'usura dell'utensile deriva principalmente dalla ripetuta raschiatura dell'elevato miglioramento della durezza relativo all'utensile. Quando si taglia la sola lega TC4, la lega di titanio è legata all'utensile e l'usura causata dalla diffusione degli elementi del materiale di lavorazione all'utensile è più significativa. Durante la lavorazione di TiMMC con utensili in metallo duro, sono evidenti anche la diffusione e l'adesione del materiale del pezzo.
Per esplorare ulteriormente l'influenza dei parametri di taglio e dei metodi di lubrificazione sulle caratteristiche di lavorazione, NIKNAM et al. [23] hanno condotto esperimenti di tornitura a secco e semi-secco su compositi a matrice di titanio rinforzati con particelle (PTMC) e hanno analizzato la forza di taglio in base a diversi parametri di taglio. , rugosità superficiale e comportamento di rimozione delle particelle. I risultati mostrano che la forza di taglio è maggiore in condizioni semi-asciutte e si produrrà una pellicola di lubrificante che ostacola il regolare avanzamento del taglio.
DUONG et al. [24] hanno studiato il comportamento iniziale dell'usura dell'utensile durante la tornitura di TiMMC e hanno scoperto che l'usura è il meccanismo più importante nel taglio di TiMMC e che la diffusione e l'adesione sono state riscontrate in tutte le condizioni. E nel processo di lavorazione è stata trovata una nuova forma di usura di uno strato sottile e duro, che in questo caso porterebbe all'usura per diffusione e al tumore meccanico. Diversamente dai PTMC, i compositi a matrice di titanio rinforzati con fibre continue hanno un'anisotropia unica dovuta alla continuità delle fibre. Per chiarire il meccanismo di taglio dei compositi a matrice di titanio rinforzati con fibre continue, ZAN[25] et al. Il test di taglio ortogonale SiCf/Ti-6Al-4V ha ottenuto il comportamento di formazione del truciolo e il meccanismo di deformazione del materiale composito a bassa temperatura, temperatura ambiente e alta temperatura e ha rilevato che rispetto alla formazione di banda di taglio adiabatica durante il processo di taglio della lega di titanio, SiCf/Ti La larghezza del dente di sega -6Al-4V è maggiore. La Figura 3 è un diagramma schematico del taglio a strati alternati di SiCf/Ti-6Al-4V a diverse temperature.
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a) Criogenico (CT)
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b) Temperatura ambiente (TA)
Fig.3 Schema di taglio di strati alternati di compositi a matrice di titanio rinforzati con fibre a diverse temperature
2.2 Rettifica
La rettifica si basa su molti grani abrasivi sulla superficie della mola per tagliare contemporaneamente il pezzo per rimuovere il materiale, che è adatto per la lavorazione di precisione e ultraprecisa dei materiali. DING et al. [26, 27] ha stabilito un modello tridimensionale agli elementi finiti del processo di rettifica al fine di comprendere il comportamento di rimozione del materiale di TiCp/Ti-6Al-4V durante la rettifica convenzionale e la rettifica ad alta velocità, e sulla base del modello a elementi finiti, ha discusso il comportamento di rimozione del materiale. Il comportamento di asportazione e l'effetto della velocità di rettifica sulla formazione delle caratteristiche della superficie lavorata (vedi Figura 4). I risultati mostrano che il comportamento di rimozione del materiale durante la macinazione di TiCp/Ti-6Al-4V può essere suddiviso in rimozione duttile del materiale della matrice metallica e rimozione fragile delle particelle rinforzate con TiC. Allo stesso modo, LIU et al. [28] hanno concluso che la rimozione del materiale nella rettifica ad alta velocità di PTMC può essere suddivisa in quattro fasi: rimozione plastica della matrice della lega, inizio della cricca nelle particelle potenziate, propagazione della cricca nelle particelle potenziate e rottura fragile delle particelle potenziate. Rispetto alla velocità di rettifica, lo spessore del truciolo non deformato ha una maggiore influenza sulla formazione di difetti superficiali lavorati. Su questa base LI et al. [29, 30] hanno studiato le prestazioni di rettifica della mola CBN galvanizzata monostrato e della mola CBN brasata per PTMC (vedere Figura 5). I risultati hanno mostrato che la mola CBN brasata a strato singolo è più adatta della mola galvanica per la rettifica ad alta velocità di PTMC. Liu Chaojie et al. [31] hanno analizzato il modello della forza di rettifica della rettifica laterale dei PTMC mediante simulazione. Quando si rimuove la matrice, la fluttuazione della forza di molatura è regolare. Quando si rimuovono le particelle rinforzate con TiC, appariranno crepe che si espanderanno sulla superficie del materiale. Ci sono anche massicci trucioli rimossi sulla superficie e la fluttuazione della forza di molatura nell'area in cui vengono rimosse le particelle rinforzate è ampia. Inoltre, le forze di rettifica normali e tangenziali aumentano entrambe con l'aumento dello spessore del singolo truciolo abrasivo.
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a) Simulazione PTMC di rettifica ordinaria
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b) Risultati dei test di PTMC di rettifica ordinaria
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c) Simulazione di PTMC di rettifica ad alta velocità
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d) Risultati sperimentali della rettifica ad alta velocità di PTMC
Fig. 4 Simulazione e risultati dei test del comportamento di rimozione dei PTMC a diverse velocità
(rispetto a=3m/min, ap=0.010mm)
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a) Rettifica con mola in CBN elettrodeposto
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b) Rettifica con mola saldobrasata in CBN
Figura 5 Confronto tra la mola in CBN galvanizzato e la mola in CBN saldobrasata per la rettifica di PTMC
03
Elaborazione di campi energetici compositi
La rettifica assistita da vibrazioni ultrasoniche è una tecnologia di lavorazione dei composti che introduce la vibrazione ultrasonica nella tradizionale tecnologia di rettifica per ridurre la temperatura di taglio e migliorare la qualità della rettifica. Nella lavorazione assistita da vibrazioni ultrasoniche, lo stato di contatto tra l'utensile e il pezzo cambia a causa delle vibrazioni ad alta frequenza e l'utensile e il pezzo sono in contatto intermittente, accompagnato da effetti di cavitazione e impatti ad alta frequenza, in modo che il contatto tra il pezzo e l'utensile La forza di attrito è ridotta, riducendo così il calore di taglio e la forza di taglio, e può aumentare la durata dell'utensile e migliorare la qualità della lavorazione. La tecnologia di lavorazione assistita da vibrazioni ultrasoniche è stata ampiamente utilizzata in materiali difficili da lavorare come leghe a base di nichel, TiMMC e compositi a matrice ceramica.
Wu et al. [32] ha eseguito un test di rettifica assistita da vibrazioni ultrasoniche assiali su PTMC e ha scoperto che sotto l'azione degli ultrasuoni, la traiettoria di taglio dei grani abrasivi aumenta e i grani abrasivi premono ripetutamente sulla superficie del pezzo per ridurre la rugosità superficiale valore. Yue et al. [33] ha eseguito il test di rettifica con vibrazione ultrasonica del singolo grano abrasivo di PTMC, ha confrontato l'influenza della rettifica ordinaria e della rettifica ad ultrasuoni sulla velocità di rimozione del materiale a diverse velocità di rettifica e diverse velocità di avanzamento, e ha stabilito il modello ultrasonico dello spessore di taglio di un il singolo grano abrasivo sotto l'azione mostra che è più probabile che la vibrazione ultrasonica causi micro-rottura dei grani abrasivi, che possono aggiornare continuamente lo stato del tagliente e mantenere sempre l'affilatura dei grani abrasivi. ZHAO et al. [34] ha utilizzato una piattaforma di vibrazione radiale autocostruita (vedi Figura 6) per condurre un test di rettifica assistito da vibrazioni ultrasoniche su PTMC e lo ha confrontato con il normale test di rettifica. Rispetto alla rettifica ordinaria, la rettifica assistita da vibrazioni ultrasoniche può ridurre la temperatura di rettifica dal 24,2% al 51,8% e, allo stesso tempo, la velocità di rimozione del materiale può essere aumentata di 2,8 volte.
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Figura 6 Piattaforma a ultrasuoni per vibrazioni radiali e dispositivo di misurazione delle vibrazioni
BEJANI et al. [35] hanno utilizzato per la prima volta la lavorazione laser assistita (LAM) per la lavorazione di TiMMC sulla base della tornitura tradizionale (vedi Figura 7). I risultati mostrano che rispetto alla lavorazione convenzionale, sebbene il valore di rugosità superficiale del pezzo in lavorazione aumenti del 15 percento, il volume di taglio totale dell'utensile LAM aumenta del 180 percento e la durata dell'utensile è effettivamente migliorata, il che è attribuito al trasferimento di particelle nella matrice piuttosto che fratturarsi.
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a) Diagramma schematico
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b) Dispositivo effettivo
Figura 7 Dispositivo di prova per l'elaborazione assistita da laser
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Elaborazione di produzione additiva
La tecnologia di produzione additiva laser può produrre direttamente parti strutturali complesse, mostrando grandi prospettive applicative nella produzione di TiMMC. BANERJEE et al. [36] hanno elaborato con successo compositi TiB/TC4 utilizzando la tecnologia di elaborazione della stereoformatura laser (LENSTM) e hanno utilizzato la microscopia elettronica a scansione e la microscopia elettronica a trasmissione per caratterizzare in dettaglio la microstruttura dei compositi come depositati. I risultati hanno mostrato che il metodo preparato La microstruttura composita TiB/TC4 è significativamente raffinata ed è termodinamicamente stabile. Allo stesso modo GU et al. [37] hanno utilizzato la fusione laser selettiva (SLM) per elaborare la polvere composita TiC/Ti preparata e hanno ottenuto compositi a matrice TiAl3 (fase principale) e Ti3AlC2 (fase secondaria) rinforzati con particelle di TiC. Nonostante una leggera crescita della grana rispetto alla polvere macinata, il composito trattato con SLM presenta ancora una microstruttura fine. [38] hanno utilizzato la tecnologia di lavorazione laser DMD (Direct Metal Deposition) per preparare PTMC contenenti diverse frazioni di volume (TiB più TiC) da materie prime in polvere composte da pre-legato (Ti-6Al-4V più B4C ) miscele di polveri. Studi meccanici hanno dimostrato che a 20-600 gradi , la durezza Vickers dei TiMMC rinforzati con particelle contenenti B4C aumenta del 10 percento -15 percento e il modulo di Young aumenta del 10 percento . La preparazione di TiMMC mediante la tecnologia di elaborazione laser DMD è mostrata nella Figura 8.
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Fig.8 Diagramma schematico di TiMMC preparati dalla tecnologia di elaborazione laser DMD
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Forgiatura
La forgiatura può eliminare i difetti sciolti dei materiali durante il processo di fusione, affinare efficacemente la microstruttura e ottenere forgiati di alta qualità che corrispondono alla struttura e alle prestazioni.
Importanti studiosi stranieri hanno studiato l'effetto della forgiatura a caldo sulla microstruttura e sulle proprietà di trazione dei compositi a matrice Ti-TiB. Gli studi hanno dimostrato che l'allungamento a temperatura ambiente dei compositi forgiati Ti-13.3B e Ti-7B raggiunge rispettivamente il 6,1% e il 5,2% e le proprietà del materiale sono effettivamente migliorate. Lo studioso domestico Hu Jiarui et al. [39] PTMC forgiati di TiC sinterizzato generati in situ e i difetti strutturali dei PTMC dopo la forgiatura sono stati eliminati, si è verificata la ricristallizzazione dinamica e le proprietà meccaniche a temperatura ambiente sono state migliorate. La morfologia SEM della frattura da trazione dei TiMMC rinforzati con particelle di TiC è mostrata in Fig. 9. Allo stesso tempo, grazie alla struttura della matrice migliorata, la resistenza all'usura dei PTMC dopo la forgiatura è migliorata. Stesso
[40] hanno confrontato e analizzato le proprietà meccaniche dei materiali compositi al 5% (TiB più TiC)/Ti-1100. A 500-650 gradi, il materiale composito come fuso era una frattura fragile e il materiale composito forgiato era una frattura duttile e la resistenza e l'allungamento del materiale composito dopo la forgiatura sono notevolmente aumentati.
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a) Sinterizzazione (cricche che penetrano nella matrice) b) Sinterizzazione (cricche intergranulari e cricche nel grano
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c) -forgiatura d) ( plus )-forgiatura
Fig.9 Morfologia SEM della frattura da trazione di TiMMC rinforzate da particelle di TiC
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conclusione
A causa della presenza di fasi di rinforzo, i TiMMC presentano proprietà meccaniche e meccanismi di lavorazione diversi rispetto alle tradizionali leghe di titanio. In prospettiva, l'elaborazione delle TiMMC si svilupperà nei seguenti aspetti.
(1) Miglioramento della tecnologia di elaborazione La tecnologia di elaborazione dei TiMMC sarà continuamente migliorata per migliorare l'efficienza produttiva e la qualità del prodotto. Saranno sviluppati nuovi utensili da taglio e metodi di lavorazione per ridurre le forze di taglio e l'usura degli utensili e per realizzare la rimozione sinergica dei componenti eterogenei di TiMMC.
(2) La combinazione di più tecnologie di elaborazione TiMMC ha una scarsa plasticità a temperatura ambiente e l'elaborazione completa di TiMMC utilizzando vari metodi di elaborazione termica come la deformazione superplastica ad alta temperatura, la forgiatura a caldo e la deformazione per estrusione a caldo può massimizzare il potenziale applicativo di TiMMC in vari campi.
(3) Sviluppo di nuovi materiali Con il progresso della scienza e della tecnologia, verranno sviluppati nuovi TiMMC con prestazioni più elevate e campi di applicazione più ampi. Ad esempio, nano-TiMMC, TiMMC multifunzionali e TiMMC durevoli ad alta temperatura promuoveranno ulteriormente lo sviluppo di TiMMC.
(4) Sostenibilità e protezione dell'ambiente La sostenibilità e la protezione dell'ambiente diventeranno considerazioni chiave nell'elaborazione dei TiMMC. Lo sviluppo di metodi di lavorazione più rispettosi dell'ambiente, il riciclaggio dei materiali compositi di scarto e la riduzione del consumo energetico saranno la direzione futura dello sviluppo.
(5) Le TiMMC per applicazioni multicampo saranno applicate in più campi. Oltre alle attuali industrie aerospaziale e automobilistica, anche i settori medico, energetico e delle costruzioni continueranno a esplorare il potenziale applicativo dei TiMMC.
