Forskningsstatusen og fremdriften til prosesseringsteknologien til titanmatrisekompositter (TiMMCs) ble gjennomgått fra aspektene ved tradisjonell mekanisk prosessering, komposittenergifeltbehandling, smibehandling og additiv produksjon. Kjennetegn på TiMMCs behandlet av forskjellige prosesseringsteknikker. Med sikte på hovedproblemene i nåværende forskning, er utviklingstrenden av TiMMCs prosesseringsteknologi prospektert i fremtiden.
bilde
Senioringeniør Wang Guangping på forskernivå
01
ingress
Titan og dets legeringer er mye brukt i romfart, petrokjemisk, marine og medisinske felt på grunn av deres utmerkede egenskaper som høy spesifikk styrke, utmerket kjemisk korrosjonsbestandighet og god biokompatibilitet [1-4]. Youngs modul, slitestyrke og varmebestandighet for titanlegeringer er imidlertid lavere enn for stål- og nikkelbaserte legeringer, noe som begrenser deres videre anvendelse innen bil- og romfartsfelt [5-8]. Fremveksten av titanmatrisekompositter (TiMMCs) gir et nytt alternativ for å overvinne problemene ovenfor. TiMMCs er et komposittmateriale sammensatt av titan og dets legeringer som matrise og keramikk (partikler, værhår, korte fibre og kontinuerlige lange fibre) som forsterkende fase (se figur 1).
bilde
a) Kontinuerlige langfiberforsterkede titanmatrisekompositter
bilde
b) Partikkelforsterkede titanbaserte kompositter c) Whisker/kortfiberforsterkede titanbaserte kompositter
Figur 1 Skjematisk diagram av TiMMC-er med forskjellige typer armeringsfaser
Mens de opprettholder de utmerkede egenskapene til matrisen, kan TiMMCs også oppnå omfattende egenskaper som ikke kan oppnås med en enkelt forsterkningsfase eller matrise gjennom komplementariteten og korrelasjonen av egenskapene til fiberen og matrisen. For eksempel, flytegrensen til (TiC pluss Ti5Si3)/Ti kompositt fremstilt av HUO et al. [9] er så høy som 829MPa, som er 178 prosent høyere enn for rent titan, samtidig som den opprettholder en høy forlengelse på 8,1 prosent, og har høy styrke og middels plastisitet. Sammenlignet med de laminerte TiC/Ti-komposittene, forbedres styrken og duktiliteten til TiMMC-er samtidig, noe som resulterer i en utmerket styrke-duktilitetssynergistisk ytelse. Den høye spesifikke modulen til TiMMC-er er hovedfaktoren for å fremme den brede anvendelsen i flykropper, mens den høye spesifikke styrken er drivkraften for å fremme anvendelsen i motorindustrien [10]. For eksempel tok USA ledelsen med å bruke partikkelforsterkede titanbaserte kompositter for å produsere deler til flymotorer. De partikkelforsterkede titanbaserte komposittrotorbladene utviklet av USA har blitt brukt med suksess, noe som ikke bare forbedrer ytelsen til rotorbladene, men også reduserer luftfarten. Produksjonskostnaden for motoren falt med så mye som $60,000 [11]. Boeing Aircraft Company i USA har utviklet en partikkelforsterket titanbasert sammensatt koblingsstang for landingsutstyr for fly, som ikke bare har en betydelig økning i tjenestetemperatur, men også reduserer massen med nesten 40 prosent sammenlignet med før forbedringen , og har blitt brukt på Boeing 787-flyene[12] . Atlantic Research Center i USA utviklet med suksess et partikkelforsterket titanbasert komposittmateriale for helikopterlandingsutstyr, og det har blitt brukt med suksess. Sammenlignet med tradisjonelle materialer er vekten kraftig redusert [13]. Det franske luftfartsforskningssenteret og det britiske Rolls-Royce-selskapet brukte partikkelforsterkede titanmatrisekompositter for å forberede flymotorblader og oppnådde suksess [14, 15]. Innen bilindustrien øker kravene til lette strukturer stadig, noe som i stor grad fremmer bruken av TiMMC-er. Toyota Corporation of Japan brukte først BTi/Ti-komposittmaterialer for bileksosventiler, bilmotoreksosventiler og andre deler, motorventiler osv. Den totale massen reduseres med nesten 40 prosent, og den har fordelene med høy levetid og lave kostnader [16]. Samtidig har land som Europa og USA også begynt å bruke partikkelforsterkede titanbaserte komposittmaterialer for å erstatte tradisjonelle stålmaterialer for å produsere hoveddeler av biler, for å redusere vekten på biler og ytterligere forbedre ytelsen til biler [17]. Bruksområdet til TiMMC-er er vist i figur 2.
bilde
Figur 2 Bruksområde for TiMMC-er
På grunn av kompleksiteten i materialsammensetningen er TiMMC-er mye vanskeligere å behandle enn konvensjonelle ingeniørmaterialer, og er en ny type materiale som er vanskelig å behandle. I mellomtiden, selv om TiMMC-er som inneholder jevnt fordelte forsterkninger eller diskontinuerlige forsterkninger generelt viser høyere styrke, er duktiliteten og seigheten i forhold til den rene matrisen uunngåelig kompromittert [18]. For eksempel, selv med in-situ TiC og Ti5Si3, viser strekkdataene at forlengelsen ved brudd faller kraftig fra 17,2 prosent til 1,53 prosent når flytegrenseøkningen til komposittmaterialet når 410 MPa, noe som stiller høyere krav til prosesseringsteknologi [19 ]. Derfor har hvordan man oppnår høyeffektiv og lav skadebehandling av TiMMC-er blitt et forskningshotspot innen komposittmaterialbehandling.
Vanlige behandlingsmetoder for TiMMC-er inkluderer maskinering, smiing, støping og additiv produksjon [20]. Maskinering er avhengig av mekanisk kraft for å endre formen på materialer, som effektivt kan utføre masseproduksjon og batchbehandling. Det er en av de mest brukte kaldbehandlingsmetodene. Den kan oppnå høypresisjonsdimensjoner og overflatekvalitetskrav, og er egnet for ulike typer materialer, inkludert komposittmaterialer. materialbehandling. Vanlige maskineringsoperasjoner inkluderer skjæring, boring, fresing og sliping. Smiing, støping og additiv produksjon er typiske termiske prosesseringsprosesser som kan forbedre de mekaniske egenskapene og strukturen til komposittmaterialer [21]. I tillegg, når du velger en passende prosesseringsteknologi for å behandle TiMMC-er, er det nødvendig å vurdere de forskjellige egenskapene til hver komponent i komposittmaterialet, samt slitasje og termisk utvidelse mellom komposittmaterialet og prosesseringsverktøyet, for å få TiMMCs deler med utmerket ytelse.
I denne artikkelen blir den nåværende prosesseringsteknologien til TiMMC-er gjennomgått, og behandlingen av TiMMC-er i fremtiden er prospektert, for å gi teoretisk støtte for høyytelsesapplikasjonen av TiMMC-er.
02
Maskinering
På grunn av begrensningene i tilberedningsteknologien til TiMMC-er, er maskinering fortsatt en uunnværlig prosess i produksjonen av TiMMC-er. Sammenlignet med matrisematerialet har armering høyere hardhet, høyere styrke og vanskeligere bearbeiding, og det vil være problemer som forsterkningsfasefragmentering, uttrekking og avbinding under bearbeiding. Kutteprosessen til TiMMCs har blitt grundig studert når det gjelder optimalisering og andre aspekter.
2.1 Maskinering
Med sikte på mangelen på systematisk forskning på kutteytelse som verktøyslitasjemekanisme, kuttekraft og kuttetemperaturendringer i kutteprosessen til TiMMC-er, utførte Bian Weiliang [22] forskning på ytelsen til ulik dreiing av verktøy (TiCp pluss TiB w) /TC4. Enkrystall diamant og sementert karbid brukes i materialbehandling. Under de samme skjæreforholdene er levetiden til PCD-verktøyet lengre. Når enkeltkrystall-diamantverktøyet kutter TiMMC-er, kommer slitasjen på verktøyet hovedsakelig fra gjentatt skraping av den høye hardhetsforbedringen i forhold til verktøyet. Når du skjærer TC4-legeringen alene, er titanlegeringen bundet til verktøyet og slitasjen forårsaket av diffusjonen av prosessmaterialeelementer til verktøyet er mer betydelig. Ved bearbeiding av TiMMC-er med hardmetallverktøy er diffusjonen og bindingen av arbeidsstykkematerialet også tydelig.
For ytterligere å utforske innflytelsen av skjæreparametere og smøremetoder på maskineringsegenskaper, har NIKNAM et al. [23] utførte tørre og halvtørre dreieeksperimenter på partikkelforsterkede titanmatrisekompositter (PTMC), og analyserte skjærekraften under forskjellige skjæreparametere. , overflateruhet og partikkelfjerningsadferd. Resultatene viser at skjærekraften er større under halvtørr tilstand, og det vil dannes en film av smøremiddel som hindrer en jevn fremdrift av skjæringen.
DUONG et al. [24] studerte den innledende verktøyslitasjeadferden under TiMMC-svinging, og fant at slitasje er den viktigste mekanismen i TiMMC-skjæring, og diffusjon og adhesjon ble funnet under alle forhold. Og en ny slitasjeform av hardt tynt lag ble funnet i prosess med maskinering, som i dette tilfellet ville føre til diffusjonsslitasje og mekanisk svulst. Forskjellig fra PTMC-er, har kontinuerlige fiberforsterkede titanmatrisekompositter unik anisotropi på grunn av kontinuiteten til fibre. For å klargjøre skjæremekanismen til kontinuerlige fiberforsterkede titanmatrisekompositter, ZAN[25] et al. SiCf/Ti-6Al-4V ortogonal kuttetest oppnådde spondannelsesadferden og deformasjonsmekanismen til komposittmaterialet ved lav temperatur, romtemperatur og høy temperatur, og fant at sammenlignet med dannelsen av adiabatisk skjærbånd under skjæreprosessen av titanlegering, SiCf/Ti Bredden på -6Al-4V-sagtann er større. Figur 3 er et skjematisk diagram av SiCf/Ti-6Al-4V vekslende lagskjæring ved forskjellige temperaturer.
bilde
a) Kryogen (CT)
bilde
b) Romtemperatur (RT)
Fig.3 Skjærediagram av vekslende lag av fiberforsterkede titanmatrisekompositter ved forskjellige temperaturer
2.2 Sliping
Sliping er avhengig av mange slipekorn på overflaten av slipeskiven for samtidig å kutte arbeidsstykket for å fjerne materiale, som er egnet for presisjon og ultra-presisjon maskinering av materialer. DING et al. [26, 27] etablerte en tredimensjonal finitt element-modell av slipeprosessen for å forstå materialfjerningsadferden til TiCp/Ti-6Al-4V under konvensjonell sliping og høyhastighetssliping, og basert på den endelige elementmodellen, diskuterte oppførselen for materialfjerning. Fjerningsadferden og effekten av slipehastighet på dannelsen av maskinerte overflateegenskaper (se figur 4). Resultatene viser at materialfjerningsadferden under sliping av TiCp/Ti-6Al-4V kan deles inn i duktil fjerning av metallmatrisemateriale og sprø fjerning av TiC-forsterkede partikler. Tilsvarende har LIU et al. [28] konkluderte med at materialfjerning ved høyhastighetssliping av PTMC-er kan deles inn i fire trinn: plastisk fjerning av legeringsmatrise, sprekkinitiering i forbedrede partikler, sprekkforplantning i forbedrede partikler og sprø svikt av forbedrede partikler. Sammenlignet med slipehastighet har udeformert spontykkelse større innflytelse på dannelsen av maskinerte overflatedefekter. På denne bakgrunn har LI et al. [29, 30] studerte slipeytelsen til enkeltlags elektroplettert CBN-slipeskive og loddet CBN-slipeskive for PTMC-er (se figur 5). Resultatene viste at enkeltlags loddet CBN-slipeskive er mer egnet enn elektroplettert slipeskive for høyhastighetssliping av PTMC-er. Liu Chaojie et al. [31] analyserte slipekraftmodellen til PTMCs sidesliping ved hjelp av simulering. Ved fjerning av matrisen er svingningen i slipekraften regelmessig. Når de TiC-forsterkede partiklene fjernes, vil det oppstå sprekker og utvide seg på overflaten av materialet. Det fjernes også massive spon på overflaten, og svingningen i slipekraften i området hvor de forsterkede partiklene fjernes er store. I tillegg øker begge de normale og tangentielle slipekreftene med økningen av tykkelsen på enkelt slipespon.
bilde
a) Simulering av vanlig sliping PTMCs
bilde
b) Testresultater av vanlige slipe-PTMC-er
bilde
c) Simulering av høyhastighets slipe-PTMC-er
bilde
d) Eksperimentelle resultater av høyhastighetssliping av PTMC-er
Fig. 4 Simulering og testresultater av PTMCs fjerningsatferd ved forskjellige hastigheter
(mot =3m/min, ap=0.010 mm)
bilde
a) Sliping med galvanisert CBN-slipeskive
bilde
b) Sliping med loddet CBN-slipeskive
Figur 5 Sammenligning av galvanisert CBN-slipeskive og loddet CBN-slipeskive for sliping av PTMC-er
03
Kompositt energifeltbehandling
Ultrasonisk vibrasjonsassistert sliping er en sammensatt prosesseringsteknologi som introduserer ultrasonisk vibrasjon til den tradisjonelle slipeteknologien for å redusere skjæretemperaturen og forbedre slipekvaliteten. Ved ultralyd vibrasjonsassistert bearbeiding endres kontakttilstanden mellom verktøyet og arbeidsstykket på grunn av høyfrekvent vibrasjon, og verktøyet og arbeidsstykket er i intermitterende kontakt, ledsaget av kavitasjonseffekter og høyfrekvente støt, slik at kontakten mellom arbeidsstykket og verktøyet Friksjonskraften reduseres, og reduserer dermed skjærevarmen og skjærekraften, og kan øke verktøyets levetid og forbedre bearbeidingskvaliteten. Ultrasonisk vibrasjonsassistert maskineringsteknologi har blitt mye brukt i materialer som er vanskelige å maskinere som nikkelbaserte legeringer, TiMMC-er og keramiske matrisekompositter.
WU et al. [32] utførte en aksial ultrasonisk vibrasjonsassistert slipetest på PTMC-er, og fant at under påvirkning av ultralyd øker skjærebanen til slipekorn, og slipekornene presser gjentatte ganger på overflaten av arbeidsstykket for å redusere overflateruheten verdi. YUE et al. [33] utførte den ultralydsvibrasjonsassisterte slipetesten av PTMCs enkeltslipekorn, sammenlignet påvirkningen av vanlig sliping og ultralydsliping på materialfjerningshastigheten ved forskjellige slipehastigheter og forskjellige matehastigheter, og etablerte ultralydmodellen for skjæretykkelse av en enkelt slipekorn under handlingen viser at ultralydsvibrasjonen er mer sannsynlig å forårsake mikrobryting av slipekornene, som kontinuerlig kan oppdatere tilstanden til skjærekanten og opprettholde skarpheten til slipekornene til enhver tid. ZHAO et al. [34] brukte en selvlaget radiell vibrasjonsplattform (se figur 6) for å utføre en ultralydsvibrasjonsassistert slipetest på PTMC-er, og sammenlignet den med den ordinære slipetesten. Sammenlignet med vanlig sliping kan ultrasonisk vibrasjonsassistert sliping redusere slipetemperaturen med 24,2 prosent til 51,8 prosent, og samtidig kan materialfjerningshastigheten økes med 2,8 ganger.
bilde
Figur 6 Radial vibrasjon ultralydplattform og vibrasjonsmålingsenhet
BEIJANI et al. [35] brukte laserassistert maskinering (LAM) for å behandle TiMMC-er for første gang på grunnlag av tradisjonell dreiing (se figur 7). Resultatene viser at sammenlignet med konvensjonell maskinering, selv om overflateruhetsverdien til arbeidsstykket øker med 15 prosent, øker det totale skjærevolumet til LAM-verktøyet med 180 prosent, og verktøyets levetid forbedres effektivt, noe som tilskrives overføring av partikler i matrisen i stedet for brudd.
bilde
a) Skjematisk diagram
bilde
b) Faktisk enhet
Figur 7 Laserassistert prosesseringstestenhet
04
Additiv produksjonsbehandling
Laseradditiv produksjonsteknologi kan direkte produsere komplekse strukturelle deler, og viser gode bruksmuligheter i produksjonen av TiMMC-er. BANERJEE et al. [36] vellykket behandlet TiB/TC4-kompositter ved bruk av laser stereoforming processing technology (LENSTM), og brukte skanningselektronmikroskopi og transmisjonselektronmikroskopi for å karakterisere mikrostrukturen til komposittene som ble avsatt i detalj. Resultatene viste at den fremstilte metoden TiB/TC4-komposittmikrostrukturen er betydelig raffinert og er termodynamisk stabil. Tilsvarende har GU et al. [37] brukte selektiv lasersmelting (SLM) for å behandle det forberedte TiC/Ti-komposittpulveret, og oppnådde TiC-partikkelforsterkede TiAl3 (hovedfase) og Ti3AlC2 (sekundærfase) matrisekompositter. Til tross for svak kornvekst i forhold til det malte pulveret, viser den SLM-behandlede kompositten fortsatt en fin mikrostruktur. [38] brukte laserbehandlingsteknologi for direkte metallavsetning (DMD) for å fremstille PTMC-er som inneholder forskjellige volumfraksjoner (TiB pluss TiC) fra pulverråmaterialer sammensatt av forhåndslegerte (Ti-6Al-4V pluss B4C ) pulverblandinger. Mekaniske studier har vist at ved 20-600 grad øker Vickers-hardheten til partikkelforsterkede TiMMC-er som inneholder B4C med 10 prosent -15 prosent, og Youngs modul øker med 10 prosent. Forberedelsen av TiMMC-er med DMD-laserbehandlingsteknologi er vist i figur 8.
bilde
Fig.8 Skjematisk diagram av TiMMC-er utarbeidet av DMD-laserbehandlingsteknologi
05
Smiing
Smiing kan eliminere løse defekter av materialer under smelteprosessen, effektivt foredle mikrostrukturen og oppnå høykvalitets smiing som matcher strukturen og ytelsen.
Relevante utenlandske forskere har studert effekten av varmsmiing på mikrostrukturen og strekkegenskapene til Ti-TiB matrisekompositter. Studier har vist at romtemperaturforlengelsen til de smidde Ti-13.3B- og Ti-7B-komposittene når henholdsvis 6,1 prosent og 5,2 prosent, og materialegenskapene forbedres effektivt. Innenriksforsker Hu Jiarui et al. [39] smidde PTMC-er av sintret TiC generert in situ, og de strukturelle defektene til PTMC-er etter smiing ble eliminert, dynamisk omkrystallisering skjedde, og de mekaniske egenskapene ved romtemperatur ble forbedret. Strekkbrudd-SEM-morfologien til TiC-partikkelforsterkede TiMMC-er er vist i fig. 9. Samtidig, på grunn av den forbedrede matrisestrukturen, er slitestyrken til PTMC-er etter smiing forbedret. samme
[40] sammenlignet og analyserte de mekaniske egenskapene til 5 prosent (TiB pluss TiC)/Ti-1100 komposittmaterialer. Ved 500-650 grad var det støpte komposittmaterialet sprøbrudd, og det smidde komposittmaterialet var duktilt brudd, og styrken og forlengelsen av komposittmaterialet etter smiing er betydelig økt.
bilde
a) Sintring (matrisepenetrerende sprekker) b) Sintring (intergranulære sprekker og kornsprekker)
bilde
c) -smiing d) ( pluss )-smiing
Fig.9 Strekkbrudd SEM-morfologi av TiMMC-er forsterket av TiC-partikler
06
konklusjon
På grunn av tilstedeværelsen av forsterkende faser, viser TiMMC-er forskjellige mekaniske egenskaper og prosesseringsmekanismer fra tradisjonelle titanlegeringer. Når vi ser fremover, vil behandlingen av TiMMCs utvikle seg i følgende aspekter.
(1) Forbedring av prosessteknologi Prosessteknologien til TiMMCs vil bli kontinuerlig forbedret for å forbedre produksjonseffektiviteten og produktkvaliteten. Nye skjæreverktøy og prosesseringsmetoder vil bli utviklet for å redusere skjærekrefter og verktøyslitasje, og for å realisere synergistisk fjerning av TiMMCs heterogene komponenter.
(2) Kombinasjon av flere prosesseringsteknologier TiMMC-er har dårlig plastisitet ved romtemperatur, og den omfattende behandlingen av TiMMC-er ved å bruke forskjellige termiske prosesseringsmetoder som høytemperatur superplastisk deformasjon, varmsmiing og varmekstruderingsdeformasjon kan maksimere anvendelsespotensialet til TiMMC-er i forskjellige Enger.
(3) Ny materialutvikling Med utviklingen av vitenskap og teknologi vil nye TiMMC-er utvikles med høyere ytelse og bredere bruksområder. For eksempel vil nano-TiMMC-er, multifunksjonelle TiMMC-er og høytemperatur holdbare TiMMC-er fremme utviklingen av TiMMC-er ytterligere.
(4) Bærekraft og miljøvern Bærekraft og miljøvern vil bli sentrale hensyn ved behandling av TiMMC-er. Utvikling av mer miljøvennlige prosesseringsmetoder, resirkulering av avfallskomposittmaterialer og reduksjon av energiforbruk vil være den fremtidige utviklingsretningen.
(5) Flerfeltsapplikasjon TiMMC-er vil bli brukt i flere felt. I tillegg til den eksisterende romfarts- og bilindustrien, vil medisinske, energi- og konstruksjonsfelt også fortsette å utforske brukspotensialet til TiMMC-er.
