O status da pesquisa e o progresso da tecnologia de processamento de compósitos de matriz de titânio (TiMMCs) foram revisados a partir dos aspectos de processamento mecânico tradicional, processamento de campo de energia composto, processamento de forjamento e manufatura aditiva. Características de TiMMCs processados por diferentes técnicas de processamento. Visando os principais problemas da pesquisa atual, prospecta-se a tendência de desenvolvimento da tecnologia de processamento de TiMMCs no futuro.
foto
Engenheiro sênior de nível de pesquisador Wang Guangping
01
preâmbulo
O titânio e suas ligas são amplamente utilizados nos campos aeroespacial, petroquímico, marítimo e médico devido às suas excelentes propriedades, como alta resistência específica, excelente resistência à corrosão química e boa biocompatibilidade [1-4]. No entanto, o módulo de Young, resistência ao desgaste e resistência ao calor das ligas de titânio são menores do que as ligas de aço e à base de níquel, o que limita suas aplicações futuras nos campos automotivo e aeroespacial [5-8]. O surgimento de compósitos com matriz de titânio (TiMMCs) oferece uma nova alternativa para superar os problemas acima. TiMMCs é um material compósito composto de titânio e suas ligas como matriz e cerâmica (partículas, whiskers, fibras curtas e fibras longas contínuas) como fase de reforço (ver Figura 1).
foto
a) Compósitos de matriz de titânio reforçados com fibras longas contínuas
foto
b) Compósitos à base de titânio reforçados com partículas c) Compósitos à base de titânio reforçados com fibras curtas/whisker
Figura 1 Diagrama esquemático de TiMMCs com diferentes tipos de fases de reforço
Mantendo as excelentes propriedades da matriz, os TiMMCs também podem obter propriedades abrangentes que não podem ser alcançadas por uma única fase de reforço ou matriz por meio da complementaridade e correlação das propriedades da fibra e da matriz. Por exemplo, o limite de escoamento do compósito (TiC mais Ti5Si3)/Ti preparado por HUO et al. [9] é tão alto quanto 829MPa, que é 178 por cento maior que o do titânio puro, mantendo um alto alongamento de 8,1 por cento, e possui alta resistência e plasticidade média. Em comparação com os compósitos laminados de TiC/Ti, a resistência e a ductilidade dos TiMMCs são aprimoradas simultaneamente, resultando em um excelente desempenho sinérgico de resistência e ductilidade. O alto módulo específico dos TiMMCs é o principal fator para promover sua ampla aplicação na fuselagem de aeronaves, enquanto a alta resistência específica é a força motriz para promover sua aplicação na indústria de motores [10]. Por exemplo, os Estados Unidos assumiram a liderança no uso de compostos à base de titânio reforçados com partículas para fabricar peças de motores aeronáuticos. As pás do rotor compostas à base de titânio reforçadas com partículas desenvolvidas pelos Estados Unidos foram aplicadas com sucesso, o que não apenas melhora o desempenho das pás do rotor, mas também reduz a aviação. O custo de fabricação do motor caiu em até US$ 60,000 [11]. A Boeing Aircraft Company dos Estados Unidos desenvolveu uma biela de trem de pouso de aeronave composta à base de titânio reforçado com partículas, que não só tem um aumento significativo na temperatura de serviço, mas também reduz a massa em quase 40 por cento em comparação com a antes da melhoria , e foi aplicado com sucesso na aeronave Boeing 787[12] . O Atlantic Research Center dos Estados Unidos desenvolveu com sucesso um material compósito à base de titânio reforçado com partículas para trem de pouso de helicópteros, e foi aplicado com sucesso. Em comparação com os materiais tradicionais, o peso é bastante reduzido [13]. O Centro de Pesquisa Aeronáutica francês e a empresa britânica Rolls-Royce usaram compósitos de matriz de titânio reforçados com partículas para preparar pás de motores aeronáuticos e obtiveram sucesso [14, 15]. No setor automotivo, os requisitos para estruturas leves estão aumentando constantemente, o que promove muito a aplicação de TiMMCs. A Toyota Corporation of Japan usou pela primeira vez materiais compósitos BTi/Ti para válvulas de escape de automóveis, válvulas de escape de motores de automóveis e outras peças, válvulas de motores, etc. [16]. Ao mesmo tempo, países como a Europa e os Estados Unidos também começaram a usar materiais compósitos à base de titânio reforçados com partículas para substituir materiais de aço tradicionais para fabricar peças principais de automóveis, de modo a reduzir o peso dos automóveis e melhorar ainda mais o desempenho de automóveis [17]. A faixa de aplicação dos TiMMCs é mostrada na Figura 2.
foto
Figura 2 Faixa de aplicação de TiMMCs
Devido à complexidade da composição do material, os TiMMCs são muito mais difíceis de processar do que os materiais de engenharia convencionais e são um novo tipo de material difícil de processar. Enquanto isso, embora os TiMMCs contendo reforços uniformemente distribuídos ou reforços descontínuos geralmente exibam maior resistência, a ductilidade e a tenacidade em relação à matriz pura são inevitavelmente comprometidas [18]. Por exemplo, mesmo com TiC e Ti5Si3 in-situ, os dados de tração mostram que o alongamento na ruptura cai acentuadamente de 17,2% para 1,53% quando o aumento do limite de elasticidade do material compósito atinge 410MPa, o que impõe requisitos mais altos à tecnologia de processamento [19 ]. Portanto, como obter processamento de alta eficiência e baixo dano de TiMMCs tornou-se um ponto de pesquisa no campo do processamento de materiais compósitos.
Métodos comuns de processamento de TiMMCs incluem usinagem, forjamento, fundição e manufatura aditiva [20]. A usinagem depende da força mecânica para alterar a forma dos materiais, o que pode realizar com eficiência a produção em massa e o processamento em lote. É um dos métodos de processamento a frio mais comumente usados. Ele pode atingir dimensões de alta precisão e requisitos de qualidade de superfície e é adequado para vários tipos de materiais, incluindo materiais compostos. processamento de materiais. As operações comuns de usinagem incluem corte, furação, fresamento e retificação. Forjamento, fundição e manufatura aditiva são processos típicos de processamento térmico que podem melhorar as propriedades mecânicas e a estrutura de materiais compósitos [21]. Além disso, ao escolher uma tecnologia de processamento adequada para processar TiMMCs, é necessário considerar de forma abrangente as diferentes características de cada componente do material compósito, bem como o desgaste e a expansão térmica entre o material compósito e a ferramenta de processamento, a fim de obter peças TiMMCs com excelente desempenho.
Neste artigo, a tecnologia atual de processamento de TiMMCs é revisada e o processamento de TiMMCs no futuro é prospectado, a fim de fornecer suporte teórico para a aplicação de alto desempenho de TiMMCs.
02
Usinagem
Devido às limitações da tecnologia de preparação de TiMMCs, a usinagem ainda é um processo indispensável na fabricação de TiMMCs. Comparado com o material da matriz, o reforço tem maior dureza, maior resistência e processamento mais difícil, e haverá problemas como fragmentação da fase do reforço, arrancamento e descolamento durante o processamento. O processo de corte de TiMMCs foi amplamente estudado em termos de otimização e outros aspectos.
2.1 Usinagem
Visando a falta de pesquisas sistemáticas sobre o desempenho de corte, como mecanismo de desgaste da ferramenta, força de corte e mudanças de temperatura de corte no processo de corte de TiMMCs, Bian Weiliang [22] realizou pesquisas sobre o desempenho de diferentes ferramentas de torneamento (TiCp mais TiB w). /TC4. Diamante de cristal único e carboneto cimentado são usados no processamento de materiais. Sob as mesmas condições de corte, a vida útil da ferramenta PCD é maior. Quando a ferramenta de diamante de cristal único corta TiMMCs, o desgaste da ferramenta vem principalmente da raspagem repetida do aprimoramento de alta dureza em relação à ferramenta. Ao cortar a liga TC4 sozinha, a liga de titânio é ligada à ferramenta e O desgaste causado pela difusão de elementos de material de processamento para a ferramenta é mais significativo. Ao usinar TiMMCs com ferramentas de metal duro, a difusão e a ligação do material da peça também são óbvias.
A fim de explorar ainda mais a influência dos parâmetros de corte e métodos de lubrificação nas características de usinagem, NIKNAM et al. [23] realizaram experimentos de torneamento a seco e semi-seco em compósitos de matriz de titânio reforçados com partículas (PTMCs) e analisaram a força de corte sob diferentes parâmetros de corte. , rugosidade superficial e comportamento de remoção de partículas. Os resultados mostram que a força de corte é maior na condição semi-seca, e uma película de lubrificante será produzida, o que dificulta o bom andamento do corte.
DUONG et al. [24] estudaram o comportamento inicial do desgaste da ferramenta durante o torneamento de TiMMCs e descobriram que o desgaste é o mecanismo mais importante no corte de TiMMCs, e difusão e adesão foram encontradas em todas as condições. E uma nova forma de desgaste de camada fina dura foi encontrada no processo de usinagem, que neste caso levaria ao desgaste por difusão e tumor mecânico. Diferentemente dos PTMCs, os compósitos de matriz de titânio reforçados com fibra contínua têm anisotropia única devido à continuidade das fibras. A fim de esclarecer o mecanismo de corte de compósitos de matriz de titânio reforçados com fibras contínuas, ZAN[25] et al. O teste de corte ortogonal SiCf/Ti-6Al-4V obteve o comportamento de formação de cavacos e o mecanismo de deformação do material compósito em baixa temperatura, temperatura ambiente e alta temperatura, e descobriu que comparado com a formação de banda de cisalhamento adiabática durante o processo de corte da liga de titânio, SiCf/Ti A largura do dente de serra -6Al-4V é maior. A Figura 3 é um diagrama esquemático de corte de camada alternada de SiCf/Ti-6Al-4V em diferentes temperaturas.
foto
a) Criogênico (CT)
foto
b) Temperatura ambiente (RT)
Fig.3 Diagrama de corte de camadas alternadas de compósitos de matriz de titânio reforçados com fibra em diferentes temperaturas
2.2 Moagem
A retificação depende de muitos grãos abrasivos na superfície do rebolo para cortar simultaneamente a peça de trabalho para remover o material, o que é adequado para usinagem de materiais de precisão e ultraprecisão. DING et al. [26, 27] estabeleceram um modelo tridimensional de elementos finitos do processo de retificação para entender o comportamento de remoção de material de TiCp/Ti-6Al-4V durante a retificação convencional e de alta velocidade, e com base no modelo de elementos finitos, discutiu o comportamento de remoção de material. O comportamento de remoção e o efeito da velocidade de retificação na formação de características superficiais usinadas (ver Figura 4). Os resultados mostram que o comportamento de remoção de material durante a retificação de TiCp/Ti-6Al-4V pode ser dividido em remoção dúctil de material de matriz metálica e remoção frágil de partículas reforçadas com TiC. Da mesma forma, LIU et al. [28] concluíram que a remoção de material na retificação de alta velocidade de PTMCs pode ser dividida em quatro estágios: remoção plástica da matriz de liga, iniciação de trinca em partículas aprimoradas, propagação de trinca em partículas aprimoradas e falha frágil de partículas aprimoradas. Em comparação com a velocidade de retificação, a espessura do cavaco não deformado tem uma influência maior na formação de defeitos superficiais usinados. Com base nisso, LI et al. [29, 30] estudaram o desempenho de retificação de rebolo de CBN galvanizado de camada única e rebolo de CBN brasado para PTMCs (ver Figura 5). Os resultados mostraram que o rebolo de CBN brasado de camada única é mais adequado do que o rebolo galvanizado para retificação de alta velocidade de PTMCs. Liu Chaojie e outros. [31] analisaram o modelo de força de retificação da retificação lateral de PTMCs por meio de simulação. Ao remover a matriz, a flutuação da força de moagem é regular. Ao remover as partículas reforçadas com TiC, rachaduras aparecerão e se expandirão na superfície do material. Também há cavacos maciços removidos na superfície, e a flutuação da força de moagem na área onde as partículas reforçadas são removidas é grande. Além disso, as forças de retífica normal e tangencial aumentam com o aumento da espessura do cavaco abrasivo único.
foto
a) Simulação de PTMCs de retificação comum
foto
b) Resultados do teste de PTMCs de moagem comuns
foto
c) Simulação de PTMCs de moagem de alta velocidade
foto
d) Resultados experimentais de retificação em alta velocidade de PTMCs
Fig. 4 Simulação e resultados de teste do comportamento de remoção de PTMCs em diferentes velocidades
(vs=3m/min, ap=0.010mm)
foto
a) Desbaste com rebolo CBN galvanizado
foto
b) Desbaste com rebolo CBN soldado
Figura 5 Comparação entre rebolo de CBN galvanizado e rebolo de CBN brasado para retificação de PTMCs
03
Processamento de campo de energia composto
A retificação assistida por vibração ultrassônica é uma tecnologia de processamento de compostos que introduz a vibração ultrassônica na tecnologia de retificação tradicional para reduzir a temperatura de corte e melhorar a qualidade da retificação. Na usinagem assistida por vibração ultrassônica, o estado de contato entre a ferramenta e a peça muda devido à vibração de alta frequência, e a ferramenta e a peça estão em contato intermitente, acompanhado por efeitos de cavitação e impactos de alta frequência, de modo que o contato entre a peça de trabalho e a ferramenta A força de fricção é reduzida, reduzindo assim o calor de corte e a força de corte, podendo aumentar a vida útil da ferramenta e melhorar a qualidade do processamento. A tecnologia de usinagem assistida por vibração ultrassônica tem sido amplamente utilizada em materiais difíceis de usinar, como ligas à base de níquel, TiMMCs e compósitos de matriz cerâmica.
WU et al. [32] realizaram um teste axial de retificação assistida por vibração ultrassônica em PTMCs e descobriram que, sob a ação do ultrassom, a trajetória de corte dos grãos abrasivos aumenta e os grãos abrasivos pressionam repetidamente a superfície da peça de trabalho para reduzir a rugosidade da superfície valor. YUE et al. [33] realizaram o teste de retificação assistida por vibração ultrassônica de grãos abrasivos únicos de PTMCs, compararam a influência da retificação comum e da retificação ultrassônica na taxa de remoção de material em diferentes velocidades de retificação e diferentes taxas de avanço e estabeleceram o ultrassônico O modelo de espessura de corte de um grão abrasivo único sob a ação mostra que a vibração ultrassônica é mais provável de causar micro-quebra dos grãos abrasivos, que podem atualizar continuamente o estado da aresta de corte e manter a nitidez dos grãos abrasivos em todos os momentos. ZHAO et al. [34] usaram uma plataforma de vibração radial autofabricada (ver Figura 6) para realizar um teste de retificação assistida por vibração ultrassônica em PTMCs e a compararam com o teste de retificação comum. Em comparação com a retificação comum, a retificação assistida por vibração ultrassônica pode reduzir a temperatura de retificação em 24,2% a 51,8% e, ao mesmo tempo, a taxa de remoção de material pode ser aumentada em 2,8 vezes.
foto
Figura 6 Plataforma ultrassônica de vibração radial e dispositivo de medição de vibração
BEIJANI et al. [35] usaram usinagem assistida por laser (LAM) para processar TiMMCs pela primeira vez com base no torneamento tradicional (ver Figura 7). Os resultados mostram que, em comparação com a usinagem convencional, embora o valor da rugosidade da peça aumente em 15%, o volume total de corte da ferramenta LAM aumenta em 180% e a vida útil da ferramenta é efetivamente melhorada, o que é atribuído à transferência de partículas na matriz em vez de fratura.
foto
a) Diagrama esquemático
foto
b) Dispositivo real
Figura 7 Dispositivo de teste de processamento assistido por laser
04
Processamento de Manufatura Aditiva
A tecnologia de manufatura aditiva a laser pode fabricar diretamente peças estruturais complexas, apresentando grandes perspectivas de aplicação na fabricação de TiMMCs. BANERJEE et al. [36] processaram com sucesso compósitos TiB/TC4 usando a tecnologia de processamento de estereoformação a laser (LENSTM) e usaram microscopia eletrônica de varredura e microscopia eletrônica de transmissão para caracterizar detalhadamente a microestrutura dos compósitos conforme depositados. Os resultados mostraram que o método preparado A microestrutura do compósito TiB/TC4 é significativamente refinada e termodinamicamente estável. Da mesma forma, GU et al. [37] usaram fusão a laser seletiva (SLM) para processar o pó composto de TiC/Ti preparado e obtiveram compósitos de matriz TiAl3 (fase principal) e Ti3AlC2 (fase secundária) reforçados com partículas de TiC. Apesar do leve crescimento de grão em relação ao pó moído, o compósito tratado com SLM ainda exibe uma microestrutura fina. [38] usaram a tecnologia de processamento a laser por deposição direta de metal (DMD) para preparar PTMCs contendo diferentes frações de volume (TiB mais TiC) a partir de matérias-primas em pó compostas de pré-liga (Ti-6Al-4V mais B4C ) misturas em pó. Estudos mecânicos mostraram que em 20-600 graus, a dureza Vickers de TiMMCs reforçados com partículas contendo B4C aumenta em 10 por cento -15 por cento, e o módulo de Young aumenta em 10 por cento. A preparação de TiMMCs pela tecnologia de processamento a laser DMD é mostrada na Figura 8.
foto
Fig.8 Diagrama esquemático de TiMMCs preparados pela tecnologia de processamento a laser DMD
05
Forjamento
O forjamento pode eliminar os defeitos soltos dos materiais durante o processo de fundição, refinar efetivamente a microestrutura e obter forjados de alta qualidade que combinam com a estrutura e o desempenho.
Estudiosos estrangeiros relevantes estudaram o efeito do forjamento a quente na microestrutura e nas propriedades de tração de compósitos de matriz Ti-TiB. Estudos mostraram que o alongamento à temperatura ambiente dos compostos forjados de Ti-13.3B e Ti-7B atinge 6,1 por cento e 5,2 por cento, respectivamente, e as propriedades do material são efetivamente melhoradas. O estudioso doméstico Hu Jiarui et al. [39] PTMCs forjados de TiC sinterizado gerados in situ, e os defeitos estruturais dos PTMCs após o forjamento foram eliminados, recristalização dinâmica ocorreu e as propriedades mecânicas à temperatura ambiente foram melhoradas. A morfologia SEM de fratura por tração de TiMMCs reforçados com partículas de TiC é mostrada na Fig. 9. Ao mesmo tempo, devido à estrutura de matriz aprimorada, a resistência ao desgaste de PTMCs após o forjamento é aprimorada. mesmo
[40] compararam e analisaram as propriedades mecânicas de 5 por cento (TiB mais TiC)/Ti-1100 materiais compósitos. Em 500-650 graus, o material compósito fundido era uma fratura frágil e o material compósito forjado era uma fratura dúctil, e a resistência e o alongamento do material compósito após o forjamento são significativamente aumentados.
foto
a) Sinterização (trincas penetrantes na matriz) b) Sinterização (trincas intergranulares e trincas de grão
foto
c) - forjamento d) ( mais ) - forjamento
Fig.9 Morfologia SEM de fratura por tração de TiMMCs reforçados por partículas de TiC
06
conclusão
Devido à presença de fases de reforço, os TiMMCs exibem propriedades mecânicas e mecanismos de processamento diferentes das ligas de titânio tradicionais. Olhando para o futuro, o processamento de TiMMCs se desenvolverá nos seguintes aspectos.
(1) Melhoria da tecnologia de processamento A tecnologia de processamento dos TiMMCs será continuamente aprimorada para melhorar a eficiência da produção e a qualidade do produto. Novas ferramentas de corte e métodos de processamento serão desenvolvidos para reduzir as forças de corte e o desgaste da ferramenta e realizar a remoção sinérgica dos componentes heterogêneos de TiMMCs.
(2) Combinação de múltiplas tecnologias de processamento TiMMCs têm baixa plasticidade à temperatura ambiente, e o processamento abrangente de TiMMCs usando vários métodos de processamento térmico, como deformação superplástica de alta temperatura, forjamento a quente e deformação por extrusão a quente pode maximizar o potencial de aplicação de TiMMCs em vários Campos.
(3) Desenvolvimento de novos materiais Com o avanço da ciência e da tecnologia, novos TiMMCs serão desenvolvidos com maior desempenho e campos de aplicação mais amplos. Por exemplo, nano-TiMMCs, TiMMCs multifuncionais e TiMMCs duráveis em alta temperatura promoverão ainda mais o desenvolvimento de TiMMCs.
(4) Sustentabilidade e proteção ambiental Sustentabilidade e proteção ambiental se tornarão considerações importantes ao processar TiMMCs. O desenvolvimento de métodos de processamento mais ecológicos, a reciclagem de resíduos de materiais compostos e a redução do consumo de energia serão a direção futura do desenvolvimento.
(5) Os TiMMCs de aplicação em vários campos serão aplicados em mais campos. Além das indústrias aeroespacial e automotiva existentes, os campos médico, energético e de construção também continuarão a explorar o potencial de aplicação dos TiMMCs.
