Estati rechèch la ak pwogrè teknoloji pwosesis la nan konpoze matris Titàn (TiMMCs) yo te revize nan aspè yo nan pwosesis tradisyonèl mekanik, pwosesis konpoze enèji jaden, pwosesis fòje ak manifakti aditif. Karakteristik TiMMCs trete pa teknik pwosesis diferan. Vize nan pwoblèm prensipal yo nan rechèch aktyèl la, tandans devlopman nan teknoloji pwosesis TiMMCs nan tan kap vini an pwospè.
foto
Enjenyè wo grade nan nivo chèchè Wang Guangping
01
preambul
Titàn ak alyaj li yo lajman itilize nan domèn ayewospasyal, pétrochimique, maren ak medikal akòz pwopriyete ekselan yo tankou gwo fòs espesifik, ekselan rezistans korozyon chimik ak bon byokonpatibilite [1-4]. Sepandan, modil Young la, rezistans mete, ak rezistans chalè nan alyaj Titàn yo pi ba pase sa yo ki nan asye ak nikèl ki baze sou alyaj, ki limite aplikasyon yo plis nan jaden otomobil ak ayewospasyal [5-8]. Aparisyon nan konpoze matris Titàn (TiMMCs) bay yon nouvo altènatif simonte pwoblèm ki anwo yo. TiMMCs se yon materyèl konpoze ki konpoze de Titàn ak alyaj li yo kòm matris la ak seramik (patikil, moustach, fib kout ak fib long kontinyèl) kòm faz ranfòsman an (gade Figi 1).
foto
a) Kontini long fib ranfòse Titàn matris konpoze
foto
b) Patikil-ranfòse konpoze ki baze sou Titàn c) Whisker / kout fib ranfòse ki baze sou konpoze Titàn
Figi 1 Dyagram eskematik TiMMC yo ak diferan kalite faz ranfòsman
Pandan ke yo kenbe pwopriyete yo ekselan nan matris la, TiMMCs ka jwenn tou pwopriyete konplè ki pa ka reyalize pa yon faz ranfòsman sèl oswa matris atravè konplemantè a ak korelasyon nan pwopriyete yo nan fib la ak matris la. Pou egzanp, fòs sede a nan (TiC plis Ti5Si3) / Ti konpoze prepare pa HUO et al. [9] se kòm yon wo 829MPa, ki se 178 pousan pi wo pase sa yo ki an pi Titàn, pandan w ap kenbe yon elongasyon segondè nan 8.1 pousan, epi li gen gwo fòs ak plastisit mwayen. Konpare ak konpoze TiC / Ti laminated yo, fòs ak duktilite TiMMC yo ansanm amelyore, sa ki lakòz yon pèfòmans ekselan fòs-duktilite sinèrji. Modil espesifik segondè nan TiMMCs se faktè prensipal ankouraje aplikasyon lajè li nan fuselage avyon, pandan y ap gwo fòs espesifik la se fòs la kondwi ankouraje aplikasyon li nan endistri motè a [10]. Pou egzanp, Etazini te pran plon an nan sèvi ak patikil-ranfòse konpoze ki baze sou Titàn pou fabrike pati aero-motè. Patikil-ranfòse Titàn ki baze sou lam rotor konpoze devlope pa Etazini yo te aplike avèk siksè, ki pa sèlman amelyore pèfòmans nan lam yo rotor, men tou, diminye avyasyon. Pri fabrikasyon motè a te desann jiska $60,000 [11]. Konpayi Boeing Avyon Ozetazini te devlope yon baton koneksyon avyon aterisaj ki baze sou patikil ranfòse Titàn, ki pa sèlman gen yon ogmantasyon siyifikatif nan tanperati sèvis, men tou, diminye mas la pa prèske 40 pousan konpare ak sa anvan amelyorasyon an. , e li te aplike avèk siksè sou avyon an Boeing 787[12] . Sant Rechèch Atlantik la nan Etazini yo devlope avèk siksè yon materyèl konpoze ki baze sou Titàn ki ranfòse patikil pou Kovèti pou aterisaj elikoptè, epi li te aplike avèk siksè. Konpare ak materyèl tradisyonèl yo, pwa a redwi anpil [13]. Sant rechèch Aéronautique franse a ak konpayi Britanik Rolls-Royce la te itilize konpoze matris Titàn ki ranfòse patikil yo pou prepare lam aero-motè yo epi yo te reyisi [14, 15]. Nan jaden otomobil la, kondisyon yo pou estrikti ki lejè yo toujou ap ogmante, ki anpil ankouraje aplikasyon an nan TiMMCs. Toyota Corporation nan Japon premye itilize materyèl konpoze BTi / Ti pou tiyo echapman otomobil, tiyo echapman motè otomobil ak lòt pati, tiyo motè, elatriye Mas total la redwi pa prèske 40 pousan, epi li gen avantaj ki genyen nan lavi segondè ak pri ki ba. [16]. An menm tan an, peyi tankou Ewòp ak Etazini yo te kòmanse tou sèvi ak patikil-ranfòse Titàn ki baze sou materyèl konpoze ranplase materyèl asye tradisyonèl yo fabrike pati prensipal nan otomobil, konsa tankou diminye pwa a nan otomobil ak plis amelyore a. pèfòmans otomobil [17]. Ranje aplikasyon TiMMC yo montre nan Figi 2.
foto
Figi 2 Ranje aplikasyon TiMMCs
Akòz konpleksite nan konpozisyon materyèl, TiMMCs pi difisil pou trete pase materyèl jeni konvansyonèl yo, epi li se yon nouvo kalite materyèl difisil-a-pwosesis. Pandan se tan, byenke TiMMCs ki gen ranfòsman inifòm distribye oswa ranfòsman diskontinyèl jeneralman montre pi wo fòs, duktilite a ak severite relatif nan matris la pi yo inevitableman konpwomèt [18]. Pou egzanp, menm ak TiC in-situ ak Ti5Si3, done yo tensil montre ke elongasyon an nan kraze gout sevè soti nan 17.2 pousan a 1.53 pousan lè ogmantasyon nan fòs sede nan materyèl la konpoze rive nan 410MPa, ki mete pi wo kondisyon sou teknoloji pwosesis [19 ]. Se poutèt sa, ki jan yo reyalize pwosesis segondè-efikasite ak ba-domaj nan TiMMCs te vin tounen yon otspo rechèch nan jaden an nan pwosesis materyèl konpoze.
Metòd pwosesis komen nan TiMMC yo gen ladan D, Forge, Distribisyon, ak fabrikasyon aditif [20]. Machining depann sou fòs mekanik chanje fòm nan materyèl, ki ka efektivman pote soti nan pwodiksyon an mas ak pwosesis pakèt. Li se youn nan metòd tretman frèt ki pi souvan itilize. Li ka reyalize dimansyon-wo presizyon ak kondisyon kalite sifas, epi li apwopriye pou divès kalite materyèl ki gen ladan materyèl konpoze. pwosesis materyèl. Operasyon usinage komen yo enkli koupe, perçage, fraisage, ak fanm k'ap pile. Fòje, Distribisyon, ak fabrikasyon aditif yo se pwosesis tipik pwosesis tèmik ki ka amelyore pwopriyete yo mekanik ak estrikti nan materyèl konpoze [21]. Anplis de sa, lè w ap chwazi yon teknoloji pwosesis apwopriye pou trete TiMMCs, li nesesè pou konsidere diferan karakteristik chak eleman nan materyèl konpoze an, osi byen ke mete ak ekspansyon tèmik ant materyèl la konpoze ak zouti pwosesis la, yo nan lòd yo jwenn pati TiMMCs ak pèfòmans ekselan.
Nan papye sa a, yo revize teknoloji pwosesis aktyèl la nan TiMMCs, epi yo pwospè sou pwosesis TiMMCs nan tan kap vini an, yo nan lòd yo bay sipò teyorik pou aplikasyon an wo-pèfòmans nan TiMMCs.
02
D'
Akòz limit teknoloji preparasyon TiMMCs, D' se toujou yon pwosesis endispansab nan envantè TiMMCs. Konpare ak materyèl la matris, ranfòsman gen pi wo dite, pi wo fòs, ak pwosesis pi difisil, epi pral gen pwoblèm tankou fwagmantasyon faz ranfòsman, rale soti ak debonding pandan pwosesis. Pwosesis koupe TiMMC yo te etidye konplè an tèm de optimize ak lòt aspè.
2.1 D'
Vize a mank de rechèch sistematik sou pèfòmans koupe tankou zouti mete mekanis, fòs koupe ak chanjman tanperati koupe nan pwosesis la koupe nan TiMMCs, Bian Weiliang [22] te fè rechèch sou pèfòmans nan diferan zouti vire (TiCp plis TiB w) /TC4. Yon sèl dyaman kristal ak carbure simante yo itilize nan pwosesis materyèl. Anba menm kondisyon koupe yo, lavi zouti PCD la pi long. Lè yon sèl kristal dyaman zouti koupe TiMMCs, mete zouti a sitou soti nan grate repete nan amelyorasyon nan dite segondè relatif nan zouti a. Lè koupe alyaj la TC4 pou kont li, alyaj la Titàn estokaj ak zouti a ak mete a ki te koze pa difizyon nan pwosesis eleman materyèl nan zouti a se pi enpòtan. Lè machin TiMMCs ak zouti carbure simante, difizyon an ak lyezon nan materyèl la materyo yo tou evidan.
Yo nan lòd yo eksplore plis enfliyans nan paramèt koupe ak metòd wilaj sou karakteristik machin, NIKNAM et al. [23] te pote soti sèk ak semi-sèk vire eksperyans sou patikil-ranfòse konpoze matris Titàn (PTMCs), epi analize fòs la koupe anba diferan paramèt koupe. , sifas brutality ak patikil retire konpòtman. Rezilta yo montre ke fòs la koupe pi gwo anba kondisyon an semi-sèk, epi yo pral pwodwi yon fim nan librifyan, ki anpeche pwogrè nan lis nan koupe.
DUONG et al. [24] etidye konpòtman inisyal la mete zouti pandan TiMMCs vire, epi li te jwenn ke mete se mekanis ki pi enpòtan nan koupe TiMMCs, ak difizyon ak adezyon yo te jwenn nan tout kondisyon. Ak yon nouvo fòm mete nan kouch difisil mens yo te jwenn nan pwosesis la nan D, ki nan ka sa a ta mennen nan mete difizyon ak timè mekanik. Diferan de PTMCs, fib kontinyèl ranfòse konpoze matris Titàn gen anisotropi inik akòz kontinwite nan fib. Yo nan lòd yo klarifye mekanis nan koupe nan fib kontinyèl ranfòse konpoze matris Titàn, ZAN [25] et al. SiCf/Ti-6Al-4V tès koupe orthogonal la te jwenn konpòtman fòmasyon chip ak mekanis deformation nan materyèl konpoze a nan tanperati ki ba, tanperati chanm ak tanperati ki wo, epi li te jwenn ke konpare ak fòmasyon nan Gwoup taye adiabatik pandan pwosesis la koupe nan alyaj Titàn, SiCf/Ti Lajè -6Al-4V sawtooth se pi gwo. Figi 3 se yon dyagram chema nan SiCf/Ti-6Al-4V koupe kouch altène nan diferan tanperati.
foto
a) Kriyojenik (CT)
foto
b) Tanperati chanm (RT)
Fig.3 Koupe dyagram nan kouch altène nan konpoze fib-ranfòse matris Titàn nan diferan tanperati
2.2 Manje
Manje depann sou anpil grenn abrazif sou sifas la nan wou fanm k'ap pile a ansanm koupe materyo a yo retire materyèl, ki se apwopriye pou presizyon ak ultra-presizyon D nan materyèl. DING et al. [26, 27] te etabli yon modèl eleman fini ki genyen twa dimansyon nan pwosesis fanm k'ap pile a yo nan lòd yo konprann konpòtman an retire materyèl nan TiCp / Ti-6Al{-4V pandan fanm k'ap pile konvansyonèl ak gwo vitès fanm k'ap pile, ak baze sou modèl la eleman fini, diskite sou konpòtman an retire materyèl. Konpòtman an retire ak efè a nan fanm k'ap pile vitès sou fòmasyon nan karakteristik sifas machin (gade Figi 4). Rezilta yo montre ke konpòtman an retire materyèl pandan fanm k'ap pile nan TiCp/Ti-6Al{-4V ka divize an retire ductile nan materyèl matris metal ak retire frajil nan TiC ranfòse patikil. Menm jan an tou, LIU et al. [28] konkli ke retire materyèl nan gwo vitès fanm k'ap pile nan PTMC yo ka divize an kat etap: retire plastik nan matris alyaj, inisyasyon krak nan patikil ranfòse, pwopagasyon krak nan patikil amelyore, ak echèk frajil nan patikil amelyore. Konpare ak vitès fanm k'ap pile, epesè chip endefòme gen yon pi gwo enfliyans sou fòmasyon nan domaj sifas machin. Sou baz sa a, LI et al. [29, 30] etidye pèfòmans nan fanm k'ap pile nan yon sèl-kouch electroplated CBN fanm k'ap pile wou ak brazed CBN fanm k'ap pile wou pou PTMCs (gade Figi 5). Rezilta yo te montre ke yon sèl-kouch brazed CBN fanm k'ap pile wou pi apwopriye pase electroplated fanm k'ap pile wou pou gwo vitès fanm k'ap pile nan PTMCs. Liu Chaojie et al. [31] analize modèl fòs fanm k'ap pile PTMCs bò fanm k'ap pile pa mwayen simulation. Lè w retire matris la, fluctuation fòs fanm k'ap pile a se regilye. Lè w retire patikil ranfòse TiC yo, fant ap parèt epi elaji sou sifas materyèl la. Genyen tou bato masiv retire sou sifas la, ak fluctuation nan fòs la fanm k'ap pile nan zòn nan kote patikil yo ranfòse yo retire se gwo. Anplis de sa, fòs yo nòmal ak tanjansyèl fanm k'ap pile tou de ogmante ak ogmantasyon nan epesè sèl chip abrazif.
foto
a) Òdinè fanm k'ap pile PTMCs simulation
foto
b) Rezilta tès yo nan òdinè fanm k'ap pile PTMCs
foto
c) Simulation gwo vitès fanm k'ap pile PTMCs
foto
d) Rezilta eksperimantal nan gwo vitès fanm k'ap pile nan PTMCs
Fig. 4 Simulation ak rezilta tès konpòtman retire PTMC yo nan diferan vitès
(vs =3m/min, ap=0.010mm)
foto
a) Manje ak electroplated CBN fanm k'ap pile wou
foto
b) Manje ak brazed CBN fanm k'ap pile wou
Figi 5 Konparezon electroplated CBN fanm k'ap pile wou ak brazed CBN fanm k'ap pile wou pou fanm k'ap pile PTMCs
03
Pwosesis jaden enèji konpoze
À Vibwasyon asiste broyage se yon konpoze teknoloji otomatik ki entwodui à Vibwasyon pou tradisyonèl broyage teknoloji pou redwi tanperati koupe a ak amelyore kalite broyage. Nan machining ultrasons Vibration-asistans, eta a kontak ant zouti a ak chanjman materyo a akòz Vibration wo-frekans, ak zouti a ak materyo a yo nan kontak tanzantan, akonpaye pa efè kavitasyon ak enpak segondè-frekans, se konsa ke kontak ki genyen ant materyo a ak zouti a Fòs friksyon an redwi, kidonk diminye chalè a koupe ak fòs koupe, epi li ka ogmante lavi sa a ki sèvis nan zouti a ak amelyore kalite pwosesis la. Teknoloji machining asistans Vibration à te lajman itilize nan materyèl difisil-a-machin tankou alyaj nikèl ki baze sou, TiMMCs, ak konpoze matris seramik.
WU et al. [32] te pote soti yon tès axial ultrasons vibrasyon-asistans fanm k'ap pile sou PTMCs, epi li te jwenn ke anba aksyon an nan ultrason, trajectoire nan koupe nan grenn abrazif ogmante, ak grenn yo abrazif repete peze sou sifas la nan materyo-a diminye brutality sifas la. valè. YUE et al. [33] te pote soti tès la ultrasons Vibration asistans fanm k'ap pile nan PTMCs sèl grenn abrazif, konpare enfliyans nan fanm k'ap pile òdinè ak fanm k'ap pile ultrasons sou to a retire materyèl nan diferan vitès fanm k'ap pile ak pousantaj manje diferan, ak etabli ultrasons la modèl la epesè koupe nan yon sèl grenn abrazif anba aksyon an montre ke Vibration ultrasons la gen plis chans lakòz mikwo-kraze nan grenn yo abrazif, sa ki ka kontinyèlman mete ajou eta a nan kwen an koupe epi kenbe précision nan grenn yo abrazif nan tout tan. ZHAO et al. [34] te itilize yon platfòm Vibwasyon radial ki fè pwòp tèt ou (gade Figi 6) pou fè yon tès fanm k'ap pile ultrasons ak asistans vibrasyon sou PTMCs, epi konpare li ak tès òdinè fanm k'ap pile. Konpare ak fanm k'ap pile òdinè, ultrasons Vibration ede fanm k'ap pile ka diminye tanperati a fanm k'ap pile pa 24.2 pousan a 51.8 pousan, epi an menm tan an, pousantaj la retire materyèl ka ogmante pa 2.8 fwa.
foto
Figi 6 Vibwasyon radial à platfòm ak Vibwasyon mezi aparèy
BEIJANI et al. [35] te itilize lazè-asistans D' (LAM) pou trete TiMMCs pou premye fwa sou baz tradisyonèl vire (gade figi 7). Rezilta yo montre ke konpare ak machin konvansyonèl yo, byenke valè a brutality sifas nan materyo a ogmante pa 15 pousan, volim nan koupe total nan zouti LAM ogmante pa 180 pousan, ak lavi a zouti se efektivman amelyore, ki se atribiye a transfè a nan. patikil nan matris la olye ke ka zo kase.
foto
a) Dyagram chematik
foto
b) Aparèy aktyèl la
Figi 7 Aparèy tès pwosesis lazè
04
Pwosesis Faktori aditif
Teknoloji fabrikasyon aditif lazè ka dirèkteman fabrike pati estriktirèl konplèks, ki montre gwo kandida aplikasyon nan fabrikasyon TiMMCs. BANERJEE et al. [36] avèk siksè trete TiB / TC4 konpoze lè l sèvi avèk lazè stereoforming pwosesis teknoloji (LENSTM), epi li itilize mikwoskospi elektwonik optik ak mikwoskospi elektwonik transmisyon yo karakterize mikwostrikti nan konpoze yo kòm-depoze an detay. Rezilta yo te montre ke metòd la prepare TiB/TC4 konpoze mikrostruktur la siyifikativman rafine epi li se tèmodinamik ki estab. Menm jan an tou, GU et al. [37] itilize selektif lazè k ap fonn (SLM) pou trete poud konpoze TiC/Ti prepare, epi li te jwenn TiAl3 (faz prensipal) ak Ti3AlC2 (faz segondè) ki te ranfòse patikil TiC. Malgre ti kwasans grenn jaden an parapò ak poud moulen an, konpoze SLM-trete a toujou montre yon mikwostrikti amann. [38] te itilize teknoloji pwosesis lazè depo dirèk metal (DMD) pou prepare PTMC ki gen diferan fraksyon volim (TiB plis TiC) soti nan matyè premyè poud ki konpoze de pre-alyaj (Ti-6Al{-4V plis B4C). ) melanj poud. Etid mekanik yo montre ke nan 20-600 degre, dite Vickers nan TiMMCs patikil ranfòse ki gen B4C ogmante pa 10 pousan -15 pousan, ak modil Young la ogmante pa 10 pousan. Preparasyon TiMMC pa teknoloji pwosesis lazè DMD montre nan Figi 8.
foto
Fig.8 Dyagram Schematic TiMMCs prepare pa teknoloji pwosesis lazè DMD
05
Fòje
Forge ka elimine domaj ki lach nan materyèl pandan pwosesis la SMELTING, efektivman rafine mikrostruktur la, epi jwenn bon jan kalite forging ki matche ak estrikti a ak pèfòmans.
Entelektyèl etranje ki enpòtan yo te etidye efè forge cho sou mikrostruktur ak pwopriyete tensil nan konpoze matris Ti-TiB. Etid yo montre ke elongasyon tanperati chanm nan fòje Ti-13.3B ak Ti-7B konpoze rive nan 6.1 pousan ak 5.2 pousan, respektivman, ak pwopriyete materyèl yo efektivman amelyore. Domestik etidyan Hu Jiarui et al. [39] fòje PTMCs nan sinter TiC ki te pwodwi in situ, ak defo estriktirèl PTMC yo apre yo te elimine, rekristalizasyon dinamik te fèt, ak pwopriyete mekanik nan tanperati chanm yo te amelyore. Yo montre mòfoloji SEM nan ka zo kase tensile nan TiMM TiC patikil ranfòse nan Figi 9. An menm tan an, akòz estrikti nan matris amelyore, rezistans nan mete nan PTMCs apre Forge amelyore. menm
[40] konpare ak analize pwopriyete mekanik 5 pousan (TiB plis TiC)/Ti-1100 materyèl konpoze. Nan 500-650 degre, materyèl la konpoze kòm-jete te ka zo kase frajil, ak materyèl la konpoze fòje te ka zo kase ductile, ak Fòs la ak elongasyon nan materyèl la konpoze apre Forge yo siyifikativman ogmante.
foto
a) SINTERING (fant matris la penetrasyon) b) SINTERING (fant entègranulè ak fant grenn)
foto
c) -forging d) (plis)-forging
Fig.9 Tensile ka zo kase SEM mòfoloji TiMMCs ranfòse pa patikil TiC
06
konklizyon
Akòz prezans nan faz ranfòse, TiMMCs montre diferan pwopriyete mekanik ak mekanis pwosesis soti nan alyaj tradisyonèl Titàn. Gade pi devan, pwosesis TiMMC yo pral devlope nan aspè sa yo.
(1) Amelyorasyon teknoloji pwosesis Teknoloji pwosesis TiMMC yo pral kontinyèlman amelyore pou amelyore efikasite pwodiksyon ak bon jan kalite pwodwi. Nouvo zouti koupe ak metòd pwosesis yo pral devlope pou diminye fòs koupe ak mete zouti, ak reyalize retire sinèrjetik nan eleman eterojèn TiMMCs.
(2) Konbinezon plizyè teknoloji pwosesis TiMMC yo gen plastisit tanperati chanm pòv, ak pwosesis konplè TiMMC yo lè l sèvi avèk divès metòd pwosesis tèmik tankou deformation superplastik wo-tanperati, fòje cho ak deformation extrusion cho ka maksimize potansyèl aplikasyon TiMMC nan divès kalite. jaden yo.
(3) Nouvo devlopman materyèl Avèk avansman syans ak teknoloji, nouvo TiMMC yo pral devlope ak pi gwo pèfòmans ak pi laj jaden aplikasyon. Pou egzanp, nano-TiMMCs, TiMMCs multifonksyonèl ak TiMMCs dirab wo-tanperati pral plis ankouraje devlopman TiMMCs.
(4) Dirab ak pwoteksyon anviwònman Dirabilite ak pwoteksyon anviwònman an pral tounen konsiderasyon kle lè w ap trete TiMMC yo. Devlopman nan metòd pwosesis plis zanmitay anviwònman an, resiklaj nan materyèl konpoze fatra ak rediksyon nan konsomasyon enèji yo pral direksyon nan lavni nan devlopman.
(5) TiMMCs aplikasyon pou plizyè jaden yo pral aplike nan plis jaden. Anplis endistri ayewospasyal ak otomobil ki egziste deja, domèn medikal, enèji ak konstriksyon yo pral kontinye eksplore potansyèl aplikasyon TiMMC yo tou.
