El estado de investigación y el progreso de la tecnología de procesamiento de compuestos de matriz de titanio (TiMMC) se revisaron desde los aspectos del procesamiento mecánico tradicional, el procesamiento de campo de energía compuesto, el procesamiento de forja y la fabricación aditiva. Características de los TiMMC procesados por diferentes técnicas de procesamiento. Apuntando a los principales problemas de la investigación actual, se pronostica la tendencia de desarrollo de la tecnología de procesamiento TiMMCs en el futuro.
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Ingeniero sénior de nivel investigador Wang Guangping
01
preámbulo
El titanio y sus aleaciones se utilizan ampliamente en los campos aeroespacial, petroquímico, marino y médico debido a sus excelentes propiedades, como alta resistencia específica, excelente resistencia a la corrosión química y buena biocompatibilidad [1-4]. Sin embargo, el módulo de Young, la resistencia al desgaste y la resistencia al calor de las aleaciones de titanio son más bajos que los del acero y las aleaciones a base de níquel, lo que limita sus aplicaciones en los campos aeroespacial y automotriz [5-8]. La aparición de los composites de matriz de titanio (TiMMC) ofrece una nueva alternativa para superar los problemas anteriores. TiMMCs es un material compuesto compuesto por titanio y sus aleaciones como matriz y cerámica (partículas, bigotes, fibras cortas y fibras largas continuas) como fase de refuerzo (ver Figura 1).
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a) Compuestos continuos de matriz de titanio reforzados con fibras largas
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b) Compuestos a base de titanio reforzados con partículas c) Compuestos a base de titanio reforzados con fibra corta/whisky
Figura 1 Diagrama esquemático de TiMMC con diferentes tipos de fases de refuerzo
Mientras mantienen las excelentes propiedades de la matriz, los TiMMC también pueden obtener propiedades integrales que no se pueden lograr con una sola fase o matriz de refuerzo a través de la complementariedad y la correlación de las propiedades de la fibra y la matriz. Por ejemplo, el límite elástico del compuesto (TiC más Ti5Si3)/Ti preparado por HUO et al. [9] es tan alto como 829MPa, que es 178 por ciento más alto que el del titanio puro, mientras mantiene un alto alargamiento de 8.1 por ciento y tiene una alta resistencia y una plasticidad media. En comparación con los compuestos laminados de TiC/Ti, la resistencia y la ductilidad de los TiMMC se mejoran simultáneamente, lo que da como resultado un excelente rendimiento sinérgico de resistencia y ductilidad. El alto módulo específico de TiMMC es el factor principal para promover su amplia aplicación en el fuselaje de aeronaves, mientras que la alta resistencia específica es la fuerza impulsora para promover su aplicación en la industria de motores [10]. Por ejemplo, Estados Unidos tomó la delantera en el uso de compuestos a base de titanio reforzados con partículas para fabricar piezas de motores aeronáuticos. Las palas de rotor compuestas a base de titanio reforzadas con partículas desarrolladas por los Estados Unidos se han aplicado con éxito, lo que no solo mejora el rendimiento de las palas de rotor, sino que también reduce la aviación. El costo de fabricación del motor se redujo hasta $60,000 [11]. La Boeing Aircraft Company de los Estados Unidos ha desarrollado una biela del tren de aterrizaje de aeronaves compuesta a base de titanio y reforzada con partículas, que no solo tiene un aumento significativo en la temperatura de servicio, sino que también reduce la masa en casi un 40 por ciento en comparación con antes de la mejora. , y se ha aplicado con éxito en el avión Boeing 787[12] . El Atlantic Research Center de los Estados Unidos desarrolló con éxito un material compuesto a base de titanio reforzado con partículas para trenes de aterrizaje de helicópteros, y se ha aplicado con éxito. En comparación con los materiales tradicionales, el peso se reduce considerablemente [13]. El Centro de Investigación Aeronáutica Francés y la compañía británica Rolls-Royce utilizaron compuestos de matriz de titanio reforzados con partículas para preparar palas de motores aeronáuticos y lograron el éxito [14, 15]. En el campo de la automoción, los requisitos para estructuras ligeras aumentan constantemente, lo que promueve en gran medida la aplicación de TiMMC. Toyota Corporation de Japón utilizó por primera vez materiales compuestos BTi/Ti para válvulas de escape de automóviles, válvulas de escape de motores de automóviles y otras piezas, válvulas de motores, etc. [dieciséis]. Al mismo tiempo, países como Europa y los Estados Unidos también han comenzado a utilizar materiales compuestos a base de titanio reforzados con partículas para reemplazar los materiales de acero tradicionales para fabricar las partes principales de los automóviles, a fin de reducir el peso de los automóviles y mejorar aún más la rendimiento de los automóviles [17]. El rango de aplicación de TiMMC se muestra en la Figura 2.
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Figura 2 Rango de aplicación de TiMMC
Debido a la complejidad de la composición del material, TiMMC es mucho más difícil de procesar que los materiales de ingeniería convencionales y es un nuevo tipo de material difícil de procesar. Mientras tanto, aunque los TiMMC que contienen refuerzos distribuidos uniformemente o refuerzos discontinuos generalmente exhiben una mayor resistencia, la ductilidad y la tenacidad en relación con la matriz pura se ven inevitablemente comprometidas [18]. Por ejemplo, incluso con TiC y Ti5Si3 in situ, los datos de tracción muestran que el alargamiento a la rotura cae bruscamente del 17,2 % al 1,53 % cuando el incremento del límite elástico del material compuesto alcanza los 410 MPa, lo que impone mayores requisitos a la tecnología de procesamiento [19 ]. Por lo tanto, cómo lograr un procesamiento de TiMMC de alta eficiencia y bajo daño se ha convertido en un punto crítico de investigación en el campo del procesamiento de materiales compuestos.
Los métodos de procesamiento comunes de TiMMC incluyen el mecanizado, la forja, la fundición y la fabricación aditiva [20]. El mecanizado se basa en la fuerza mecánica para cambiar la forma de los materiales, lo que puede llevar a cabo de manera eficiente la producción en masa y el procesamiento por lotes. Es uno de los métodos de procesamiento en frío más utilizados. Puede lograr dimensiones de alta precisión y requisitos de calidad de la superficie, y es adecuado para varios tipos de materiales, incluidos los materiales compuestos. procesamiento de materiales Las operaciones de maquinado comunes incluyen corte, taladrado, fresado y esmerilado. La forja, la fundición y la fabricación aditiva son procesos típicos de procesamiento térmico que pueden mejorar las propiedades mecánicas y la estructura de los materiales compuestos [21]. Además, al elegir una tecnología de procesamiento adecuada para procesar TiMMC, es necesario considerar exhaustivamente las diferentes características de cada componente en el material compuesto, así como el desgaste y la expansión térmica entre el material compuesto y la herramienta de procesamiento, a fin de obtener piezas TiMMCs con excelente desempeño.
En este documento, se revisa la tecnología de procesamiento actual de TiMMC y se pronostica el procesamiento de TiMMC en el futuro, con el fin de proporcionar soporte teórico para la aplicación de alto rendimiento de TiMMC.
02
Mecanizado
Debido a las limitaciones de la tecnología de preparación de TiMMC, el mecanizado sigue siendo un proceso indispensable en la fabricación de TiMMC. En comparación con el material de la matriz, el refuerzo tiene mayor dureza, mayor resistencia y un procesamiento más difícil, y habrá problemas como la fragmentación de la fase de refuerzo, la extracción y la desunión durante el procesamiento. El proceso de corte de TiMMC se ha estudiado exhaustivamente en términos de optimización y otros aspectos.
2.1 Mecanizado
Teniendo como objetivo la falta de una investigación sistemática sobre el rendimiento de corte, como el mecanismo de desgaste de la herramienta, la fuerza de corte y los cambios de temperatura de corte en el proceso de corte de TiMMC, Bian Weiliang [22] llevó a cabo una investigación sobre el rendimiento de diferentes herramientas de torneado (TiCp más TiB w) /TC4. El diamante monocristalino y el carburo cementado se utilizan en el procesamiento de materiales. Bajo las mismas condiciones de corte, la vida útil de la herramienta PCD es más larga. Cuando la herramienta de diamante monocristalino corta TiMMC, el desgaste de la herramienta proviene principalmente del raspado repetido de la mejora de alta dureza en relación con la herramienta. Al cortar la aleación TC4 sola, la aleación de titanio se une a la herramienta y el desgaste causado por la difusión de los elementos del material de procesamiento a la herramienta es más significativo. Al mecanizar TiMMC con herramientas de carburo cementado, la difusión y la unión del material de la pieza de trabajo también son evidentes.
Con el fin de explorar más a fondo la influencia de los parámetros de corte y los métodos de lubricación en las características de mecanizado, NIKNAM et al. [23] llevaron a cabo experimentos de torneado en seco y semiseco en compuestos de matriz de titanio reforzados con partículas (PTMC) y analizaron la fuerza de corte bajo diferentes parámetros de corte. , rugosidad superficial y comportamiento de remoción de partículas. Los resultados muestran que la fuerza de corte es mayor en condiciones semisecas y se producirá una película de lubricante que dificulta el avance suave del corte.
DUONG et al. [24] estudió el comportamiento de desgaste inicial de la herramienta durante el torneado de TiMMC y descubrió que el desgaste es el mecanismo más importante en el corte de TiMMC, y se encontró difusión y adhesión en todas las condiciones. Y se encontró una nueva forma de desgaste de una capa fina y dura en el proceso de mecanizado, que en este caso conduciría a un desgaste por difusión y un tumor mecánico. A diferencia de los PTMC, los compuestos de matriz de titanio reforzados con fibra continua tienen una anisotropía única debido a la continuidad de las fibras. Con el fin de aclarar el mecanismo de corte de los compuestos de matriz de titanio reforzados con fibra continua, ZAN [25] et al. La prueba de corte ortogonal SiCf/Ti-6Al-4V obtuvo el comportamiento de formación de virutas y el mecanismo de deformación del material compuesto a baja temperatura, temperatura ambiente y alta temperatura, y encontró que en comparación con la formación de banda de corte adiabático durante el proceso de corte de aleación de titanio, SiCf/Ti El ancho del diente de sierra -6Al-4V es mayor. La Figura 3 es un diagrama esquemático del corte de capas alternas de SiCf/Ti-6Al-4V a diferentes temperaturas.
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a) Criogénico (CT)
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b) Temperatura ambiente (RT)
Fig. 3 Diagrama de corte de capas alternas de compuestos de matriz de titanio reforzados con fibra a diferentes temperaturas
2.2 Molienda
El rectificado se basa en muchos granos abrasivos en la superficie de la muela abrasiva para cortar simultáneamente la pieza de trabajo y eliminar el material, lo cual es adecuado para el mecanizado de materiales de precisión y ultraprecisión. DING et al. [26, 27] establecieron un modelo tridimensional de elementos finitos del proceso de molienda para comprender el comportamiento de remoción de material de TiCp/Ti-6Al-4V durante la molienda convencional y la molienda de alta velocidad. y con base en el modelo de elementos finitos, discutió el comportamiento de remoción de material. El comportamiento de remoción y el efecto de la velocidad de esmerilado en la formación de características superficiales maquinadas (ver Figura 4). Los resultados muestran que el comportamiento de remoción de material durante la molienda de TiCp/Ti-6Al-4V se puede dividir en remoción dúctil de material de matriz metálica y remoción frágil de partículas reforzadas con TiC. Del mismo modo, LIU et al. [28] concluyó que la eliminación de material en la molienda de alta velocidad de PTMC se puede dividir en cuatro etapas: eliminación de plástico de la matriz de aleación, inicio de grietas en partículas mejoradas, propagación de grietas en partículas mejoradas y falla frágil de partículas mejoradas. En comparación con la velocidad de rectificado, el grosor de la viruta sin deformar tiene una mayor influencia en la formación de defectos en la superficie mecanizada. Sobre esta base, LI et al. [29, 30] estudiaron el rendimiento de rectificado de muelas abrasivas CBN galvanizadas de una sola capa y muelas abrasivas CBN soldadas para PTMC (consulte la Figura 5). Los resultados mostraron que la muela abrasiva CBN soldada de una sola capa es más adecuada que la muela abrasiva electrochapada para el rectificado de alta velocidad de PTMC. Liu Chaojie et al. [31] analizó el modelo de fuerza de molienda del rectificado lateral de PTMC por medio de simulación. Al retirar la matriz, la fluctuación de la fuerza de molienda es regular. Al retirar las partículas reforzadas con TiC, aparecerán grietas y se expandirán en la superficie del material. También se eliminan virutas masivas en la superficie, y la fluctuación de la fuerza de molienda en el área donde se eliminan las partículas reforzadas es grande. Además, las fuerzas de rectificado normal y tangencial aumentan con el aumento del grosor de la viruta abrasiva única.
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a) Simulación de PTMCs de rectificado ordinario
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b) Resultados de las pruebas de PTMC de rectificado ordinario
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c) Simulación de PTMC de rectificado de alta velocidad
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d) Resultados experimentales de la molienda a alta velocidad de PTMC
Fig. 4 Simulación y resultados de prueba del comportamiento de eliminación de PTMC a diferentes velocidades
(vs=3m/min, ap=0.010mm)
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a) Rectificado con muela abrasiva galvánica de CBN
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b) Rectificado con muela CBN soldada
Figura 5 Comparación de muela abrasiva de CBN electrochapada y muela abrasiva de CBN soldada para rectificar PTMC
03
Procesamiento de campos de energía compuesta
El rectificado asistido por vibración ultrasónica es una tecnología de procesamiento compuesto que introduce la vibración ultrasónica en la tecnología de rectificado tradicional para reducir la temperatura de corte y mejorar la calidad del rectificado. En el mecanizado asistido por vibración ultrasónica, el estado de contacto entre la herramienta y la pieza de trabajo cambia debido a la vibración de alta frecuencia, y la herramienta y la pieza de trabajo están en contacto intermitente, acompañado de efectos de cavitación e impactos de alta frecuencia, de modo que el contacto entre la pieza de trabajo y la herramienta La fuerza de fricción se reduce, lo que reduce el calor de corte y la fuerza de corte, y puede aumentar la vida útil de la herramienta y mejorar la calidad del procesamiento. La tecnología de mecanizado asistido por vibración ultrasónica se ha utilizado ampliamente en materiales difíciles de mecanizar, como aleaciones a base de níquel, TiMMC y compuestos de matriz cerámica.
WU et al. [32] llevó a cabo una prueba de rectificado asistido por vibración ultrasónica axial en PTMC y descubrió que bajo la acción del ultrasonido, la trayectoria de corte de los granos abrasivos aumenta y los granos abrasivos presionan repetidamente la superficie de la pieza de trabajo para reducir la rugosidad de la superficie. valor. YUE et al. [33] llevó a cabo la prueba de molienda asistida por vibración ultrasónica del grano abrasivo único de PTMC, comparó la influencia de la molienda ordinaria y la molienda ultrasónica en la tasa de eliminación de material a diferentes velocidades de molienda y diferentes velocidades de avance, y estableció el modelo de espesor de corte ultrasónico de un un solo grano abrasivo bajo la acción muestra que es más probable que la vibración ultrasónica provoque microroturas de los granos abrasivos, lo que puede actualizar continuamente el estado del filo y mantener la nitidez de los granos abrasivos en todo momento. ZHAO et al. [34] utilizó una plataforma de vibración radial de fabricación propia (consulte la Figura 6) para realizar una prueba de molienda asistida por vibración ultrasónica en PTMC y la comparó con la prueba de molienda ordinaria. En comparación con la molienda ordinaria, la molienda asistida por vibración ultrasónica puede reducir la temperatura de molienda entre un 24,2 % y un 51,8 % y, al mismo tiempo, la tasa de eliminación de material puede aumentarse 2,8 veces.
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Figura 6 Plataforma ultrasónica de vibración radial y dispositivo de medición de vibración
BEIJANI et al. [35] utilizó el mecanizado asistido por láser (LAM) para procesar TiMMC por primera vez sobre la base del torneado tradicional (consulte la Figura 7). Los resultados muestran que, en comparación con el mecanizado convencional, aunque el valor de la rugosidad de la superficie de la pieza de trabajo aumenta en un 15 %, el volumen de corte total de la herramienta LAM aumenta en un 180 % y la vida útil de la herramienta mejora efectivamente, lo que se atribuye a la transferencia de partículas en la matriz en lugar de fracturarse.
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a) Diagrama esquemático
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b) Dispositivo real
Figura 7 Dispositivo de prueba de procesamiento asistido por láser
04
Procesamiento de fabricación aditiva
La tecnología de fabricación aditiva por láser puede fabricar directamente piezas estructurales complejas, lo que muestra grandes perspectivas de aplicación en la fabricación de TiMMC. BANERJEE et al. [36] procesó con éxito compuestos TiB/TC4 utilizando la tecnología de procesamiento de estereoformación por láser (LENSTM), y utilizó microscopía electrónica de barrido y microscopía electrónica de transmisión para caracterizar en detalle la microestructura de los compuestos depositados. Los resultados mostraron que el método preparado La microestructura compuesta TiB/TC4 se refina significativamente y es termodinámicamente estable. Del mismo modo, GU et al. [37] utilizaron fusión selectiva por láser (SLM) para procesar el polvo compuesto de TiC/Ti preparado y obtuvieron compuestos de matriz de TiAl3 (fase principal) y Ti3AlC2 (fase secundaria) reforzados con partículas de TiC. A pesar del ligero crecimiento del grano en relación con el polvo molido, el compuesto tratado con SLM todavía exhibe una microestructura fina. [38] utilizaron tecnología de procesamiento láser de deposición directa de metal (DMD) para preparar PTMC que contenían diferentes fracciones de volumen (TiB más TiC) a partir de materias primas en polvo compuestas de prealeación (Ti-6Al-4V más B4C ) mezclas de polvo. Los estudios mecánicos han demostrado que a 20-600 grados, la dureza Vickers de los TiMMC reforzados con partículas que contienen B4C aumenta un 10 por ciento -15 por ciento, y el módulo de Young aumenta un 10 por ciento. La preparación de TiMMC por tecnología de procesamiento láser DMD se muestra en la Figura 8.
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Fig. 8 Diagrama esquemático de TiMMC preparados por tecnología de procesamiento láser DMD
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Forjar
La forja puede eliminar los defectos sueltos de los materiales durante el proceso de fundición, refinar efectivamente la microestructura y obtener piezas forjadas de alta calidad que coincidan con la estructura y el rendimiento.
Académicos extranjeros relevantes han estudiado el efecto de la forja en caliente en la microestructura y las propiedades de tracción de los compuestos de matriz Ti-TiB. Los estudios han demostrado que el alargamiento a temperatura ambiente de los compuestos forjados de Ti-13.3B y Ti-7B alcanza el 6,1 por ciento y el 5,2 por ciento, respectivamente, y las propiedades del material mejoran de manera efectiva. El erudito nacional Hu Jiarui et al. [39] forjaron PTMC de TiC sinterizado generado in situ, y se eliminaron los defectos estructurales de los PTMC después de la forja, se produjo una recristalización dinámica y se mejoraron las propiedades mecánicas a temperatura ambiente. La morfología SEM de fractura por tracción de los TiMMC reforzados con partículas de TiC se muestra en la Fig. 9. Al mismo tiempo, debido a la estructura de matriz mejorada, se mejora la resistencia al desgaste de los PTMC después de la forja. mismo
[40] compararon y analizaron las propiedades mecánicas de materiales compuestos al 5 % (TiB más TiC)/Ti-1100. A 500-650 grados, el material compuesto fundido era una fractura frágil y el material compuesto forjado era una fractura dúctil, y la resistencia y el alargamiento del material compuesto después de la forja aumentan significativamente.
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a) Sinterización (grietas de penetración de la matriz) b) Sinterización (grietas intergranulares y grietas granulares)
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c) -forja d) ( más ) -forja
Fig. 9 Morfología SEM de fractura por tracción de TiMMC reforzadas con partículas de TiC
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conclusión
Debido a la presencia de fases de refuerzo, los TiMMC presentan propiedades mecánicas y mecanismos de procesamiento diferentes de las aleaciones de titanio tradicionales. De cara al futuro, el procesamiento de TiMMC se desarrollará en los siguientes aspectos.
(1) Mejora de la tecnología de procesamiento La tecnología de procesamiento de TiMMC se mejorará continuamente para mejorar la eficiencia de producción y la calidad del producto. Se desarrollarán nuevas herramientas de corte y métodos de procesamiento para reducir las fuerzas de corte y el desgaste de las herramientas, y para realizar la eliminación sinérgica de los componentes heterogéneos de TiMMC.
(2) Combinación de múltiples tecnologías de procesamiento Los TiMMC tienen poca plasticidad a temperatura ambiente, y el procesamiento integral de los TiMMC mediante el uso de varios métodos de procesamiento térmico, como la deformación superplástica a alta temperatura, la forja en caliente y la deformación por extrusión en caliente, puede maximizar el potencial de aplicación de los TiMMC en varios campos.
(3) Desarrollo de nuevos materiales Con el avance de la ciencia y la tecnología, se desarrollarán nuevos TiMMC con mayor rendimiento y campos de aplicación más amplios. Por ejemplo, los nano-TiMMC, los TiMMC multifuncionales y los TiMMC duraderos a alta temperatura promoverán aún más el desarrollo de los TiMMC.
(4) Sostenibilidad y protección del medio ambiente La sostenibilidad y la protección del medio ambiente se convertirán en consideraciones clave al procesar los TiMMC. El desarrollo de métodos de procesamiento más respetuosos con el medio ambiente, el reciclaje de materiales compuestos de desecho y la reducción del consumo de energía serán la dirección futura del desarrollo.
(5) Los TiMMC de aplicación multicampo se aplicarán en más campos. Además de las industrias aeroespacial y automotriz existentes, los campos de la medicina, la energía y la construcción también continuarán explorando el potencial de aplicación de los TiMMC.
