チタンマトリックス複合材料(TiMMC)の加工技術の研究状況と進歩を、従来の機械加工、複合エネルギー場加工、鍛造加工および積層造形の側面からレビューした。 さまざまな加工技術で加工された TiMMC の特性。 現在の研究の主な問題点を目指して,将来のTiMMCs加工技術の開発動向を展望した。
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研究者レベルの上級エンジニア 王光平
01
前文
チタンとその合金は、高い比強度、優れた耐化学腐食性、優れた生体適合性などの優れた特性により、航空宇宙、石油化学、海洋、医療分野で広く使用されています[1-4]。 ただし、チタン合金のヤング率、耐摩耗性、耐熱性は鋼やニッケル基合金よりも低いため、自動車および航空宇宙分野でのさらなる用途は制限されています[5-8]。 チタン基複合材料 (TiMMC) の出現により、上記の問題を克服するための新しい代替手段が提供されます。 TiMMC は、マトリックスとしてチタンおよびその合金、強化相としてセラミックス (粒子、ウィスカー、短繊維および連続長繊維) で構成される複合材料です (図 1 を参照)。
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a) 連続長繊維強化チタンマトリックス複合材料
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b) 粒子強化チタン基複合材 c) ウィスカー/短繊維強化チタン基複合材
図 1 さまざまな種類の強化相を持つ TiMMC の概略図
TiMMC は、マトリックスの優れた特性を維持しながら、繊維とマトリックスの特性の相補性と相関性により、単一の強化相やマトリックスでは達成できない包括的な特性を得ることができます。 たとえば、HUO らによって調製された (TiC プラス Ti5Si3)/Ti 複合材料の降伏強度は次のようになります。 [9] は純チタンよりも 178% 高い 829MPa もの高さを持ち、同時に 8.1% の高い伸びを維持し、高い強度と中程度の塑性を備えています。 積層された TiC/Ti 複合材料と比較して、TiMMC の強度と延性は同時に強化され、その結果、優れた強度と延性の相乗効果が得られます。 TiMMC の高い比弾性率は航空機の胴体への幅広い応用を促進する主な要因であり、一方、高い比強度はエンジン産業での応用を促進する原動力です [10]。 たとえば、米国は、航空機エンジン部品の製造に粒子強化チタンベース複合材の使用を先導しました。 米国が開発した粒子強化チタンベース複合ローターブレードの適用に成功し、ローターブレードの性能を向上させるだけでなく、航空事故の低減にも貢献した。 エンジンの製造コストは 60 ドルも下がりました。000 [11]。 米国のボーイング・エアクラフト・カンパニーは、粒子強化チタンベースの複合航空機用着陸装置コンロッドを開発しました。これにより、使用温度が大幅に上昇しただけでなく、改良前と比較して質量が40パーセント近く減少しました。 、ボーイング787型機への適用に成功している [12] 。 米国の大西洋研究センターは、ヘリコプターの着陸装置用に粒子強化チタン基複合材料の開発に成功し、応用されることに成功した。 従来の材料と比較して、重量が大幅に軽減されます [13]。 フランス航空研究センターと英国ロールスロイス社は、粒子強化チタンマトリックス複合材料を使用して航空エンジンブレードを製造し、成功を収めました[14、15]。 自動車分野では、軽量構造に対する要件が常に高まっており、TiMMC の適用が大幅に促進されています。 日本のトヨタ株式会社は、自動車の排気バルブ、自動車のエンジンの排気バルブおよびその他の部品、エンジンバルブなどにBTi/Ti複合材料を初めて使用しました。総質量は40％近く削減され、高寿命と低コストの利点があります。 [16]。 同時に、ヨーロッパやアメリカなどの国々でも、自動車の軽量化とさらなる性能向上を目的として、自動車の主要部品の製造に従来の鋼材に代わる粒子強化チタン基複合材料の使用が始まっています。自動車の性能[17]。 TiMMC の適用範囲を図 2 に示します。
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図2 TiMMCの適用範囲
TiMMC は材料組成が複雑なため、従来のエンジニアリング材料に比べて加工がはるかに難しく、新しいタイプの難加工材料です。 一方、均一に分布した強化材または不連続な強化材を含む TiMMC は一般に高い強度を示しますが、純粋なマトリックスと比較した延性と靭性は必然的に損なわれます [18]。 たとえば、現場での TiC と Ti5Si3 を使用した場合でも、引張データは、複合材料の降伏強度の増分が 410MPa に達すると、破断点伸びが 17.2 パーセントから 1.53 パーセントに急激に低下することを示しており、これにより加工技術に対する要求が高くなります [19] ]。 したがって、TiMMC の高効率かつ低損傷の加工をどのように達成するかが、複合材料加工の分野における研究のホットスポットとなっています。
TiMMC の一般的な加工方法には、機械加工、鍛造、鋳造、積層造形などがあります [20]。 機械加工は機械の力を利用して材料の形状を変化させるため、大量生産やバッチ処理を効率よく行うことができます。 最も一般的に使用される冷間加工法の 1 つです。 高精度な寸法と表面品質の要求を達成でき、複合材料を含むさまざまな種類の材料に適しています。 素材の加工。 一般的な機械加工操作には、切断、穴あけ、フライス加工、研削が含まれます。 鍛造、鋳造、および積層造形は、複合材料の機械的特性と構造を改善できる典型的な熱処理プロセスです [21]。 さらに、TiMMC を加工するための適切な加工技術を選択する際には、複合材料の各成分の異なる特性、および複合材料と加工ツールの間の磨耗や熱膨張を総合的に考慮する必要があります。優れた性能を備えた TiMMC 部品を入手できます。
この論文では、TiMMC の高性能アプリケーションの理論的サポートを提供するために、TiMMC の現在の処理技術をレビューし、将来の TiMMC の処理を展望します。
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機械加工
TiMMC の製造技術には限界があるため、TiMMC の製造には依然として機械加工が不可欠なプロセスです。 強化材はマトリックス材に比べて高硬度、高強度で加工が難しく、加工時の強化材相の断片化、引き抜け、剥離などが問題となります。 TiMMC の切断プロセスは、最適化などの観点から包括的に研究されています。
2.1 機械加工
TiMMC の切削プロセスにおける工具摩耗メカニズム、切削力、切削温度変化などの切削性能に関する体系的な研究が不足していることを目的として、Bian Weiliang [22] は、さまざまな工具旋削加工 (TiCp と TiB w) の性能に関する研究を実施しました。 /TC4. 材料加工には単結晶ダイヤモンドや超硬合金が使用されます。 同じ切削条件であれば、PCD 工具の寿命は長くなります。 単結晶ダイヤモンド工具で TiMMC を切削する場合、工具の摩耗は主に、工具に対する高硬度の強化部分の繰り返しの削りによって発生します。 TC4合金を単独で切削する場合、チタン合金が工具に結合するため、加工材料元素の工具への拡散による摩耗がより顕著になります。 超硬工具を使用して TiMMC を加工する場合、ワーク材料の拡散と結合も明らかです。
切削パラメータと潤滑方法が加工特性に及ぼす影響をさらに調査するために、NIKNAM et al. [23] は、粒子強化チタンマトリックス複合材料 (PTMC) に対して乾式および半乾式旋削実験を実施し、さまざまな切削パラメータの下で切削抵抗を分析しました。 、表面粗さおよび粒子除去挙動。 その結果、セミドライ状態では切削抵抗が大きくなり、潤滑油膜が形成され、切削がスムーズに進まないことが分かりました。
ズオンら。 [24]は、TiMMC の旋削加工中の初期の工具摩耗挙動を研究し、摩耗が TiMMC の切削における最も重要なメカニズムであり、すべての条件下で拡散と付着が見られることを発見しました。 そして、機械加工の過程で硬い薄層の新しい摩耗形態が発見され、この場合、拡散摩耗と機械的腫瘍を引き起こす可能性があります。 PTMC とは異なり、連続繊維強化チタンマトリックス複合材料は、繊維の連続性により独特の異方性を持っています。 連続繊維強化チタンマトリックス複合材料の切断機構を解明するために、ZAN[25]らは、 SiCf/Ti-6Al-4V直交切削試験により、低温、室温、高温における複合材料の切りくず生成挙動と変形機構が得られ、チタン合金、SiCf/Ti の切断プロセス中の断熱せん断帯 -6Al-4V のこぎり歯の幅は大きくなります。 図3は、異なる温度で切断したSiCf/Ti-6Al-4V交互層の概略図です。
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a) 極低温(CT)
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b) 室温 (RT)
図3 異なる温度における繊維強化チタンマトリックス複合材料の交互層の切断図
2.2 研削
研削は、砥石の表面にある多数の砥粒を利用してワークを切断し、同時に材料を除去するもので、材料の精密加工や超精密加工に適しています。 ディンら。 [26, 27] は、従来の研削および高速研削中の TiCp/Ti-6Al-4V の材料除去挙動を理解するために、研削プロセスの 3 次元有限要素モデルを確立しました。有限要素モデルに基づいて、材料の除去挙動について説明しました。 除去挙動と、機械加工された表面フィーチャの形成に対する研削速度の影響 (図 4 を参照)。 結果は、TiCp/Ti-6Al-4V の研削中の材料除去挙動が金属マトリックス材料の延性除去と TiC 強化粒子の脆性除去に分けられることを示しています。 同様に、LIU ら。 [28] は、PTMC の高速粉砕における材料除去は、合金マトリックスの塑性除去、強化粒子の亀裂の発生、強化粒子の亀裂の伝播、強化粒子の脆性破壊の 4 つの段階に分けられると結論付けています。 加工面欠陥の形成には、研削速度に比べて変形前の切りくず厚さが大きく影響します。 これに基づいて、LI et al. [29, 30] は、PTMC 用の単層電気めっき CBN 砥石およびろう付け CBN 砥石の研削性能を研究しました (図 5 を参照)。 結果は、PTMC の高速研削には、電気めっき砥石よりも単層ろう付け CBN 砥石の方が適していることを示しました。 劉超傑ら。 [31] は、シミュレーションによって PTMC の側面研削の研削力モデルを解析しました。 マトリックスを除去する際、研削力の変動は規則的です。 TiC強化粒子を除去すると、材料表面に亀裂が発生し、亀裂が拡大します。 また、表面には大量の切りくずが除去されており、強化粒子が除去された領域の研削力の変動は大きくなります。 さらに、垂直研削力と接線方向研削力は両方とも、単一砥粒の厚さが増加するにつれて増加します。
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a) 普通研削PTMCシミュレーション
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b) 通常の粉砕PTMCの試験結果
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c) 高速研削 PTMC のシミュレーション
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d) PTMC の高速粉砕の実験結果
図 4 異なる速度での PTMC 除去挙動のシミュレーションとテスト結果
(対=3m/分、ap=0.010mm)
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a) 電着CBN砥石による研削
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b) ロウ付CBN砥石による研削
図5 PTMC研削用電着CBN砥石とロウ付けCBN砥石の比較
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複合エネルギー場処理
超音波振動補助研削は、従来の研削技術に超音波振動を導入し、切削温度を下げ、研削品質を向上させる複合加工技術です。 超音波振動補助加工では、高周波振動により工具とワークの接触状態が変化し、キャビテーション効果や高周波衝撃を伴って工具とワークが断続的に接触するため、工具とワークの接触は良好になります。ワークと工具の摩擦力が低減され、切削熱と切削抵抗が低減され、工具寿命の延長と加工品質の向上が図れます。 超音波振動支援加工技術は、ニッケル基合金、TiMMC、セラミックマトリックス複合材などの加工が難しい材料に広く使用されています。
WUら。 [32] は、PTMC に対してアキシャル超音波振動補助研削試験を実施し、超音波の作用下で砥粒の切削軌道が増加し、砥粒がワークピースの表面を繰り返し押して表面粗さを減少させることを発見しました。価値。 YUEら [33] PTMC 単一砥粒の超音波振動支援研削試験を実施し、異なる研削速度と異なる送り速度での材料除去率に対する通常研削と超音波研削の影響を比較し、超音波切削厚さモデルを確立しました。単一の砥粒を作用させると、超音波振動により砥粒の微細な破壊が起こりやすくなり、切れ刃の状態が継続的に更新され、砥粒の切れ味が常に維持されることがわかります。 趙ら。 [34] は、自作のラジアル振動プラットフォーム (図 6 を参照) を使用して PTMC の超音波振動補助研削試験を実施し、それを通常の研削試験と比較しました。 通常の研削と比較して、超音波振動補助研削は研削温度を24.2パーセントから51.8パーセントまで下げることができ、同時に材料の除去率を2.8倍高めることができます。
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図6 ラジアル振動超音波プラットフォームと振動測定装置
ベイジャニら。 [35] は、レーザー支援加工 (LAM) を使用して、従来の旋削加工に基づいて TiMMC を初めて加工しました (図 7 を参照)。 結果は、従来の加工と比較して、ワークピースの表面粗さ値が 15% 増加しているにもかかわらず、LAM 工具の総切削容積が 180% 増加し、工具寿命が効果的に向上していることを示しています。破壊ではなく、マトリックス内の粒子。
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a) 概略図
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b) 実機
図7 レーザー支援加工試験装置
04
積層造形加工
レーザー積層造形技術は複雑な構造部品を直接製造できるため、TiMMC の製造に大きな応用の可能性を示しています。 バナジーら [36] は、レーザー立体形成加工技術 (LENSTM) を使用して TiB/TC4 複合材料を加工することに成功し、走査型電子顕微鏡と透過型電子顕微鏡を使用して、堆積したままの複合材料の微細構造を詳細に特徴付けました。 結果は、調製された方法がTiB/TC4複合微細構造を大幅に微細化し、熱力学的に安定であることを示した。 同様に、GU ら。 [37] は、選択的レーザー溶解 (SLM) を使用して、調製した TiC/Ti 複合粉末を処理し、TiC 粒子強化 TiAl3 (主相) および Ti3AlC2 (二次相) マトリックス複合材料を得ました。 粉砕された粉末と比較してわずかな粒子成長にもかかわらず、SLM 処理された複合材料は依然として微細な微細構造を示します。 [38] は、直接金属堆積 (DMD) レーザー加工技術を使用して、プレ合金 (Ti-6Al-4V プラス B4C) で構成される粉末原料から、さまざまな体積分率 (TiB プラス TiC) を含む PTMC を調製しました。 ）粉末混合物。 機械的研究によると、20-600 度で、B4C を含む粒子強化 TiMMC のビッカース硬度は 10% -15 パーセント増加し、ヤング率は 10% 増加します。 DMD レーザー加工技術による TiMMC の作製を図 8 に示します。
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図8 DMDレーザー加工技術により作製したTiMMCの模式図
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鍛造
鍛造は、製錬プロセス中に材料のルーズ欠陥を除去し、微細組織を効果的に微細化し、組織と性能に適合した高品質の鍛造品を得ることができます。
関連する外国の学者は、Ti-TiB マトリックス複合材料の微細構造と引張特性に対する熱間鍛造の影響を研究しています。 研究によると、鍛造された Ti-13.3B および Ti-7B 複合材料の室温伸びはそれぞれ 6.1 パーセントと 5.2 パーセントに達し、材料特性が効果的に改善されることが示されています。 国内学者の胡佳瑞氏ら。 [39] その場で生成された焼結 TiC の鍛造 PTMC は、鍛造後の PTMC の構造欠陥が除去され、動的再結晶が起こり、室温での機械的特性が改善されました。 TiC 粒子強化 TiMMC の引張破壊 SEM 形態を図 9 に示します。同時に、マトリックス構造の改善により、鍛造後の PTMC の耐摩耗性が向上します。 同じ
[40] は、5 パーセント (TiB と TiC)/Ti-1100 複合材料の機械的特性を比較および分析しました。 500-650 度では、鋳放し複合材料は脆性破壊であり、鍛造複合材料は延性破壊であり、鍛造後の複合材料の強度と伸びは大幅に増加します。
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a) 焼結（母材貫通亀裂） b) 焼結（粒界亀裂および粒子亀裂）
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c) -鍛造 d) (プラス)-鍛造
図9 TiC粒子で強化されたTiMMCの引張破壊SEM形態
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結論
強化相の存在により、TiMMC は従来のチタン合金とは異なる機械的特性と加工メカニズムを示します。 今後、TiMMC の処理は次のような側面で発展すると考えられます。
(1) 加工技術の向上 TiMMC の加工技術は継続的に改善され、生産効率と製品品質の向上が図られます。 切削抵抗と工具摩耗を低減し、TiMMC の異種成分の相乗的除去を実現するための、新しい切削工具と加工方法が開発されます。
(2) 複数の加工技術の組み合わせ TiMMC は室温での塑性が低いため、高温超塑性変形、熱間鍛造、熱間押出変形などのさまざまな熱加工法を使用して TiMMC を総合的に加工することで、さまざまな分野での TiMMC の応用可能性を最大限に高めることができます。田畑。
(3) 新材料の開発 科学技術の進歩に伴い、より高性能で応用分野の広い新しい TiMMC が開発されます。 例えば、ナノ TiMMC、多機能 TiMMC、高温耐久性 TiMMC など、TiMMC の開発はさらに促進されるでしょう。
(4) 持続可能性と環境保護 TiMMC を加工する際には、持続可能性と環境保護が重要な考慮事項となります。 より環境に優しい処理方法の開発、廃棄複合材料のリサイクル、エネルギー消費量の削減が将来の開発の方向性となります。
(5) 多分野への応用 TiMMC の応用分野はさらに広がります。 既存の航空宇宙産業や自動車産業に加えて、医療、エネルギー、建設分野でも TiMMC の応用可能性が探求され続けるでしょう。
