Status penelitian dan kemajuan teknologi pemrosesan komposit matriks titanium (TiMMCs) ditinjau dari aspek pemrosesan mekanis tradisional, pemrosesan medan energi komposit, pemrosesan penempaan, dan manufaktur aditif. Karakteristik TiMMC diproses dengan teknik pemrosesan yang berbeda. Mengacu pada masalah utama dalam penelitian saat ini, tren perkembangan teknologi pemrosesan TiMMC di masa depan sangat prospektif.
gambar
Insinyur senior tingkat peneliti Wang Guangping
01
pembukaan
Titanium dan paduannya banyak digunakan di bidang kedirgantaraan, petrokimia, kelautan, dan medis karena sifatnya yang sangat baik seperti kekuatan spesifik yang tinggi, ketahanan korosi kimia yang sangat baik, dan biokompatibilitas yang baik [1-4]. Namun, modulus Young, ketahanan aus, dan ketahanan panas paduan titanium lebih rendah daripada baja dan paduan berbasis nikel, yang membatasi penerapannya lebih lanjut di bidang otomotif dan kedirgantaraan [5-8]. Munculnya titanium matrix composites (TiMMCs) memberikan alternatif baru untuk mengatasi permasalahan di atas. TiMMCs adalah material komposit yang terdiri dari titanium dan paduannya sebagai matriks dan keramik (partikel, kumis, serat pendek dan serat panjang kontinu) sebagai fase penguat (lihat Gambar 1).
gambar
a) Komposit matriks titanium diperkuat serat panjang terus menerus
gambar
b) komposit berbasis titanium yang diperkuat partikel c) komposit berbasis titanium yang diperkuat serat pendek/kumis
Gambar 1 Diagram skematik TiMMC dengan berbagai jenis fase penguatan
Sambil mempertahankan sifat matriks yang sangat baik, TiMMC juga dapat memperoleh sifat komprehensif yang tidak dapat dicapai dengan fase penguatan tunggal atau matriks melalui saling melengkapi dan korelasi sifat serat dan matriks. Misalnya, kekuatan luluh komposit (TiC plus Ti5Si3)/Ti yang dibuat oleh HUO et al. [9] setinggi 829MPa, yang 178 persen lebih tinggi dari titanium murni, sambil mempertahankan elongasi tinggi 8,1 persen , dan memiliki kekuatan tinggi dan plastisitas sedang. Dibandingkan dengan komposit TiC/Ti berlapis, kekuatan dan keuletan TiMMC ditingkatkan secara bersamaan, menghasilkan kinerja sinergis kekuatan-keuletan yang sangat baik. Modulus spesifik TiMMC yang tinggi adalah faktor utama untuk mempromosikan aplikasinya yang luas di badan pesawat, sedangkan kekuatan spesifik yang tinggi adalah kekuatan pendorong untuk mempromosikan aplikasinya di industri mesin [10]. Misalnya, Amerika Serikat memimpin dalam penggunaan komposit berbasis titanium yang diperkuat partikel untuk memproduksi suku cadang mesin pesawat. Bilah rotor komposit berbasis titanium yang diperkuat partikel yang dikembangkan oleh Amerika Serikat telah berhasil diterapkan, yang tidak hanya meningkatkan kinerja bilah rotor, tetapi juga mengurangi penerbangan. Biaya pembuatan mesin turun sebanyak $60,000 [11]. Boeing Aircraft Company Amerika Serikat telah mengembangkan batang penghubung roda pendaratan pesawat komposit berbahan dasar titanium yang diperkuat partikel, yang tidak hanya memiliki peningkatan suhu layanan yang signifikan, tetapi juga mengurangi massa hingga hampir 40 persen dibandingkan dengan sebelum perbaikan , dan telah berhasil diterapkan pada pesawat Boeing 787[12] . Pusat Penelitian Atlantik Amerika Serikat berhasil mengembangkan bahan komposit berbasis titanium yang diperkuat partikel untuk roda pendarat helikopter, dan telah berhasil diterapkan. Dibandingkan dengan bahan tradisional, bobotnya sangat berkurang [13]. Pusat Penelitian Penerbangan Prancis dan perusahaan Rolls-Royce Inggris menggunakan komposit matriks titanium yang diperkuat partikel untuk menyiapkan bilah mesin aero dan mencapai kesuksesan [14, 15]. Di bidang otomotif, persyaratan untuk struktur ringan terus meningkat, yang sangat mendorong penerapan TiMMC. Toyota Corporation of Japan pertama kali menggunakan bahan komposit BTi/Ti untuk katup buang mobil, katup buang mesin mobil dan bagian lain, katup mesin, dll. Massa total berkurang hampir 40 persen, dan memiliki keunggulan masa pakai yang tinggi dan biaya rendah [16]. Pada saat yang sama, negara-negara seperti Eropa dan Amerika Serikat juga telah mulai menggunakan bahan komposit berbasis titanium yang diperkuat partikel untuk menggantikan bahan baja tradisional untuk memproduksi bagian-bagian utama mobil, sehingga dapat mengurangi bobot mobil dan lebih meningkatkan kualitasnya. kinerja mobil [17]. Rentang aplikasi TiMMC ditunjukkan pada Gambar 2.
gambar
Gambar 2 Rentang aplikasi TiMMC
Karena kerumitan komposisi bahan, TiMMC jauh lebih sulit untuk diproses daripada bahan teknik konvensional, dan merupakan jenis baru dari bahan yang sulit diproses. Sementara itu, meskipun TiMMC yang mengandung tulangan terdistribusi secara merata atau tulangan terputus-putus umumnya menunjukkan kekuatan yang lebih tinggi, keuletan dan ketangguhan relatif terhadap matriks murni tidak dapat dihindari [18]. Misalnya, bahkan dengan TiC dan Ti5Si3 in-situ, data tarik menunjukkan bahwa perpanjangan putus turun tajam dari 17,2 persen menjadi 1,53 persen ketika peningkatan kekuatan luluh material komposit mencapai 410MPa, yang menempatkan persyaratan lebih tinggi pada teknologi pemrosesan [19 ]. Oleh karena itu, bagaimana mencapai pemrosesan TiMMC dengan efisiensi tinggi dan kerusakan rendah telah menjadi hotspot penelitian di bidang pemrosesan material komposit.
Metode pemrosesan umum TiMMC meliputi pemesinan, penempaan, pengecoran, dan manufaktur aditif [20]. Pemesinan mengandalkan kekuatan mekanis untuk mengubah bentuk material, yang dapat secara efisien melakukan produksi massal dan pemrosesan batch. Ini adalah salah satu metode pemrosesan dingin yang paling umum digunakan. Itu dapat mencapai dimensi presisi tinggi dan persyaratan kualitas permukaan, dan cocok untuk berbagai jenis material termasuk material komposit. pengolahan bahan. Operasi pemesinan umum meliputi pemotongan, pengeboran, penggilingan, dan penggilingan. Penempaan, pengecoran, dan pembuatan aditif adalah proses pemrosesan termal yang khas yang dapat meningkatkan sifat mekanik dan struktur material komposit [21]. Selain itu, ketika memilih teknologi pemrosesan yang sesuai untuk memproses TiMMC, karakteristik yang berbeda dari setiap komponen dalam material komposit perlu dipertimbangkan secara komprehensif, serta keausan dan ekspansi termal antara material komposit dan alat pemrosesan, agar dapat dapatkan suku cadang TiMMC dengan kinerja luar biasa.
Dalam makalah ini, teknologi pemrosesan TiMMC saat ini ditinjau, dan pemrosesan TiMMC di masa depan diharapkan, untuk memberikan dukungan teoretis untuk aplikasi TiMMC berkinerja tinggi.
02
Pemesinan
Karena keterbatasan teknologi persiapan TiMMC, pemesinan masih merupakan proses yang sangat diperlukan dalam pembuatan TiMMC. Dibandingkan dengan bahan matriks, tulangan memiliki kekerasan yang lebih tinggi, kekuatan yang lebih tinggi, dan pemrosesan yang lebih sulit, dan akan ada masalah seperti fragmentasi fase tulangan, penarikan dan debonding selama pemrosesan. Proses pemotongan TiMMC telah dipelajari secara komprehensif dalam hal optimasi dan aspek lainnya.
2.1 Pemesinan
Ditujukan pada kurangnya penelitian sistematis tentang kinerja pemotongan seperti mekanisme keausan pahat, gaya potong, dan perubahan suhu pemotongan dalam proses pemotongan TiMMC, Bian Weiliang [22] melakukan penelitian tentang kinerja putaran pahat yang berbeda (TiCp plus TiB w) /TC4. Berlian kristal tunggal dan karbida semen digunakan dalam pemrosesan material. Di bawah kondisi pemotongan yang sama, umur alat PCD lebih lama. Ketika pahat berlian kristal tunggal memotong TiMMC, keausan pahat terutama berasal dari gesekan berulang peningkatan kekerasan tinggi relatif terhadap pahat. Saat memotong paduan TC4 saja, paduan titanium terikat pada pahat dan Keausan yang disebabkan oleh difusi elemen bahan pemrosesan ke pahat lebih signifikan. Saat pemesinan TiMMC dengan alat karbida yang disemen, difusi dan pengikatan material benda kerja juga terlihat jelas.
Untuk mengeksplorasi lebih jauh pengaruh parameter pemotongan dan metode pelumasan terhadap karakteristik pemesinan, NIKNAM et al. [23] melakukan eksperimen pembubutan kering dan semi-kering pada komposit matriks titanium yang diperkuat partikel (PTMC), dan menganalisis gaya pemotongan di bawah parameter pemotongan yang berbeda. , kekasaran permukaan dan perilaku penghilangan partikel. Hasilnya menunjukkan bahwa gaya pemotongan lebih besar pada kondisi semi-kering, dan lapisan pelumas akan dihasilkan, yang menghambat kelancaran pemotongan.
DUONG et al. [24] mempelajari perilaku keausan pahat awal selama putaran TiMMC, dan menemukan bahwa keausan adalah mekanisme paling penting dalam pemotongan TiMMC, dan difusi serta adhesi ditemukan dalam semua kondisi. Dan bentuk keausan baru dari hard thin layer ditemukan pada proses pemesinan, yang dalam hal ini akan menyebabkan keausan difusi dan tumor mekanik. Berbeda dari PTMC, komposit matriks titanium yang diperkuat serat kontinu memiliki anisotropi unik karena kontinuitas serat. Untuk mengklarifikasi mekanisme pemotongan komposit matriks titanium yang diperkuat serat kontinyu, ZAN [25] et al. Uji pemotongan ortogonal SiCf/Ti-6Al-4V memperoleh perilaku pembentukan chip dan mekanisme deformasi material komposit pada suhu rendah, suhu kamar dan suhu tinggi, dan menemukan bahwa dibandingkan dengan pembentukan pita geser adiabatik selama proses pemotongan paduan titanium, SiCf/Ti Lebar gigi gergaji -6Al-4V lebih besar. Gambar 3 adalah diagram skematik SiCf/Ti-6Al-4V pemotongan lapisan bergantian pada temperatur yang berbeda.
gambar
a) Kriogenik (CT)
gambar
b) Suhu ruangan (RT)
Gbr.3 Diagram pemotongan lapisan bolak-balik komposit matriks titanium yang diperkuat serat pada temperatur yang berbeda
2.2 Penggilingan
Penggilingan bergantung pada banyak butiran abrasif pada permukaan roda gerinda untuk secara bersamaan memotong benda kerja untuk menghilangkan material, yang cocok untuk pemesinan material presisi dan ultra-presisi. DING dkk. [26, 27] menetapkan model elemen hingga tiga dimensi dari proses penggilingan untuk memahami perilaku penghilangan material TiCp/Ti-6Al-4V selama penggilingan konvensional dan penggilingan kecepatan tinggi, dan berdasarkan model elemen hingga, dibahas perilaku pemindahan material. Perilaku penghilangan dan pengaruh kecepatan gerinda pada pembentukan fitur permukaan mesin (lihat Gambar 4). Hasil menunjukkan bahwa perilaku penghilangan material selama penggilingan TiCp/Ti-6Al-4V dapat dibagi menjadi penghilangan ulet dari bahan matriks logam dan penghilangan rapuh dari partikel yang diperkuat TiC. Demikian pula, LIU et al. [28] menyimpulkan bahwa penghilangan material dalam penggilingan berkecepatan tinggi PTMC dapat dibagi menjadi empat tahap: penghilangan plastik dari matriks paduan, inisiasi retak pada partikel yang disempurnakan, perambatan retak pada partikel yang disempurnakan, dan kegagalan getas dari partikel yang disempurnakan. Dibandingkan dengan kecepatan gerinda, ketebalan chip yang tidak terdeformasi memiliki pengaruh yang lebih besar terhadap pembentukan cacat permukaan mesin. Atas dasar ini, LI et al. [29, 30] mempelajari kinerja penggilingan roda gerinda CBN berlapis tunggal dan roda gerinda CBN yang dibrazing untuk PTMC (lihat Gambar 5). Hasil penelitian menunjukkan bahwa roda gerinda CBN brazing satu lapis lebih cocok daripada roda gerinda berlapis listrik untuk penggilingan PTMC berkecepatan tinggi. Liu Chaojie dkk. [31] menganalisis model gaya gerinda gerinda sisi PTMC melalui simulasi. Saat melepas matriks, fluktuasi gaya penggilingan teratur. Saat melepaskan partikel yang diperkuat TiC, retakan akan muncul dan meluas pada permukaan material. Ada juga serpihan besar yang dihilangkan di permukaan, dan fluktuasi gaya penggilingan di area di mana partikel yang diperkuat dihilangkan sangat besar. Selain itu, gaya gerinda normal dan tangensial keduanya meningkat dengan meningkatnya ketebalan chip abrasif tunggal.
gambar
a) Simulasi PTMC gerinda biasa
gambar
b) Hasil uji PTMC gerinda biasa
gambar
c) Simulasi PTMC gerinda berkecepatan tinggi
gambar
d) Hasil percobaan penggilingan PTMC berkecepatan tinggi
Gambar 4 Hasil simulasi dan uji perilaku penghilangan PTMC pada kecepatan yang berbeda
(vs=3m/mnt, ap=0.010mm)
gambar
a) Gerinda dengan roda gerinda CBN yang dilapisi
gambar
b) Gerinda dengan roda gerinda CBN yang dibrazing
Gambar 5 Perbandingan roda gerinda CBN yang dilapisi dan roda gerinda CBN yang dibrazing untuk menggiling PTMC
03
Pemrosesan medan energi komposit
Penggilingan berbantuan getaran ultrasonik adalah teknologi pemrosesan gabungan yang memperkenalkan getaran ultrasonik ke teknologi penggilingan tradisional untuk mengurangi suhu pemotongan dan meningkatkan kualitas penggilingan. Dalam pemesinan dengan bantuan getaran ultrasonik, keadaan kontak antara pahat dan benda kerja berubah karena getaran frekuensi tinggi, dan pahat dan benda kerja berada dalam kontak intermiten, disertai dengan efek kavitasi dan benturan frekuensi tinggi, sehingga kontak antara benda kerja dan alat Gaya gesekan berkurang, sehingga mengurangi panas pemotongan dan gaya pemotongan, dan dapat meningkatkan masa pakai alat dan meningkatkan kualitas pemrosesan. Teknologi pemesinan dengan bantuan getaran ultrasonik telah banyak digunakan dalam material yang sulit dikerjakan seperti paduan berbasis nikel, TiMMC, dan komposit matriks keramik.
WU dkk. [32] melakukan uji penggilingan berbantuan getaran ultrasonik aksial pada PTMC, dan menemukan bahwa di bawah aksi ultrasound, lintasan pemotongan butiran abrasif meningkat, dan butiran abrasif berulang kali menekan permukaan benda kerja untuk mengurangi kekasaran permukaan. nilai. YUE et al. [33] melakukan uji penggilingan berbantuan getaran ultrasonik dari butiran abrasif tunggal PTMC, membandingkan pengaruh penggilingan biasa dan penggilingan ultrasonik pada tingkat penghilangan material pada kecepatan penggilingan yang berbeda dan laju umpan yang berbeda, dan menetapkan model ketebalan pemotongan ultrasonik dari butiran abrasif tunggal di bawah aksi menunjukkan bahwa getaran ultrasonik lebih cenderung menyebabkan pemecahan mikro dari butiran abrasif, yang dapat terus memperbarui keadaan ujung tombak dan menjaga ketajaman butiran abrasif setiap saat. ZHAO dkk. [34] menggunakan platform getaran radial buatan sendiri (lihat Gambar 6) untuk melakukan uji gerinda berbantuan getaran ultrasonik pada PTMC, dan membandingkannya dengan uji gerinda biasa. Dibandingkan dengan penggilingan biasa, penggilingan dengan bantuan getaran ultrasonik dapat mengurangi suhu penggilingan sebesar 24,2 persen menjadi 51,8 persen, dan pada saat yang sama, tingkat penghilangan material dapat ditingkatkan sebesar 2,8 kali.
gambar
Gambar 6 Platform Ultrasonik Getaran Radial dan Alat Pengukur Getaran
BEIJANI dkk. [35] menggunakan laser-assisted machining (LAM) untuk memproses TiMMC untuk pertama kalinya berdasarkan pembubutan tradisional (lihat Gambar 7). Hasilnya menunjukkan bahwa dibandingkan dengan pemesinan konvensional, meskipun nilai kekasaran permukaan benda kerja meningkat sebesar 15 persen , volume pemotongan total alat LAM meningkat sebesar 180 persen , dan masa pakai pahat ditingkatkan secara efektif, yang dikaitkan dengan transfer partikel dalam matriks daripada fraktur.
gambar
a) Diagram skematik
gambar
b) Perangkat sebenarnya
Gambar 7 Perangkat uji pemrosesan berbantuan laser
04
Pemrosesan Manufaktur Aditif
Teknologi manufaktur aditif laser dapat secara langsung memproduksi bagian struktural yang kompleks, menunjukkan prospek aplikasi yang bagus dalam pembuatan TiMMC. BANERJEE dkk. [36] berhasil memproses komposit TiB/TC4 menggunakan teknologi pemrosesan stereoforming laser (LENSTM), dan menggunakan mikroskop elektron pemindaian dan mikroskop elektron transmisi untuk mengkarakterisasi mikrostruktur komposit yang disimpan secara rinci. Hasil penelitian menunjukkan bahwa metode yang dibuat Struktur mikro komposit TiB/TC4 disempurnakan secara signifikan dan stabil secara termodinamika. Demikian pula, GU et al. [37] menggunakan peleburan laser selektif (SLM) untuk memproses serbuk komposit TiC/Ti yang disiapkan, dan memperoleh komposit matriks TiAl3 (fase utama) dan Ti3AlC2 (fase sekunder) yang diperkuat partikel TiC. Meskipun sedikit pertumbuhan butiran relatif terhadap bubuk giling, komposit yang diberi perlakuan SLM masih menunjukkan struktur mikro yang halus. [38] menggunakan teknologi pemrosesan laser deposisi logam langsung (DMD) untuk menyiapkan PTMC yang mengandung fraksi volume yang berbeda (TiB plus TiC) dari bahan baku bubuk yang terdiri dari paduan awal (Ti-6Al-4V plus B4C ) campuran bubuk. Studi mekanis telah menunjukkan bahwa pada 20-600 derajat , kekerasan Vickers TiMMC yang diperkuat partikel yang mengandung B4C meningkat sebesar 10 persen -15 persen , dan modulus Young meningkat sebesar 10 persen . Persiapan TiMMC dengan teknologi pemrosesan laser DMD ditunjukkan pada Gambar 8.
gambar
Gbr.8 Diagram skematik TiMMC yang disiapkan oleh teknologi pemrosesan laser DMD
05
Penempaan
Penempaan dapat menghilangkan cacat material yang longgar selama proses peleburan, secara efektif menyempurnakan struktur mikro, dan mendapatkan tempa berkualitas tinggi yang sesuai dengan struktur dan kinerjanya.
Sarjana asing yang relevan telah mempelajari efek penempaan panas pada struktur mikro dan sifat tarik komposit matriks Ti-TiB. Penelitian telah menunjukkan bahwa pemanjangan suhu ruangan dari komposit Ti-13.3B dan Ti-7B yang dipalsukan masing-masing mencapai 6,1 persen dan 5,2 persen , dan sifat material ditingkatkan secara efektif. Sarjana domestik Hu Jiarui et al. [39] PTMC tempa dari TiC sinter dihasilkan in situ, dan cacat struktural PTMC setelah penempaan dihilangkan, rekristalisasi dinamis terjadi, dan sifat mekanik pada suhu kamar ditingkatkan. Morfologi SEM fraktur tarik dari TiMMC yang diperkuat partikel TiC ditunjukkan pada Gambar. 9. Pada saat yang sama, karena struktur matriks yang ditingkatkan, ketahanan aus PTMC setelah penempaan ditingkatkan. sama
[40] membandingkan dan menganalisis sifat mekanik material komposit 5 persen (TiB plus TiC)/Ti-1100. Pada 500-650 derajat , material komposit as-cast adalah patah getas, dan material komposit yang ditempa adalah patah ulet, dan Kekuatan dan perpanjangan material komposit setelah penempaan meningkat secara signifikan.
gambar
a) Sintering (retakan penetrasi matriks) b) Sintering (retakan intergranular dan retakan butiran
gambar
c) -menempa d) ( plus ) -menempa
Gbr.9 Morfologi SEM fraktur tarik dari TiMMC yang diperkuat oleh partikel TiC
06
kesimpulan
Karena adanya fase penguat, TiMMC menunjukkan sifat mekanik dan mekanisme pemrosesan yang berbeda dari paduan titanium tradisional. Ke depan, pemrosesan TiMMC akan berkembang dalam aspek-aspek berikut.
(1) Peningkatan teknologi pemrosesan Teknologi pemrosesan TiMMC akan terus ditingkatkan untuk meningkatkan efisiensi produksi dan kualitas produk. Alat pemotong baru dan metode pemrosesan akan dikembangkan untuk mengurangi gaya pemotongan dan keausan alat, dan untuk mewujudkan penghilangan komponen heterogen TiMMC secara sinergis.
(2) Kombinasi beberapa teknologi pemrosesan TiMMC memiliki plastisitas suhu kamar yang buruk, dan pemrosesan TiMMC yang komprehensif dengan menggunakan berbagai metode pemrosesan termal seperti deformasi superplastik suhu tinggi, penempaan panas, dan deformasi ekstrusi panas dapat memaksimalkan potensi aplikasi TiMMC di berbagai bidang.
(3) Pengembangan material baru Dengan kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi, TiMMC baru akan dikembangkan dengan kinerja yang lebih tinggi dan bidang aplikasi yang lebih luas. Misalnya, nano-TiMMC, TiMMC multifungsi, dan TiMMC tahan suhu tinggi akan lebih jauh mendorong pengembangan TiMMC.
(4) Keberlanjutan dan perlindungan lingkungan Keberlanjutan dan perlindungan lingkungan akan menjadi pertimbangan utama saat memproses TiMMC. Pengembangan metode pengolahan yang lebih ramah lingkungan, daur ulang material komposit limbah dan pengurangan konsumsi energi akan menjadi arah pengembangan di masa depan.
(5) TiMMC aplikasi multi-bidang akan diterapkan di lebih banyak bidang. Selain industri kedirgantaraan dan otomotif yang ada, bidang medis, energi, dan konstruksi juga akan terus menggali potensi penerapan TiMMC.
