Applikationsanalys av beläggningsteknik i titanlegeringsbearbetning

Egenskaper och tillämpningar av titanlegering

Baserat på ovanstående serie av utmärkta egenskaper, användes titanlegeringar först inom flyget. 1953 applicerade Douglas Company i USA först titaninnehållande material på DC2T-motorgondolen och brandväggar, vilket gav goda resultat. Inom flyg- och rymdområdet användes titanlegering först som ett nyckelmaterial i fläkten, kompressorn, huden, flygkroppen och landningsställen på flygplansmotorer, vilket resulterade i en total viktminskning på cirka 30 % till 35 %. Titanlegering har också framgångsrikt använts i tryckbeständiga skal, sjövattenrörsystem, kondensorer och värmeväxlare, blad, propellrar och axlar till avgasfläktar, fjädrar, brandbekämpningsutrustning på hangarfartyg, propellrar, vattenjetframdrivningsanordningar, roder och andra marina komponenter av atomubåtar. Dessutom, på grund av dess utmärkta biokompatibilitet, korrosionsbeständighet, mekaniska egenskaper och bearbetbarhet, har titanlegeringen blivit det mest lämpliga biomedicinska metallmaterialet och har framgångsrikt använts i konstgjorda knäleder, lårbensleder, tandimplantat, tandrötter och protesmetall. stödjer. Bland dem används Ti6Al4V och Ti3Al-2.5V legeringar vanligtvis som ersättningsmaterial för lårben och skenben i klinisk praxis på grund av deras goda kallformbarhet, korrosionsbeständighet och mekaniska egenskaper.
Svårigheter vid bearbetning av titanlegering
(1) Liten deformationskoefficient: Detta är en framträdande egenskap i skärprocessen av titanlegeringsmaterial. Under skärprocessen är kontaktytan mellan spånen och den främre skärytan för stor, och spånen färdas mycket längre på verktygets främre skäryta än spån från vanliga material. Sådan långvarig gång kan orsaka kraftigt verktygsslitage, och friktion kan också uppstå under gångprocessen, vilket leder till en ökning av verktygets temperatur.
(2) Hög skärtemperatur: Å ena sidan kan den lilla deformationskoefficient som nämnts tidigare leda till en partiell temperaturökning. Huvudorsaken till den höga skärtemperaturen i skärprocessen av titanlegering är att den termiska ledningsförmågan hos titanlegeringen är mycket liten, och kontaktlängden mellan spånen och verktygets främre skäryta är kort. Under dessa faktorer är värmen som genereras under skärprocessen svår att skingra och ackumuleras huvudsakligen nära verktygsspetsen, vilket gör att lokala temperaturer blir för höga.
(3) Den termiska ledningsförmågan hos titanlegeringen är mycket låg: värmen som genereras vid skärning försvinner inte lätt. Svarvningsprocessen av titanlegering är en process med hög spänning och hög töjning, som genererar en stor mängd värme. Den höga värme som genereras under bearbetning kan inte effektivt spridas. Samtidigt är kontaktlängden mellan verktygets skäregg och spånen kort, vilket gör att en stor mängd värme samlas på skäreggen. Temperaturen stiger kraftigt, bladet mjuknar och verktygsslitaget accelererar.
(4) De kemiska egenskaperna hos titanlegeringar är betydande: vid höga temperaturer reagerar titanlegeringar lätt med verktygsmaterial, vilket påskyndar bildandet av halvmåneformade spår. Men skärprocessen av titanlegeringar utförs i princip vid höga temperaturer. När skärtemperaturen når en viss nivå kan molekyler som kväve och syre i luften lätt genomgå kemiska reaktioner med titanmaterial, vilket resulterar i att en spröd och hård hud bildas. Dessutom leder den plastiska deformationen som uppstår på den bearbetade ytan av arbetsstycket under skärningsprocessen av titanmaterial till förekomsten av kallhärdning, vilket resulterar i härdning på den bearbetade ytan av arbetsstyckets material. Dessa fenomen kan förvärra slitaget på skärverktyg och minska utmattningshållfastheten hos titanmaterial.
(5) Skärverktyg är benägna att slitas: Slitaget på skärverktyg är resultatet av många övergripande faktorer. Under skärprocessen av titanlegeringsmaterial är det lätt att orsaka verktygsbrott. Titanmaterial uppvisar i allmänhet stark kemisk affinitet mellan verktygsmaterial under höga temperaturförhållanden. Dessutom är skärverktyg och titanlegeringsmaterial benägna att binda vid höga temperaturer, vilket leder till en kort livslängd för skärverktyg. Så det finns två aspekter som måste uppmärksammas vid skärning av titanlegeringsmaterial, vilket är att bibehålla en låg skärtemperatur och öka styvheten hos verktyget/materialet som skärs. Belagda verktyg är ett sätt att förbättra verktygets styvhet.
Aktuell status för beläggning på skärverktyg av titanlegering
På grund av den höga kemiska aktiviteten och låga värmeledningsförmågan hos titanlegeringar är skärtemperaturen under skärprocessen hög, den kemiska reaktionen är intensiv och verktyget misslyckas snabbt, vilket resulterar i kort livslängd och höga bearbetningskostnader. Orsakerna till verktygsslitage inkluderar mekanisk friktion och fysikaliska och kemiska reaktioner under skärkrafter och skärtemperaturer. Som svar på svårigheten att skära titanlegeringar måste det valda verktygsmaterialet uppfylla kraven på hög hårdhet, hög hållfasthet, hög värmeledningsförmåga, kemisk stabilitet och god rödhårdhet [10]. För närvarande erkänt i branschen som det bästa diamantskärverktyget för bearbetning av titanlegeringar, men på grund av dess höga pris dominerar hårdlegeringsbelagda skärverktyg fortfarande titanlegeringsskärmarknaden,
Den traditionella skärteorin hävdar att belagda skärverktyg inte är lämpliga för bearbetning av titanlegeringar. Detta beror på att de flesta traditionella beläggningar är binära TiC- eller ternära TiCN-beläggningar, och Ti-elementet i beläggningen är benäget att ha affinitet med arbetsstycket, vilket leder till snabba verktygsfel. Ezugwn et al. använde CrN- och TiCN-beläggningar på höghastighetstålsubstrat och obelagda volframkoboltverktyg för hårdlegering för att skära TC4 titanlegering. Studien visade att livslängden för CrN-belagda verktyg var längre än för TiCN-belagda verktyg och obelagda hårdlegerade verktyg. Samtidigt genomfördes skärexperiment på Ti6A14V titanlegering med användning av enskikts TiN-beläggning och flerskikts TiN/TiCN/TiN-beläggning under samma skärförhållanden. Resultaten visade att temperaturen som genererades vid skärning av flerskiktsbelagda verktyg var lägre än för enskiktsbeläggningar, och verktygets livslängd var också högre än för enkelskiktsbeläggningar.
På senare år har sammansättningen av verktygsbeläggningar gradvis blivit mer diversifierad, på grund av den kontinuerliga mognad och framsteg av främmande beläggningsförberedelseprocesser och -metoder, och även det finns ett mycket lämpligt beläggningsmaterial för varje arbetsstyckesmaterial. Dessutom har bättre presterande beläggningar som mjuka beläggningar, superhårda beläggningar, flerskiktsbeläggningar och nanokompositbeläggningar dykt upp. Därför har fler och fler belagda verktyg använts för höghastighetsskärning av titanlegeringar och har visat god överlägsenhet. Figur 2 visar de vanligaste hårdlegeringsbelagda verktygen under senare år.