기존의 기계가공, 복합에너지장가공, 단조가공, 적층가공 등의 측면에서 티타늄 복합재료(TiMMCs) 가공기술의 연구현황과 진행상황을 살펴보았다. 다양한 처리 기술로 처리된 TiMMC의 특성. 현재 연구의 주요 문제를 겨냥하여 향후 TiMMC 처리 기술의 개발 동향을 전망합니다.
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연구원급 수석 엔지니어 Wang Guangping
01
전문
티타늄 및 그 합금은 높은 비강도, 우수한 내화학성 및 우수한 생체 적합성과 같은 우수한 특성으로 인해 항공 우주, 석유 화학, 해양 및 의료 분야에서 널리 사용됩니다[1-4]. 그러나 티타늄 합금의 영률, 내마모성 및 내열성은 강철 및 니켈 기반 합금보다 낮기 때문에 자동차 및 항공우주 분야에서의 추가 적용이 제한됩니다[5-8]. 티타늄 매트릭스 복합재(TiMMC)의 출현은 위의 문제를 극복하기 위한 새로운 대안을 제공합니다. TiMMCs는 티타늄과 그 합금을 매트릭스로, 세라믹(입자, 휘스커, 단섬유 및 연속 장섬유)을 강화 단계로 구성한 복합 재료입니다(그림 1 참조).
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a) 연속 장섬유 강화 티타늄 매트릭스 복합재
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b) 입자 강화 티타늄 기반 복합재 c) 휘스커/단섬유 강화 티타늄 기반 복합재
그림 1 강화 단계 유형이 다른 TiMMC의 개략도
매트릭스의 우수한 특성을 유지하면서 TiMMC는 섬유와 매트릭스의 특성의 상보성 및 상관 관계를 통해 단일 강화 단계 또는 매트릭스에서 달성할 수 없는 포괄적인 특성을 얻을 수도 있습니다. 예를 들어, HUO 등이 준비한 (TiC + Ti5Si3)/Ti 합성물의 항복 강도. [9]는 순수 티타늄보다 178% 높은 829MPa로 높으며 8.1%의 높은 연신율을 유지하면서 고강도와 중간 정도의 가소성을 갖는다. 적층된 TiC/Ti 복합재와 비교하여 TiMMC의 강도와 연성이 동시에 향상되어 강도-연성 시너지 성능이 우수합니다. TiMMCs의 높은 비탄성계수는 항공기 동체에서의 폭넓은 적용을 촉진하는 주요 요인이며, 높은 비강도는 엔진 산업에서의 적용을 촉진하는 원동력입니다[10]. 예를 들어, 미국은 항공 엔진 부품을 제조하기 위해 입자 강화 티타늄 기반 복합 재료를 사용하는 데 앞장섰습니다. 미국에서 개발한 입자강화 티타늄 기반 복합 로터 블레이드가 성공적으로 적용되어 로터 블레이드의 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 비행을 감소시킵니다. 엔진 제조 비용이 60달러나 떨어졌습니다000 [11]. 미국 보잉사(Boeing Aircraft Company)가 개발한 입자강화 티타늄 기반 복합 항공기 랜딩기어 커넥팅로드는 사용온도를 크게 높일 뿐만 아니라 개선 전 대비 질량을 40% 가까이 줄였다. , 보잉 787 항공기[12]에 성공적으로 적용되었습니다. 미국 대서양연구센터에서 헬리콥터 랜딩기어용 입자강화 티타늄계 복합소재 개발에 성공해 성공적으로 적용됐다. 기존 재료에 비해 무게가 크게 줄었습니다[13]. 프랑스 항공 연구 센터와 영국 롤스로이스 회사는 항공 엔진 블레이드를 준비하기 위해 입자 강화 티타늄 매트릭스 복합재를 사용하여 성공을 거두었습니다[14, 15]. 자동차 분야에서는 경량 구조에 대한 요구 사항이 지속적으로 증가하고 있으며, 이는 TiMMC의 적용을 크게 촉진합니다. 일본 Toyota Corporation은 자동차 배기 밸브, 자동차 엔진 배기 밸브 및 기타 부품, 엔진 밸브 등에 BTi/Ti 복합 재료를 처음 사용했습니다. 전체 질량이 거의 40% 감소했으며 수명이 길고 비용이 저렴한 장점이 있습니다 [16]. 동시에 유럽과 미국과 같은 국가에서는 입자 강화 티타늄 기반 복합 재료를 사용하여 자동차의 주요 부품을 제조하기 위해 전통적인 철강 재료를 대체하여 자동차의 무게를 줄이고 더욱 개선했습니다. 자동차의 성능 [17]. TiMMC의 적용 범위는 그림 2에 나와 있습니다.
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그림 2 TiMMC의 적용 범위
재료 구성의 복잡성으로 인해 TiMMC는 기존 엔지니어링 재료보다 가공하기가 훨씬 어렵고 새로운 유형의 가공하기 어려운 재료입니다. 한편, 균일하게 분포된 보강재 또는 불연속 보강재를 포함하는 TiMMC가 일반적으로 더 높은 강도를 나타내지만 순수 매트릭스에 비해 연성과 인성은 필연적으로 손상됩니다[18]. 예를 들어, 현장 TiC 및 Ti5Si3에서도 인장 데이터는 복합 재료의 항복 강도 증가가 410MPa에 도달할 때 파단 신율이 17.2%에서 1.53%로 급격히 떨어지는 것을 보여주며, 이는 가공 기술에 대한 더 높은 요구 사항을 요구합니다[19 ]. 따라서 TiMMC의 고효율 및 저손상 가공을 달성하는 방법은 복합 재료 가공 분야에서 연구 핫스팟이 되었습니다.
TiMMC의 일반적인 가공 방법에는 가공, 단조, 주조 및 적층 가공이 포함됩니다[20]. 가공은 기계적인 힘에 의존하여 재료의 형상을 변경하므로 대량 생산 및 일괄 처리를 효율적으로 수행할 수 있습니다. 가장 일반적으로 사용되는 냉간 가공 방법 중 하나입니다. 고정밀 치수 및 표면 품질 요구 사항을 달성할 수 있으며 복합 재료를 포함한 다양한 유형의 재료에 적합합니다. 재료 가공. 일반적인 가공 작업에는 절단, 드릴링, 밀링 및 연삭이 포함됩니다. 단조, 주조 및 적층 가공은 복합 재료의 기계적 특성 및 구조를 개선할 수 있는 일반적인 열처리 공정입니다[21]. 또한, TiMMCs 가공에 적합한 가공 기술을 선택할 때 복합 재료의 각 구성 요소의 서로 다른 특성은 물론 복합 재료와 가공 도구 사이의 마모 및 열팽창을 종합적으로 고려해야 합니다. 우수한 성능의 TiMMCs 부품을 얻으십시오.
본 논문에서는 TiMMC의 고성능 응용에 대한 이론적 지원을 제공하기 위해 현재 TiMMC의 처리 기술을 검토하고 향후 TiMMC의 처리를 전망한다.
02
가공
TiMMC 준비 기술의 한계로 인해 가공은 여전히 TiMMC 제조에 없어서는 안될 공정입니다. 매트릭스 재료와 비교할 때 보강재는 경도가 높고 강도가 높으며 가공이 더 어려우며 가공 중 보강 상 조각화, 풀아웃 및 결합 해제와 같은 문제가 있습니다. TiMMC의 절단 공정은 최적화 및 기타 측면에서 포괄적으로 연구되었습니다.
2.1 가공
TiMMC의 절삭 공정에서 공구 마모 메커니즘, 절삭력 및 절삭 온도 변화와 같은 절삭 성능에 대한 체계적인 연구 부족을 목표로 Bian Weiliang[22]은 다양한 공구 선삭(TiCp + TiB w) 성능에 대한 연구를 수행했습니다. /TC4. 단결정 다이아몬드와 초경합금은 재료 가공에 사용됩니다. 동일한 절삭 조건에서 PCD 공구의 수명이 더 깁니다. 단결정 다이아몬드 공구가 TiMMC를 절단할 때 공구 마모는 주로 공구에 비해 높은 경도 향상의 반복된 스크래핑에서 비롯됩니다. TC4 합금을 단독으로 절단할 때 티타늄 합금이 공구에 결합되고 가공 재료 요소가 공구로 확산되어 발생하는 마모가 더 중요합니다. 초경합금 공구로 TiMMC를 가공할 때 공작물 재료의 확산 및 결합도 분명합니다.
가공 특성에 대한 절삭 매개변수 및 윤활 방법의 영향을 더 자세히 조사하기 위해 NIKNAM et al. [23] 입자 강화 티타늄 매트릭스 복합재(PTMC)에 대한 건식 및 반건식 선삭 실험을 수행하고 다양한 절삭 매개변수에서 절삭력을 분석했습니다. , 표면 거칠기 및 입자 제거 거동. 결과는 반건조 조건에서 절삭력이 더 크고 윤활유 필름이 생성되어 절삭의 원활한 진행을 방해한다는 것을 보여줍니다.
DUONG et al. [24]는 TiMMC 선삭 중 초기 공구 마모 거동을 연구했으며 마모가 TiMMC 절단에서 가장 중요한 메커니즘이며 모든 조건에서 확산 및 접착이 발견됨을 발견했습니다. 그리고 가공 과정에서 새로운 마모 형태의 경질 박층이 발견되었으며, 이 경우 확산 마모 및 기계적 종양으로 이어질 수 있습니다. PTMC와 달리 연속 섬유 강화 티타늄 매트릭스 복합재는 섬유의 연속성으로 인해 고유한 이방성을 갖습니다. 연속 섬유 강화 티타늄 매트릭스 복합재의 절단 메커니즘을 명확히 하기 위해 ZAN[25] et al. SiCf/Ti-6Al-4V 직교 절단 테스트는 저온, 실온 및 고온에서 복합 재료의 칩 형성 거동 및 변형 메커니즘을 얻었으며, 티타늄 합금 SiCf/Ti의 절단 공정 중 단열 전단 밴드 -6Al-4V 톱니의 폭이 더 큽니다. 그림 3은 서로 다른 온도에서 절단하는 SiCf/Ti-6Al-4V 교번 레이어의 개략도입니다.
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a) 극저온(CT)
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b) 실온(RT)
그림 3 서로 다른 온도에서 섬유 강화 티타늄 매트릭스 복합재의 교대 층 절단 다이어그램
2.2 연삭
연삭은 연삭 휠 표면의 많은 연마 입자에 의존하여 공작물을 동시에 절단하여 재료를 제거하므로 재료의 정밀 및 초정밀 가공에 적합합니다. 딩 외. [26, 27]은 기존 Grinding 및 고속 Grinding 동안 TiCp/Ti-6Al-4V의 재료 제거 거동을 이해하기 위해 Grinding 공정의 3차원 유한 요소 모델을 확립. 유한 요소 모델을 기반으로 재료 제거 거동을 논의했습니다. 가공된 표면 특징의 형성에 대한 제거 거동 및 연삭 속도의 영향(그림 4 참조). 결과는 TiCp/Ti-6Al-4V 연삭 중 재료 제거 거동이 금속 매트릭스 재료의 연성 제거와 TiC 강화 입자의 취성 제거로 나눌 수 있음을 보여줍니다. 유사하게, LIU et al. [28]은 PTMC의 고속 연삭에서 재료 제거가 합금 매트릭스의 소성 제거, 강화 입자의 균열 시작, 강화 입자의 균열 전파 및 강화 입자의 취성 파괴의 4단계로 나눌 수 있다고 결론지었습니다. 연삭 속도와 비교할 때 변형되지 않은 칩 두께는 가공 표면 결함 형성에 더 큰 영향을 미칩니다. 이를 바탕으로 LI et al. [29, 30]은 PTMC용 단층 전기 도금 CBN 연삭 휠과 납땜 CBN 연삭 휠의 연삭 성능을 연구했습니다(그림 5 참조). 결과는 단층 브레이징 CBN 연삭 휠이 PTMC의 고속 연삭에 전기 도금 연삭 휠보다 더 적합하다는 것을 보여주었습니다. Liu Chaojie et al. [31]은 시뮬레이션을 통해 PTMC 측면 연삭의 연삭력 모델을 분석했습니다. 매트릭스를 제거할 때 연삭력의 변동은 규칙적입니다. TiC 강화 입자를 제거하면 재료 표면에 균열이 나타나고 확장됩니다. 또한 표면에 제거된 다량의 칩이 있고, 강화입자가 제거된 부위의 연삭력 변동이 크다. 또한, 수직 연삭력과 접선 연삭력은 모두 단일 연마 칩 두께가 증가함에 따라 증가합니다.
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a) 일반 연삭 PTMC 시뮬레이션
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b) 일반 연삭 PTMC의 시험 결과
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c) 고속 연삭 PTMC의 시뮬레이션
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d) PTMC의 고속 분쇄 실험 결과
그림 4 서로 다른 속도에서 PTMC 제거 거동의 시뮬레이션 및 테스트 결과
(vs=3m/min, ap=0.010mm)
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a) 전기 도금된 CBN 연삭 휠로 연삭
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b) 납땜 CBN 연삭 휠로 연삭
그림 5 PTMC 연삭을 위한 전기 도금 CBN 연삭 휠과 납땜 CBN 연삭 휠의 비교
03
복합 에너지장 처리
초음파 진동 보조 연삭은 절단 온도를 낮추고 연삭 품질을 향상시키기 위해 전통적인 연삭 기술에 초음파 진동을 도입하는 복합 가공 기술입니다. 초음파 진동 보조 가공에서 고주파 진동으로 인해 공구와 공작물 사이의 접촉 상태가 바뀌고 공구와 공작물이 간헐적으로 접촉하고 캐비테이션 효과와 고주파 충격이 동반되어 접촉이 공작물과 공구 마찰력이 감소하여 절삭 열과 절삭력이 감소하고 공구의 수명을 늘리고 가공 품질을 향상시킬 수 있습니다. 초음파 진동 보조 가공 기술은 니켈 기반 합금, TiMMC 및 세라믹 매트릭스 복합재와 같은 가공하기 어려운 재료에 널리 사용되었습니다.
WU et al. [32]는 PTMC에 대해 축 방향 초음파 진동 보조 연삭 시험을 수행했으며 초음파 작용 하에서 연마 입자의 절단 궤적이 증가하고 연마 입자가 표면 거칠기를 줄이기 위해 공작물 표면을 반복적으로 누르는 것을 발견했습니다. 값. YUE et al. [33]은 PTMC 단일 연마 입자의 초음파 진동 보조 연삭 테스트를 수행하여 일반 연삭과 초음파 연삭이 다른 연삭 속도와 이송 속도에서 재료 제거 속도에 미치는 영향을 비교하고 초음파 절단 두께 모델을 확립했습니다. 작동 중인 단일 연마 입자는 초음파 진동이 연마 입자의 미세 파손을 유발할 가능성이 더 높으며, 이는 절삭날의 상태를 지속적으로 업데이트하고 항상 연마 입자의 선명도를 유지할 수 있음을 보여줍니다. ZHAOet al. [34]는 자체 제작한 방사형 진동 플랫폼(그림 6 참조)을 사용하여 PTMC에 대한 초음파 진동 보조 연삭 테스트를 수행하고 일반 연삭 테스트와 비교했습니다. 일반 연삭과 비교하여 초음파 진동 보조 연삭은 연삭 온도를 24.2%에서 51.8%까지 낮출 수 있으며 동시에 재료 제거율을 2.8배까지 높일 수 있습니다.
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그림 6 방사형 진동 초음파 플랫폼 및 진동 측정 장치
BEIJANI et al. [35]는 전통적인 터닝을 기반으로 처음으로 TiMMC를 처리하기 위해 레이저 보조 가공(LAM)을 사용했습니다(그림 7 참조). 결과는 기존 가공과 비교하여 공작물의 표면 거칠기 값이 15% 증가하지만 LAM 공구의 총 절삭량은 180% 증가하고 공구 수명이 효과적으로 향상됨을 보여줍니다. 균열보다는 매트릭스의 입자.
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a) 개략도
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b) 실제 장치
그림 7 레이저 보조 처리 테스트 장치
04
적층 제조 공정
레이저 적층 제조 기술은 복잡한 구조 부품을 직접 제조할 수 있어 TiMMC 제조에 큰 적용 가능성을 보여줍니다. BANERJEEet al. [36] 레이저 스테레오포밍 처리 기술(LENSTM)을 사용하여 TiB/TC4 복합재를 성공적으로 처리했으며, 증착된 복합재의 미세 구조를 자세히 특성화하기 위해 주사 전자 현미경과 투과 전자 현미경을 사용했습니다. 결과는 준비된 방법이 TiB/TC4 복합 미세 구조가 상당히 개선되고 열역학적으로 안정적이라는 것을 보여주었습니다. 유사하게, GU et al. [37]은 준비된 TiC/Ti 복합 분말을 가공하기 위해 선택적 레이저 용융(SLM)을 사용했으며 TiC 입자 강화 TiAl3(주상) 및 Ti3AlC2(2차 상) 매트릭스 복합재를 얻었다. 밀링된 분말에 비해 약간의 입자 성장에도 불구하고 SLM 처리 복합재는 여전히 미세한 미세 구조를 나타냅니다. [38] 사전 합금(Ti-6Al-4V + B4C)으로 구성된 분말 원료에서 다양한 부피 분율(TiB + TiC)을 포함하는 PTMC를 준비하기 위해 직접 금속 증착(DMD) 레이저 가공 기술을 사용했습니다. ) 분말 혼합물. 기계 연구에 따르면 20-600도에서 B4C를 함유한 입자 강화 TiMMC의 비커스 경도는 10% -15% 증가하고 영률은 10% 증가합니다. DMD 레이저 가공 기술에 의한 TiMMC의 준비는 그림 8에 나와 있습니다.
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Fig.8 DMD 레이저 가공 기술로 제작된 TiMMC의 개략도
05
단조
단조는 제련 과정에서 재료의 느슨한 결함을 제거하고 미세 구조를 효과적으로 미세 조정하며 구조와 성능에 맞는 고품질 단조품을 얻을 수 있습니다.
관련 해외 학자들은 열간 단조가 Ti-TiB 매트릭스 복합재의 미세 구조 및 인장 특성에 미치는 영향을 연구했습니다. 연구에 따르면 단조된 Ti-13.3B 및 Ti-7B 복합재의 실온 연신율은 각각 6.1% 및 5.2%에 도달하고 재료 특성이 효과적으로 개선되는 것으로 나타났습니다. 국내 학자 Hu Jiarui et al. 소결된 TiC의 단조된 PTMC는 단조 후 PTMC의 구조적 결함이 제거되고 동적 재결정이 발생하며 실온에서의 기계적 특성이 향상되었다. TiC 입자 강화 TiMMC의 인장 파괴 SEM 형태는 그림 9에 나와 있습니다. 동시에 개선된 매트릭스 구조로 인해 단조 후 PTMC의 내마모성이 향상됩니다. 같은
[40] 5%(TiB + TiC)/Ti-1100 복합 재료의 기계적 특성을 비교 분석했습니다. 500-650도에서 주물복합재료는 취성파괴, 단조복합재료는 연성파괴로 단조후 복합재료의 강도와 연신율이 크게 증가하였다.
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a) 소결(매트릭스 관통균열) b) 소결(입계균열 및 입계균열)
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c) -단조 d) (더하기)-단조
그림 9 TiC 입자로 강화된 TiMMC의 인장 파괴 SEM 형태
06
결론
강화 단계의 존재로 인해 TiMMC는 기존 티타늄 합금과 다른 기계적 특성 및 가공 메커니즘을 나타냅니다. 앞으로 TiMMC의 처리는 다음과 같은 측면에서 발전할 것입니다.
(1) 가공기술 향상 TiMMC의 가공기술은 지속적으로 향상되어 생산효율과 제품의 품질을 향상시킬 것입니다. 절삭력과 공구 마모를 줄이고 TiMMC 이종 구성 요소의 시너지 제거를 실현하기 위해 새로운 절삭 공구 및 가공 방법이 개발될 것입니다.
(2) 여러 가공 기술의 조합 TiMMC는 실온 소성이 좋지 않으며 고온 초소성 변형, 열간 단조 및 열간 압출 변형과 같은 다양한 열처리 방법을 사용하여 TiMMC를 포괄적으로 처리하면 TiMMC의 다양한 응용 가능성을 극대화할 수 있습니다. 필드.
(3) 신소재 개발 과학기술의 발전에 따라 새로운 TiMMC의 성능은 더욱 향상되고 응용분야는 더욱 넓어질 것입니다. 예를 들어, 나노-TiMMC, 다기능 TiMMC 및 고온 내구성 TiMMC는 TiMMC 개발을 더욱 촉진할 것입니다.
(4) 지속 가능성 및 환경 보호 지속 가능성 및 환경 보호는 TiMMC를 처리할 때 주요 고려 사항이 될 것입니다. 보다 환경 친화적인 가공 방법의 개발, 폐 복합 재료의 재활용 및 에너지 소비 감소는 향후 개발 방향이 될 것입니다.
(5) Multi-field application TiMMCs는 더 많은 분야에 적용될 것입니다. 기존 항공 우주 및 자동차 산업 외에도 의료, 에너지 및 건설 분야에서도 TiMMC의 응용 가능성을 계속 탐색할 것입니다.
