L'état de la recherche et les progrès de la technologie de traitement des composites à matrice de titane (TiMMC) ont été examinés sous l'angle du traitement mécanique traditionnel, du traitement des champs d'énergie composite, du traitement de forgeage et de la fabrication additive. Caractéristiques des TiMMC traitées par différentes techniques de traitement. Visant les principaux problèmes de la recherche actuelle, la tendance de développement de la technologie de traitement TiMMCs à l'avenir est prospectée.
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Ingénieur principal de niveau chercheur Wang Guangping
01
préambule
Le titane et ses alliages sont largement utilisés dans les domaines aérospatial, pétrochimique, marin et médical en raison de leurs excellentes propriétés telles qu'une résistance spécifique élevée, une excellente résistance à la corrosion chimique et une bonne biocompatibilité [1-4]. Cependant, le module de Young, la résistance à l'usure et la résistance à la chaleur des alliages de titane sont inférieurs à ceux de l'acier et des alliages à base de nickel, ce qui limite leurs applications ultérieures dans les domaines automobile et aérospatial [5-8]. L'émergence des composites à matrice de titane (TiMMC) offre une nouvelle alternative pour surmonter les problèmes ci-dessus. Le TiMMCs est un matériau composite composé de titane et de ses alliages comme matrice et de céramiques (particules, trichites, fibres courtes et fibres longues continues) comme phase de renforcement (voir Figure 1).
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a) Composites continus à matrice de titane renforcé de fibres longues
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b) Composites à base de titane renforcés de particules c) Composites à base de titane renforcés de whiskers/fibres courtes
Figure 1 Schéma de principe des TiMMC avec différents types de phases de renforcement
Tout en conservant les excellentes propriétés de la matrice, les TiMMC peuvent également obtenir des propriétés complètes qui ne peuvent pas être atteintes par une seule phase ou matrice de renforcement grâce à la complémentarité et à la corrélation des propriétés de la fibre et de la matrice. Par exemple, la limite d'élasticité du composite (TiC plus Ti5Si3)/Ti préparé par HUO et al. [9] est aussi élevée que 829 MPa, soit 178 % de plus que celle du titane pur, tout en maintenant un allongement élevé de 8,1 % et en ayant une résistance élevée et une plasticité moyenne. Par rapport aux composites TiC/Ti laminés, la résistance et la ductilité des TiMMC sont simultanément améliorées, ce qui se traduit par une excellente performance synergique résistance-ductilité. Le module spécifique élevé des TiMMC est le principal facteur favorisant sa large application dans le fuselage des avions, tandis que la résistance spécifique élevée est la force motrice pour promouvoir son application dans l'industrie des moteurs [10]. Par exemple, les États-Unis ont pris l'initiative d'utiliser des composites à base de titane renforcés de particules pour fabriquer des pièces de moteurs d'avions. Les pales de rotor composites à base de titane renforcé de particules développées par les États-Unis ont été appliquées avec succès, ce qui non seulement améliore les performances des pales de rotor, mais réduit également l'aviation. Le coût de fabrication du moteur a chuté jusqu'à 60 $,000 [11]. La Boeing Aircraft Company des États-Unis a développé une bielle de train d'atterrissage d'avion composite à base de titane renforcé de particules, qui non seulement a une augmentation significative de la température de service, mais réduit également la masse de près de 40% par rapport à celle avant l'amélioration , et a été appliqué avec succès sur l'avion Boeing 787[12] . L'Atlantic Research Center des États-Unis a développé avec succès un matériau composite à base de titane renforcé de particules pour les trains d'atterrissage d'hélicoptères, et il a été appliqué avec succès. Par rapport aux matériaux traditionnels, le poids est fortement réduit [13]. Le Centre français de recherche aéronautique et la société britannique Rolls-Royce ont utilisé des composites à matrice de titane renforcé de particules pour préparer des aubes de moteurs d'avion et ont obtenu du succès [14, 15]. Dans le domaine automobile, les exigences en matière de structures légères ne cessent d'augmenter, ce qui favorise grandement l'application des TiMMC. Toyota Corporation du Japon a utilisé pour la première fois des matériaux composites BTi/Ti pour les soupapes d'échappement automobiles, les soupapes d'échappement de moteurs automobiles et d'autres pièces, les soupapes de moteur, etc. La masse totale est réduite de près de 40 % et présente les avantages d'une durée de vie élevée et d'un faible coût. [16]. Dans le même temps, des pays tels que l'Europe et les États-Unis ont également commencé à utiliser des matériaux composites à base de titane renforcés de particules pour remplacer les matériaux en acier traditionnels pour fabriquer des pièces principales d'automobiles, afin de réduire le poids des automobiles et d'améliorer encore le performances des automobiles [17]. La plage d'application des TiMMC est illustrée à la figure 2.
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Figure 2 Domaine d'application des TiMMC
En raison de la complexité de la composition des matériaux, les TiMMC sont beaucoup plus difficiles à traiter que les matériaux d'ingénierie conventionnels et constituent un nouveau type de matériau difficile à traiter. Pendant ce temps, bien que les TiMMC contenant des renforts uniformément répartis ou des renforts discontinus présentent généralement une résistance plus élevée, la ductilité et la ténacité par rapport à la matrice pure sont inévitablement compromises [18]. Par exemple, même avec du TiC et du Ti5Si3 in situ, les données de traction montrent que l'allongement à la rupture chute fortement de 17,2 % à 1,53 % lorsque l'augmentation de la limite d'élasticité du matériau composite atteint 410 MPa, ce qui impose des exigences plus élevées à la technologie de traitement [19 ]. Par conséquent, la façon d'obtenir un traitement à haut rendement et à faible dommage des TiMMC est devenue un point chaud de la recherche dans le domaine du traitement des matériaux composites.
Les méthodes de traitement courantes des TiMMC comprennent l'usinage, le forgeage, le moulage et la fabrication additive [20]. L'usinage repose sur la force mécanique pour modifier la forme des matériaux, ce qui permet de réaliser efficacement la production de masse et le traitement par lots. C'est l'une des méthodes de traitement à froid les plus couramment utilisées. Il peut atteindre des dimensions et des exigences de qualité de surface de haute précision, et convient à divers types de matériaux, y compris les matériaux composites. traitement des matériaux. Les opérations d'usinage courantes comprennent la coupe, le perçage, le fraisage et le meulage. Le forgeage, le moulage et la fabrication additive sont des processus de traitement thermique typiques qui peuvent améliorer les propriétés mécaniques et la structure des matériaux composites [21]. De plus, lors du choix d'une technologie de traitement appropriée pour traiter les TiMMC, il est nécessaire de prendre en compte de manière exhaustive les différentes caractéristiques de chaque composant du matériau composite, ainsi que l'usure et la dilatation thermique entre le matériau composite et l'outil de traitement, afin de obtenir des pièces TiMMCs avec d'excellentes performances.
Dans cet article, la technologie de traitement actuelle des TiMMC est examinée et le traitement futur des TiMMC est prospecté, afin de fournir un support théorique pour l'application haute performance des TiMMC.
02
Usinage
En raison des limites de la technologie de préparation des TiMMC, l'usinage reste un processus indispensable dans la fabrication des TiMMC. Comparé au matériau de la matrice, le renforcement a une dureté plus élevée, une résistance plus élevée et un traitement plus difficile, et il y aura des problèmes tels que la fragmentation de la phase de renforcement, l'arrachement et le décollement pendant le traitement. Le processus de coupe des TiMMC a été étudié en profondeur en termes d'optimisation et d'autres aspects.
2.1 Usinage
Visant le manque de recherche systématique sur les performances de coupe telles que le mécanisme d'usure de l'outil, la force de coupe et les changements de température de coupe dans le processus de coupe des TiMMC, Bian Weiliang [22] a mené des recherches sur les performances de différents outils de tournage (TiCp plus TiB w) /TC4. Le diamant monocristallin et le carbure cémenté sont utilisés dans le traitement des matériaux. Dans les mêmes conditions de coupe, la durée de vie de l'outil PCD est plus longue. Lorsque l'outil diamant monocristallin coupe des TiMMC, l'usure de l'outil provient principalement du grattage répété de l'amélioration de la dureté élevée par rapport à l'outil. Lors de la découpe de l'alliage TC4 seul, l'alliage de titane est lié à l'outil et l'usure provoquée par la diffusion des éléments de matière de traitement vers l'outil est plus importante. Lors de l'usinage de TiMMC avec des outils en carbure cémenté, la diffusion et la liaison du matériau de la pièce sont également évidentes.
Afin d'explorer davantage l'influence des paramètres de coupe et des méthodes de lubrification sur les caractéristiques d'usinage, NIKNAM et al. [23] ont réalisé des expériences de tournage à sec et semi-sec sur des composites à matrice de titane renforcé de particules (PTMC) et ont analysé la force de coupe sous différents paramètres de coupe. , la rugosité de surface et le comportement d'élimination des particules. Les résultats montrent que la force de coupe est plus grande dans des conditions semi-sèches et qu'un film de lubrifiant sera produit, ce qui entrave le bon déroulement de la coupe.
DUONG et al. [24] ont étudié le comportement initial de l'usure de l'outil lors du tournage des TiMMC et ont constaté que l'usure est le mécanisme le plus important dans la coupe des TiMMC, et que la diffusion et l'adhérence ont été trouvées dans toutes les conditions. Et une nouvelle forme d'usure de couche mince dure a été trouvée dans le processus d'usinage, ce qui dans ce cas conduirait à une usure par diffusion et à une tumeur mécanique. Différent des PTMC, les composites à matrice de titane renforcés de fibres continues ont une anisotropie unique en raison de la continuité des fibres. Afin de clarifier le mécanisme de coupe des composites à matrice de titane renforcé de fibres continues, ZAN[25] et al. Le test de coupe orthogonale SiCf/Ti-6Al-4V a obtenu le comportement de formation de copeaux et le mécanisme de déformation du matériau composite à basse température, température ambiante et haute température, et a constaté que par rapport à la formation de bande de cisaillement adiabatique pendant le processus de coupe de l'alliage de titane, SiCf/Ti La largeur de la dent de scie -6Al-4V est plus grande. La figure 3 est un diagramme schématique de la coupe en couches alternées SiCf/Ti-6Al-4V à différentes températures.
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a) Cryogénique (CT)
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b) Température ambiante (TA)
Fig.3 Schéma de coupe de couches alternées de composites à matrice de titane renforcé de fibres à différentes températures
2.2 Broyage
Le meulage repose sur de nombreux grains abrasifs à la surface de la meule pour couper simultanément la pièce afin d'enlever de la matière, ce qui convient à l'usinage de précision et d'ultra-précision des matériaux. DING et al. [26, 27] ont établi un modèle tridimensionnel par éléments finis du processus de broyage afin de comprendre le comportement d'enlèvement de matière de TiCp/Ti-6Al-4V lors d'un broyage conventionnel et d'un broyage à grande vitesse, et sur la base du modèle d'éléments finis, discuté du comportement d'enlèvement de matière. Le comportement d'enlèvement et l'effet de la vitesse de meulage sur la formation des caractéristiques de surface usinées (voir Figure 4). Les résultats montrent que le comportement d'enlèvement de matière lors du meulage de TiCp/Ti-6Al-4V peut être divisé en enlèvement ductile du matériau de la matrice métallique et en enlèvement cassant des particules renforcées de TiC. De même, LIU et al. [28] ont conclu que l'enlèvement de matière dans le broyage à grande vitesse des PTMC peut être divisé en quatre étapes : élimination du plastique de la matrice d'alliage, initiation des fissures dans les particules améliorées, propagation des fissures dans les particules améliorées et rupture fragile des particules améliorées. Par rapport à la vitesse de meulage, l'épaisseur des copeaux non déformés a une plus grande influence sur la formation de défauts de surface usinés. Sur cette base, LI et al. [29, 30] ont étudié les performances de meulage de la meule CBN électrolytique monocouche et de la meule CBN brasée pour les PTMC (voir Figure 5). Les résultats ont montré que la meule CBN brasée monocouche est plus appropriée que la meule électrolytique pour le meulage à grande vitesse des PTMC. Liu Chaojie et al. [31] ont analysé le modèle de force de meulage du meulage latéral des PTMC au moyen d'une simulation. Lors du retrait de la matrice, la fluctuation de la force de meulage est régulière. Lors du retrait des particules renforcées de TiC, des fissures apparaîtront et se développeront à la surface du matériau. Il y a aussi des copeaux massifs enlevés sur la surface, et la fluctuation de la force de meulage dans la zone où les particules renforcées sont enlevées est importante. De plus, les forces de meulage normales et tangentielles augmentent avec l'augmentation de l'épaisseur du copeau abrasif unique.
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a) Simulation des PTMC de rectification ordinaire
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b) Résultats des tests des PTMC de meulage ordinaire
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c) Simulation de PTMC de meulage à grande vitesse
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d) Résultats expérimentaux du broyage à grande vitesse des PTMC
Fig. 4 Résultats de simulation et de test du comportement d'élimination des PTMC à différentes vitesses
(vs=3m/min, ap=0.010mm)
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a) Meulage avec meule CBN électrolytique
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b) Rectification avec meule brasée CBN
Figure 5 Comparaison de la meule CBN électrolytique et de la meule CBN brasée pour le meulage des PTMC
03
Traitement de champ d'énergie composite
Le meulage assisté par vibration ultrasonique est une technologie de traitement composé qui introduit la vibration ultrasonique dans la technologie de meulage traditionnelle pour réduire la température de coupe et améliorer la qualité du meulage. Dans l'usinage assisté par vibration ultrasonique, l'état de contact entre l'outil et la pièce change en raison des vibrations à haute fréquence, et l'outil et la pièce sont en contact intermittent, accompagnés d'effets de cavitation et d'impacts à haute fréquence, de sorte que le contact entre la pièce et l'outil La force de frottement est réduite, réduisant ainsi la chaleur de coupe et la force de coupe, et peut augmenter la durée de vie de l'outil et améliorer la qualité de traitement. La technologie d'usinage assistée par vibration ultrasonique a été largement utilisée dans les matériaux difficiles à usiner tels que les alliages à base de nickel, les TiMMC et les composites à matrice céramique.
WU et al. [32] ont effectué un test de meulage assisté par vibration ultrasonore axiale sur des PTMC et ont constaté que sous l'action des ultrasons, la trajectoire de coupe des grains abrasifs augmente et que les grains abrasifs appuient à plusieurs reprises sur la surface de la pièce pour réduire la rugosité de surface valeur. YUE et al. [33] ont effectué le test de meulage assisté par vibration ultrasonique du grain abrasif simple PTMC, comparé l'influence du meulage ordinaire et du meulage par ultrasons sur le taux d'enlèvement de matière à différentes vitesses de meulage et différentes vitesses d'avance, et ont établi le modèle d'épaisseur de coupe d'un Un seul grain abrasif sous l'action montre que la vibration ultrasonique est plus susceptible de provoquer une micro-casse des grains abrasifs, ce qui peut mettre à jour en permanence l'état du tranchant et maintenir la netteté des grains abrasifs à tout moment. ZHAO et al. [34] ont utilisé une plate-forme de vibration radiale auto-fabriquée (voir la figure 6) pour effectuer un test de meulage assisté par vibration ultrasonique sur des PTMC et l'ont comparé avec le test de meulage ordinaire. Par rapport au meulage ordinaire, le meulage assisté par vibration ultrasonique peut réduire la température de meulage de 24,2 % à 51,8 %, et en même temps, le taux d'enlèvement de matière peut être augmenté de 2,8 fois.
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Figure 6 Plate-forme à ultrasons à vibrations radiales et appareil de mesure des vibrations
BEIJANI et al. [35] ont utilisé l'usinage assisté par laser (LAM) pour traiter les TiMMC pour la première fois sur la base du tournage traditionnel (voir Figure 7). Les résultats montrent que par rapport à l'usinage conventionnel, bien que la valeur de rugosité de surface de la pièce augmente de 15 %, le volume de coupe total de l'outil LAM augmente de 180 % et la durée de vie de l'outil est effectivement améliorée, ce qui est attribué au transfert de particules dans la matrice plutôt que de se fracturer.
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a) Schéma de principe
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b) Appareil réel
Figure 7 Dispositif de test de traitement assisté par laser
04
Traitement de fabrication additive
La technologie de fabrication additive laser peut fabriquer directement des pièces structurelles complexes, offrant de grandes perspectives d'application dans la fabrication de TiMMC. BANERJEE et al. [36] ont traité avec succès des composites TiB/TC4 à l'aide de la technologie de traitement par stéréoformage laser (LENSTM) et ont utilisé la microscopie électronique à balayage et la microscopie électronique à transmission pour caractériser en détail la microstructure des composites déposés. Les résultats ont montré que la méthode préparée La microstructure du composite TiB/TC4 est significativement raffinée et thermodynamiquement stable. De même, GU et al. [37] ont utilisé la fusion laser sélective (SLM) pour traiter la poudre composite TiC/Ti préparée et ont obtenu des composites à matrice TiAl3 (phase principale) et Ti3AlC2 (phase secondaire) renforcés par des particules de TiC. Malgré une légère croissance des grains par rapport à la poudre broyée, le composite traité SLM présente toujours une microstructure fine. [38] ont utilisé la technologie de traitement laser par dépôt direct de métal (DMD) pour préparer des PTMC contenant différentes fractions volumiques (TiB plus TiC) à partir de matières premières en poudre composées de (Ti-6Al-4V plus B4C ) mélanges de poudres. Des études mécaniques ont montré qu'à 20-600 degré, la dureté Vickers des TiMMC renforcés de particules contenant du B4C augmente de 10 % -15 % et le module de Young augmente de 10 %. La préparation des TiMMC par la technologie de traitement au laser DMD est illustrée à la figure 8.
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Fig.8 Schéma de principe des TiMMC préparés par la technologie de traitement laser DMD
05
Forger
Le forgeage peut éliminer les défauts lâches des matériaux pendant le processus de fusion, affiner efficacement la microstructure et obtenir des pièces forgées de haute qualité qui correspondent à la structure et aux performances.
Les chercheurs étrangers concernés ont étudié l'effet du forgeage à chaud sur la microstructure et les propriétés de traction des composites à matrice Ti-TiB. Des études ont montré que l'allongement à température ambiante des composites forgés Ti-13.3B et Ti-7B atteint respectivement 6,1 % et 5,2 %, et les propriétés du matériau sont efficacement améliorées. Le chercheur domestique Hu Jiarui et al. [39] ont forgé des PTMC de TiC fritté générés in situ, et les défauts structurels des PTMC après forgeage ont été éliminés, une recristallisation dynamique s'est produite et les propriétés mécaniques à température ambiante ont été améliorées. La morphologie SEM de rupture de traction des TiMMC renforcés de particules de TiC est illustrée à la Fig. 9. Dans le même temps, en raison de la structure améliorée de la matrice, la résistance à l'usure des PTMC après forgeage est améliorée. même
[40] ont comparé et analysé les propriétés mécaniques de matériaux composites à 5 % (TiB plus TiC)/Ti-1100. À 500-650 degré, le matériau composite coulé était une rupture fragile et le matériau composite forgé était une rupture ductile, et la résistance et l'allongement du matériau composite après forgeage sont considérablement augmentés.
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a) Frittage (fissures pénétrant dans la matrice) b) Frittage (fissures intergranulaires et fissures de grains
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c) - forgeage d) ( plus ) - forgeage
Fig.9 Morphologie SEM de rupture de traction des TiMMC renforcés par des particules de TiC
06
conclusion
En raison de la présence de phases de renforcement, les TiMMC présentent des propriétés mécaniques et des mécanismes de traitement différents des alliages de titane traditionnels. À l'avenir, le traitement des TiMMCs se développera dans les aspects suivants.
(1) Amélioration de la technologie de traitement La technologie de traitement des TiMMC sera continuellement améliorée pour améliorer l'efficacité de la production et la qualité des produits. De nouveaux outils de coupe et de nouvelles méthodes de traitement seront développés pour réduire les forces de coupe et l'usure des outils, et pour réaliser l'élimination synergique des composants hétérogènes des TiMMC.
(2) Combinaison de plusieurs technologies de traitement Les TiMMC ont une faible plasticité à température ambiante, et le traitement complet des TiMMC en utilisant diverses méthodes de traitement thermique telles que la déformation superplastique à haute température, le forgeage à chaud et la déformation par extrusion à chaud peut maximiser le potentiel d'application des TiMMC dans divers des champs.
(3) Développement de nouveaux matériaux Avec les progrès de la science et de la technologie, de nouveaux TiMMC seront développés avec des performances plus élevées et des champs d'application plus larges. Par exemple, les nano-TiMMC, les TiMMC multifonctionnels et les TiMMC durables à haute température favoriseront davantage le développement des TiMMC.
(4) Durabilité et protection de l'environnement La durabilité et la protection de l'environnement deviendront des considérations clés lors du traitement des TiMMC. Le développement de méthodes de traitement plus respectueuses de l'environnement, le recyclage des déchets de matériaux composites et la réduction de la consommation d'énergie seront les orientations futures du développement.
(5) Les applications TiMMC multi-domaines seront appliquées dans plus de domaines. Outre les industries aérospatiale et automobile existantes, les domaines de la médecine, de l'énergie et de la construction continueront également d'explorer le potentiel d'application des TiMMC.
