تحلیل کاربرد فناوری پوشش در پردازش آلیاژ تیتانیوم

ویژگی ها و کاربردهای آلیاژ تیتانیوم

بر اساس سری خواص عالی فوق، آلیاژهای تیتانیوم برای اولین بار در هوانوردی استفاده شدند. در سال 1953، شرکت داگلاس ایالات متحده برای اولین بار مواد حاوی تیتانیوم را روی ناسل موتور DC2T و دیواره های آتش اعمال کرد و نتایج خوبی به دست آورد. در زمینه هوافضا، آلیاژ تیتانیوم برای اولین بار به عنوان یک ماده کلیدی در فن، کمپرسور، پوست، بدنه و ارابه فرود موتورهای هواپیما استفاده شد که منجر به کاهش وزن کلی حدود 30 تا 35 درصد شد. آلیاژ تیتانیوم همچنین با موفقیت در پوسته‌های مقاوم در برابر فشار، سیستم‌های لوله‌کشی آب دریا، کندانسورها و مبدل‌های حرارتی، تیغه‌ها، پروانه‌ها و محورهای اگزوز فن‌ها، فنرها، تجهیزات اطفای حریق بر روی ناوهای هواپیمابر، ملخ‌ها، دستگاه‌های رانش جت آب، سکان‌ها و سایر اجزای دریایی استفاده شده است. زیردریایی های هسته ای علاوه بر این، آلیاژ تیتانیوم به دلیل زیست سازگاری عالی، مقاومت در برابر خوردگی، خواص مکانیکی و پردازش پذیری، به مناسب ترین ماده فلزی زیست پزشکی تبدیل شده است و با موفقیت در مفاصل زانو مصنوعی، مفاصل فمور، ایمپلنت های دندانی، ریشه دندان و فلز پروتز استفاده می شود. پشتیبانی می کند. در این میان آلیاژهای Ti6Al4V و Ti3Al{7}}.5V به دلیل شکل‌پذیری خوب در سرما، مقاومت در برابر خوردگی و خواص مکانیکی معمولاً به عنوان مواد جایگزین برای استخوان ران و استخوان ساق در عمل بالینی استفاده می‌شوند.
مشکلات در پردازش آلیاژ تیتانیوم
(1) ضریب تغییر شکل کوچک: این یک ویژگی برجسته در فرآیند برش مواد آلیاژ تیتانیوم است. در طول فرآیند برش، سطح تماس بین تراشه ها و سطح برش جلویی بیش از حد بزرگ است و تراشه ها در سطح برش جلوی ابزار بسیار طولانی تر از تراشه های مواد عمومی حرکت می کنند. چنین راه رفتن طولانی مدت می تواند باعث ساییدگی شدید ابزار شود و همچنین اصطکاک در طول فرآیند راه رفتن رخ می دهد که منجر به افزایش دمای ابزار می شود.
(2) دمای برش بالا: از یک طرف، ضریب تغییر شکل کوچک که قبلا ذکر شد می تواند منجر به افزایش جزئی دما شود. دلیل اصلی بالا بودن دمای برش در فرآیند برش آلیاژ تیتانیوم این است که رسانایی حرارتی آلیاژ تیتانیوم بسیار کم است و طول تماس بین تراشه ها و سطح برش جلوی ابزار کوتاه است. تحت این عوامل، گرمای تولید شده در طول فرآیند برش به سختی دفع می شود و عمدتاً در نزدیکی نوک ابزار جمع می شود و باعث می شود دمای محلی بیش از حد بالا باشد.
(3) هدایت حرارتی آلیاژ تیتانیوم بسیار کم است: گرمای تولید شده توسط برش به راحتی دفع نمی شود. فرآیند تراشکاری آلیاژ تیتانیوم یک فرآیند با تنش و کرنش بالا است که مقدار زیادی گرما تولید می کند. گرمای زیاد تولید شده در حین ماشینکاری نمی تواند به طور موثر پخش شود. در عین حال طول تماس بین لبه برش ابزار و براده ها کوتاه است که باعث می شود مقدار زیادی گرما روی لبه برش جمع شود. دما به شدت افزایش می یابد، تیغه نرم می شود و سایش ابزار تسریع می شود.
(4) خواص شیمیایی آلیاژهای تیتانیوم قابل توجه است: در دماهای بالا، آلیاژهای تیتانیوم به راحتی با مواد ابزار واکنش می دهند و تشکیل شیارهای هلالی شکل را تسریع می کنند. با این حال، فرآیند برش آلیاژهای تیتانیوم اساساً در دماهای بالا انجام می شود. هنگامی که دمای برش به حد معینی می رسد، مولکول هایی مانند نیتروژن و اکسیژن موجود در هوا به راحتی می توانند تحت واکنش های شیمیایی با مواد تیتانیوم قرار گیرند و در نتیجه پوستی شکننده و سخت ایجاد شود. علاوه بر این، تغییر شکل پلاستیکی که بر روی سطح ماشینکاری شده قطعه کار در طی فرآیند برش مواد تیتانیوم ایجاد می‌شود، منجر به سخت شدن سرد می‌شود و در نتیجه روی سطح ماشینکاری شده مواد قطعه کار سخت می‌شود. این پدیده ها می توانند سایش ابزارهای برش را تشدید کنند و مقاومت خستگی مواد تیتانیوم را کاهش دهند.
(5) ابزارهای برش مستعد ساییدگی هستند: سایش ابزارهای برش نتیجه بسیاری از عوامل جامع است. در طول فرآیند برش مواد آلیاژی تیتانیوم، ایجاد شکستگی ابزار آسان است. مواد تیتانیوم به طور کلی میل شیمیایی قوی بین مواد ابزار تحت شرایط دمای بالا نشان می دهند. علاوه بر این، ابزارهای برش و مواد آلیاژ تیتانیوم مستعد اتصال در دماهای بالا هستند که منجر به عمر کوتاه ابزارهای برش می شود. بنابراین هنگام برش مواد آلیاژی تیتانیوم دو جنبه وجود دارد که باید به آن توجه کرد که عبارتند از حفظ دمای برش پایین و افزایش سفتی ابزار / ماده در حال برش. ابزارهای روکش دار یکی از راه های بهبود سفتی ابزار هستند.
وضعیت فعلی پوشش در ابزارهای برش آلیاژ تیتانیوم
به دلیل فعالیت شیمیایی بالا و هدایت حرارتی کم آلیاژهای تیتانیوم، دمای برش در طول فرآیند برش بالا است، واکنش شیمیایی شدید است و ابزار به سرعت از کار می‌افتد و در نتیجه عمر ابزار کوتاه و هزینه‌های پردازش بالا می‌رود. علل سایش ابزار شامل اصطکاک مکانیکی و واکنش های فیزیکی و شیمیایی تحت نیروهای برش و دمای برش است. در پاسخ به دشواری برش آلیاژهای تیتانیوم، مواد ابزار انتخاب شده باید الزامات سختی بالا، استحکام بالا، هدایت حرارتی بالا، پایداری شیمیایی و سختی قرمز خوب را برآورده کند [10]. در حال حاضر در صنعت به عنوان بهترین ابزار برش الماس برای پردازش آلیاژهای تیتانیوم شناخته شده است، اما به دلیل قیمت بالای آن، ابزارهای برش با پوشش آلیاژ سخت همچنان بر بازار برش آلیاژ تیتانیوم تسلط دارند.
تئوری سنتی برش معتقد است که ابزارهای برش پوشش داده شده برای پردازش آلیاژهای تیتانیوم مناسب نیستند. این به این دلیل است که بیشتر پوشش‌های سنتی پوشش‌های TiC دوتایی یا TiCN سه‌گانه هستند و عنصر Ti در پوشش مستعد نزدیکی با قطعه کار است که منجر به خرابی سریع ابزار می‌شود. Ezugwn و همکاران. از پوشش‌های CrN و TiCN روی بسترهای فولادی پرسرعت و ابزار آلیاژ سخت تنگستن کبالت بدون پوشش برای برش آلیاژ تیتانیوم TC4 استفاده کرد. این مطالعه نشان داد که عمر ابزارهای با پوشش CrN بیشتر از ابزارهای پوشش داده شده TiCN و ابزار آلیاژ سخت بدون پوشش است. در همان زمان، آزمایش‌های برش بر روی آلیاژ تیتانیوم Ti6A14V با استفاده از پوشش تک لایه TiN و پوشش چند لایه TiN/TiCN/TiN تحت شرایط برش یکسان انجام شد. نتایج نشان داد که دمای تولید شده در حین برش ابزارهای چندلایه کمتر از پوشش‌های تک لایه و طول عمر ابزار نیز بالاتر از پوشش‌های تک لایه است.
در سال‌های اخیر، به دلیل بلوغ و پیشرفت مداوم فرآیندها و روش‌های آماده‌سازی پوشش خارجی، ترکیب پوشش‌های ابزار به تدریج متنوع‌تر شده و حتی مناسب‌ترین ماده پوشش برای هر ماده قطعه کار وجود دارد. علاوه بر این، پوشش‌هایی با عملکرد بهتر مانند پوشش‌های نرم، پوشش‌های فوق سخت، پوشش‌های چند لایه و پوشش‌های نانوکامپوزیت پدید آمده‌اند. بنابراین، ابزارهای روکش شده بیشتری برای برش با سرعت بالا آلیاژهای تیتانیوم اعمال شده و برتری خوبی از خود نشان داده اند. شکل 2 ابزارهای پوشش داده شده با آلیاژ سخت متداول در سال های اخیر را نشان می دهد.