Toepassingsanalyse van coatingtechnologie bij de verwerking van titaniumlegeringen

Kenmerken en toepassingen van titaniumlegering

Op basis van de bovenstaande reeks uitstekende eigenschappen werden titaniumlegeringen voor het eerst toegepast in de luchtvaart. In 1953 bracht Douglas Company uit de Verenigde Staten voor het eerst titaniumhoudende materialen aan op de DC2T-motorgondel en brandwanden, waarmee goede resultaten werden behaald. In de lucht- en ruimtevaart werd titaniumlegering voor het eerst gebruikt als belangrijk materiaal in de ventilator, compressor, huid, romp en landingsgestel van vliegtuigmotoren, wat resulteerde in een totale gewichtsvermindering van ongeveer 30% tot 35%. Titaniumlegering is ook met succes toegepast in drukbestendige schalen, zeewaterleidingsystemen, condensors en warmtewisselaars, bladen, propellers en assen van afzuigventilatoren, veren, brandbestrijdingsapparatuur op vliegdekschepen, propellers, waterstraalvoortstuwingsapparaten, roeren en andere maritieme componenten van kernonderzeeërs. Bovendien is titaniumlegering vanwege de uitstekende biocompatibiliteit, corrosieweerstand, mechanische eigenschappen en verwerkbaarheid het meest geschikte biomedische metaalmateriaal geworden en met succes toegepast in kunstmatige kniegewrichten, femurgewrichten, tandheelkundige implantaten, tandwortels en kunstgebitmetaal. ondersteunt. Onder hen worden Ti6Al4V- en Ti3Al-2.5V-legeringen in de klinische praktijk vaak gebruikt als vervangingsmaterialen voor femur en tibia vanwege hun goede koude vervormbaarheid, corrosieweerstand en mechanische eigenschappen.
Moeilijkheden bij de verwerking van titaniumlegeringen
(1) Kleine vervormingscoëfficiënt: dit is een opvallend kenmerk bij het snijproces van materialen van titaniumlegeringen. Tijdens het snijproces is het contactoppervlak tussen de spanen en het voorste snijoppervlak te groot, en de spanen reizen veel langer over het voorste snijoppervlak van het gereedschap dan spanen van algemene materialen. Dergelijk langdurig lopen kan ernstige gereedschapsslijtage veroorzaken, en wrijving kan ook optreden tijdens het loopproces, wat leidt tot een verhoging van de temperatuur van het gereedschap.
(2) Hoge snijtemperatuur: Enerzijds kan de eerder genoemde kleine vervormingscoëfficiënt leiden tot een gedeeltelijke temperatuurstijging. De belangrijkste reden voor de hoge snijtemperatuur bij het snijproces van titaniumlegeringen is dat de thermische geleidbaarheid van titaniumlegeringen erg klein is en dat de contactlengte tussen de spanen en het voorste snijoppervlak van het gereedschap kort is. Onder deze factoren is de tijdens het snijproces gegenereerde warmte moeilijk af te voeren en hoopt deze zich voornamelijk op nabij de gereedschapspunt, waardoor de plaatselijke temperaturen te hoog worden.
(3) De thermische geleidbaarheid van een titaniumlegering is zeer laag: de warmte die wordt gegenereerd door het snijden wordt niet gemakkelijk afgevoerd. Het draaiproces van een titaniumlegering is een proces met hoge spanning en hoge spanning, dat een grote hoeveelheid warmte genereert. De hoge hitte die tijdens de bewerking wordt gegenereerd, kan niet effectief worden verspreid. Tegelijkertijd is de contactlengte tussen de snijkant van het gereedschap en de spanen kort, waardoor zich een grote hoeveelheid warmte op de snijkant ophoopt. De temperatuur stijgt scherp, het blad wordt zachter en de slijtage van het gereedschap versnelt.
(4) De chemische eigenschappen van titaniumlegeringen zijn aanzienlijk: bij hoge temperaturen reageren titaniumlegeringen gemakkelijk met gereedschapsmaterialen, waardoor de vorming van halvemaanvormige groeven wordt versneld. Het snijproces van titaniumlegeringen wordt echter in principe uitgevoerd bij hoge temperaturen. Wanneer de snijtemperatuur een bepaald niveau bereikt, kunnen moleculen zoals stikstof en zuurstof in de lucht gemakkelijk chemische reacties ondergaan met titaniummaterialen, wat resulteert in de vorming van een broze en harde huid. Bovendien leidt de plastische vervorming die optreedt op het bewerkte oppervlak van het werkstuk tijdens het snijproces van titaniummateriaal tot het optreden van koude verharding, resulterend in verharding op het bewerkte oppervlak van het werkstukmateriaal. Deze verschijnselen kunnen de slijtage van snijgereedschappen verergeren en de vermoeiingssterkte van titaniummaterialen verminderen.
(5) Snijgereedschappen zijn onderhevig aan slijtage: De slijtage van snijgereedschappen is het resultaat van vele veelomvattende factoren. Tijdens het snijproces van materialen van titaniumlegeringen is het gemakkelijk om gereedschapsbreuk te veroorzaken. Titaniummaterialen vertonen over het algemeen een sterke chemische affiniteit tussen gereedschapsmaterialen onder omstandigheden van hoge temperatuur. Bovendien zijn snijgereedschappen en materialen van titaniumlegeringen gevoelig voor hechting bij hoge temperaturen, wat leidt tot een korte levensduur van snijgereedschappen. Er zijn dus twee aspecten waar op gelet moet worden bij het snijden van materialen van titaniumlegeringen, namelijk het handhaven van een lage snijtemperatuur en het vergroten van de stijfheid van het gereedschap/materiaal dat wordt gesneden. Gecoate gereedschappen zijn een manier om de gereedschapsstijfheid te verbeteren.
Huidige status van coating op snijgereedschappen van titaniumlegeringen
Vanwege de hoge chemische activiteit en de lage thermische geleidbaarheid van titaniumlegeringen is de snijtemperatuur tijdens het snijproces hoog, is de chemische reactie intens en faalt het gereedschap snel, wat resulteert in een korte standtijd en hoge verwerkingskosten. De oorzaken van gereedschapslijtage zijn mechanische wrijving en fysische en chemische reacties onder snijkrachten en snijtemperaturen. Als reactie op de moeilijkheid bij het snijden van titaniumlegeringen moet het geselecteerde gereedschapsmateriaal voldoen aan de eisen van hoge hardheid, hoge sterkte, hoge thermische geleidbaarheid, chemische stabiliteit en goede rode hardheid [10]. Momenteel erkend in de industrie als het beste diamantslijpgereedschap voor het verwerken van titaniumlegeringen, maar vanwege de hoge prijs domineren snijgereedschappen met harde legeringen nog steeds de markt voor het snijden van titaniumlegeringen.
De traditionele snijtheorie stelt dat gecoate snijgereedschappen niet geschikt zijn voor het bewerken van titaniumlegeringen. Dit komt omdat de meeste traditionele coatings binaire TiC- of ternaire TiCN-coatings zijn, en het Ti-element in de coating gevoelig is voor affiniteit met het werkstuk, wat leidt tot snel gereedschapsfalen. Ezugwn et al. gebruikte CrN- en TiCN-coatings op substraten van hogesnelheidsstaal en ongecoate gereedschappen van wolfraamkobalt-harde legering om TC4-titaniumlegeringen te snijden. Uit het onderzoek bleek dat de levensduur van met CrN gecoate gereedschappen langer was dan die van met TiCN gecoate gereedschappen en ongecoate gereedschappen van harde legeringen. Tegelijkertijd werden snij-experimenten uitgevoerd op Ti6A14V titaniumlegering met behulp van een enkellaagse TiN-coating en meerlaagse TiN/TiCN/TiN-coating onder dezelfde snijomstandigheden. De resultaten toonden aan dat de temperatuur die werd gegenereerd tijdens het snijden van meerlaags gecoate gereedschappen lager was dan die van enkellaagse coatings, en dat de levensduur van het gereedschap ook hoger was dan die van enkellaagse coatings.
De afgelopen jaren is, als gevolg van de voortdurende volwassenheid en vooruitgang van de voorbereidingsprocessen en -methoden voor buitenlandse coatings, de samenstelling van gereedschapscoatings geleidelijk meer gediversifieerd geworden, en er is zelfs een meest geschikt coatingmateriaal voor elk werkstukmateriaal. Bovendien zijn er beter presterende coatings ontstaan, zoals zachte coatings, superharde coatings, meerlaagse coatings en nanocomposietcoatings. Daarom worden steeds meer gecoate gereedschappen toegepast voor het hogesnelheidssnijden van titaniumlegeringen en hebben ze een goede superioriteit getoond. Figuur 2 toont de meest gebruikte gereedschappen met harde legeringen van de afgelopen jaren.