Ανάλυση Εφαρμογών Τεχνολογίας Επικάλυψης στην Επεξεργασία Κράματος Τιτανίου

Χαρακτηριστικά και Εφαρμογές Κράματος Τιτανίου

Με βάση την παραπάνω σειρά εξαιρετικών ιδιοτήτων, τα κράματα τιτανίου εφαρμόστηκαν για πρώτη φορά στην αεροπορία. Το 1953, η εταιρεία Douglas των Ηνωμένων Πολιτειών εφάρμοσε για πρώτη φορά υλικά που περιείχαν τιτάνιο στο ατράκτο του κινητήρα DC2T και στους τοίχους πυρκαγιάς, επιτυγχάνοντας καλά αποτελέσματα. Στον αεροδιαστημικό τομέα, το κράμα τιτανίου χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά ως βασικό υλικό στον ανεμιστήρα, τον συμπιεστή, το δέρμα, την άτρακτο και τον εξοπλισμό προσγείωσης των κινητήρων αεροσκαφών, με αποτέλεσμα τη συνολική μείωση του βάρους περίπου 30% έως 35%. Το κράμα τιτανίου έχει επίσης εφαρμοστεί με επιτυχία σε ανθεκτικά στην πίεση κελύφη, συστήματα σωληνώσεων θαλασσινού νερού, συμπυκνωτές και εναλλάκτες θερμότητας, λεπίδες, έλικες και άξονες ανεμιστήρων εξάτμισης, ελατήρια, εξοπλισμό πυρόσβεσης σε αεροπλανοφόρα, έλικες, συσκευές πρόωσης με πίδακα νερού, πηδάλια και άλλα θαλάσσια εξαρτήματα των πυρηνικών υποβρυχίων. Επιπλέον, λόγω της εξαιρετικής βιοσυμβατότητάς του, της αντοχής στη διάβρωση, των μηχανικών ιδιοτήτων και της δυνατότητας επεξεργασίας, το κράμα τιτανίου έχει γίνει το καταλληλότερο βιοϊατρικό μεταλλικό υλικό και έχει εφαρμοστεί με επιτυχία σε τεχνητές αρθρώσεις γονάτων, μηριαίες αρθρώσεις, οδοντικά εμφυτεύματα, ρίζες δοντιών και μέταλλο οδοντοστοιχιών υποστηρίζει. Μεταξύ αυτών, τα κράματα Ti6Al4V και Ti3Al-2.5V χρησιμοποιούνται συνήθως ως υλικά αντικατάστασης του μηριαίου οστού και της κνήμης στην κλινική πράξη λόγω της καλής μορφοποίησης στο κρύο, της αντοχής στη διάβρωση και των μηχανικών ιδιοτήτων τους.
Δυσκολίες στην επεξεργασία του κράματος τιτανίου
(1) Μικρός συντελεστής παραμόρφωσης: Αυτό είναι ένα εξέχον χαρακτηριστικό στη διαδικασία κοπής υλικών από κράμα τιτανίου. Κατά τη διαδικασία κοπής, η περιοχή επαφής μεταξύ των ροκανιδιών και της μπροστινής επιφάνειας κοπής είναι πολύ μεγάλη και τα τσιπ ταξιδεύουν πολύ περισσότερο στην μπροστινή επιφάνεια κοπής του εργαλείου από τα τσιπ από γενικά υλικά. Ένα τέτοιο παρατεταμένο περπάτημα μπορεί να προκαλέσει σοβαρή φθορά του εργαλείου και μπορεί επίσης να προκύψει τριβή κατά τη διαδικασία βάδισης, οδηγώντας σε αύξηση της θερμοκρασίας του εργαλείου.
(2) Υψηλή θερμοκρασία κοπής: Από τη μία πλευρά, ο μικρός συντελεστής παραμόρφωσης που αναφέρθηκε προηγουμένως μπορεί να οδηγήσει σε μερική αύξηση της θερμοκρασίας. Ο κύριος λόγος για την υψηλή θερμοκρασία κοπής στη διαδικασία κοπής του κράματος τιτανίου είναι ότι η θερμική αγωγιμότητα του κράματος τιτανίου είναι πολύ μικρή και το μήκος επαφής μεταξύ των τσιπ και της μπροστινής επιφάνειας κοπής του εργαλείου είναι μικρό. Υπό αυτούς τους παράγοντες, η θερμότητα που παράγεται κατά τη διαδικασία κοπής είναι δύσκολο να διαχυθεί και κυρίως συσσωρεύεται κοντά στο άκρο του εργαλείου, με αποτέλεσμα οι τοπικές θερμοκρασίες να είναι πολύ υψηλές.
(3) Η θερμική αγωγιμότητα του κράματος τιτανίου είναι πολύ χαμηλή: η θερμότητα που παράγεται από την κοπή δεν διαχέεται εύκολα. Η διαδικασία τόρνευσης του κράματος τιτανίου είναι μια διαδικασία υψηλής τάσης και υψηλής τάσης, η οποία παράγει μεγάλη ποσότητα θερμότητας. Η υψηλή θερμότητα που παράγεται κατά τη μηχανική κατεργασία δεν μπορεί να διαχυθεί αποτελεσματικά. Ταυτόχρονα, το μήκος επαφής μεταξύ της κοπτικής άκρης του εργαλείου και των τσιπ είναι μικρό, γεγονός που προκαλεί τη συσσώρευση μεγάλης ποσότητας θερμότητας στην κοπτική άκρη. Η θερμοκρασία αυξάνεται απότομα, η λεπίδα μαλακώνει και η φθορά του εργαλείου επιταχύνεται.
(4) Οι χημικές ιδιότητες των κραμάτων τιτανίου είναι σημαντικές: σε υψηλές θερμοκρασίες, τα κράματα τιτανίου αντιδρούν εύκολα με τα υλικά εργαλείων, επιταχύνοντας το σχηματισμό αυλακώσεων σε σχήμα ημισελήνου. Ωστόσο, η διαδικασία κοπής των κραμάτων τιτανίου πραγματοποιείται βασικά σε υψηλές θερμοκρασίες. Όταν η θερμοκρασία κοπής φτάσει σε ένα ορισμένο επίπεδο, μόρια όπως το άζωτο και το οξυγόνο στον αέρα μπορούν εύκολα να υποστούν χημικές αντιδράσεις με υλικά τιτανίου, με αποτέλεσμα να σχηματιστεί ένα εύθραυστο και σκληρό δέρμα. Επιπλέον, η πλαστική παραμόρφωση που εμφανίζεται στην επεξεργασμένη επιφάνεια του τεμαχίου κατά τη διαδικασία κοπής του υλικού τιτανίου οδηγεί στην εμφάνιση ψυχρής σκλήρυνσης, με αποτέλεσμα τη σκλήρυνση στην επεξεργασμένη επιφάνεια του υλικού του τεμαχίου εργασίας. Αυτά τα φαινόμενα μπορούν να επιδεινώσουν τη φθορά των κοπτικών εργαλείων και να μειώσουν την αντοχή σε κόπωση των υλικών τιτανίου.
(5) Τα εργαλεία κοπής είναι επιρρεπή στη φθορά: Η φθορά των εργαλείων κοπής είναι αποτέλεσμα πολλών περιεκτικών παραγόντων. Κατά τη διαδικασία κοπής των υλικών από κράμα τιτανίου, είναι εύκολο να προκληθεί θραύση του εργαλείου. Τα υλικά τιτανίου γενικά παρουσιάζουν ισχυρή χημική συγγένεια μεταξύ των υλικών εργαλείων υπό συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας. Επιπλέον, τα εργαλεία κοπής και τα υλικά από κράμα τιτανίου είναι επιρρεπή σε συγκόλληση σε υψηλές θερμοκρασίες, γεγονός που οδηγεί σε μικρή διάρκεια ζωής των εργαλείων κοπής. Επομένως, υπάρχουν δύο πτυχές που πρέπει να προσέχετε κατά την κοπή υλικών από κράμα τιτανίου, τα οποία είναι η διατήρηση χαμηλής θερμοκρασίας κοπής και η αύξηση της ακαμψίας του εργαλείου/υλικού που κόβεται. Τα εργαλεία με επίστρωση είναι ένας τρόπος βελτίωσης της ακαμψίας του εργαλείου.
Τρέχουσα κατάσταση επίστρωσης σε εργαλεία κοπής από κράμα τιτανίου
Λόγω της υψηλής χημικής δραστηριότητας και της χαμηλής θερμικής αγωγιμότητας των κραμάτων τιτανίου, η θερμοκρασία κοπής κατά τη διαδικασία κοπής είναι υψηλή, η χημική αντίδραση είναι έντονη και το εργαλείο αποτυγχάνει γρήγορα, με αποτέλεσμα μικρή διάρκεια ζωής του εργαλείου και υψηλό κόστος επεξεργασίας. Οι αιτίες φθοράς του εργαλείου περιλαμβάνουν μηχανική τριβή και φυσικές και χημικές αντιδράσεις υπό τις δυνάμεις κοπής και τις θερμοκρασίες κοπής. Ως απάντηση στη δυσκολία κοπής κραμάτων τιτανίου, το επιλεγμένο υλικό εργαλείου πρέπει να πληροί τις απαιτήσεις υψηλής σκληρότητας, υψηλής αντοχής, υψηλής θερμικής αγωγιμότητας, χημικής σταθερότητας και καλής κόκκινης σκληρότητας [10]. Επί του παρόντος αναγνωρίζεται στη βιομηχανία ως το καλύτερο εργαλείο κοπής διαμαντιών για την επεξεργασία κραμάτων τιτανίου, αλλά λόγω της υψηλής τιμής του, τα εργαλεία κοπής με σκληρό κράμα εξακολουθούν να κυριαρχούν στην αγορά κοπής κράματος τιτανίου,
Η παραδοσιακή θεωρία κοπής υποστηρίζει ότι τα εργαλεία κοπής με επίστρωση δεν είναι κατάλληλα για την επεξεργασία κραμάτων τιτανίου. Αυτό οφείλεται στο ότι οι περισσότερες παραδοσιακές επικαλύψεις είναι δυαδικές επικαλύψεις TiC ή τριμερείς επικαλύψεις TiCN και το στοιχείο Ti στην επίστρωση είναι επιρρεπές σε συγγένεια με το τεμάχιο εργασίας, οδηγώντας σε γρήγορη αστοχία του εργαλείου. Ezugwn et al. χρησιμοποίησε επιστρώσεις CrN και TiCN σε υποστρώματα χάλυβα υψηλής ταχύτητας και μη επικαλυμμένα εργαλεία σκληρού κράματος κοβαλτίου βολφραμίου για την κοπή του κράματος τιτανίου TC4. Η μελέτη έδειξε ότι η διάρκεια ζωής των εργαλείων με επικάλυψη CrN ήταν μεγαλύτερη από αυτή των εργαλείων με επικάλυψη TiCN και των εργαλείων σκληρού κράματος χωρίς επίστρωση. Ταυτόχρονα, πραγματοποιήθηκαν πειράματα κοπής σε κράμα τιτανίου Ti6A14V χρησιμοποιώντας επίστρωση TiN μονής στρώσης και επίστρωση TiN/TiCN/TiN πολλαπλών στρωμάτων υπό τις ίδιες συνθήκες κοπής. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η θερμοκρασία που δημιουργήθηκε κατά την κοπή εργαλείων με επικάλυψη πολλαπλών στρώσεων ήταν χαμηλότερη από αυτή των επιστρώσεων μίας στρώσης και η διάρκεια ζωής του εργαλείου ήταν επίσης υψηλότερη από εκείνη των επιστρώσεων μίας στρώσης.
Τα τελευταία χρόνια, λόγω της συνεχούς ωρίμανσης και προόδου των διαδικασιών και μεθόδων προετοιμασίας ξένων επικαλύψεων, η σύνθεση των επιστρώσεων εργαλείων έχει σταδιακά διαφοροποιηθεί και υπάρχει ακόμη και το πιο κατάλληλο υλικό επίστρωσης για κάθε υλικό τεμαχίου εργασίας. Επιπλέον, έχουν προκύψει επιστρώσεις με καλύτερη απόδοση όπως μαλακές επιστρώσεις, υπερσκληρές επιστρώσεις, επιστρώσεις πολλαπλών στρωμάτων και νανοσύνθετες επιστρώσεις. Ως εκ τούτου, όλο και περισσότερα εργαλεία με επίστρωση έχουν εφαρμοστεί στην κοπή κραμάτων τιτανίου υψηλής ταχύτητας και έχουν δείξει καλή υπεροχή. Το σχήμα 2 δείχνει τα εργαλεία που χρησιμοποιούνται συνήθως με επίστρωση σκληρού κράματος τα τελευταία χρόνια.