Моделирование износостойкости TC21 Ti

Mar 14, 2024

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 4624 (2023) Цитировать эту статью

В этом исследовании изучалось влияние процессов термообработки на износостойкость при сухом скольжении титанового сплава TC21 при нескольких уровнях нормальной нагрузки и скорости скольжения. В качестве конструкции процедуры эксперимента использовалась методология поверхности отклика (RSM). Для обоснования результатов, помимо рентгеноструктурного анализа, использовались ОМ и FESEM. Самая высокая твердость 49 HRC была зафиксирована для образцов WQ + Aging из-за большого количества α″, которая разложилась до αs и большего количества αs, тогда как самая низкая твердость 36 HRC была зарегистрирована для образцов WQ. Результаты показали, что образцы, подвергнутые закалке и старению в воде (WQ + Aging) в условиях экстремальной нагрузки и скорости (50 Н и 3 м/с), обладали наименьшей износостойкостью, хотя и имели самую высокую твердость. В то время как те, что остались в отожженном состоянии, показали самую высокую износостойкость, хотя имели гораздо меньшую твердость по сравнению с другими состояниями. Была разработана математическая полиномиальная модель износостойкости, выраженная в скорости изнашивания, проверенная и использованная для получения оптимальных параметров.

Некоторые инженерные приложения требуют от инженеров получения материалов с высокой прочностью, жесткостью, вязкостью разрушения и экстремальными температурами эксплуатации при небольшом весе1. Этот набор свойств легко подтверждается титаном (Ti) и его сплавами. В результате спектр их применения расширяется и включает передовые инженерные решения в строительстве, автомобилестроении, энергетике, биомедицине, химической обработке, аэрокосмической и морской промышленности2,3. Однако титан и его сплавы сталкиваются с трудностями при использовании в области износа и трения. Это объясняется их низкой износостойкостью и высоким химическим сродством при определенных условиях по сравнению со сталями4. TC21 — это недавно разработанный устойчивый к повреждениям титановый сплав с высокой удельной прочностью и рабочей температурой5. Он относится к α + β-сплавам, которые составляют более 70% рынка Ti-сплавов6. Это связано с тем, что эти сплавы можно укрепить термической и термомеханической обработкой. Таким образом, можно получить широкий спектр микроструктур и механических свойств для индивидуального применения7. Считается, что TC21 является сильным конкурентом и заменой известного титанового сплава Ti–6Al–4V (Ti64)8. Некоторые называют Ti64 «рабочей лошадкой» титанового промышленного сплава, он доминирует на 50% мирового рынка6. Хотя оба сплава являются α + β-сплавами, TC21 имеет более высокую удельную прочность и вязкость разрушения, чем сплав Ti64. Заявка, поданная на TC21, касается изделий аэрокосмической отрасли, таких как компоненты шасси, несущие конструкции, валы двигателей, фюзеляжи и шпангоуты9.

Поведение TC21 при износе исследовалось как с точки зрения износа при скольжении, так и с точки зрения истирания. Элшир и др.10 исследовали влияние скорости охлаждения и процесса старения на износ деформированного титанового сплава TC21. Лучшее сочетание свойств было достигнуто при воздушном охлаждении и выдержке (AC + старение). В другой работе11 авторы помимо термической обработки исследовали влияние холодной деформации. X. Guo и др.4 исследовали влияние однократной, двойной и тройной термообработки на микроструктуру и свойства износа при сухом скольжении сплава TC21. Они обнаружили, что износостойкость микроструктуры корзинчатого переплетения α + β (полученной в результате двойной и тройной обработки) выше, чем у однофазной β-микроструктуры. Что касается фреттинг-изнашивания, результаты Лина и др.12 показали, что амплитуда оказывает наибольшее влияние на износостойкость по сравнению как с частотой, так и с нормальной нагрузкой. механизм повреждения был в основном механизмом абразивного износа. По данным Яна и др.13, фреттинг-износ проводился при повышенной температуре (150 °C). Авторы сообщили, что влияние температуры на коэффициент трения зависит от смещения. При этом по сравнению с комнатной температурой скорость изнашивания снизилась на 67,4–86,5 %, причем основным механизмом являлся окислительный механизм изнашивания. Во многих исследованиях14,15,16 сообщалось об использовании технологии модификации поверхности и процесса окисления для улучшения твердости и износостойкости сплава TC21, а не использования традиционных процессов термообработки для контроля характеристик износа сплава TC21.