تحليل تطبيق تكنولوجيا الطلاء في معالجة سبائك التيتانيوم

خصائص وتطبيقات سبائك التيتانيوم

استنادا إلى سلسلة الخصائص الممتازة المذكورة أعلاه، تم تطبيق سبائك التيتانيوم لأول مرة في مجال الطيران. في عام 1953، قامت شركة Douglas من الولايات المتحدة لأول مرة بتطبيق مواد تحتوي على التيتانيوم على هيكل محرك DC2T وجدران النار، مما حقق نتائج جيدة. في مجال الطيران، تم استخدام سبائك التيتانيوم لأول مرة كمادة رئيسية في المروحة، والضاغط، والجلد، وجسم الطائرة، ومعدات الهبوط لمحركات الطائرات، مما أدى إلى انخفاض الوزن الإجمالي بحوالي 30٪ إلى 35٪. كما تم تطبيق سبائك التيتانيوم بنجاح في الأصداف المقاومة للضغط، وأنظمة أنابيب مياه البحر، والمكثفات والمبادلات الحرارية، والشفرات، والمراوح وأعمدة مراوح العادم، والينابيع، ومعدات مكافحة الحرائق على حاملات الطائرات، والمراوح، وأجهزة الدفع النفاثة المائية، والدفات والمكونات البحرية الأخرى. من الغواصات النووية. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لتوافقها الحيوي الممتاز، ومقاومتها للتآكل، وخواصها الميكانيكية، وقابلية المعالجة، أصبحت سبائك التيتانيوم المادة المعدنية الطبية الحيوية الأكثر ملاءمة وتم تطبيقها بنجاح في مفاصل الركبة الاصطناعية، ومفاصل الفخذ، وزراعة الأسنان، وجذور الأسنان، ومعدن الأسنان. يدعم. من بينها، تُستخدم سبائك Ti6Al4V وTi3Al-2.5V بشكل شائع كمواد بديلة لعظم الفخذ والساق في الممارسة السريرية نظرًا لقابليتها للتشكيل الجيد على البارد، ومقاومتها للتآكل، وخواصها الميكانيكية.
صعوبات في معالجة سبائك التيتانيوم
(1) معامل التشوه الصغير: هذه ميزة بارزة في عملية قطع مواد سبائك التيتانيوم. أثناء عملية القطع، تكون منطقة التلامس بين الرقائق وسطح القطع الأمامي كبيرة جدًا، وتنتقل الرقائق لفترة أطول بكثير على سطح القطع الأمامي للأداة مقارنة بالرقائق من المواد العامة. مثل هذا المشي لفترة طويلة يمكن أن يسبب تآكلًا شديدًا للأداة، كما يمكن أن يحدث احتكاك أثناء عملية المشي، مما يؤدي إلى زيادة درجة حرارة الأداة.
(2) ارتفاع درجة حرارة القطع: من ناحية، فإن معامل التشوه الصغير المذكور سابقاً يمكن أن يؤدي إلى زيادة جزئية في درجة الحرارة. السبب الرئيسي لارتفاع درجة حرارة القطع في عملية قطع سبائك التيتانيوم هو أن الموصلية الحرارية لسبائك التيتانيوم صغيرة جدًا، وطول التلامس بين الرقائق وسطح القطع الأمامي للأداة قصير. في ظل هذه العوامل، يصعب تبديد الحرارة المتولدة أثناء عملية القطع وتتراكم بشكل أساسي بالقرب من طرف الأداة، مما يتسبب في ارتفاع درجات الحرارة المحلية بشكل كبير.
(3) الموصلية الحرارية لسبائك التيتانيوم منخفضة جدًا: لا تتبدد الحرارة الناتجة عن القطع بسهولة. إن عملية تحويل سبائك التيتانيوم هي عملية إجهاد وإجهاد عالية، مما يؤدي إلى توليد كمية كبيرة من الحرارة. لا يمكن نشر الحرارة العالية المتولدة أثناء المعالجة بشكل فعال. وفي الوقت نفسه، يكون طول الاتصال بين حافة القطع للأداة والرقائق قصيرًا، مما يتسبب في تراكم كمية كبيرة من الحرارة على حافة القطع. ترتفع درجة الحرارة بشكل حاد، وتلين الشفرة، ويتسارع تآكل الأداة.
(4) الخصائص الكيميائية لسبائك التيتانيوم مهمة: في درجات الحرارة المرتفعة، تتفاعل سبائك التيتانيوم بسهولة مع مواد الأدوات، مما يسرع من تكوين الأخاديد على شكل هلال. ومع ذلك، فإن عملية قطع سبائك التيتانيوم تتم بشكل أساسي عند درجات حرارة عالية. عندما تصل درجة حرارة القطع إلى مستوى معين، يمكن أن تخضع جزيئات مثل النيتروجين والأكسجين الموجودة في الهواء بسهولة لتفاعلات كيميائية مع مواد التيتانيوم، مما يؤدي إلى تكوين جلد هش وصلب. علاوة على ذلك، فإن التشوه البلاستيكي الذي يحدث على السطح المُشكَّل لقطعة الشغل أثناء عملية قطع مادة التيتانيوم يؤدي إلى حدوث تصلب بارد، مما يؤدي إلى تصلب السطح المُشكَّل لمادة الشغل. هذه الظواهر يمكن أن تؤدي إلى تفاقم تآكل أدوات القطع وتقليل قوة الكلال لمواد التيتانيوم.
(5) أدوات القطع عرضة للتآكل: إن تآكل أدوات القطع هو نتيجة العديد من العوامل الشاملة. أثناء عملية قطع مواد سبائك التيتانيوم، من السهل أن تتسبب في كسر الأداة. تظهر مواد التيتانيوم عمومًا تقاربًا كيميائيًا قويًا بين مواد الأدوات في ظل ظروف درجات الحرارة المرتفعة. بالإضافة إلى ذلك، أدوات القطع ومواد سبائك التيتانيوم عرضة للترابط عند درجات حرارة عالية، مما يؤدي إلى عمر خدمة قصير لأدوات القطع. لذلك هناك جانبان يجب الاهتمام بهما عند قطع مواد سبائك التيتانيوم، وهما الحفاظ على درجة حرارة قطع منخفضة وزيادة صلابة الأداة/المادة التي يتم قطعها. الأدوات المغلفة هي إحدى طرق تحسين صلابة الأداة.
الوضع الحالي للطلاء على أدوات قطع سبائك التيتانيوم
نظرًا للنشاط الكيميائي العالي والتوصيل الحراري المنخفض لسبائك التيتانيوم، تكون درجة حرارة القطع أثناء عملية القطع مرتفعة، ويكون التفاعل الكيميائي مكثفًا، وتفشل الأداة بسرعة، مما يؤدي إلى عمر قصير للأداة وارتفاع تكاليف المعالجة. تشمل أسباب تآكل الأداة الاحتكاك الميكانيكي والتفاعلات الفيزيائية والكيميائية تحت قوى القطع ودرجات حرارة القطع. استجابة لصعوبة قطع سبائك التيتانيوم، يجب أن تلبي مادة الأداة المختارة متطلبات الصلابة العالية، والقوة العالية، والموصلية الحرارية العالية، والاستقرار الكيميائي، والصلابة الحمراء الجيدة [10]. معترف بها حاليًا في الصناعة كأفضل أداة قطع الماس لمعالجة سبائك التيتانيوم، ولكن نظرًا لارتفاع سعرها، لا تزال أدوات القطع المطلية بالسبائك الصلبة تهيمن على سوق قطع سبائك التيتانيوم،
تنص نظرية القطع التقليدية على أن أدوات القطع المطلية ليست مناسبة لمعالجة سبائك التيتانيوم. وذلك لأن معظم الطلاءات التقليدية عبارة عن طلاءات TiC ثنائية أو ثلاثية TiCN، ويكون عنصر Ti في الطلاء عرضة للتقارب مع قطعة العمل، مما يؤدي إلى فشل سريع للأداة. إزوجون وآخرون. استخدمت طلاءات CrN وTiCN على ركائز فولاذية عالية السرعة وأدوات سبائك التنغستن والكوبالت الصلبة غير المطلية لقطع سبائك التيتانيوم TC4. أظهرت الدراسة أن عمر خدمة الأدوات المطلية بـ CrN كان أطول من عمر الأدوات المطلية بـ TiCN والأدوات المصنوعة من السبائك الصلبة غير المطلية. في الوقت نفسه، أجريت تجارب القطع على سبائك التيتانيوم Ti6A14V باستخدام طلاء TiN أحادي الطبقة وطلاء متعدد الطبقات TiN/TiCN/TiN تحت نفس ظروف القطع. أظهرت النتائج أن درجة الحرارة المتولدة أثناء قطع الأدوات المطلية متعددة الطبقات كانت أقل من تلك المستخدمة في الطلاءات ذات الطبقة الواحدة، وكان عمر خدمة الأداة أيضًا أعلى من الطلاءات ذات الطبقة الواحدة.
في السنوات الأخيرة، نظرًا للنضج المستمر والتقدم في عمليات وأساليب تحضير الطلاء الأجنبي، أصبح تكوين طلاءات الأدوات أكثر تنوعًا تدريجيًا، وحتى هناك مادة طلاء مناسبة لكل مادة من قطع العمل. علاوة على ذلك، ظهرت الطلاءات ذات الأداء الأفضل مثل الطلاءات الناعمة، والطلاءات فائقة الصلابة، والطلاءات متعددة الطبقات، والطلاءات المركبة النانوية. لذلك، تم تطبيق المزيد والمزيد من الأدوات المطلية على القطع عالي السرعة لسبائك التيتانيوم وأظهرت تفوقًا جيدًا. يوضح الشكل 2 الأدوات المطلية بالسبائك الصلبة شائعة الاستخدام في السنوات الأخيرة.