TC21 Ti の耐摩耗性のモデル化

Scientific Reports volume 13、記事番号: 4624 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

この研究では、TC21 Ti 合金の乾式滑り摩耗耐性に対する熱処理プロセスの影響を、いくつかのレベルの通常荷重および滑り速度で調査しました。 実験手順の設計として応答曲面法 (RSM) が使用されています。 結果を正当化するために、XRD分析に加えてOMおよびFESEMが使用されました。 WQ + 時効試験片では、αs およびより多くの αs に分解されるα'' が豊富に含まれていたため、最高硬度 49 HRC が記録されましたが、WQ 試験片では最低硬度 36 HRC が報告されました。 その結果、極端な荷重および速度条件 (50 N および 3 m/s) で水焼入れおよび時効処理 (WQ + 時効処理) を施した試験片は、最高の硬度を有しているにもかかわらず、耐摩耗性が最も劣っていることが明らかになりました。 焼きなまし状態で放置されたものは、他の条件と比較すると硬度がはるかに低いにもかかわらず、最高の耐摩耗性を示しました。 摩耗率で表される耐摩耗性の数学的多項式モデルが開発され、検証され、最適なパラメータを取得するために使用されました。

いくつかのエンジニアリング用途では、エンジニアは、軽量でありながら、高い強度、剛性、破壊靱性、および極端な使用温度を備えた材料を入手する必要があります1。 この一連の特性は、チタン (Ti) とその合金によって簡単にサポートできます。 その結果、その応用範囲は、建設、自動車、発電、生物医学、化学処理、航空宇宙、海洋産業における高度なエンジニアリング用途を含むように拡張されています2、3。 しかし、チタンとその合金は、摩耗や摩擦の分野で使用されると困難に直面します。 これは、鋼と比較して、特定の環境下での耐摩耗性の低さと化学親和性の高さに起因すると考えられます4。 TC21 は、高い比強度と使用温度を備えた、新開発の耐損傷性 Ti 合金です5。 これは、Ti 合金市場の 70% 以上を占める α + β 合金に属します6。 これは、これらの合金が熱処理および熱機械処理によって強化できるためです。 したがって、用途をカスタマイズするために広範囲の微細構造と機械的特性を得ることができます7。 TC21 は、強力な競合製品であり、よく知られている Ti 合金 Ti-6Al-4V (Ti64)8 の代替品であると考えられています。 Ti64 はチタン産業の主力合金と呼ばれる者もおり、世界市場の 50% を占めています6。 どちらの合金もα+β合金ですが、TC21はTi64合金よりも高い比強度と破壊靱性を持っています。 TC21 のために提出された出願には、着陸装置コンポーネント、耐荷重構造、エンジン シャフト、胴体、フレームなどの航空宇宙製品が含まれています9。

TC21 の摩耗挙動は、滑り摩耗とフレッチング摩耗の両方の観点から研究されています。 Elshear ら 10 は、変形した TC21 Ti 合金の摩耗挙動に対する冷却速度と時効プロセスの影響を調査しました。 空冷およびエージング（AC + エージング）条件により、特性のより優れた組み合わせが達成されました。 別の研究11では、著者らは熱処理に加えて冷間変形の影響を研究しました。 X. Guo ら 4 は、TC21 合金の微細構造と乾式滑り摩耗特性に対する 1 回、2 回、および 3 回の熱処理の影響を調査しました。 彼らは、α + β バスケット織り微細構造 (2 回および 3 回の処理から生じる) の耐摩耗性が、単相 β 微細構造よりも高いことを発見しました。 フレッチング摩耗については、Lin et al.12 の結果により、周波数と垂直荷重の両方と比較した場合、振幅が耐摩耗性に最も大きな影響を与えることが明らかになりました。 損傷メカニズムは主に摩耗メカニズムでした。 Yan et al.13 によれば、フレッチング摩耗は高温 (150 °C) で行われました。 著者らは、摩擦係数に対する温度の影響は変位に依存すると報告しました。 さらに、室温と比較して摩耗率は 67.4 ～ 86.5% 減少し、酸化摩耗メカニズムが主なメカニズムでした。 多くの研究では、TC21 合金の摩耗特性を制御するために従来の熱処理プロセスを使用するのではなく、表面改質技術と酸化プロセスを利用して TC21 合金の硬度と耐摩耗性を向上させることが報告されています。