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2、一文读懂高熵合金
如何有效地解决切削钛合金加工难题
利用高压冷却,提高钛合金的切削效率,结语,采用合适的刀具和机床,【能源人都在看,点击右上角加“关注”】,不难看出,解决钛合金材料的切削问题在于采用耐高温的硬质合金刀。
为提高钛合金材料的切削效率和加工可靠性,有不少刀具生产厂家和高等院校开展了卓有成效的研究试,在德国,特别是诸如Darmstadt工业大学、亚琛工业大学,其中亚琛工业大学的机床实验室(WZL)还与伊斯卡(,肯纳金属(Kennmetal)。
山高刀具(Seco Tools)和山特维克(San,而莱布尼茨汉诺威大学的生产技术和机床研究所(IFW,开展了“通过刀具开发,提高钛材料铣削加工的材料切除率”项目的研究工作,免责声明:以上内容转载自钛之家,所发内容不代表本平台立场。
全国能源信息平台联系电话:010-65 36782,邮箱:hz@people-energy.com.c,地址:北京市朝阳区金台西路2号人民日报社,然而,钛合金材料的这些优点却成为其在切削加工时的难点,钛合金材料之所以难以切削,一个主要原因之一是它很差的热导率和较高的比热容,这阻碍了通过切屑和工件把切削热从切削区传送出去。
而大部分的热(约75%)传给了切削刀刃,很高的温度促使在刀刃表面上发生扩散和粘结,形成积屑瘤,并同时由于钛合金材料的高强度,在切削时产生较大的切削力,因此,在加工过程中使刀具承受着很高的热负载和机械负载。
其次,钛合金的弹性模量低,在切削力作用下构件会产生变形,后又发生回弹,从而影响到构件的加工精度,高压冷却是一种有效解决办法。
实践表明,通过高压冷却可提高50%的刀具耐用度,通过调节冷却润滑液的压力大小可以影响切屑的形状,从而改善断屑,根据Iscar公司的资料。
可以了解到在不同冷却润滑液的压力下切屑成形的情况,在采用2MPa的压力进行大流量外冷却时,切屑成长条缠绕形的切屑,当采用8MPa压力的内冷却时,切屑在高压冲击下被折断成小的弧形切屑,如果采用30MPa超高压进行内冷却。
这时切屑变成了针状形切屑,从这三个实例中不难看出,通过高压冷却可以控制切屑的成形,由此提高切削过程的可靠性,并可提高钛合金加工的切削用量。
高压冷却技术的众多优点在于延长刀具寿命、控制切屑成,并由此提高生产效率,在这里应该指出,在冷却润滑液的压力低于7MPa时,由于冷却液在切削刀刃的前面产生汽化而形成汽泡,从而阻碍了热的传导,当采用大于7MPa的冷却液压力时。
可以消除这种汽泡,使冷却液直接喷到切削部位,另外应指出,采用传统的矿物油润滑液,在高压冷却切削时,油中易吸入大量空气,致使散热效率变差。
为此,德国Fuchs Europe润滑材料公司开发了一种,目前,诸如DST公司的Ecoforce 2035 及20,其中Makino T4是专门为加工钛合金而设计的。
该机床除了具有很高的刚性、特别稳定的机床结构、卧式,机床还具有主动的阻尼系统,通过这种创新的阻尼系统可抑制特别在粗加工时产生的振,该系统通过摩擦力与切削力成比例地作用于导轨,以达到摩擦力对切削力平衡作用,从而使Makino T4能够实现较深的切削深度,达到较高的材料切除率(在粗加工时:约500 cm3,在钛合金加工时。
主要采用机械夹固可转位片的刀具和整体硬质合金刀具,按常规,粗加工时的切削速度一般为50m/min左右,精加工的切削速度为(200-300)m/min,在采用高压冷却后,切削速度可提高20%,此时不会因提高了切削速度而随之使温度提高。
如果采用超高压冷却,同时又采用CBN刀具时,切削速度还可以进一步提高,但是,所用的超高压冷却润滑装置需要进行专门的配备,因为加工中心,车削中心和多功能复合机床所配备的冷却润滑装置的压力,钛合金良好的物理和机械性能(见下表)。
对于飞机构件具有十分重要的意义:较高的比强度,具有类似于钢的强度,却只有钢一半的重量,较低的热导率,这使构件在特别低的温度下。
不会变脆,而在较高温度下又不会产生明显的膨胀,较高的高温强度,耐高温可达550℃,而不致发生材料性能变化,较好的耐腐蚀性能,因此,钛合金可用于制造与碳纤维材料构件相连接的连接件。
以替代易产生电化学腐蚀的铝与碳纤维材料的连接,以及较低的弹性模量,使构件具有抗塑性变形的能力等等,表为三种材料的物理和机械性能比较,对于铣削加工,在采用多个刀片的情况,相应有多个数量的喷嘴,这时需要较大的冷却润滑液流量。
如果润滑系统流量不足,会对喷嘴出口压力产生影响,此时,可考虑采用喷口直径小的喷嘴,以此减少流量并保持冷却润滑液的喷射压力,目前,高压冷却技术已是一项成熟技术,在实际使用时。
冷却润滑液较高的压力、足够的流量和形成精确对准切削,这对于切削刀具进行有效冷却和实施切屑的有效控制是一,为获得钛合金构件加工的最佳成果,要把高压冷却和刀具材料、涂层、几何角度以及切削用量,高压冷却有助于提高生产效率,在目前,考虑到高压冷却的良好冷却效果,以及现有加工中心和车削中心又都配有冷却润滑设备。
还有许多刀具厂家又都能提供用于这种高压冷却的刀具,并积累了许多实际使用经验(无论是车削还是铣削),因此,采用通过主轴的高压冷却润滑液无疑是成为一种首选,鉴于近几年来,特别是在飞机制造业中,钛合金零部件以及钛合金/碳纤维连接构件份额不断的增。
提高切削加工钛合金材料的生产效率愈来愈具有重要的意,从这里可以看出,切削钛合金所存在的主要问题是由于刀具吸收的切削热太,以至加快了刀具的磨损,迫使采用较低的切削速度,这显然会降低加工效率和增加单件成本。
例如,一个Ti6Al4V材质的涡轮增压压缩机叶轮,其制造费用的50%是用于切削加工的费用,采用常规的大流量冷却,冷却润滑液到达不了切削刀刃和切屑之间的切削区,不能有效地冷却切削刀刃。
为实现有效冷却刀具,冷却润滑液的供给应以较高的压力和足够的流量,精确地对准切削刀刃和切屑之间的接触区,在这个接触区形成一个高能量冲击楔,由此缩短切屑和刀刃之间的接触时间,降低切削区温度。
同时使切屑变脆,通过冷却和机械冲击力这两个效应的叠加,很快使切屑折断并可靠排出,从而大大提高了加工的可靠性,由此也有利于实现切削过程的自动化,不仅能有效地解决切削钛合金的加工难题,并且也可有效应用於镍基合金(例如Inconel 7,钛和钛合金因具有强度高、耐腐蚀性好、比重轻和耐热性。
其中,特别是航空工业以70%的消费量而成为诸如结构件、起,尽管钛材料的成本较高,然而钛的使用还是在持续地增加,在飞机工业中,对于钛合金的结构件。
其材料切除量要达到90%,而像波音B-787这样的大型飞机则是从超过90吨钛,但是,为了尽可能降低加工成本,值得去追求较高的材料切除率,然而在最近十年里钛材料切除率只是增加了一倍。
而铝的材料切除率却增加了5倍,目前,铝的材料切除率已达到10L/min或更高些,而对于钛的切削刚刚达到0.5L/min,提高材料切除率,往往要采用较高的背吃刀量和侧吃刀量,因此,在加工时会产生较大的切削负荷。
由于钛的弹性模量较低,易引起振动,基于这些原因,机床应具有很高的刚性、很好的阻尼性能和较高的主轴转,对于端面铣削和圆周铣削槽腔或槽,可靠的排屑特别重要。
为此,机床应采用卧式的主轴配置,从这个不同冷却方式的加工效果比较中可以看出,高压冷却为提高切削参数提供了条件,采用高的切削参数可以显着提高生产效率,大幅度降低单件费用,虽然通过高压冷却刀具耐用度可提高50%,但是。
由于刀具费用一般只占制造费用的3%,因此这只能使单件费用减少1.5%,采用常规冷却和高压冷却加工效果比较(取自Sandv,由于钛材料低的弹性模量,铣削时易产生振动,针对这种情况,在刀具设计上拟采用不等分齿的铣刀,以及采用后角为零的狭窄制动刃带。
为改善排屑,对刀具前面进行抛光处理,研究表明,对刀具进行冷却是解决钛合金切削难题的一种有效办法,目前,高效冷却刀具的技术开发,主要有二种发展途径,一种是采用高压冷却润滑。
另一种是采用冷气进行冷却,即采用液态氮(-196℃)或液态二氧化碳(CO2),尤其是液氮,这对于冷却铣刀是一种很有应用前景的冷却方式,应指出,采用氮冷却或二氧化碳冷却进行辅助的切削是一种干式加,这种干式冷却不仅能冷却刀具、有助快速断屑和延长刀具。
仍具有干切削加工所具有的众多经济、技术和生态效益,采用高压冷却,要注意准确的协调压力、流量和喷嘴孔径之间的关系,根据Sandvik公司的资料,例如,在刀具上使用1mm孔径的喷嘴,为保持压力,需要有5l/min的冷却润滑液流量。
因此,喷嘴孔径大小应选择使其产生最高的压力和可以最佳地利,在飞机工业,大多数钛合金构件从毛坯加工至成品要切除大量的材料,构件成品的壁很簿,形状又很复杂,常遇到的工序是铣削深槽。
因此,提高铣削加工的材料切除率具有特别重要的意义,而提高材料切除率的限制因素是刀具的磨损,莱布尼茨汉诺威大学的生产技术和机床研究所(IFW),在铣削钛合金(TiAl6V4)构件时,采用较小的后角(α=6o)和相对较大的前角(γ=1,钛合金是很难切削的材料。
因此,选用适合钛合金加工的刀具以及具有高刚性、高阻尼性能。
一文读懂高熵合金
图 高熵合金的发展,2断裂韧性的应用,高熵合金的应用,3耐腐蚀性的应用,高熵效应是HEAs的标志性概念,比较理想的形成熵与纯金属的焓(选定IM化合物的形成。
在具有5个或更多元素的近等摩尔合金中,其更有利于形成SS相而不是IM化合物,这时不考虑特殊组合,仅熵和焓的高低来分析常规的SS相和IM相,熵值也只考虑生成熵。
虽然振动、电子和磁性也影响其熵值,但是最主要的因素仍然是合金的结构,纵坐标为熵值,横坐标为年份,01高熵效应,严重的晶格畸变是因为高熵相中的不同原子尺寸导致的,每个晶格位置的位移。
取决于占据该位置的原子和局部环境中的原子类型,这些畸变比传统合金严重的多,这些变原子位置的不确定性导致合金的形成焓较高,虽然在物理上,这可以降低X射线衍射峰的强度,增加硬度,降低电导率。
降低合金的温度依赖性,但是,仍然缺少系统的实验来定量描述这些性能的变化值是多少,例如,组成原子之间的剪切模量不匹配。
也可能有助于硬化,局部键的变化也可能改变电导率、热导率和相关的电子结,合金材料的“性价比”,首次“鸡尾酒”效应是S.Ranganathan教授,最初的意图是“一种愉快,愉快的混合物”,后来,它意味着一种协同混合物。
最终结果是不可预测,且大于各部分的总和,这个短语描述了三种不同的合金类别:大块金属玻璃、超,这些合金都是多主元素合金,“鸡尾酒”效应表征了无定形大块金属玻璃的结构和功能,材料的断裂往往关乎着安全的问题,一般来说。
根据失效应变可以分为脆性和韧性断裂,脆性断裂没有塑性变形的迹象,通常以灾难性方式发生,开发具有卓越性能的新型金属材料具有重要意义,据报道,当温度从298K下降到77K时,CrMnFeCoNi高熵合金的断裂韧性几乎保持恒定,而CrCoNi高熵合金的断裂韧性略微增加。
在这些HEAs中,没有出现像钢、非晶合金、镁合金、多孔金属和纳米金属,这表明这些合金可能是极端寒冷条件下应用的优良候选材,例如,用于船体、飞机和低温储存罐的材料等。
与其他“核心效应”不同,“鸡尾酒”效应不是假设,也不需要证明,“鸡尾酒效应”的意思是特殊的材料特性,通常源于意想不到的协同作用,其他材料也可以这样描述,包括物理性质,例如接近零的热膨胀系数或催化响应。
功能特性,如热电响应或光电转换、有超高强度,良好的断裂韧性,抗疲劳性或延展性等结构特性,这时材料的性质主要依赖材料成分,微观结构,电子结构和其他特征,“鸡尾酒”效应揭示MPEAs的多元素组成和特殊的微。
进而产生非线性的意外结果,结语,图 高熵合金的相结构,王兰馨等[1]用第一性原理计算方法研究了Fe含量对,计算结果表明,随着Fe含量的增加,AlCoCrCuFexNi高熵合金的密度增大,但不会影响高熵合金的力学稳定性。
高熵合金结合能随Fe元素的增加而减小,且均小于零,因此这些高熵合金具有良好的热力学稳定性,1高温性能的应用,4其它,在HEAs中,扩散是缓慢的,这可以在纳米晶和非晶合金的形成和其显微结构中观察到。
虽然高熵合金组成元素较多,但是在凝固后往往能够形成相对简单的相结构,随机互溶的固溶体是高熵合金典型的组织,包括FCC、BCC以及HCP结构,此外,非晶态相也会在合金中生成,第一性原理不仅可以研究材料的力学性能。
还可以从热力学和力学的角度研究材料的稳定性,在材料设计中具有很大的应用前景,第一性原理的最大优点是它可以研究核外电子的运动和相,因此,第一性原理可以对高熵合金的核外电子的运动和相互作用,这对于高熵合金的基本理论研究具有非常大的帮助。
有助于进一步解释高熵合金所具备的特殊性质,从传统合金到高熵合金,材料的发展呈现了一个“熵增加”的发展趋势,但是,实验结果表明,混合熵与材料的性能之间为非线性关系。
简言之,并非是合金材料的混合熵值越高,合金性能越好,所以,一味的追求“高熵”并不能够使材料的性能得到无限的优,此外。
随着合金材料的熵值的增加,合金的构成元素数目也逐步增加,这意味着,合金的造价成本也要随之升高,故而,一味追求高的混合熵非但不会使材料的性能得到提升,反而增加合金的成本,根据统计获得的合金“性价比”图可以发现。
最具性价比的区域不是高熵合金区域,而是位于中熵合金和高熵合金的交界处,例如高温合金、非晶合金、不锈钢、中熵合金等更具成本,所以这一区域将会是未来材料发展的关键区域,高熵合金的种类繁多,其显微结构和性能具有很高的研究价值。
高熵效应是调控其显微组织和结构的主要因素,目前这一领域的关注点已经发展到了7个合金系列,每个合金系列包括6-7元素,已经产生了超过408种新合金,在这408种合金中含有648种不同的微观结构,研究发现。
合金元素数量和加工条件对其显微结构有显著的影响,不同结构的高熵合金,呈现出不同的结构性能和功能特点,高熵合金独特的结构和广泛合金种类,为其结构化应用和功能化应用提供了基础,我国每年因腐蚀而引起的材料浪费极其严重,研究和开发具有耐腐蚀性较好的材料对资源的节省具有重,Zhang等通过激光表面合金化方法。
在304不锈钢上制备了具有良好冶金结合性能的FeC,试验结果表明FeCoCrAlNi涂层的显微硬度是3,在3.5%的NaCl溶液中,其抗空蚀性能是304不锈钢的7.6倍左右,电流密度比304不锈钢降低了一个数量级,Ye等采用激光表面合金化的方法制备了CrMnFeC。
并在3.5%的NaCl和0.5mol/L H2SO,结果表明HEAs涂层的耐蚀性能均优于A36钢基体,腐蚀电流甚至低于304不锈钢,高熵合金作为一种新开发的多主元合金,超越了基于单一多数主体元素的传统合金的设计限制,具有提高耐腐蚀性的潜力,这表明这些具有优异的内在耐腐蚀性的新型合金,在恶劣环境的应用中具有巨大的经济和安全益处。
熵表示一个体系内的混乱程度,越混乱熵就越高,越有秩序熵就越低,根据热力学第二定律,在自然界中,一切孤立的系统都会向熵增大的趋势发展,02晶格畸变,如果快速为液态合金快速降温。
其内部的原子还没来得及重新排列就因为凝固,被固定在了各自的位置,其排列方式依然像液态时那样随机、无序,形成高熵合金,这个时候,合金就具备了低温下塑性好,不容易因温度过低而脆裂,高温下强度高。
依然具有较高的机械强度,04“鸡尾酒”效应,第一性原理在高熵合金研究中的应用,03缓慢的扩散特点,随着对高熵合金的不断深入研究,在研究各种元素含量变化对高熵合金力学和微观结构的影,不仅需要大量繁琐的实验。
而且实验过程中存在一定程度上的误差,因此,找到一种合适的方法来加速这类的研究非常重要,第一性原理计算方法可以很好地满足这种研究的需要,近年来,关于高熵合金第一性原理计算的相关研究不断增加,在第一性原理计算中,模型的建立非常重要。
而目前应用较多的有简单的超胞方法,虚拟晶格近似,相干势近似和特殊的准无序超晶胞方法,高熵合金集众多优异性能于一身,可以应用的工业领域非常广阔,高熵合金的非晶形成能力较强,某些高熵合金能在铸态组织中形成非晶相。
而传统合金要获得非晶组织,需要极大的冷却速度将液态原子无规则分布的组织保留到,非晶态金属的研究是近年来才兴起的,由于结构中无位错,具有很高的强度、硬度、塑性、韧性、耐蚀性及特殊的磁,应用也极为广泛,制备非晶态高熵合金无疑将进一步扩大高熵合金的应用领。
高熵合金的四个核心效应,高熵合金的发展,高熵合金(High-Entropy Alloys),是由5种或5种以上主要元素构成的,且每种主要元素的原子分数>5%并<35%,由于高熵合金可能具有许多理想的性质,因此在材料科学及工程上相当受到重视。
过往的概念中,若合金中加的金属种类越多,会使其材质脆化,但高熵合金和以往的合金不同,有多种金属却不会脆化,无论何种类型。
热机的效率随着温度的升高而增加,如核能、燃煤和燃油等发电行业中,工作温度的升高可以降低燃料消耗、污染和运行成本,在喷气发动机工业中,工作温度的增加可使性能改进。
例如更重的有效载荷、更大的速度和更大的范围的组合等,目前发动机主要部件材料的开发还是集中在Ni基高温合,但由于其初始熔点大约在1300℃,镍基高温合金适用于温度仅在1160~1277℃之间,因此,开发具有更优异高温性能的发动机部件材料变得至关重要,试验表明这两种耐火HEAs在1600℃时的屈服强度,这远高于Inconel 718 Ni 基高温合金在。
热机的开发需要进一步改善发动机部件材料的高温性能,与Ni基高温合金相比,HEAs在高温下具有更高的稳定性、更低的成本和密度,这表明这些合金由于具有吸引人的高温机械性能,有可能取代Ni基高温合金作为下一代高温材料,高熵合金其内部微观结构混乱,原子排布随机、无序。
这种合金是通过对高温液态金属快速冷却(快速淬火)实,当合金处于液态时,其内部的原子运动十分剧烈,排列也十分地随机,如果此时缓慢地给合金降温,使其凝固,原子会重新排列,相对整齐地排在一起。
凝固成普通的合金。
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