Обработка трением с перемешиванием - Friction stir processing - Wikipedia

Схема обработки трением при перемешивании. Обработанный металл подвергается высокой деформации, которая изменяет его структуру дендритов (зерен) - дендриты меньше и более круглые в зоне самородка, чем в недеформированных областях.[1]

Обработка трением с перемешиванием (FSP) - это метод изменения свойств металл через интенсивные, локализованные Пластическая деформация.[2]:7[3]:1117 Эта деформация вызывается принудительной вставкой нерасходуемого инструмента в заготовку и вращением инструмента перемешивающим движением, когда он проталкивается в сторону через заготовку.[2]:5[4] Предшественник этой техники, сварка трением с перемешиванием, используется для соединения нескольких металлических частей без создания зона термического влияния типично сварка плавлением.[2]:5, 7

При идеальной реализации этот процесс смешивает материал без изменение фазы (к таяние или иначе) и создает микроструктура с штрафом, равноосный зерна.[3]:1117[4] Эта однородная зеренная структура, разделенная большеугловыми границами, позволяет некоторым алюминиевые сплавы взять на себя сверхпластичный характеристики.[2]:7 Обработка трением также улучшает предел прочности и предел выносливости металла.[3]:1117 При испытаниях с активно охлаждаемыми заготовками из магниевого сплава микротвердость почти втрое больше в области шва, обработанного трением с перемешиванием (до 120–130 Твердость по Виккерсу ).[5]:565

Процесс

При обработке трением с перемешиванием (FSP) вращающийся инструмент используется со штифтом и выступом на едином куске материала для улучшения определенных свойств, таких как повышение прочности или гибкости материала, в определенной области микроструктуры материала. материал через мелкое зерно второго материала со свойствами, улучшающими первый. (Ma)[6] Трение между инструментом и заготовкой приводит к локальному нагреву, который размягчает и пластифицирует заготовку. Объем обрабатываемого материала создается перемещением материалов от передней части стержня к задней части стержня. Во время этого процесса материал подвергается интенсивной пластической деформации, что приводит к значительному измельчению зерна. (Мишра)[7] FSP изменяет физические свойства без изменения физического состояния, что помогает инженерам создавать такие вещи, как «сверхпластичность при высокой скорости деформации». Уменьшение зерна происходит в основном материале, улучшающем свойства первого материала при смешивании со вторым материалом. Это позволяет изменять различные материалы для замены вещей, которые могут потребовать других труднодоступных условий. Эти процессы являются ответвлением сварки трением с перемешиванием (FSW), в которой используется один и тот же процесс для сварки двух частей из разных материалов вместе без нагрева, плавления или изменения физического состояния материалов.

Инструмент

Инструмент играет важную роль в создании конечного продукта. Инструмент состоит из двух основных функций:

  1. Локальное отопление
  2. Материальный поток

Инструмент в своей простейшей форме состоит из выступа, небольшого цилиндра диаметром 50 мм и штифта, маленького цилиндра с резьбой, похожего на сверло. Сам инструмент был модифицирован, чтобы уменьшить смещенный объем металлов при их слиянии. Недавно появились две новые геометрии штифтов:

  1. Flared-Triflute - вводные канавки (крупная резьба по вертикали на штифте)
  2. А-перекос - ось пальца наклонена к оси шпинделя.[8]

Приложения

FSP используется, когда свойства металлов хотят улучшить, используя другие металлы для поддержки и улучшения первых. Это многообещающий процесс для автомобильной и аэрокосмической промышленности, где необходимо будет разработать новый материал для повышения сопротивления износу, ползучести и усталости. (Миша)[7] Примеры материалов, успешно обработанных с использованием техники перемешивания трением, включают: AA 2519, AA 5083 и AA 7075 алюминиевые сплавы,[2]:7–8 AZ61 магниевый сплав,[5]:562 никель-алюминиевая бронза[2]:7 и 304L нержавеющая сталь.[2]:33

Кастинг

Металлические детали производства Кастинг сравнительно недороги, но часто имеют металлургические недостатки, такие как пористость и микроструктурные дефекты.[9] Обработка трением с перемешиванием может использоваться для придания деформированной микроструктуры литой детали и устранения многих дефектов.[9] Путем интенсивного перемешивания литой металлической детали для ее гомогенизации и уменьшения размера зерна повышаются пластичность и прочность.[9]

Порошковая металлургия

Обработка трением с перемешиванием также может быть использована для улучшения микроструктурных свойств порошковый металл объекты.[10] В частности, при работе с алюминиевыми порошковыми металлическими сплавами оксид алюминия пленка на поверхности каждой гранулы губительна для пластичность, усталостные свойства и вязкость разрушения заготовки.[10] Хотя обычные методы удаления этой пленки включают ковка и экструзия обработка трением с перемешиванием подходит для ситуаций, когда требуется локальная обработка.[10]

Изготовление композитов с металлической матрицей

FSP также можно использовать для изготовления композитов с металлической матрицей в зоне самородков, где нам необходимо изменение свойств. Были успешно изготовлены Al 5052 / SiC и некоторые другие композиты. Даже нанокомпозиты могут быть изготовлены FSP.

Алюминиевые поверхностные композиты с превосходными свойствами

С помощью FSP можно изготавливать алюминиевые поверхностные композиты с улучшенными поверхностными свойствами. Поверхностные алюминиевые композиты, изготовленные с оптимальными параметрами обработки трением с перемешиванием, обладают лучшими механическими свойствами и коррозионной стойкостью. [11] Параметры обработки, такие как скорость вращения инструмента и диаметр уступа инструмента, влияют на свойства поверхности. Более высокую твердость поверхности демонстрируют поверхностные композиты, изготовленные при более высокой скорости вращения инструмента и меньшем диаметре уступа инструмента. [12] Свойства композитных материалов можно изменить, изменив тип армирования. Армирующие частицы способствуют уменьшению размера зерна, а также улучшению свойств обрабатываемых материалов. Свойства поверхностного композита можно варьировать путем изменения армирующих частиц в зависимости от конечного применения. Армирующие фазы могут быть металлическими, керамическими или полимерными. [13] [14]

Тестирование

Нанокомпозиты на основе магния

FSP использовался для модификации сплава Mg и вставки наноразмерного SiO2. Всего испытание проводилось четыре раза при среднем размере зерна от 0,5 до 2 мкм. Это почти вдвое увеличило твердость Mg, а также увеличило суперпластичность. При комнатной температуре предел текучести композитов FSP был улучшен в 1D и 2D образцах, что означает большее сопротивление металла изделия в условиях высоких напряжений без деформации. Было показано, что предел прочности при растяжении увеличивается вместе с пределом текучести.[15]

Преимущества

У FSP есть преимущества, когда необходимо смешать два материала. «FSP - это короткий путь, технология твердотельной обработки с одностадийной обработкой, которая обеспечивает уплотнение и однородность с микроструктурным уточнением» (Ма)[6] FSW помогает модифицировать материалы так, чтобы не приходилось резать металлизацию или кардинально менять материал. Например, FSP может легко изменить форму куска материала в виде листов металла, где раньше его, возможно, приходилось расплавлять и помещать в форму для охлаждения и формования. (Смит, Мишра) [16]«Микроструктуру и механические свойства обрабатываемой зоны можно точно контролировать путем оптимизации конструкции инструмента, параметров FSP и активного охлаждения / нагрева». (Ма)[6] Один и тот же лист металла можно модифицировать для различных ситуаций с помощью соответствующей модификации инструмента. FSP показал способность изгибать металлические сплавы, так как, например, сплав, модифицированный FSP, может изгибаться до 30 градусов, тогда как раньше он мог изгибаться только до семи.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Arora, H. S .; Mridha, S .; Grewal, H.S .; Singh, H .; Hofmann, D.C .; Мукерджи, С. (2014). «Управление масштабом длины и распределением пластичной фазы в композитах из металлического стекла посредством обработки трением с перемешиванием». Наука и технология перспективных материалов. 15 (3): 035011. Дои:10.1088/1468-6996/15/3/035011. ЧВК  5090532. PMID  27877687.
  2. ^ а б c d е ж грамм Стерлинг, Колин Дж. (Август 2004 г.), «Влияние обработки трением на микроструктуру и механические свойства нержавеющей стали 304L, сваренной плавлением» (PDF), Диссертация (MSc), Прово, UT, НАС.: Университет Бригама Янга, Кафедра машиностроения, получено 16 мая, 2010, Вариант FSW, называемый обработкой трением с перемешиванием (FSP), использует те же общие настройки и инструменты, что и FSW, но используется для выборочного изменения микроструктуры материалов для улучшения определенных свойств.
  3. ^ а б c Махмуд, Т. С. (2008). «Влияние обработки трением с перемешиванием на электропроводность и коррозионную стойкость алюминиевого сплава AA6063-T6». Труды Института инженеров-механиков, часть C: журнал машиностроения. 222 (7): 1117–1123. Дои:10.1243 / 09544062JMES847. OCLC  60648821. Во время FSP металл подвергается сочетанию интенсивной пластической деформации, перемешивания и термического воздействия, что приводит к измененной микроструктуре, характеризующейся очень мелкой и равноосной зеренной структурой.
  4. ^ а б "Обработка передовых материалов трением с перемешиванием" (PDF), Национальный центр транспортных исследований интернет сайт, Транспорт 21 века, Ок-Ридж, Теннесси, НАС.: Национальная лаборатория Окриджа, Министерство энергетики США, Ноябрь 2002 г., архивировано из оригинал (PDF) 29 сентября 2006 г., получено 16 мая, 2010, Инструмент приводит нагретые материалы в плотный контакт, заставляя их образовывать твердое соединение. Не происходит плавления материалов; вместо этого соединение образуется за счет пластической деформации деталей.
  5. ^ а б Ду (杜), Син-хао (兴 蒿); Ву (武), Бао-лин (保 林) (июнь 2008 г.), «Использование обработки трением с перемешиванием для получения ультрамелкозернистой микроструктуры магниевого сплава AZ61» (PDF), Сделки Общества цветных металлов Китая, 18 (3): 562–565, Дои:10.1016 / с1003-6326 (08) 60098-9, ISSN  1003-6326, OCLC  493811807, заархивировано из оригинал (PDF) 7 июля 2011 г., получено 18 мая, 2010, Обработка трением с перемешиванием резко увеличивает микротвердость подложки AZ61. Среднее значение Hv120-130 почти в три раза выше, чем у субстрата AZ61.
  6. ^ а б c Ма, З.Я. (1 февраля 2008 г.). «Технология обработки трением с перемешиванием: Обзор». Springer. 39 (3): 1. Дои:10.1007 / s11661-007-9459-0.
  7. ^ а б Миша Р. (2003). «Обработка трением с перемешиванием: новый метод изготовления поверхностных композитов». Материаловедение и инженерия: A. 341 (1–2): 1. Дои:10.1016 / S0921-5093 (02) 00199-5.
  8. ^ Mishra, R.S .; Ма, З.Я. (18 августа 2005 г.). «Материаловедение и инженерия: R: Отчеты». Материаловедение и инженерия: R: Отчеты. 50 (1–2): 1–78. Дои:10.1016 / j.mser.2005.07.001.
  9. ^ а б c Мишра, Раджив, "Модификация литья с перемешиванием трением", Сайт обработки трением с перемешиванием, Ролла, Миссури, НАС.: Университет Миссури-Ролла, заархивировано из оригинал на 2010-07-13, получено 16 мая, 2010, FSP предоставляет уникальную возможность встроить «деформированную» микроструктуру в «литой» компонент путем локализованной модификации.
  10. ^ а б c Мишра, Раджив, «Обработка порошка трением с перемешиванием», Сайт обработки трением с перемешиванием, Ролла, Миссури, НАС.: Университет Миссури-Ролла, заархивировано из оригинал на 2010-07-13, получено 16 мая, 2010, Разрушение пленки оксида алюминия на границах предшествующих частиц путем экструзии или ковки имеет решающее значение для пластичности, усталости и вязкости разрушения. Из-за структуры потока материала некоторая микроструктурная неоднородность не может быть устранена при ковке и экструзии. Обработка трением с перемешиванием дает возможность гомогенизировать микроструктуру для последующих операций формования или создавать избирательно армированные области.
  11. ^ Махеш, В. П .; Арора, Амит (2019). «Обработка трением с перемешиванием с одной и двумя канавками на поверхности алюминиево-молибденовых композитов». Металлургические операции и операции с материалами A. 50 (11): 5373–5383.
  12. ^ Махеш, В. П .; Кумар, Ашутош; Арора, Амит (2020). «Модификация микроструктуры и повышение твердости поверхности в композиционных материалах с фрикционной перемешиваемой поверхностью Al-Mo». Журнал материаловедения и производительности. Дои:10.1007 / s11665-020-05018-у.
  13. ^ Махеш, В. П .; Гумасте, Анураг; Мина, Неха; Alphonsa, J .; Арора, Амит (2020). «Коррозионное поведение алюминиевых поверхностных композитов с металлическим, керамическим и гибридным армированием с использованием обработки трением с перемешиванием». Металлургические операции и операции с материалами B. Дои:10.1007 / s11663-020-01932-7.
  14. ^ Раут, Арпан; и др. (2019). «Биоинспирированный алюминиевый композит, армированный мягкими полимерами с повышенной прочностью и пластичностью». Передовые инженерные материалы. Дои:10.1002 / adem.201901116.
  15. ^ Lee, C.J .; Huang, J.C .; Се, П.Дж. (2006). «Нанокомпозиты на основе магния, полученные методом фрикционного перемешивания». Scripta Materialia. 54 (7): 1415–1420. Дои:10.1016 / j.scriptamat.2005.11.056.
  16. ^ Смит, Кристофер; Миша, Раджив (21 марта 2014). Обработка трением с перемешиванием для улучшенной формуемости при низких температурах: том в серии книг по сварке и обработке трением. Баттерворт-Хайнеманн, 2014. стр. 1. ISBN  9780124201835. Получено 30 октября 2014.