Modellazione della resistenza all'usura per TC21 Ti

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 4624 (2023) Citare questo articolo

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Questo studio ha studiato l'effetto dei processi di trattamento termico sulla resistenza all'usura da scorrimento a secco della lega di titanio TC21 a diversi livelli di carico normale e velocità di scorrimento. Come progettazione della procedura sperimentale è stata utilizzata la metodologia della superficie di risposta (RSM). OM e FESEM oltre all'analisi XRD sono stati utilizzati per giustificare i risultati. La durezza più alta di 49 HRC è stata registrata per i campioni WQ + Invecchiamento a causa dell'abbondanza di α″ che si è decomposto in α e più α, mentre la durezza più bassa di 36 HRC è stata segnalata per i campioni WQ. I risultati hanno rivelato che i campioni sottoposti a tempra e invecchiamento in acqua (WQ + Aging) in condizioni estreme di carico e velocità (50 N e 3 m/s), possedevano la resistenza all’usura più scarsa nonostante avessero la durezza più elevata. Mentre quelli lasciati allo stato ricotto hanno rivelato la più alta resistenza all’usura sebbene avessero una durezza molto inferiore rispetto ad altre condizioni. È stato sviluppato un modello matematico polinomiale per la resistenza all'usura espressa in velocità di usura, convalidato e poi utilizzato per ottenere i parametri ottimali.

Numerose applicazioni ingegneristiche richiedono agli ingegneri di ottenere materiali con elevata resistenza, rigidità, resistenza alla frattura e temperature di servizio estreme con un peso ridotto1. Questo insieme di proprietà può essere facilmente supportato dal titanio (Ti) e dalle sue leghe. Di conseguenza, la loro gamma di applicazioni si estende per includere applicazioni di ingegneria avanzata nei settori dell'edilizia, automobilistico, della produzione di energia, biomedico, della lavorazione chimica, aerospaziale e marittimo2,3. Tuttavia, il titanio e le sue leghe incontrano difficoltà se utilizzati nel campo dell'usura e dell'attrito. Ciò è attribuito alla loro bassa resistenza all'usura e all'elevata affinità chimica in determinate circostanze rispetto agli acciai4. TC21 è una lega di titanio di nuova concezione resistente ai danni con elevata resistenza specifica e temperatura di servizio5. Appartiene alle leghe α+β che rappresentano oltre il 70% del mercato delle leghe di Ti6. Questo perché queste leghe possono essere rinforzate mediante trattamenti termici e termomeccanici. Pertanto, è possibile ottenere un'ampia gamma di microstrutture e proprietà meccaniche per personalizzare le applicazioni7. Si ritiene che TC21 sia un forte concorrente e un sostituto della nota lega di Ti Ti–6Al–4V (Ti64)8. Alcuni chiamano Ti64 una lega industriale del titanio da lavoro, che domina il 50% del mercato globale6. Sebbene entrambe le leghe siano leghe α + β, TC21 ha una resistenza specifica e una resistenza alla frattura più elevate rispetto alla lega Ti64. La domanda presentata per TC21 riguarda prodotti aerospaziali come componenti di carrelli di atterraggio, strutture portanti, alberi motore, fusoliere e telai9.

Il comportamento all'usura del TC21 è stato studiato sia dal punto di vista dell'usura da scorrimento che da quello da sfregamento. Elshear et al.10 hanno studiato l'effetto della velocità di raffreddamento e del processo di invecchiamento sul comportamento all'usura della lega di Ti TC21 deformata. La migliore combinazione di proprietà è stata ottenuta mediante raffreddamento ad aria e invecchiamento (AC + invecchiamento). In un altro lavoro11, gli autori hanno studiato l'effetto della deformazione a freddo oltre al trattamento termico. X. Guo et al.4 hanno studiato l'influenza dei trattamenti termici singoli, doppi e tripli sulla microstruttura e sulle proprietà di usura da scorrimento a secco della lega TC21. Hanno scoperto che la resistenza all’usura della microstruttura a trama di cesto α + β (risultante da trattamenti doppi e tripli) è superiore a quella della microstruttura β monofase. Per l'usura da sfregamento, i risultati di Lin et al.12 hanno rivelato che l'ampiezza ha avuto la maggiore influenza sulla resistenza all'usura rispetto sia alla frequenza che al carico normale. il meccanismo del danno era principalmente un meccanismo di usura abrasiva. Secondo Yan et al.13, l'usura da sfregamento è stata condotta a temperatura elevata (150 °C). Gli autori hanno riferito che l'effetto della temperatura sul coefficiente di attrito dipendeva dallo spostamento. Inoltre, rispetto alla temperatura ambiente, il tasso di usura è stato ridotto del 67,4–86,5% e il meccanismo di usura per ossidazione è stato il meccanismo principale. Lungi dall'utilizzare i tradizionali processi di trattamento termico per controllare le caratteristiche di usura della lega TC21, molte ricerche14,15,16 hanno riportato lo sfruttamento della tecnologia di modificazione superficiale e del processo di ossidazione per migliorare la durezza e la resistenza all'usura della lega TC21.