TC21 Ti의 내마모성 모델링

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 4624(2023) 이 기사 인용

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본 연구에서는 여러 수준의 일반 하중 및 미끄럼 속도에서 TC21 Ti 합금의 건식 미끄럼 마모 저항에 대한 열처리 공정의 영향을 조사했습니다. 반응 표면 방법론(RSM)이 실험 절차의 설계로 사용되었습니다. 결과 정당화를 위해 XRD 분석 외에 OM과 FESEM을 사용했습니다. 49 HRC의 가장 높은 경도는 αs 및 더 많은 αs로 분해되는 α″가 많기 때문에 WQ + Aging 시편에 대해 기록되었으며, WQ 시편에서는 36 HRC의 가장 낮은 경도가 보고되었습니다. 결과는 극한 하중 및 속도 조건(50N 및 3m/s)에서 물 담금질 및 노화(WQ + Aging)를 받은 시편이 가장 높은 경도를 가지지만 가장 낮은 내마모성을 갖는 것으로 나타났습니다. Annealing 상태로 방치한 경우 다른 조건에 비해 경도가 훨씬 낮지만 가장 높은 내마모성을 나타냄. 마모율로 표현되는 내마모성에 대한 수학적 다항식 모델이 개발되고 검증된 후 최적의 매개변수를 얻는 데 사용되었습니다.

여러 엔지니어링 응용 분야에서는 엔지니어가 높은 강도, 강성, 파괴 인성 및 낮은 무게의 극한 사용 온도를 갖춘 재료를 확보해야 합니다1. 이러한 특성 모음은 티타늄(Ti) 및 그 합금으로 쉽게 뒷받침될 수 있습니다. 결과적으로 응용 범위가 건설, 자동차, 발전, 생물 의학, 화학 처리, 항공 우주 및 해양 산업의 고급 엔지니어링 응용 프로그램을 포함하도록 확장되었습니다2,3. 그러나 티타늄과 그 합금은 마모 및 마찰 분야에 사용될 때 어려움을 겪습니다. 이는 특정 상황에서 강철에 비해 내마모성이 낮고 화학적 친화성이 높기 때문입니다4. TC21은 비강도와 사용 온도가 높은 새로 개발된 손상 방지 Ti 합금입니다5. 이는 Ti 합금 시장의 70% 이상을 차지하는 α + β 합금에 속합니다6. 이는 이러한 합금이 열적 및 열기계적 처리를 통해 강화될 수 있기 때문입니다. 따라서 광범위한 미세 구조와 기계적 특성을 얻어 응용 분야를 맞춤화할 수 있습니다7. TC21은 잘 알려진 Ti 합금 Ti–6Al–4V(Ti64)8의 강력한 경쟁자이자 대체품으로 생각됩니다. 일부 사람들은 Ti64를 주력 티타늄 산업 합금이라고 부르며, 세계 시장의 50%를 점유하고 있습니다6. 두 합금 모두 α + β 합금이지만 TC21은 Ti64 합금보다 비강도와 파괴인성이 더 높습니다. TC21에 제출된 출원에는 랜딩 기어 구성 요소, 하중 지지 구조, 엔진 샤프트, 동체 및 프레임과 같은 항공우주 제품이 포함됩니다9.

TC21의 마모 거동은 미끄럼 마모와 프레팅 마모 관점에서 조사되었습니다. Elshear 등10은 변형된 TC21 Ti 합금의 마모 거동에 대한 냉각 속도 및 노화 과정의 영향을 조사했습니다. 더 나은 특성 조합은 공냉식 및 에이징(AC + 에이징) 조건에 의해 달성되었습니다. 또 다른 연구11에서 저자는 열처리 외에 냉간 변형의 영향을 연구했습니다. X. Guo 등4은 TC21 합금의 미세 구조 및 건식 슬라이딩 마모 특성에 대한 단일, 이중 및 삼중 열처리의 영향을 조사했습니다. 그들은 α + β 바스켓 직조 미세 구조(이중 및 삼중 처리로 인해 발생)의 내마모성이 단상 β 미세 구조의 내마모성보다 높다는 것을 발견했습니다. 프레팅 마모의 경우, Lin et al.12의 결과는 진폭이 주파수 및 일반 하중과 비교할 때 마모 저항에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 손상 메커니즘은 주로 연마 마모 메커니즘이었습니다. Yan 등13에 따르면 프레팅 마모는 고온(150°C)에서 수행되었습니다. 저자는 마찰계수에 대한 온도의 영향이 변위에 의존한다고 보고했습니다. 또한 상온 대비 마모율이 67.4~86.5% 감소하였으며, 산화마모 메커니즘이 주요 메커니즘인 것으로 나타났다. TC21 합금의 마모 특성을 제어하기 위해 전통적인 열처리 공정을 사용하는 것과는 달리 많은 연구14,15,16에서는 표면 개질 기술 및 산화 공정을 활용하여 TC21 합금의 경도와 내마모성을 향상시키는 것으로 보고되었습니다.