Sep 10, 2023
Ti의 마모된 표면 지형 및 수학적 모델링
과학 보고서 13권,
Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8878(2023) 이 기사 인용
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측정항목 세부정보
이 연구의 목표는 반응 표면 방법론(RSM)을 사용하여 어닐링된 Ti-6Al-3Mo-2Sn-2Zr-2Nb-1.5Cr 합금의 마모 표면 형상과 수학적 모델링을 조사하는 것입니다. 기계적 특성에 미치는 영향을 연구하기 위해 합금에 세 가지 다른 방식을 적용했습니다. 첫 번째 방식은 실온에서 높이가 15% 감소할 때까지 압축에 의한 냉간 변형을 적용하는 것이었습니다. 두 번째 방식은 변형된 샘플을 920°C에서 15분 동안 용액 처리한 후 주변 온도로 공냉(AC)하는 것이었습니다. 세 번째 방식은 변형되고 용체화 처리된 시편에 590°C에서 4시간 동안 노화를 적용한 후 공냉하는 것이었습니다. 실험 설계 기술(EDT)에 따라 건식 슬라이딩 마모를 수행하기 위해 세 가지 다른 속도(1, 1.5 및 2m/s)가 채택되었습니다. Gwyddion 및 Matlab 소프트웨어를 사용하여 마모된 표면 사진을 분석 및 그래픽으로 감지했습니다. AC+Aging 시편의 최대 경도는 425 HV20인 반면, Annealing 시편의 경우 최소 경도 353 HV20이 보고되었습니다. 용체화 처리 후 시효 공정을 적용하면 마모 특성이 상당히 향상되었으며 이 향상은 어닐링 조건과 비교하여 98%에 달했습니다. 입력 요인(경도 및 속도)과 반응(Abbott Firestone 구역) 간의 관계는 분산 분석(ANOVA)을 사용하여 입증되었습니다. Abbott Firestone 구역(높은 봉우리, 활용 및 공극)에 대한 최고의 모델은 시간과 비용을 절약하기 위해 추정할 수 있는 정확한 데이터를 생성했습니다. 결과는 슬라이딩 속도가 증가함에 따라 평균 표면 거칠기가 감소하는 AC+Aging 조건을 제외한 모든 조건에서 슬라이딩 속도가 증가함에 따라 평균 표면 거칠기가 증가하는 것을 보여주었습니다. 결과는 낮은 속도와 경도에서 재료가 가장 높은 활용 영역(86%)을 제공하는 것으로 나타났습니다. 속도와 경도가 높은 반면 재료는 가장 낮은 활용 영역(70%)을 제공합니다. 일반적으로 수학적 모델의 예측 결과는 실험 결과와 밀접하게 일치하여 모델을 활용하여 Abbott Firestone 영역을 만족스럽게 예측할 수 있습니다.
TC21 Ti 합금은 α+β 티타늄 합금의 혁신적인 유형으로 간주되는 높은 강도, 경도 및 인성을 가지고 있습니다. 항공우주 산업은 Ti-6Al-3Mo-2Sn-2Zr-2Nb-1.5Cr-0.1Si라는 화학 공식을 갖는 TC21 합금을 성공적으로 활용하여 랜딩 기어 연결 상자 및 익형 조인트와 같은 필수 구성 요소를 제작했습니다1,2,3 . 열역학적 및 열처리에 따라 미세 구조 및 가공성을 제어함으로써 2상(α/β) 티타늄 합금은 기계적 특성과 물리적 특성의 더 나은 균형을 달성할 수 있습니다. 연구원들은 또한 높은 강도와 뛰어난 피로 특성으로 인해 등축 미세 구조를 갖는 티타늄 합금에 관심이 있었습니다. 그러나 경도가 낮고 마찰학적 거동이 약하여 사용이 제한됩니다4,5,6,7. 티타늄 합금1,8의 마찰학적 거동을 향상시키기 위해 변형 후 열처리 공정을 적용할 수 있습니다.
재료 비율 곡선(Abbott Firestone 곡선)은 표면 거칠기와 프로파일을 정의하는 데 사용되는 측정 항목 중 하나를 나타내는 용어입니다. 이 곡선은 돌출부(재료가 있는 영역)와 함몰부(재료가 없는 영역) 사이의 관계를 나타냅니다. Abbott-Firestone 곡선을 사용하면 마모 및 길들이기 과정의 영향을 모방할 수 있는 표면을 검사할 수 있다는 이점이 있습니다. 또한 이 곡선은 표면 지형을 특징짓는 보이드 볼륨 및 재료에 대한 세부 정보를 제공합니다. 최근에는 3D 연구9,10에서 기능적 기준을 정의하고 사용하는 데 도움이 될 수 있습니다. 표면의 기능적 품질과 그 적용을 평가하는 데 유용한 특성은 Abbott-Firestone 곡선입니다.
일부 저자는 이전 출판물11에서 Abbott Firestone 곡선이 표면 거칠기(Ra)보다 초기 표면과 마모된 표면을 더 정확하게 특성화할 것이라고 주장했으며, 이는 Torrance12에서 뒷받침되는 주장입니다. 깊은 공극은 변경되거나 변경되지 않을 수 있으며, 예를 들어 접촉하는 표면의 윤활 능력에 영향을 미칠 수 있습니다. 마찰공학 기술을 사용하면 피크가 제거되어 결과 평탄면에 다른 질감이 배치될 수 있습니다. 여러 유형의 마모가 동시에 발생하는 경우 Abbott Firestone 곡선을 사용하여 마찰 공학과 같은 시너지 과정의 영향을 측정할 수 있습니다. 마찰 요소를 활용하는 동안 이 곡선을 조사하면 가까운 미래에 표면이 변경될 가능성에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 기어 톱니의 질감 품질을 조사하기 위해 Sosa 등13은 Abbott Firestone 곡선에 대한 2D 연구를 수행했습니다. 다른 연구에서 Sosa 등14은 치아의 길들이기 과정을 조사한 결과 돌기 정점이 마모되는 동안 공극은 변경되지 않은 채 남아 있는 것으로 나타났습니다. 그런 다음 2D Abbott-Firestone 곡선의 피크 영역(최대 30%)의 변화를 강조했습니다. 고급 세라믹으로 구성된 대퇴골두의 손상된 부분과 손상되지 않은 부분에 대한 Abbott-Firestone 곡선을 대조함으로써 Affatato et al.15은 마모된 표면을 식별할 수 있었습니다. 다양한 표면 지형이 마찰 특성에 어떤 영향을 미치는지 조사할 때 Mathia와 Pawlus는 예를 제시하고 표면 특성화 및 테스트의 중요성을 강조했습니다16. Bruzzone et al.17에 따르면 표면 지형, 기능 및 응용 간의 연결을 연구하는 것은 마찰학에 특히 중점을 두는 특히 어려운 작업입니다. Kara 등18은 미세경도, 미세구조, 마찰계수 및 마모율 측면에서 Sleipner 냉간 가공 공구강에 대한 얕은 극저온 처리와 깊은 극저온 처리의 효과를 조사했습니다. Elshaer 등19은 Abbott Firestone 곡선을 사용하여 탄소강 기계 요소의 표면 질감을 조사했습니다.