Ti の摩耗表面トポグラフィーと数学的モデリング

Scientific Reports volume 13、記事番号: 8878 (2023) この記事を引用

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この研究は、応答曲面法 (RSM) を使用して、焼きなました Ti-6Al-3Mo-2Sn-2Zr-2Nb-1.5Cr 合金の摩耗表面トポグラフィーと数学的モデリングを調査することを目的としています。 機械的特性に対する影響を研究するために、合金を 3 つの異なる条件にさらしました。 最初のレジームでは、室温で高さが 15% 低下するまで圧縮による冷間変形を加えました。 2 番目の方式では、変形したサンプルに対して 920 °C で 15 分間溶体化処理を実行し、その後周囲温度まで空冷 (AC) しました。 3 番目の方法では、変形および溶体化処理した試験片を 590 °C で 4 時間時効処理し、その後空冷しました。 実験計画法 (EDT) に従って乾式滑り摩耗を行うために 3 つの異なる速度 (1、1.5、および 2 m/s) が採用されました。 Gwyddion および Matlab ソフトウェアを使用して、摩耗した表面の写真を分析的かつグラフ的に検出しました。 AC+時効試験片では最大硬度 425 HV20 が得られましたが、焼き鈍し試験片では最小硬度 353 HV20 が報告されました。 溶体化処理後に時効処理を施すことにより、摩耗特性が大幅に向上し、その向上率は焼鈍状態と比較して98%に達しました。 入力因子 (硬度と速度) と応答 (アボット ファイアストン ゾーン) の間の関係は、分散分析 (ANOVA) を使用して実証されました。 アボット ファイアストーン ゾーン (高ピーク、利用、ボイド) に最適なモデルは、時間とコストを節約するために推定できる正確なデータを生成しました。 結果は、すべり速度の増加とともに平均表面粗さが減少するAC+エージング条件を除くすべての条件で、すべり速度の増加とともに平均表面粗さが増加することを示しました。 その結果、速度と硬度が低い場合、この材料は最高の利用ゾーン (86%) を与えることが明らかになりました。 高速かつ高硬度であるにもかかわらず、この材料の利用ゾーンは最も低くなります (70%)。 一般に、数学的モデルの予測結果は実験結果とほぼ一致しており、モデルを利用してアボット ファイアストン ゾーンを十分に予測できることがわかりました。

TC21 Ti 合金は、高い強度、硬度、靭性を備えており、α+β チタン合金の革新的なタイプと考えられています。 航空宇宙産業は、化学式 Ti-6Al-3Mo-2Sn-2Zr-2Nb-1.5Cr-0.1Si を持つ TC21 合金を利用して、着陸装置接続ボックスや翼形ジョイントなどの重要なコンポーネントを構築することに成功しています1、2、3。 。 熱機械的および熱処理に応じて微細構造と加工性を制御することにより、二相 (α/β) チタン合金は機械的特性と物理的特性のより良いバランスを実現できます。 研究者らは、高強度と優れた疲労特性のため、等軸微細構造を有するチタン合金にも興味を持っていました。 ただし、硬度が低く、摩擦挙動が弱いため、その使用には制限があります4、5、6、7。 変形後の熱処理プロセスは、チタン合金のトライボロジー挙動を強化するために適用できます1、8。

材料比曲線（アボット・ファイアストン曲線）は、表面粗さとプロファイルを定義するために使用される指標の 1 つを表す用語です。 この曲線は、凸部 (材料のある領域) と凹み (材料のない領域) の関係を示しています。 アボット-ファイアストン曲線を使用する利点の 1 つは、摩耗とならしプロセスの影響を模倣できる表面を検査できることです。 さらに、この曲線は、表面トポグラフィーを特徴付ける空隙量と材料に関する詳細を提供します。 最近では、3D 研究における機能基準の定義と採用に役立つ可能性があります9,10。 表面の機能的品質とその用途を評価するのに役立つ特性は、アボット-ファイアストン曲線です。

一部の著者は以前の出版物 11 で、アボット ファイアストン曲線は表面粗さ (Ra) よりも初期表面と磨耗表面をより正確に特徴付けるだろうと主張しており、この主張はトーランスによって支持されています 12。 深い空隙は変化する場合と変化しない場合があり、たとえば接触する表面の潤滑能力に影響を与えます。 トライボロジー技術によりピークが除去され、結果として得られるプラトーに異なるテクスチャが配置される場合があります。 複数の種類の摩耗が同時に発生している場合、アボット ファイアストン曲線を使用して、摩擦プロセスなどの相乗プロセスの影響を評価できます。 摩擦要素の活用中にこの曲線を調べると、近い将来に表面が変化する可能性についての洞察が得られる可能性があります。 歯車の歯の質感の品質を調査するために、Sosa ら 13 は、アボット ファイアストン曲線の 2D 研究を実施しました。 別の研究で、Sosa et al.14 は歯のなじみ過程を調査し、凹凸の頂点が摩耗する一方で、空隙は変化せずに残っ​​ているように見えることを発見しました。 次に、2D アボット-ファイアストン曲線のピーク ゾーンの変動 (最大 30%) を強調しました。 Affatato et al.15 は、高度なセラミックで構成された大腿骨頭の影響を受けているゾーンと影響を受けていないゾーンのアボット・ファイアストン曲線を対比することにより、摩耗した表面を特定することができました。 Mathia と Pawlus は、さまざまな表面トポグラフィーがトライボロジー特性にどのような影響を与えるかを調べる際に例を示し、表面の特性評価とテストの重要性を強調しました 16。 Bruzzone et al.17 によると、表面トポグラフィー、機能、および用途の間の関連性を研究することは、トライボロジーに特に重点を置く特に困難な取り組みです。 Kara et al.18 は、Sleipner 冷間加工工具鋼に対する浅い極低温処理と深い極低温処理の影響を、微小硬度、微小構造、摩擦係数、摩耗率の観点から調査しました。 Elshaer ら 19 は、Abbott Firestone 曲線を使用して炭素鋼機械要素の表面組織を調査しました。