Ti의 마모된 표면 지형 및 수학적 모델링

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 것으로 나타났습니다. 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.