Modelado de resistencia al desgaste para TC21 Ti

Mar 21, 2024

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 4624 (2023) Citar este artículo

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Este estudio investigó el efecto de los procesos de tratamiento térmico sobre la resistencia al desgaste por deslizamiento en seco de la aleación de Ti TC21 en varios niveles de carga normal y velocidad de deslizamiento. Se ha utilizado la Metodología de Superficie de Respuesta (RSM) como diseño del procedimiento del experimento. Para justificar los resultados se utilizaron OM y FESEM además del análisis XRD. La dureza más alta de 49 HRC se registró para las muestras WQ + Envejecimiento debido a la gran cantidad de α″ que se descompuso en αs y más αs, mientras que la dureza más baja de 36 HRC se registró para las muestras WQ. Los resultados revelaron que las probetas sometidas a enfriamiento y envejecimiento con agua (WQ + Envejecimiento) en condiciones extremas de carga y velocidad (50 N y 3 m/s), poseían la menor resistencia al desgaste aunque tenían la mayor dureza. Mientras que los que se dejaron en estado recocido revelaron la mayor resistencia al desgaste, aunque tenían una dureza mucho menor en comparación con otras condiciones. Se desarrolló un modelo polinómico matemático para la resistencia al desgaste expresado en tasa de desgaste, se validó y luego se utilizó para obtener los parámetros óptimos.

Varias aplicaciones de ingeniería requieren que los ingenieros obtengan materiales con alta resistencia, rigidez, tenacidad a la fractura y temperaturas de servicio extremas con bajo peso1. Este conjunto de propiedades puede respaldarse fácilmente con el titanio (Ti) y sus aleaciones. Como resultado, su gama de aplicaciones se amplía para incluir aplicaciones de ingeniería avanzada en las industrias de la construcción, automoción, generación de energía, biomédica, procesamiento químico, aeroespacial y marina2,3. Sin embargo, el titanio y sus aleaciones encuentran dificultades cuando se utilizan en el campo del desgaste y la fricción. Esto se atribuye a su baja resistencia al desgaste y a su alta afinidad química en determinadas circunstancias en comparación con los aceros4. TC21 es una aleación de Ti tolerante a daños recientemente desarrollada con alta resistencia específica y temperatura de servicio5. Pertenece a las aleaciones α+β que representan más del 70% del mercado de aleaciones de Ti6. Esto se debe a que estas aleaciones pueden reforzarse mediante tratamientos térmicos y termomecánicos. Por tanto, se puede obtener una amplia gama de microestructuras y propiedades mecánicas para personalizar las aplicaciones7. Se cree que el TC21 es un fuerte competidor y sustituto de la conocida aleación de Ti Ti–6Al–4V (Ti64)8. Algunos llaman al Ti64 un caballo de batalla de la aleación de la industria del titanio; domina el 50% del mercado mundial6. Aunque ambas aleaciones son aleaciones α + β, TC21 tiene una resistencia específica y tenacidad a la fractura más altas que la aleación Ti64. La solicitud presentada para el TC21 involucra productos aeroespaciales como componentes de trenes de aterrizaje, estructuras portantes, ejes de motores, fuselajes y bastidores9.

El comportamiento de desgaste de TC21 se ha investigado desde la perspectiva tanto del desgaste por deslizamiento como del desgaste por fricción. Elshear et al.10 investigaron el efecto de la velocidad de enfriamiento y el proceso de envejecimiento sobre el comportamiento de desgaste de la aleación de Ti TC21 deformada. La mejor combinación de propiedades se logró mediante la condición enfriada por aire y envejecida (AC + envejecimiento). En otro trabajo11, los autores estudiaron el efecto de la deformación en frío además del tratamiento térmico. X. Guo et al.4 investigaron la influencia de tratamientos térmicos simples, dobles y triples en la microestructura y las propiedades de desgaste por deslizamiento en seco de la aleación TC21. Descubrieron que la resistencia al desgaste de la microestructura de tejido de cesta α + β (resultante de tratamientos dobles y triples) es mayor que la de la microestructura β monofásica. Para el desgaste por fricción, los resultados de Lin et al.12 revelaron que la amplitud tenía la mayor influencia en la resistencia al desgaste en comparación con la frecuencia y la carga normal. el mecanismo de daño fue principalmente un mecanismo de desgaste abrasivo. Según Yan et al.13, el desgaste por fricción se realizó a temperatura elevada (150 °C). Los autores informaron que el efecto de la temperatura sobre el coeficiente de fricción dependía del desplazamiento. Además, en comparación con la temperatura ambiente, la tasa de desgaste se redujo entre un 67,4% y un 86,5% y el mecanismo de desgaste por oxidación fue el mecanismo principal. Lejos de utilizar procesos tradicionales de tratamiento térmico para controlar las características de desgaste de la aleación TC21, muchas investigaciones14,15,16 informaron sobre la explotación de la tecnología de modificación de superficies y el proceso de oxidación para mejorar la dureza y la resistencia al desgaste de la aleación TC21.

Para obtener conclusiones válidas y confiables, además de mantener los costos y el tiempo de las ejecuciones experimentales lo más mínimo posible, el diseño de experimentos (DOE) se utiliza ampliamente en el campo tribológico, ya que la prueba de desgaste se clasifica como una prueba destructiva. Uno de los diseños más utilizados en la industria o en trabajos de investigación son los diseños Taguchi o matrices ortogonales de Taguchi, que pueden usarse tanto en la etapa de diseño del proceso como en la etapa del producto para mejorar la capacidad de fabricación y la confiabilidad del producto17. Utilizando el diseño de matriz ortogonal L9 de Taguchi, R. Sahoo et al.1,18 estudiaron la influencia de factores como la variación microestructural resultante del proceso de tratamiento térmico, la velocidad de deslizamiento, la carga normal y la duración de la prueba en el comportamiento de desgaste por deslizamiento en seco del Ti–6Al–4V. aleación de titanio a temperatura ambiente. Paramjit Singh et al.19 también utilizaron el diseño Taguchi con matriz ortogonal L25 para optimizar las condiciones de tratamiento criogénico profundo para el comportamiento de deslizamiento en seco de la misma aleación. Los factores de control incluyeron duraciones de remojo (tcs), temperaturas de templado (Ttp), velocidad de deslizamiento (vs), presión de contacto (pc) y tiempo de deslizamiento (ts) con 5 niveles para cada uno. Aunque el método Taguchi reduce efectivamente el número total de corridas, no indica con precisión la causa de la variabilidad en la respuesta, que podría deberse a efectos principales, interacciones entre factores de control o curvatura20. Taguchi se centra en los efectos principales y da menos interés a los efectos de interacción a menos que estén preasignados en la matriz ortogonal.

Varios investigadores utilizaron RSM como técnica DOE para investigar el comportamiento de desgaste de las aleaciones de Ti. El-Tayeb et al.21,22 compararon el comportamiento de fricción de dos aleaciones de titanio α + β, Ti54 y Ti64, tanto en condiciones de deslizamiento de aire seco como de deslizamiento criogénico seco (N2 líquido). Utilizaron RSM para desarrollar modelos que describen la interrelación entre la salida respuestas (coeficiente de fricción y volumen de desgaste) y las variables de entrada. Chauhan et al.23 intentaron enfatizar los mecanismos responsables de la baja resistencia al desgaste de la aleación de titanio (Grado 5). Utilizaron RSM para investigar el efecto de tres factores de deslizamiento en seco sobre la tasa de desgaste específica y desarrollaron un modelo predictivo. MD Sharma et al.24 modelaron y optimizaron la fricción por deslizamiento en seco y las características de desgaste, por ejemplo, tasa de desgaste, coeficiente de fricción promedio y temperatura máxima de contacto de la aleación Ti-3Al-2.5V. Los modelos fueron transformados, como log o raíz cuadrada inversa de la respuesta en función de las variables de entrada. Babu et al.25 también desarrollaron un modelo cuadrático reducido para correlacionar la tasa de desgaste específica de la aleación Ti-3Al-2.5V en condiciones de deslizamiento seco con algunas variables de entrada como carga, velocidad y distancia de deslizamiento. Elshaer et al.26 utilizaron RSM para analizar cómo la presión y la velocidad influyeron en las zonas de Abbott Firestone y el comportamiento de desgaste del acero con bajo contenido de carbono.

La literatura que informa sobre el uso de procesos de tratamiento térmico tradicionales para controlar el comportamiento de desgaste por deslizamiento en seco de la aleación TC21 recientemente desarrollada es limitada. Esto podría atribuirse a dos razones: la primera, la aleación Ti64 sigue siendo la aleación de Ti preferida. La segunda razón, la mayor parte de la investigación relacionada con el comportamiento de desgaste de la aleación TC21 se centra en técnicas de modificación de superficies, aunque tienen muchas desventajas. Esas desventajas incluyen grandes gastos, procedimientos complicados, alto consumo de energía y riesgos ambientales27. Además, se observó que todos los investigadores4,10,11,12,13 solo investigan el efecto de un factor de entrada a la vez sobre las características de desgaste. Por lo tanto, el trabajo actual tiene como objetivo reducir esta brecha y, hasta donde saben los autores, este es el primer intento de desarrollar un modelo de regresión para la tasa de desgaste en condiciones de desgaste por deslizamiento en seco de la aleación de Ti TC21 contra el acero de alta velocidad (HSS). ) usando RSM. Además, el modelo desarrollado después de la validación se puede utilizar para hacer predicciones dentro del espacio de diseño con fines de optimización que se han logrado en nuestro trabajo.

La aleación bajo investigación es la aleación de Ti TC21 suministrada por Baoji Hanz Material Technology Co., Ltd., China, cuya composición química se muestra en la Tabla 1. Con un diámetro de 7 mm y una longitud de 140 mm, la aleación utilizada en este estudio fue recocido en forma de varilla. La temperatura β transus de esta aleación es de 950 ± 5 °C11.

Hay 4 ciclos de tratamiento térmico diferentes utilizados en este trabajo, ver Fig. 1. La Tabla 2 resume los detalles de los ciclos de tratamiento térmico. Para todos los ciclos de tratamiento térmico se utilizó un horno eléctrico programable (horno de mufla/modelo HTC03/1) con atmósfera controlada. Para obtener muestras adecuadas para las siguientes pruebas, las varillas TC21 se cortaron en pequeñas muestras de 7 mm de diámetro y 12 mm de longitud mediante una máquina de corte por hilo de mecanizado por descarga eléctrica (EDM) (NOVICUT 350M modelo 2015). Estos pequeños ejemplares fueron molidos hasta grano 1000. Para fines de examen de metalografía, se seleccionaron muestras de cada grupo y se incrustaron en resina de montaje en frío, se molieron, se pulieron y finalmente se grabaron usando una composición de grabador de 3% HF, 30% HNO3 y 67% H2O. Luego se utilizó el microscopio óptico (OM) para el examen metalúrgico.

Ciclos de diferentes tratamientos térmicos.

La prueba de dureza Rockwell (escala C) se llevó a cabo utilizando un durómetro Rockwell (United True-Blue II modelo U-2004) de acuerdo con las normas ASTM E18. Se han registrado siete lecturas para cada muestra. La prueba de desgaste por deslizamiento en seco durante 15 minutos a temperatura ambiente se llevó a cabo utilizando un probador de pasador sobre disco para muestras seleccionadas según un procedimiento de diseño de experimentos. Se fijaron muestras de desgaste (Φ7 y 12 de longitud) contra un disco de acero de alta velocidad (HSS) con una dureza de 64 HRC. Antes de cada análisis individual, el disco se pulió con papel de lija de grano 1000, tanto el disco como la muestra se limpiaron con acetona y luego se usó un soplador de aire para secar y eliminar cualquier contaminante. Para obtener la pérdida de masa por desgaste, se utilizó una balanza electrónica con una resolución de 0,0001 g para pesar la muestra antes y después del ensayo. La resistencia al desgaste expresada por la tasa de desgaste (WR) viene dada por:

donde, Δm: pérdida de masa en gramos (g), t: tiempo en minutos (min).

La prueba se repitió tres veces con los mismos niveles de carga normal y velocidad de deslizamiento, luego se determinó y registró el promedio. Al comienzo de cada ejecución, cada muestra se dejó durante un período de tiempo hasta que la superficie esté completamente pegada a la superficie del escritorio para obtener una tasa de desgaste uniforme y evitar el efecto del período de rodaje.

Para identificar y evaluar los mecanismos de desgaste, se realizó microscopía electrónica de barrido por emisión de campo (FESEM) de superficies desgastadas para algunas muestras en condiciones de (10 N; 1,5 m/s) y (50 N; 3 m/s) que representan condiciones de desgaste bajo y severo, respectivamente. Además, se examinaron ópticamente algunos restos recogidos.

La respuesta de salida que resulta interesante en esta investigación es la resistencia al desgaste del TC21, expresada en tasa de desgaste (WR). RSM se utiliza para modelar el WR en función de los parámetros de entrada. Según las Refs.1,18,19,21,22,23,24,25 hay muchos parámetros que podrían influir en las características de desgaste, como carga/presión normal, velocidad de deslizamiento, tiempo/distancia de deslizamiento, material de los pares de fricción. , temperatura, rugosidad de la superficie, humedad y lubricación. Entre todos ellos, la carga y la velocidad de deslizamiento son los más influyentes.

Los niveles alto y bajo de los factores de entrada se asignaron con base en la revisión de la literatura, considerando las capacidades técnicas de la máquina de prueba de desgaste disponible. El Cuadro 3 ilustra los niveles de los factores de entrada. En este estudio, se utilizó el diseño compuesto central centrado en las caras (CCD), Fig. 2, para construir la matriz de diseño. El CCD centrado en las caras consta de un total de 11 puntos, detallados en 4 puntos factoriales, 4 axiales y 3 centrales. Estos 11 puntos se utilizaron para cada nivel del factor categórico (tratamiento térmico). Entonces, obtenemos 55 ejecuciones en total en la matriz de diseño (Tabla 4). Se utilizó el software Design Expert 13 para fines del DOE y posterior análisis estadístico.

Diseño compuesto central centrado en la cara.

La Figura 3 muestra la microestructura del recocido y diferentes condiciones de tratamiento térmico. La microestructura del recocido consiste en una fase α equiaxial que se distribuye uniformemente dentro de una matriz de fase β (Fig. 3a). Según el análisis de la fracción de volumen de fase basado en el procesamiento de imágenes, la fase α, que es una fase blanda1,28, representa aproximadamente el 65 % del volumen y, como resultado, las muestras recocidas eran más blandas que las tratadas, excepto WQ. Al calentar por encima de la temperatura transus β, todo α se convirtió en β. Si la aleación es de CA a temperatura ambiente, se forman placas α gruesas dentro de los granos β, Fig. 3b. Mientras que en caso de enfriamiento rápido, es decir, se forma martensita ortorrómbica WQ (α″), Fig. 3c29. Aunque parece intuitivo, la disminución obvia en la dureza de las muestras WQ se atribuye a la martensita ortorrómbica α”, que, a diferencia de la martensita hcp α′, tiene un efecto suavizante como se informó anteriormente30. Al someter las muestras enfriadas a un proceso de envejecimiento posterior, las placas gruesas en las muestras AC se vuelven más finas y algunas precipitaciones de forma secundaria α (αs), Fig. 3d. Mientras que en los especímenes WQ + Envejecimiento, la α″ se descompuso totalmente en αs finas y β31,32. Estos α se dispersan dentro del grano β y se vuelven más claros junto con el límite del grano, Fig. 3e.

Imágenes OM de microestructura: (a) Recocida, (b) AC, (c) WQ, (d) AC + Envejecimiento y (e) WQ + Envejecimiento.

Los diferentes procesos de tratamiento térmico dieron como resultado una variedad de microestructuras. Esto indujo una variación notable en la dureza de las muestras tratadas como se ilustra en la Fig. 4. Las muestras recocidas mostraron un valor de dureza de 38 HRC. Las muestras WQ revelaron el valor de dureza más bajo de 36 HRC. Mientras que las muestras WQ + Envejecimiento obtuvieron la alta dureza de 49 HRC. Esto refleja aproximadamente un aumento del 36 % en la dureza en comparación con las muestras WQ y WQ + Envejecimiento. Por lo tanto, las muestras después de WQ + Envejecimiento tuvieron la mayor dureza debido a la gran cantidad de α″ que se descompuso en αs y cuanto más αs, más límites de interfase, más barreras para el movimiento de dislocación.

Dureza de la aleación TC21-Ti en diferentes condiciones.

La Figura 5 ilustra la tasa de desgaste para todas las condiciones de tratamiento de la aleación de Ti TC21 bajo todos los niveles probados tanto de carga normal como de velocidad de deslizamiento. Se puede concluir que el efecto de la velocidad de deslizamiento es limitado para todas las condiciones de tratamiento bajo cargas normales bajas y medias de 10 y 30 N, respectivamente. Mientras que a las mismas velocidades, el efecto de la carga normal fue significativo. Para muestras WQ + Envejecimiento bajo 10 y 30 N, WR aumentó y luego disminuyó cuando la velocidad aumentó de 1,5 a 2,25 m/s y luego aumentó de 2,25 a 3 m/s, respectivamente. Esto puede atribuirse a la aparición de desgaste adhesivo que disminuye al aumentar la velocidad de deslizamiento, lo que a su vez reduce el tiempo y la oportunidad de difusión del material entre las dos piezas de fricción, especialmente cuando no se utiliza ninguna película lubricante. Por otro lado, bajo una carga normal severa de 50 N, todas las condiciones de tratamiento mostraron un aumento dramático en WR cuando la velocidad aumentó de 1,5 a 3 m/s. Este aumento fue el mínimo posible para la condición Recocido y el máximo posible para el tratamiento WQ + Envejecimiento.

Tasa de desgaste para diferentes condiciones.

Aunque la dureza del recocido es mucho menor que la del WQ + Envejecimiento, la resistencia al desgaste de las muestras recocidas es mayor que la del WQ + Envejecimiento bajo la misma combinación de alta carga y velocidad. Esto parece intuitivo, especialmente en comparación con materiales competitivos como los aceros, pero la variación de la microestructura resultante de diferentes tratamientos térmicos y el efecto térmico de fricción que se produce en estas condiciones extremas de prueba juegan un papel importante en este comportamiento desconocido.

La Figura 6 revela una relación inversa entre la dureza de la superficie y la resistencia al desgaste expresada por WR, donde el aumento de la tasa de desgaste (disminución de la resistencia al desgaste) se asocia con el aumento de la dureza. Al comparar los desechos de desgaste recolectados durante las pruebas de las muestras recocidas y WQ + Envejecimiento, se notó que el tamaño de los desechos de WQ + Envejecimiento era mucho mayor que el de las muestras recocidas, como se muestra en la Fig. 7. Esto sugiere que el TC21 Ti -La aleación sufre un cambio en el comportamiento de desgaste desde la deformación plástica en la condición recocida a una fractura más frágil de las superficies en la condición WQ + Envejecimiento. Esta sugerencia está respaldada por los resultados de FESEM de WQ + Envejecimiento de la superficie desgastada que reveló la existencia de capas compactadas alisadas que generalmente están dañadas de manera quebradiza1 junto con desconchados y grietas en la superficie, Fig. 8e. La severa fragilidad de la tribocapa de WQ + Envejecimiento puede atribuirse a la presencia de muchas plaquetas finas de αs precipitadas a lo largo de los límites del grano, lo que significa muchos vacíos en comparación con α equiaxial en condición recocida33. Esos huecos pueden unirse fácilmente para formar grietas y, por tanto, se produce una gran delaminación. Sahoo et al.1,18 y Feng et al.34 informaron resultados similares, informaron una relación inversa entre la resistencia al desgaste y la dureza de la superficie.

Correlación entre dureza y tasa de desgaste en condiciones extremas de carga y velocidad.

Desgaste de restos de WQ + Envejecimiento y probetas recocidas a 50 N y 3 m/s.

FESEM de superficies desgastadas bajo carga normal de 50 N y velocidad de deslizamiento de 3 m/s para (a) recocido, (b) AC, (c) WQ, (d) AC + envejecimiento y (e) WQ + envejecimiento.

Además, a medida que aumenta la carga normal, aumenta el área real de contacto entre las dos piezas de fricción, lo que provoca un aumento de la temperatura debido a la alta fuerza de fricción, que es el efecto térmico de fricción. Como resultado de la baja conductividad térmica y la alta afinidad química del titanio, especialmente a altas temperaturas, se produjo una reacción química con el oxígeno ambiental y se formaron óxidos de titanio, como lo revela el análisis del espectro XRD de los restos de desgaste de las muestras recocidas, como se muestra en la Fig. 9. Se cree que la presencia del óxido de titanio brinda cierta protección a la tribocapa de las muestras recocidas y por lo tanto tuvieron una mejor resistencia al desgaste en condiciones extremas de carga y velocidad. Por otro lado, la ausencia de óxidos en el envejecimiento WQ +, Fig. 10, se atribuye a una velocidad muy alta de eliminación de la tribocapa y, por lo tanto, no hay posibilidad de que se produzca una reacción química.

Espectro XRD de los restos de la muestra recocida.

Espectro XRD de los restos de la muestra WQ + Envejecimiento.

Las morfologías de algunas superficies desgastadas obtenidas bajo varias condiciones de carga y velocidad para todas las diferentes condiciones se muestran en las Figs. 8 y 11. Bajo una carga baja de 10 N y una velocidad baja de 1,5 m/s, las superficies desgastadas, Fig. 11, mostraron marcas de arado causadas por escombros o asperezas en la contracara del disco HSS con deformación plástica excesiva, especialmente para la condición de recocido que también mostró algunas pequeñas marcas de adhesión que pueden atribuirse a su baja dureza. Por lo tanto, en esas bajas condiciones, el mecanismo de desgaste predominante es el mecanismo de desgaste abrasivo. Cuando las condiciones de prueba alcanzan niveles extremos, es decir, 50 N y 3 m/s, se puede observar un éxtasis severo como resultado de la delaminación y desconchado, Fig. 8, debido a la fractura frágil, especialmente en la muestra WQ + Envejecimiento debido a su alta dureza, Fig. 8d.

FESEM de superficies desgastadas bajo carga normal de 10 N y velocidad de deslizamiento de 1,5 m/s para (a) recocido, (b) AC, (c) WQ, (d) AC + envejecimiento y (e) WQ + envejecimiento.

El siguiente cuadro, Fig. 12, ilustra y resume la secuencia del análisis estadístico utilizado en este estudio. Implica el análisis de las variaciones de respuesta obtenidas del trabajo experimental mediante un método estadístico bien establecido conocido como Análisis de Varianza (ANOVA). Esto fue además de utilizar la transformación de respuesta (transformación de potencia Box-Cox). Esta transformación es una forma eficiente de desarrollar una ecuación para un modelo matemático que podría ajustarse bien a los datos experimentales.

Secuencia de análisis estadístico.

La Tabla 5 muestra los resultados de ANOVA del modelo mejorado final basado en un nivel de confianza del 95%. Los resultados muestran que el modelo cuártico reducido después de la transformación es significativo (p = 0,0001) con un valor F del modelo de 433,12, lo que significa que solo hay un 0,01 % de probabilidad de que se produzca un valor F tan grande debido al ruido. El valor F de falta de ajuste es 2,05, lo que indica que es insignificante (p = 0,1327) en comparación con el error puro. Además, todos los términos con p menor que 0,05 son estadísticamente significativos. Es obvio que la carga normal ha sido identificada como el factor de entrada más significativo, seguido de la velocidad de deslizamiento y el tipo de tratamiento térmico. Además, el efecto de interacción entre la carga y la velocidad ha sido identificado como la interacción más significativa.

Las estadísticas de ajuste, Tabla 6, muestran que el coeficiente de determinación R cuadrado (R2), que es una medida de la cantidad de variación alrededor de la media que podría explicarse mediante el modelo, es decir, ajuste-bienestar, tiene un valor de 0,9984. . Es decir, el modelo puede explicar el 99,84% de la variación total. Además, el R2 previsto de 0,9813 está muy cerca del R2 ajustado de 0,9961, es decir, la diferencia es inferior a 0,2. Esto indica que la capacidad de predicción del modelo es muy buena. Esto está respaldado por el coeficiente de variación (CV), que es la desviación estándar expresada como porcentaje de la media, (CV) = 2,2%, en contraposición al CV = 60,66% antes de las mejoras del modelo. “Adeq Precision” mide la relación señal-ruido; 4 es la proporción mínima requerida. Una proporción de 78,56 indica una señal adecuada y, por lo tanto, este modelo se puede utilizar para navegar por el espacio de diseño. La Figura 13 indica que los residuos del modelo se distribuyen normalmente. Las ecuaciones 2 a 6 representan las ecuaciones empíricas finales para diferentes condiciones en términos de factores reales.

donde, L = carga en (N) y S = velocidad de deslizamiento (m/s).

Residuos internos para el modelo de regresión final.

Para ilustrar el efecto combinado de parámetros independientes en la respuesta (WR), se construyen gráficos de superficie de respuesta 3D y gráficos de contorno 2D para todas las condiciones de tratamiento térmico, como se muestra en las Figs. 14 y 15, respectivamente. Según esos gráficos, la tasa de desgaste aumenta con el aumento de la carga normal y la velocidad de deslizamiento, especialmente en niveles altos. Además, este aumento en la tasa de desgaste es más dramático en la condición WQ + Envejecimiento, Fig. 14e, mientras que es demasiado pequeño en la condición recocido, Fig. 14a.

Superficie de respuesta 3D para WR de (a) recocido, (b) AC, (c) WQ, (d) AC + Envejecimiento y (e) WQ + Envejecimiento.

Gráficos de contorno 2D para WR de (a) recocido, (b) AC, (c) WQ, (d) AC + Envejecimiento y (e) WQ + Envejecimiento.

Para validar el modelo de regresión obtenido se realizaron pruebas de confirmación. Los parámetros de entrada elegidos dentro de las limitaciones del espacio de diseño. La Tabla 7 resume los niveles de parámetros de entrada aplicados, el WR experimental correspondiente y el WR pronosticado. De los resultados, el modelo tiene una buena capacidad de predicción con un error absoluto promedio igual al 3,91%. Además, todos los valores pronosticados están dentro de los límites del intervalo de predicción (PI) del 95 % del modelo.

Se considera que el mejor tratamiento es aquel que proporciona una microestructura que resiste condiciones operativas extremas, es decir, carga normal máxima y velocidad de deslizamiento máxima, pero muestra una tasa de desgaste mínima. De acuerdo con este criterio de optimización y utilizando las ecuaciones del modelo de regresión, la solución óptima se muestra en la Fig. 16. El conjunto óptimo de parámetros de entrada es una carga normal de 42,75 N, una velocidad de deslizamiento de 3 m/s y una condición de recocido (microestructura equiaxial) que dan tasa de desgaste óptima de 8,49 g/min con una deseabilidad máxima de 0,655, lo que significa que el objetivo de optimización se logra en un 65,5%. La Tabla 8 resume los resultados de las pruebas de confirmación en condiciones óptimas, el WR experimental dentro de los límites del intervalo de predicción (PI) del 95% del modelo con un error absoluto promedio del 6,04%.

Conjunto óptimo de parámetros de entrada necesarios para obtener el WR mínimo en condiciones extremas.

Respecto a las probetas recocidas (38 HRC), la dureza mínima conseguida por las probetas WQ es de 36 HRC, mientras que la dureza máxima conseguida por las probetas WQ + Envejecimiento es de 49 HRC.

En condiciones de desgaste extremas (50 N, 3 m/s), aunque las muestras envejecidas WQ + tuvieron la dureza máxima, mostraron la peor resistencia al desgaste. Mientras que los recocidos mostraron la mejor resistencia al desgaste a pesar de tener una dureza mucho menor.

El mecanismo de desgaste abrasivo predomina en condiciones de bajo desgaste (10 N, 1,5 m/s) mientras que el mecanismo de desgaste por delaminación predomina en condiciones extremas.

Utilizando RSM, se ha desarrollado un modelo de regresión para la resistencia al desgaste expresada en tasa de desgaste como función de carga normal, deslizamiento y tipo de tratamiento térmico. Basado en ANOVA, la carga normal ha sido identificada como el factor de entrada más significativo seguido de la velocidad de deslizamiento y el tipo de tratamiento térmico. Además, el efecto de interacción entre la carga y la velocidad ha sido identificado como la interacción más significativa.

Los resultados de la validación del modelo revelaron que los resultados experimentales están dentro del intervalo de predicción del 95% del modelo con un error absoluto promedio del 3,91%, por lo tanto, el modelo desarrollado es válido para predecir WR dentro del espacio de diseño.

El modelo obtenido se utilizó para predecir los niveles óptimos de factores de entrada necesarios para obtener la tasa de desgaste mínima en condiciones severas de carga y velocidad. Los resultados experimentales mostraron que el WR real bajo esos niveles óptimos está cerca del previsto con un error absoluto promedio del 6,04%.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

Sahoo, R., Jha, BB, Sahoo, TK y Sahoo, D. Efecto de la variación microestructural sobre el comportamiento de desgaste por deslizamiento en seco de la aleación Ti-6Al-4V. J. Mater. Ing. Llevar a cabo. 23(6), 2092–2102. https://doi.org/10.1007/s11665-014-0987-7 (2014).

Artículo CAS Google Scholar

Gialanella, S. y Malandruccolo, A. Aerospace Alloys (Springer, 2020).

Reservar Google Académico

Ibrahim, KM, El-Hakeem, AMM y Elshaer, RN Microestructura y propiedades mecánicas de la aleación fundida y tratada térmicamente Ti-6,55 Al-3,41 Mo-1,77 Zr. Trans. Met no ferroso. Soc. China 23(12), 3517–3524 (2013).

Artículo CAS Google Scholar

Guo, X., Zhang, J., Chen, B. y Li, J. Efectos del tratamiento térmico triple sobre la microestructura y el desgaste por deslizamiento en seco de la aleación de titanio TC21. Conferencia de la PIO. Ser. Madre. Ciencia. Ing. 768(2), 022067 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Elshaer, RN Efecto de la morfología inicial de la fase α sobre la microestructura, las propiedades mecánicas y la inestabilidad del endurecimiento por trabajo durante el tratamiento térmico de la aleación de Ti TC21. Metalúrgico. Microestructura. Anal., 1-16 (2022).

Vila, PB Cinética de transformación de fase durante el calentamiento continuo de aleaciones de titanio α + β y β metaestable, tesis doctoral (Universidad Tecnológica de Viena, 2015).

Elshaer, RN, El-Deeb, MSS, Mohamed, SS & Ibrahim, KM Efecto de los procesos de envejecimiento y endurecimiento por deformación sobre la evolución de la microestructura, las propiedades de tracción y fatiga de la fundición Ti–6Al–2Sn–2Zr–2Mo–1.5 Cr–2Nb–0.1 Aleación de Si. En t. J. se reunió. 16(2), 723–737 (2022).

CAS Google Académico

Elshaer, RN & Ibrahim, KM Estudio de la microestructura, propiedades mecánicas y comportamiento a la corrosión de aleaciones As-Cast Ni-Ti y Ti-6Al-4V. J. Mater. Ing. Llevar a cabo. (2022).

Elshaer, RN, Abdelhameed, M., Ibrahim, KM, El-Shennawy, M. & Sobh, A. Características estáticas y de fatiga de la aleación Ti-6Al-3Mo-2Zr-2Sn-2Nb-1,5 Cr-0,1 Si tratada térmicamente . Metalúrgico. Microestructura. Anal., 1-11 (2022).

Elshaer, RN, Ibrahim, KM, Lotfy, I. y Abdel-Latif, M. Efecto de la velocidad de enfriamiento y el proceso de envejecimiento sobre el comportamiento de desgaste de la aleación de Ti TC21 deformada. Ing. clave. Madre. 835, 265–273 (2020).

Artículo de Google Scholar

Elshaer, RN & Ibrahim, KM Efecto de la deformación en frío y el tratamiento térmico sobre la microestructura y las propiedades mecánicas de la aleación TC21 Ti. Trans. Met no ferroso. Soc. China 30(5), 1290-1299. https://doi.org/10.1016/s1003-6326(20)65296-7 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Bai, L. y col. Comportamiento del desgaste por fricción de materiales de aleación TC21. Madre. Rev. 27, 79–82 (2013).

CAS Google Académico

Yan, D. y col. Comportamiento del desgaste por fricción de materiales de aleación TC21 a temperatura elevada. Universidad J. Nanjing. Aeronauta. Astronauta. 50(1), 126-130 (2018).

MathSciNetGoogle Académico

Elshazli, M., Elshaer, RN, Hussein, AHA y Al-Sayed, SR Modificación de la superficie con láser de una aleación de titanio TC21 (alfa/beta) mediante un proceso de deposición de energía directa (DED). Micromáquinas (Basilea) 12(7). https://doi.org/10.3390/mi12070739 (2021).

Elshaer, RN, Elshazli, AM, Hussein, AHA y Al-Sayed, SR Impacto de los parámetros del proceso láser en la deposición de energía directa sobre la microestructura, las características de la capa y la microdureza de la aleación TC21. En t. J. Adv. Fabricante. Tecnología. 121(7), 5139–5154 (2022).

Artículo de Google Scholar

Ahmed, FS, El-Zomor, MA, Ghazala, MSA y Elshaer, RN Efecto de las capas de óxido formadas por oxidación térmica sobre las propiedades mecánicas y el comportamiento de corrosión en caliente inducida por NaCl de la aleación de Ti TC21. Ciencia. Rep. 12(1), 19265 (2022).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Wysk, RA, Niebel, BW, Cohen, PH y Simpson, TW Procesos de fabricación: diseño integrado de procesos y productos (McGraw, 2000).

Google Académico

Sahoo, R., Jha, B. y Sahoo, T. Estudio experimental sobre el efecto de la microestructura en el comportamiento de desgaste por deslizamiento en seco de una aleación de titanio utilizando el diseño experimental de Taguchi. Tríbol. Trans. 57(2), 216–224 (2014).

Artículo CAS Google Scholar

Singh, P., Pungotra, H. y Kalsi, NS Optimización de las condiciones de tratamiento criogénico profundo para la tasa de desgaste de la aleación de titanio médico UNS R56400 (Ti6Al4V) utilizando el método de Taguchi. Madre. Tecnología. 34(2), 84–91. https://doi.org/10.1080/10667857.2018.1523099 (2018).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Lee, S.-H. Enfoques gráficos para la planificación de experimentos con gráficos lineales de alta resolución para diseños de tres niveles. J. Milit. Ópera. Res. Soc. Corea 29(2), 13-25 (2003).

Google Académico

El-Tayeb, NSM, Yap, TC, Venkatesh, VC y Brevern, PV Modelado del comportamiento friccional criogénico de aleaciones de titanio utilizando el enfoque de la metodología de superficie de respuesta. Madre. Des. 30(10), 4023–4034. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2009.05.020 (2009).

Artículo CAS Google Scholar

El-Tayeb, NSM, Yap, TC & Brevern, PV Características de desgaste de la aleación de titanio Ti54 para aplicaciones de deslizamiento criogénico. Tríbol. En t. 43(12), 2345–2354. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2010.08.012 (2010).

Artículo CAS Google Scholar

Chauhan, SR y Dass, K. Comportamiento de desgaste por deslizamiento en seco de una aleación de titanio (grado 5) mediante el uso de metodología de superficie de respuesta. Adv. Tríbol. 2013, 1–9. https://doi.org/10.1155/2013/272106 (2013).

Artículo CAS Google Scholar

Dutt Sharma, M., Sehgal, R. & Pant, M. Modelado y optimización de las características de fricción y desgaste de la aleación Ti3Al2.5V en condiciones de deslizamiento seco. J. Tribol. 138(3). https://doi.org/10.1115/1.4032518 (2016).

Babu, N. y Megalingam Murugan, A. Estudio experimental sobre el comportamiento mecánico y tribológico de la aleación Ti-3Al-25V en condiciones de carga alta utilizando metodología de superficie de respuesta. Adv. Madre. Proceso. Tecnología. https://doi.org/10.1080/2374068x.2021.1945259 (2021).

Elshaer, RN, El-Fawakhry, MK, Mattar, T. & Farahat, AIZ Modelado matemático del comportamiento de desgaste y zonas de Abbott Firestone de acero de 0,16 C utilizando metodología de superficie de respuesta. Ciencia. Rep. 12(1), 1-25 (2022).

Artículo de Google Scholar

Li, X.-X., Wang, H.-X., Chen, Y.-G., Shi, J.-F., Han, B.-Q. y Ren, N.-F. Un estudio comparativo sobre las propiedades de desgaste por deslizamiento en seco de las aleaciones TC4 y TC11 a diferentes velocidades de deslizamiento. Madre. Res. Expresa 6(12). https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab5bdc (2019).

Poondla, N., Srivatsan, TS, Patnaik, A. & Petraroli, M. Un estudio de la microestructura y dureza de dos aleaciones de titanio: comercialmente puro y Ti –6Al –4V. J. Aleación. compd. 486(1–2), 162–167 (2009).

Artículo CAS Google Scholar

Shao, H., Zhao, Y., Ge, P. y Zeng, W. Influencia de la velocidad de enfriamiento y el envejecimiento en la microestructura laminar y la fractografía de la aleación de titanio TC21. Metalúrgico. Microestructura. Anal. 2(1), 35–41. https://doi.org/10.1007/s13632-012-0055-3 (2013).

Artículo CAS Google Scholar

Wang, Q., Lei, X., Hu, M., Xu, X., Yang, R. y Dong, L. Efecto del tratamiento térmico sobre la microestructura y las propiedades de tracción de la aleación Ti – 6Al – 6V – 2Sn. Metales 11(4). https://doi.org/10.3390/met11040556 (2021).

El-Shorbagy, R., Hussein, A., El-Banna, E., El-Baradie, Z. & Waly, M. Relaciones microestructura-dureza en aleación de titanio TC21 α/β envejecida y apagada bajo cero. Egipto. J. química. https://doi.org/10.21608/ejchem.2019.18279.2125 (2019).

Artículo de Google Scholar

Tang, B. y col. Cinética de descomposición de martensita ortorrómbica en aleación TC21 en condiciones isotérmicas. J. Mater. Ciencia. 47(1), 521–529. https://doi.org/10.1007/s10853-011-5829-5 (2011).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Tan, C. y col. Efecto de la morfología de la fase α sobre el comportamiento de fatiga de ciclo bajo de la aleación TC21. En t. J. Fatiga 75, 1–9. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2015.01.010 (2015).

Artículo CAS Google Scholar

Feng, C. y Khan, TI El efecto del medio de enfriamiento sobre el comportamiento de desgaste de una aleación Ti-6Al-4V. J. Mater. Ciencia. 43(2), 788–792. https://doi.org/10.1007/s10853-007-2298-y (2007).

Artículo ADS CAS Google Scholar

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Financiamiento de acceso abierto proporcionado por la Autoridad de Financiamiento de Ciencia, Tecnología e Innovación (STDF) en cooperación con el Banco Egipcio de Conocimiento (EKB). Los autores desean agradecer el fondo del Fondo de Desarrollo y Tecnología Científica de Egipto, subvención n.º 43215.

Facultad de Ingeniería, Universidad de Helwan, El Cairo, Egipto

Ali Abdelmoneim, M. El-Shennawy y Arafa S. Sobh

Instituto Tabbin de Estudios Metalúrgicos, El Cairo, Egipto

Ramadán N. Elshaer

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Conceptualización, RNE, AA y ME-S.; metodología, RNE, AA y ME-S.; validación, RNE y AA; análisis formal, RNE; recursos, RNE; curación de datos, AA y RNE; redacción del borrador original, AA; redacción: revisión y edición, RNE, ME-S. y CULO; visualización, RNE y AA, ME-S., ASS y supervisión RNE. Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Ramadan N. Elshaer.

El autor no declara intereses en competencia.

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Abdelmoneim, A., Elshaer, RN, El-Shennawy, M. et al. Modelado de resistencia al desgaste para aleación de Ti TC21 utilizando metodología de superficie de respuesta. Informe científico 13, 4624 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31699-1

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Recibido: 15 de enero de 2023

Aceptado: 16 de marzo de 2023

Publicado: 21 de marzo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-31699-1

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