Możliwości wykorzystania materiału ceramicznego na narzędzia do realizacji procesu zgrzewania tarciowego z przemieszaniem cienkich blach tytanowych

• Autorzy: Buszta S. , Myśliwiec P. , Śliwa R. E. , Ostrowski R.

Warianty tytułu

EN

Possibilities of using ceramic material for tools to carry out the friction welding process of thin titanium sheets

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Tytan oraz jego stopy charakteryzują się małą gęstością, dużą opornością na wysoką temperaturę i korozję. Stopy tytanu mogą być spawane wiązką elektronów lub metodą TIG, ale wymagane jest stosowanie gazów osłonowych oraz odpowiednie oczyszczenie łączonych elementów. Największym problemem przy spawaniu tytanu oraz stopów tytanu jest występowanie pęcherzyków oraz kruchości wywołanej powietrzem. Z tego powodu metoda FSW jest korzystną alternatywą przy łączeniu elementów tytanowych. W niniejszej pracy przedstawiono możliwości wykorzystania materiałów ceramicznych na narzędzia oraz inne elementy oprzyrządowania w realizacji zgrzewania tarciowego z przemieszaniem cienkich blach tytanowych typu GRADE 3 i GRADE 5. Wysoka temperatura generowana w trakcie procesu FSW wymaga stosowania zaawansowanych materiałów narzędziowych. Jakość złącza oceniano poprzez analizę właściwości mechanicznych, mikrostrukturę oraz przebiegów sił. Wykazano, że zastosowanie ceramiki narzędziowej na narzędzia oraz elementy oprzyrządowania pozwala na wykonywanie wolnych od wad wysokiej jakości złączy FSW stopów tytanu. Wysoko-temperaturowe właściwości ceramiki przyczyniają się do uproszczenia elementów mocujących zgrzewanych blach.

EN

Titanium and its alloys are characterized by low density, high resistance to high temperature and corrosion. Titanium alloys can be electron beam welded or TIG method, but it is required to use shielding gases and proper cleaning of connected elements. The biggest problem in the welding of titanium and titanium alloys is the presence of bubbles and brittleness caused by air pollution directive, for this reason, the FSW method is an advantageous alternative to the connecting elements of titanium. This paper presents the possibilities of using ceramic materials for tools and other tooling elements in the implementation of friction stir welding of GRADE 3 and GRADE 5 titanium sheets. High temperature generated during the FSW process requires the use of advanced tool materials. Joint quality was assessed by analyzing mechanical properties, microstructure and waveforms forces. It has been shown that the use of ceramics materials for tools and fixing elements allows to make defect-free, high-quality FSW joints of titanium alloys. High temperature properties of ceramics strongly contribute to the simplification of the fastening elements of welded sheets.

Słowa kluczowe

PL

zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem; FSW; tytan; stopy tytanu; ceramika narzędziowa

EN

friction stir welding; FSW; titanium; titanium alloys; tool ceramic

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Obróbki Plastycznej
• Czasopismo: Obróbka Plastyczna Metali
• Rocznik: 2018
• Tom: T. 29, nr 3
• Strony: 253--276
• Opis fizyczny: Bibliogr. 52 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Buszta S.

• Politechnika Rzeszowska im. I. Łukasiewicza, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Katedra Przeróbki Plastycznej, al. Powstańców Warszawy 8, 35-329 Rzeszów, Poland

autor

Myśliwiec P.

• Politechnika Rzeszowska im. I. Łukasiewicza, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Katedra Przeróbki Plastycznej, al. Powstańców Warszawy 8, 35-329 Rzeszów, Poland

autor

Śliwa R. E.

• Politechnika Rzeszowska im. I. Łukasiewicza, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Katedra Przeróbki Plastycznej, al. Powstańców Warszawy 8, 35-329 Rzeszów, Poland

autor

Ostrowski R.

• Politechnika Rzeszowska im. I. Łukasiewicza, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Katedra Przeróbki Plastycznej, al. Powstańców Warszawy 8, 35-329 Rzeszów, Poland

Bibliografia

• [1]Boyer R.R., An overview on the use of titanium in the aerospace industry, Mater.Sci. Eng. A 213 (1996) 103–114.
• [2] Williams J.C., E.A. Starke, Progress in structural materials for aerospace systems, Acta Mater. 51 (2003) 5775–5799.
• [3] Niinomi M., M. Nakai, J. Hieda, Development of new metallic alloys for biomedical applications, Acta Biomater. 8 (2012) 3888–3903.
• [4]Niinomi M., Recent research and development in titanium alloys for biomedical applications and healthcare goods, Sci. Technol. Adv. Mater. 4 (2003) 445–454.
• [5] Liu H.H., M. Niinomi, M. Nakai, K. Cho, K. Narita, M. Sen, H. Shiku, T. Matsue, Mechanical properties and cytocompatibility of oxygen-modified β-type Ti-Cr alloys for spinal fixation devices, Acta Biomater. 12 (2015) 352–361.
• [6] Liu H.H., M. Niinomi, M. Nakai, X. Cong, K. Cho, C.J. Boehlert, V. Khademi, Abnormal deformation behavior of oxygen-modified β-type Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr alloys for biomedical applications, Metall. Mater. Trans. A 48 (2017) 139–149.
• [7] Chamanfara, A., T. Pasangb, A. Venturaa, W.Z. Misiolek Mechanical properties and microstructure of laser welded Ti–6Al–2Sn–4Zr–2Mo (Ti6242) titanium Materials Science & Engineering A 663 (2016) 213–224.
• [8] Mazur Ł., A. Warsz Wpływ zawartości gazów na właściwości złączy blach ze stopu tytanu grade 12 spawanych metodą tig Przegląd spawalnictwa 4/2012.
• [9] Akman E., A.Demir, T.Canel, T.Sınmazçelik Laser welding of Ti6Al4V titanium alloys Journal of Materials Processing Technology Volume 209, Issue 8, 21 April 2009, Pages 3705-3713.
• [10] Baeslack III W.A., D.W. Becker, F.H. Froes, Advances in titanium alloy welding metallurgy, JOM 36 (1984) 46–58.
• [11] Baeslack III W.A., J.M. Gerken, C. Cross, J. Hanson, P.S. Liu, J.C. Monses, J. Schley, L. Showalter, Titanium and titanium alloys, Eighth ed., Welding Handbook, 4 American Welding Society, Miami, Florida, USA, 1988, pp. 488–540.
• [12] Banerjee D., J.C. Williams, Perspectives on titanium science and technology, Acta Mater. 61 (2013) 844–879.
• [13] Boyer R.R., R.D. Briggs, The use of β titanium alloys in the aerospace industry, J. Mater. Eng. Perform. 14 (2005) 681–685.
• [14] Thomas W.M., E.D. Nicholas, J.C .Needham, M.G. Murch, P. Templesmith, C.J. Dawes. Friction Stir Butt Welding. International Patent Application PCT/GB92/02203, GB Patent Application 9125978.8. 6 Dec. 1991 and US Patent 5,460,317.
• [15] Mishra R.S., Z.Y. Ma / Materials Science and Engineering R 50 (2005) 1–78.
• [16] Givi M. K. B., Asadi P.: “Advances in Friction Stir Welding and Processing”. Woodhead Publishing, United Kingdom, 2014.
• [17] Posada M. DeLoarch J.; Reynolds A. P; Skinner M; Halpin J. P: “Friction stir weld evacuation of DH-36 and stainless steel weldments”. Friction stir welding and processing, TMS, 2001.
• [18] Lienert T. J., Stellwag W. L., Griment B. B. jr, Warke R. W.: “Friction stir welding studies on mild steel”. Supplement to The Welding Journal, 2003.
• [19] Colligan K.: “Material flow behavior during Friction Stir Welding of Aluminium”. Supplement to The Welding Journal, 1999, pp. 229-237.
• [20] Meilinger A., Tórok I.: “The importance of Friction stir welding tool”. Production Processes and Systems, Vol. 6, No. 1, 2013, pp. 25-34 [21]Zhang Y. N., Cao X., Larose S., Wanjara P.: “Review of tools for friction stir welding and processing”. The Canadian Journal of Metallurgy and Materials Science, Volume 51, 2012, pp. 250-261.
• [22] Mishra R. S. Ma Z. Y.: “Friction stir welding and processing”. Mater. Sci. Eng. R, 2005, 50R, pp. 1-78.
• [23] Colligan K. J., Pickens J. R.: “Friction stir welding of aluminum using a tapered shoulder tool”. Friction stir welding and processing III, 161-170; 2005, San Francisco, CA, TMS.
• [24] Mishra R. S. and Mahoney M. W.: “Friction stir welding and processing”. Materials Park, OH, 2007, ASM International.
• [25] Nandan R., T. DebRoy, H.K.D.H. Bhadeshia, Prog. Mater. Sci. 53 (2008)980–1023,
• [26] Sato Y.S., H. Kokawa, M. Enomoto, S. Jogan, Microstructural evolution of 6063 aluminum during friction-stir welding, Metall. Mater. Trans. A 30 (1999) 2429–2437.
• [27] Myśliwiec P., R. Śliwa, S. Buszta Możliwość wykorzystania materiałów ceramicznych na narzędzia do realizacji procesu zgrzewania tarciowego z przemieszaniem cienkich blach tytanowych Prace konferencji XIII Ogólnopolska Konferencja Naukowa Tytan i jego stopy Janów Podlaski, 24-27 września 2017r.
• [28] Li Y., L.E. Murr, J.C. McClure, Flow visualization and residual microstructures associated with the friction-stir welding of 2024 aluminum to 6061 aluminum, Mater. Sci. Eng. A 271 (1999) 213–223.
• [29] Liu H.J., H. Fujii, M. Maeda, K. Nogi, Tensile properties and fracture locations of friction stir welded joints of 2017-T351 aluminum alloy, J. Mater. Proc. Tech. 142 (2003) 692–696.
• [30] Park S.H.C., Y.S. Sato, H. Kokawa, Effect of micro-texture on fracture location in friction stir weld of Mg alloy AZ61 during tensile test, Scr. Mater. 49 (2003) 161–166.
• [31] Zhang D.T., M. Suzuki, K. Maruyama, Microstructural evolution of a heat-resistant magnesium alloy due to friction stir welding, Scr. Mater. 52 (2005) 899–903.
• [32] Edwards P., M. Ramulu, Sci. Technol. Weld. Join. 15 (2010) 468–472,
• [33] Edwards P., M. Ramulu, Sci. Technol. Weld. Join. 14 (2009) 669–680.
• [34] Lauro A., Weld. Int. 26 (2012) 8–21.
• [35] G. Buffa, L. Fratini, M. Schneider, M. Merklein, J. Mater, Process. Technol. 213(2013).
• [36] Su J., J. Wang, R.S. Mishra, R. Xu, J.A. Baumann, Mater. Sci. Eng. A 573 (2013)67–74.
• [37] Fall A., Mostafa H. Fesharaki, A.R. Khodabandeh, M. Jahazi, Metals 6 (2016)275.
• [38] Muzvidziwa M., M. Okazaki, K. Suzuki, S. Hirano, Mater. Sci. Eng. A 652 (2016)59–68.
• [39] Yoon S., R. Ueji, H. Fujii, Mater. Des. 88 (2015) 1269–1276. [40]Yoon S., R. Ueji, H. Fujii, J. Mater. Process. Technol. 229 (2016) 390-397.
• [41] Sato Y.S., S. Susukida, H. Kokawa, T. Omori, K. Ishida, S. Imano, S.H.C. Park, I.Sugimoto, S. Hirano, Proceedings of 11th International Symposium on FrictionStir Welding, Cambridge, UK, 2016.
• [42] Mironov S., Y. Zhang, Y.S. Sato, H. Kokawa, Scripta Mater. 59 (2008) 511–514.
• [43] Mironov S., Y. Zhang, Y.S. Sato, H. Kokawa, Scripta Mater. 59 (2008) 27–30.
• [44] Zhang Y., Y.S. Sato, H. Kokawa, S.H.C. Park, S. Hirano, Mater. Sci. Eng. A 485(2008) 448–455.
• [45] Nakazawa T., K. Tanaka, K. Sakairi, Y.S. Sato, H. Kokawa, T. Omori, K. Ishida, S.Hirano, Proceedings of 11th International Symposium on Friction StirWelding, Cambridge, UK, 2016.
• [46] Wu L.H., D. Wang, B.L. Xiao, Z.Y. Ma, Mater. Chem. Phys. 146 (2014) 512–522.
• [47] http://www.ihle.com/en/hartmetalle-sorten.php
• [48] http://asm.matweb.com/search/SpecificMaterial.asp
• [49] https://www.syalons.com/materials/silicon-nitride-sialon
• [50] Zhang Y.N., X. Cao, S. Larose and P. Wanjara, Review of tools for friction stir welding and processing, Canadian Metallurgical Quarterly, 2012, VOL 51, NO 3.
• [51] Reynolds A.P. and W. Tang: ‘Alloy, tool geometry, and process parameter effects on friction stir weld energies and resultant FSW joint properties’, in ‘Friction stir welding and processing’, 15–23; 2001, Indianapolis, Indiana, TMS.
• [52] Chen X.G., M. D. Silva, P. Gougeon and L. St-Georges: ‘Microstructure and mechanical properties of friction stir welded AA6063-B4C metal matrix composites’, Mater. Sci. Eng. A, 2009, 518, 174–184.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).