Milling of Gamma titanium aluminides

Abstract

Gamma Titanium Aluminide (gamma – TiAl) alloys are intermetallics with approximately half the density of nickel based superalloys. Their low density, high specific strength, and good structural integrity at high temperatures make them potential candidates for aeroengine components. However, characteristics such as poor ductility at room temperature, high hardness, and substantial surface damage during machining have earned these alloys the reputation of “difficult to cut”. Therefore, the present study aims to assess the machinability and surface integrity of second generation Ti-48Al-2Cr-2Nb gamma – TiAl alloys through end bull milling. First, a tribological characterisation of the tool coating (TiAlSiN) under dry, flood and Minimum Quantity Lubrication (MQL) was carried out. The effectiveness of tool coatings in reducing tribological properties was evaluated by conducting experiments with uncoated pins. The tribological characteristics of the gamma – TiAl alloys were subsequently benchmarked against one of the most used titanium alloys, Ti-6Al-4V. The effect of contact parameters such as contact pressure and sliding velocity on the evolution of tribological phenomena was determined. Secondly, a comprehensive sensitivity analysis of the milling input parameters to the output parameters during the bull end milling of Ti-48Al-2Cr-2Nb was conducted. The influence of microstructures (Near lamellar and Duplex) was analysed together with three types of lubrications (dry, flood and MQL), two bull end mill tools, and milling process parameter (cutting speed). The assessment of output parameters of cutting forces, tool wear, and surface integrity in the form of surface roughness, sub-surface microstructural alterations, and sub-surface microhardness demonstrated the relevance of all the input parameters in affecting the output ones. As a result, a process window with long tool life and high surface integrity was established in accordance with industrial requirements.

Titanio aluminuroaren aleazioak (gamma – TiAl) konposatu intermetalikoak dira eta nikel oinarriko superaleazioen dentsitate erdia dute gutxi gorabehera. Daukaten dentsitate baxuagatik, erresistentzia espezifiko altuagatik eta tenperatura altuetan duten egiturazko osotasun onagatik hegazkingintzako aplikazioetan erabiltzeko hautagai potentzialak dira. Hala ere, giro-tenperaturan duten harikortasun eskasak, gogortasun handiak eta mekanizazioan sortzen diren gainazaleko kalte handiek bezalako ezaugarriek, aleazio hauei "mekanizatzen zailak" izatearen ospea eman diete. Hori dela eta, ikerketa honek Ti-48Al-2Cr-2Nb gamma – TiAl aleazioen bigarren belaunaldiko mekanizagarritasuna eta gainazaleko osotasuna ebaluatu nahi ditu fresatze bidez mekanizatzean. Lehenik eta behin, erremintaren estalduraren (TiAlSiN) karakterizazio tribologikoa egin zen lubrifikazio gabe, hozkarrri txorrotada bidezko lubrifikazioarekin eta kantitate minimoko lubrifikazioarekin (MQL). Estaldurek propietate tribologikoak murrizteko duten eraginkortasuna estali gabeko tresnekin egindako esperimentuekin alderatuz ebaluatu da. Ondoren gamma – TiAl aleazioen ezaugarri tribologikoak titanio-aleaziorik erabilienetako batekin alderatu ziren, Ti-6Al-4V-rekin. Kontaktu parametroek, hala nola kontaktu presioak eta irristatze-abiadurak, fenomeno tribologikoetan duten eragina zehaztu zen. Bigarrenik, fresatzeko erreminta torikoa erabiliz Ti-48Al-2Cr-2Nb-ren fresatze eragiketaren sarrera eta irteera parametroen sentsibilitate analisi integrala egin zen. Bi mikroegituren eragina, ia-laminarra eta duplexa, hiru lubrifikazio-mota (lehorra, hozkarri txorrotada eta MQL), fresatzeko erreminta torikoak eta fresatze eragiketako ebaketa parametro bat (ebaketa-abiadura) aztertu ziren. Parametro zientifikoen (ebaketa-indarrak) eta industria-parametroen ebaluazioak (erreminten higadura eta gainazaleko osotasuna [gainazaleko zimurtasuna, gainazaleko mikroegituraren alterazioak eta gainazaleko mikrogogortasuna]) frogatu zuen sarrera parametro guztien eragin garrantzitsua irteerako parametroetan. Ondorioz, erremintaren bizitza luzea eta gainazaleko osotasun handiko prozesu-leiho bat ezarri zen.

Las aleaciones de aluminuro de titanio gamma (gamma -TiAl) son intermetálicas con aproximadamente la mitad de densidad que las superaleaciones basadas en el níquel. Su baja densidad, su alta resistencia específica y su buena integridad estructural a altas temperaturas las convierten en candidatas potenciales para componentes de motores de avión. Sin embargo, características como la escasa ductilidad a temperatura ambiente, la elevada dureza y los importantes daños en la superficie durante el mecanizado han hecho que estas aleaciones tengan la reputación de ser "difíciles de mecanizar". Por lo tanto, el presente estudio tiene como objetivo evaluar la maquinabilidad y la integridad superficial en el fresado de una aleación gamma- TiAl de segunda generación, la Ti-48Al-2Cr-2Nb. En primer lugar, se llevó a cabo una caracterización tribológica del recubrimiento de la herramienta (TiAlSiN) en seco, lubrificación convencional y con mínima cantidad de lubricación (MQL). La eficacia de los recubrimientos de las herramientas en la reducción de las propiedades tribológicas se evaluó mediante la comparación con experimentos realizados con pines sin recubrimiento. Las características tribológicas de la aleación Ti-48Al-2Cr-2Nb se compararon posteriormente con una de las aleaciones de titanio más utilizadas, la aleación Ti-6Al-4V. Se determinó el efecto de los parámetros de contacto, como la presión de contacto y la velocidad de deslizamiento, en la evolución de los fenómenos tribológicos. En segundo lugar, se llevó a cabo un análisis exhaustivo de la sensibilidad de los parámetros de entrada y salida durante el fresado con herramienta tórica de Ti-48Al-2Cr-2Nb. Se analizó la influencia de dos microestructuras, la casi laminar y la dúplex, junto con tres tipos de lubricación (en seco, lubricación convencional y MQL), dos herramientas tóricas de fresado y un parámetro de corte (velocidad de corte). La evaluación de los parámetros científicos (fuerzas de corte) e industriales (desgaste de la herramienta e integridad de la superficie [rugosidad de la superficie, alteraciones microestructurales de la sub-superficie y microdureza de la sub-superficie]) demostró la relevancia de todos los parámetros de entrada sobre los de salida. Como resultado, se estableció una ventana de proceso con una vida útil de la herramienta y requerimientos de integridad superficial válida para aplicaciones industriales.