Сверхкритический CO2 и доступные смазки могут изменить обработку титана

Когда углекислый газ сжимается выше 74 бар и нагревается выше 31 градуса Цельсия, он переходит в сверхкритическую фазу. Команда французских исследователей из Технологического института Arts et Métiers использовала эту жидкость для решения проблемы трения и нагрева при обработке титанового сплава Ti6Al4V, важного для аэрокосмической отрасли. Результаты, опубликованные в Frontiers in Manufacturing Technology, показывают, что дешевые и устойчивые добавки, растворенные в сверхкритическом CO₂, могут конкурировать с промышленными минеральными маслами, а ионные жидкости обеспечивают наиболее значительное снижение трения.

Промышленность давно полагается на flood-охлаждение и криогенные спреи для сохранения инструмента и деталей. Сверхкритический CO₂ стал альтернативой, поскольку действует как зеленый растворитель и при доставке в зону резания резко снижает температуру. Однако сам по себе он часто работает хуже flood-охлаждения, поэтому смазка, которую он несет, имеет большое значение. Команда под руководством Коффи Сэмюэля Кулепы тестировала ионные жидкости, растительные масла, минеральное масло, воду и полиэтиленгликоль. Для доставки смесей исследователи построили машину, которая сжимает CO₂ до 350 бар и нагревает его в смесительной камере, где вводятся смазки, после чего смесь распыляется через сопло 0,25 мм. Испытания на трение проводились на токарном станке с трибометром, где карбидные штифты прижимались к вращающемуся прутку Ti6Al4V при нагрузках 100, 250 и 400 Н и скоростях 20 и 100 м/мин.

При 20 м/мин добавление смазок снижало трение, но смеси не превосходили сухое состояние. При 100 м/мин картина изменилась: наблюдалось среднее снижение коэффициента трения на 0,1, а увеличение расхода смазки с 1 до 4 мл/мин давало дальнейшее снижение. Ионные жидкости показали наибольшее снижение трения при 100 м/мин с 4 мл/мин и 400 Н. Адгезионное поведение Ti6Al4V дало еще один показатель: ионные жидкости вместе с полиэтиленгликолем дали наименьшие значения площади прилипания со снижением на 54 % и 55 % для BF4 и PF6 при расходе 1 мл/мин, а при 4 мл/мин – до 74 %.

Измерения температуры подтвердили охлаждающие свойства CO₂: температура штифтов снизилась на 80 градусов Цельсия по сравнению с сухими тестами. Самое коммерчески значимое открытие касается дешевых смазок: вода, рапсовое и подсолнечное масла работали аналогично минеральному маслу в паре со сверхкритическим CO₂, а эти биологические альтернативы дешевле и менее опасны для здоровья. Исследователи предупреждают, что они не подойдут для применений, где критична чистота, но для обработки аэрокосмического титана перспективы многообещающие.