Modelado de la resistencia al desgaste para TC21 Ti

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 en la resistencia al desgaste por deslizamiento en seco de la aleación de Ti TC21 a 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 la justificación de los resultados se utilizaron OM y FESEM además del análisis XRD. La dureza más alta de 49 HRC se registró para las muestras WQ + Envejecidas 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 informó para las muestras WQ. Los resultados revelaron que los especímenes sometidos a enfriamiento rápido con agua y envejecimiento (WQ + Envejecimiento) bajo condiciones extremas de carga y velocidad (50 N y 3 m/s), poseían la peor resistencia al desgaste aunque tenían la mayor dureza. Mientras que los que quedaron en la condición de recocido revelaron la mayor resistencia al desgaste, aunque tenían una dureza mucho menor en comparación con otras condiciones. Se desarrolló un modelo polinomial matemático para la resistencia al desgaste expresado en tasa de desgaste, se validó y luego se usó 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 poco peso1. Esta colección de propiedades puede ser respaldada fácilmente por el titanio (Ti) y sus aleaciones. Como resultado, su rango de aplicaciones se amplía para incluir aplicaciones de ingeniería avanzada en las industrias de la construcción, automotriz, generación de energía, biomédica, procesamiento químico, aeroespacial y marina2,3. Sin embargo, el titanio y sus aleaciones encuentran dificultades cuando se usan en el campo del desgaste y la fricción. Esto se atribuye a su baja resistencia al desgaste y alta afinidad química bajo ciertas 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 lo tanto, se puede obtener una amplia gama de microestructuras y propiedades mecánicas para personalizar las aplicaciones7. Se cree que TC21 es un fuerte competidor y reemplazo de la conocida aleación de Ti Ti–6Al–4V (Ti64)8. Algunos llaman a Ti64 una aleación industrial de titanio caballo de batalla, domina el 50% del mercado global6. Aunque ambas aleaciones son aleaciones α + β, el TC21 tiene una mayor resistencia específica y tenacidad a la fractura que la aleación Ti64. La solicitud presentada para TC21 involucra productos aeroespaciales como componentes de trenes de aterrizaje, estructuras de carga, ejes de motores, fuselajes y armazones9.

El comportamiento de desgaste de TC21 ha sido investigado tanto desde la perspectiva del desgaste por deslizamiento como del desgaste por rozamiento. Elshear et al.10 investigaron el efecto de la velocidad de enfriamiento y el proceso de envejecimiento en el comportamiento de desgaste de la aleación de Ti TC21 deformada. La mejor combinación de propiedades se logró mediante la condición de enfriamiento por aire y envejecimiento (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 los 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 canasta 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 tuvo 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 de tratamiento térmico tradicionales 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.

Con el fin de obtener conclusiones válidas y confiables, además de mantener los costos y el tiempo de las corridas experimentales al mínimo posible, el diseño de experimentos (DOE) se usa 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 el trabajo de investigación son los diseños de Taguchi o las matrices ortogonales de Taguchi, que se pueden usar tanto en el diseño del proceso como en la etapa del producto para mejorar la capacidad de fabricación y la confiabilidad del producto17. Usando 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 de Ti–6Al–4V aleación de titanio a temperatura ambiente. Paramjit Singh et al.19 también utilizaron el diseño Taguchi con arreglo 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 de Taguchi reduce el número total de corridas de manera efectiva, no indica con precisión la causa de la variabilidad en la respuesta que podría deberse a los efectos principales, las interacciones entre los factores de control o la curvatura20. Taguchi se enfoca en los efectos principales y le 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, en condiciones de deslizamiento criogénicas (N2 líquido) y aire seco. Usaron 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 se desarrolló un modelo predictivo. MD Sharma et al.24 modelaron y optimizaron la fricción por deslizamiento en seco y las características de desgaste, por ejemplo, la tasa de desgaste, el coeficiente de fricción promedio y la temperatura máxima de contacto de la aleación Ti–3Al–2.5V. Los modelos se transformaron, como logaritmo 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 en seco con algunas variables de entrada, como la carga, la velocidad y la 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 tradicionales de tratamiento térmico 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 al desgaste de la aleación TC21 se centra en las técnicas de modificación de la superficie, aunque tienen muchas desventajas. Esas desventajas incluyen grandes gastos, procedimientos complicados, alto consumo de energía y peligros ambientales27. Además, se notó que todos los investigadores4,10,11,12,13 solo investigan el efecto de un factor de entrada a la vez en las características de desgaste. Por lo tanto, el trabajo actual tiene como objetivo reducir esta brecha y, según el conocimiento de 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 acero de alta velocidad (HSS ) utilizando RSM. Además, el modelo desarrollado después de la validación se puede usar 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 TC21 Ti suministrada por Baoji Hanz Material Technology Co., Ltd., China con la composición química que 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 barra. La temperatura transus β de esta aleación es de 950 ± 5 °C11.

En este trabajo se utilizan 4 ciclos de tratamiento térmico diferentes, consulte la 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 (Mufla/modelo HTC03/1) de atmósfera controlada. Para obtener especímenes adecuados para las siguientes pruebas diferentes, las varillas TC21 se cortaron en pequeños especímenes de 7 mm de diámetro y 12 mm de longitud por medio de una máquina cortadora de alambre de mecanizado por descarga eléctrica (EDM) (NOVICUT 350M modelo 2015). Estos pequeños especímenes se molieron hasta grano 1000. Para fines de examen de metalografía, se seleccionaron muestras de cada grupo y se incluyeron en resina de montaje en frío, se esmerilaron, pulieron y finalmente se grabaron con una composición grabadora de HF al 3 %, HNO3 al 30 % y H2O al 67 %. 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 probador de dureza Rockwell (United True-Blue II modelo U-2004) de acuerdo con las normas ASTM E18. Se han registrado siete lecturas para cada espécimen. Se llevó a cabo una prueba de desgaste por deslizamiento en seco durante 15 minutos a temperatura ambiente utilizando un probador de disco para especímenes seleccionados en base a un procedimiento de diseño de experimentos. Las muestras de desgaste (Φ7 y 12 de longitud) se fijaron contra un disco de acero de alta velocidad (HSS) con una dureza de 64 HRC. Antes de cada ejecución individual, el disco se molió 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 soplar cualquier contaminación. Para obtener la pérdida de masa por desgaste se utilizó una balanza electrónica con resolución de 0.0001 g para pesar la probeta 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 a los mismos niveles de carga normal y velocidad de deslizamiento, luego se determinó y registró el promedio. Al comienzo de cada corrida, cada muestra se dejó por un período de tiempo hasta que la superficie se volcó por completo 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 de emisión de campo (FESEM) de superficies desgastadas para algunos especímenes 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 desechos recogidos.

La respuesta de salida que es 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. De acuerdo con las Refs.1,18,19,21,22,23,24,25, existen muchos parámetros que podrían influir en las características de desgaste, como la carga/presión normal, la velocidad de deslizamiento, el tiempo/distancia de deslizamiento, el material de los pares de fricción. , temperatura, rugosidad de la superficie, humedad y lubricación. Entre todo eso, 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. La Tabla 3 ilustra los niveles de los factores de entrada. En este estudio, se utilizó el diseño compuesto central centrado en la cara (CCD), Fig. 2, para construir la matriz de diseño. El CCD centrado en la cara consta de un total de 11 puntos, detallados como 4 factoriales, 4 axiales y 3 puntos centrales. Estos 11 puntos se utilizaron para cada nivel del factor categórico (tratamiento térmico). Entonces, obtenemos 55 corridas en total en la matriz de diseño (Tabla 4). Se utilizó el software Design Expert 13 para fines de DOE y análisis estadístico posterior.

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). De acuerdo con el análisis de fracción de volumen de fase basado en el procesamiento de imágenes, la fase α, que es una fase blanda1,28, representa alrededor del 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 el α se convirtió en β. Si la aleación es AC 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 previamente30. Al someter las muestras enfriadas a un proceso de envejecimiento posterior, las placas gruesas en las muestras AC se vuelven más finas y se forman algunas precipitaciones de α (αs) secundarias, Fig. 3d. Mientras que en los especímenes WQ + Envejecimiento, el α″ se descompuso totalmente en αs finos y β31,32. Estos α se dispersaron dentro del grano β y se volvieron más claros junto con el límite del grano, Fig. 3e.

Imágenes OM de microestructura: (a) Recocido, (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 notable variación 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 los especímenes WQ + Envejecimiento obtuvieron la alta dureza de 49 HRC. Esto refleja un aumento de aproximadamente el 36 % en la dureza en comparación con las muestras WQ y WQ + Envejecimiento. Por lo tanto, las muestras después de WQ + Envejecimiento tenían la dureza más alta 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 de carga normal y 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 especímenes de envejecimiento WQ + menores de 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 los dos compañeros de fricción, especialmente cuando no se utiliza una 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 de WQ + Envejecimiento, la resistencia al desgaste de las muestras recocidas es mayor que la de WQ + Envejecimiento bajo la misma combinación de alta carga y velocidad. Esto parece ser intuitivo, especialmente cuando se compara con materiales de la competencia 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) está asociado con el aumento de la dureza. Al comparar los desechos de desgaste recolectados durante las pruebas de las muestras recocidas y de WQ + Envejecimiento, se observó 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 de 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 suavizadas que generalmente están dañadas de manera quebradiza1 junto con desprendimiento de superficies y grietas, Fig. 8e. La fragilidad severa de la tribocapa de WQ + Envejecimiento puede atribuirse a la presencia de muchas plaquetas finas de αs precipitadas a lo largo de los límites de grano, lo que significa muchos vacíos en comparación con α equiaxial en estado recocido33. Esos vacíos pueden unirse fácilmente para formar grietas y, por lo tanto, se produce una gran delaminación. Resultados similares fueron reportados por Sahoo et al.1,18 y Feng et al.34, ellos reportaron 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.

Residuos de desgaste de WQ + Muestras de envejecimiento y 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 los dos compañeros de fricción, lo que conduce a 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 de espectro XRD de los residuos de desgaste de las muestras recocidas, como se muestra en la Fig. 9. Se cree que la presencia del óxido de titanio brinda a las muestras cierta protección para la tribocapa de las muestras recocidas y, por lo tanto, tienen una mejor resistencia al desgaste en las condiciones extremas de carga y velocidad. Por otro lado, la ausencia de óxidos en el envejecimiento de WQ+, Fig. 10, se atribuye a una tasa muy alta de eliminación de la tribocapa y, por lo tanto, no hay posibilidad de que ocurra 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 carga baja de 10 N y baja velocidad de 1.5 m/s, las superficies desgastadas, Fig. 11, mostraron marcas de arado causadas por escombros o asperezas en la cara contraria del disco HSS con deformación plástica excesiva, especialmente para la condición recocida que también mostró algunas pequeñas marcas de adherencia que pueden atribuirse a su baja dureza. Por lo tanto, bajo esas condiciones bajas, el mecanismo de desgaste predominante es el mecanismo de desgaste abrasivo. Cuando las condiciones de ensayo alcanzan niveles extremos, es decir, 50 N y 3 m/s, se puede observar un rapto severo como resultado de la delaminación y el desconchado que se produce, Fig. 8, debido a la fractura frágil, especialmente en WQ + muestra de 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 gráfico, Fig. 12, ilustra y resume la secuencia de análisis estadístico utilizada 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 de 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) cuando se compara 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. Asimismo, 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 ser explicada por 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 un porcentaje de la media, (CV) = 2,2 %, en oposición a CV = 60,66 % antes de las mejoras del modelo. "Adeq Precision" mide la relación señal-ruido; 4 es la relación mínima requerida. Una relación 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 del 2 al 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 de 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 previsto. A partir de los resultados, el modelo tiene una buena capacidad de predicción con un error absoluto promedio igual a 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 el que le da a una microestructura que soporte condiciones extremas de operación, es decir, máxima carga normal y máxima velocidad de deslizamiento, pero que muestre la mínima tasa de desgaste. 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 son una carga normal de 42,75 N, una velocidad de deslizamiento de 3 m/s y una condición recocida (microestructura Equiaxed) que dan índice de desgaste óptimo de 8,49 g/min con deseabilidad máxima de 0,655, lo que significa que el objetivo de optimización se alcanza en un 65,5 %. La Tabla 8 resume los resultados de la prueba 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 de 6,04 %.

Conjunto óptimo de parámetros de entrada necesarios para obtener la WR mínima en condiciones extremas.

Con respecto a las probetas recocidas (38 HRC), la dureza mínima alcanzada por las probetas WQ de 36 HRC, mientras que la dureza máxima alcanzada por las probetas WQ + Envejecimiento de 49 HRC.

En condiciones de desgaste extremo (50 N, 3 m/s), aunque las muestras de envejecimiento WQ + tenían la máxima dureza, 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 en función de la carga normal, el deslizamiento y el tipo de tratamiento térmico. Basado en ANOVA, la carga normal ha sido identificada como el factor de entrada más significativo seguido por la velocidad de deslizamiento y el tipo de tratamiento térmico. Asimismo, 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 se encuentran 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 la 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 la WR real bajo esos niveles óptimos está cerca de la predicha con un error absoluto promedio de 6.04%.

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

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

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

Instituto Tabbin de Estudios Metalúrgicos, El Cairo, Egipto

Ramadán N. Elsher

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Correspondencia a Ramadan N. Elshaer.

El autor declara que no hay conflictos de intereses.

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Abdelmoneim, A., Elshaer, RN, El-Shennawy, M. et al. Modelado de la resistencia al desgaste de la aleación de Ti TC21 utilizando la 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 enero 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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