Investigation on Grinding Titanium Metal Matrix Composites with Diamond Wheels

Depuis leur développement dans les années 1990 en tant qu’alternative aux alliages de nickel, les composites de titane à matrice métallique sont des matériaux difficiles à usiner. De nombreux défauts subsistent sur la surface meulée, certains étant étroitement liés à la présence des particules de renforts dans ces matériaux. De manière générale, ces particules de renfort sont choisies plus dures que la matrice et présentent un comportement fragile. Dans la littérature, des études ont été menées en vue d’améliorer le fini de surface des pièces meulées, notamment la rugosité de surface. Ces études utilisent des meules conventionnelles telles que les meules en alumine blanche, alumine fondue rose, corindon microcristallin, ou encore des meules superabrasives comme la meule en nitrure de bore cubique. Or, les composites de titane à matrice métallique sont des matériaux qui présentent une sensibilité à l’augmentation de température et qui induisent une usure rapide des meules. Parmi les abrasifs répertoriés, le diamant est le matériau le plus dur répertorié à ce jour et possède une excellente conductivité thermique. Les meules en diamant s’avèreraient donc adaptées au meulage des composites de titane à matrice métallique, d’autant plus que des performances intéressantes ont été observées dans une étude récente [1]. La présente étude s’intéresse aux performances de meulage de meules en diamant galvanisées sur des composites de titane à matrice métallique renforcés de carbures de titane (TiC). L’objectif vise à étoffer les connaissances relatives au meulage des composites de titane à matrice métallique, et améliorer la compréhension du comportement de ces matériaux lors du meulage. Pour ce faire, une étude d’aptitude au meulage a été réalisée en termes de forces de meulage, consommation de puissance, rugosité de surface, énergie spécifique et analyse microstructurale. Cette étude s’est étendue à la morphologie et l’intégrité des surfaces meulées ainsi qu’au calcul des différentes composantes des forces normales et tangentielles, visant à valider les observations relatives à la morphologie et à l’intégrité de surface. Cette validation s’est faite par le biais de l’utilisation de modèles analytiques. Les résultats des différentes études menées dans le cadre de ce projet doctoral ont permis de mettre en évidence des forces de meulage, une consommation de puissance et une rugosité de surface inférieure à celle d’un alliage de titane, et ce, pour des conditions expérimentales similaires. L’usure de la meule était également inférieure pour le composite de titane à matrice métallique que pour l’alliage de titane. Permettant de conclure quant à l’aptitude du composite de titane à matrice métallique à être meulé par une meule galvanisée en diamant. L’observations des rayures réalisées avec un seul grain abrasif ont permis d’identifier certains mécanismes relatifs à l’enlèvement de matière responsables de la morphologie et de l’intégrité de surface de la surface de travail. Le calcul des composantes des forces normales et tangentielles relatives à ces essais a permis d’appuyer les observation des essais de rayure, notamment la prédominance de la déformation plastique de la matrice et de sa capacité à se re déposer sur la surface. La comparaison des forces calculées pour un essai de meulage avec les forces mesurées expérimentalement a permis de mettre en évidence la précision du modèle utilisé.

Abstract

Titanium metal matrix composites (TiMMCs) were developed as an alternative to nickel-based alloys and are classified as difficult to machine/grind materials. The main issues encountered during the machining of the TiMMCs are related to the difference in mechanical properties between the matrix and the reinforcing particles. Studies in the literature focused on the improvement of the surface quality by comparing conventional (white alumina, pink fused alumina, microcrystalline corundum) and superabrasives (cubic boron nitride) grinding wheels. However, the TiMMCs are heat sensitive and fast cutting tool wear materials. Due to its high hardness and thermal conductivity, diamond would be the most suitable abrasive in grinding TiMMCs. In order to improve the grinding performance on heat sensitive and fast wear materials, namely the TiMMCs, the aim of this study was to provide insights and understanding of the grinding performance of TiMMC with electroplated diamond wheels. The grindability of TiMMCs with diamond wheels was studied in terms of wheel wear, power consumption, forces, surface roughness, and microstructure. The morphology and integrity of the ground surfaces were also studied through scratching tests to understand the TiMMCs behavior during the grinding. As a complement to these observations, the normal and tangential forces produced during the scratching tests were calculating using an analytical model. The results of the study showed that the grindability of the TiMMC with an electroplated diamond wheel is better than that of a Ti alloy in the same grinding conditions. Indeed, the consumption in power, specific energy, the electroplated diamond wheel wear and the surface roughness as a function of the workspeed were lower for the TiMMC. Also, the surface roughness was found to decrease with the increase in workspeed. It could be attributed to the three-body abrasion occurring during the grinding and due to the presence of the reinforcing particles, as well as to the mixture of the ploughed matrix with the broken reinforcing particles redeposited on the ground surface. A higher material removal rate was found achievable by decreasing the depth of cut while increasing the workspeed or by increasing the grinding fluid pressure. Specific energy values ranged from 16 to 34 J/mm3 under all the tested conditions due to the usage of high-pressure grinding fluid. The experimental study on the morphology and integrity of scratched surfaces on TiMMCs combined with the results of the analytical calculation of the components of the normal and tangential forces showed that the ploughing of the matrix was the higher force component, and so was the predominant mechanism during the scratching tests. The comparison of the experimental and calculated grinding forces has shown the good accuracy of the model.