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林雪平大学研究出可以延长刀具寿命的新方法

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林雪平大学研究出可以延长刀具寿命的新方法
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瑞典林雪平大学(Linköping University )的研究者发现了一种理论模型,这种模型可以仿真显示在切削难加工材料失效时候发生的情况。这个模型将会使制造业的成本和加工时间都大幅降低。


Kostas Sarakinos,Davide Sangiovanni和Georgios Almyras在林雪平大学瑞典国家超级计算机中心
摄影:Anna Nilsen

该模型已发表在开放获取科学期刊《Materials》上。

TiAlN(钛 – 氮化铝)是通常用作金属切削工具涂层的陶瓷材料。借助于钛 – 氮化铝薄膜,刀具的切削刃变得更硬,并且寿命更长。涂层的一个非常特殊的特征是在切削过程中它变得更加硬,这种现象称为时效硬化。

林雪平大学材料科学副教授Kostas Sarakinos说,这种材料是工程行业的主力军。

高温敏感性

然而,该合金对高温敏感。在真正坚硬的材料中进行几分钟的切削将会使刀具的切削刃的切削热温度接近900度或更高。在高达700度的温度下,材料不受伤害,但在较高温度下会开始失效,切削刃开始软化并失去锋利度。

到目前为止,还没有人能够确定在切削过程中涂层内部原子级发生了什么。只能部分模拟钛,铝和氮的复杂组合的性能,并且不可能从结果中得出任何结论。

Georgios Almyras曾在纳米工程系担任博士后研究员,现已转任爱立信,理论物理系的Davide Sangiovanni,以及纳米工程系负责人Kostas Sarakinos,经过四年的工作开发了一个可靠的理论模型,可用于准确显示在皮秒时间级别材料中发生的情况。他们使用新开发的模型来模拟材料中的事件,显示哪些原子被移位以及这对于材料性能的影像。

Davide Sangiovanni(摄影:Anna Nilsen)

“这也意味着我们可以制定策略来阻止失效,例如合金化材料或创造特别设计的纳米结构”,Davide Sangiovanni说。

超级计算机运算

他们的理论模型计算材料中原子之间的力。该模型基于先前已知的方法,该方法已成功用于简单材料系统。然而,复杂的材料组合需要时间要求高的计算,这些计算只能在超级计算机中进行。来自林雪平大学的研究小组通过实施机器学习算法来优化这些计算。

利用国家超级计算机中心的超级计算机计算了大约40种钛,铝和氮的合金,同时考虑了材料的几种性质。然后,科学家们将计算结果与材料的已知特性进行了比较。

Kostas Sarakinos说:“重要的是我们还计算了我们所知道的属性,因为我们可以通过这些来确定模型的计算和预测是可靠的。”

他和他的研究同事希望这种方法对于山特维克,ABB,山高刀具等制造行业公司有用,这个研究可以通过开发具有更高硬度和耐磨性的刀具节省大量资金。这是LIU研究人员与其长期合作的公司。

Kostas Sarakinos(摄影:Anna Nilsen)

“我们现在可以首次在最常用于金属切削和成型的材料系统之一中进行大规模的原子结构经

典模拟。模拟可以考虑对热或纳米结构的抵抗力,它们可以提供关于原子如何移动的重要见解。结果将帮助我们避免或至少延迟材料的失效“,Kostas Sarakinos说。

具体研究内容可以访问这里阅读。

译自林雪平大学

 

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