Abstrak
Industri aeroangkasa menuntut bahan dan alatan yang mampu menahan keadaan melampau, termasuk suhu tinggi, haus kasar, dan pemesinan ketepatan aloi termaju. Polycrystalline Diamond Compact (PDC) telah muncul sebagai bahan kritikal dalam pembuatan aeroangkasa kerana kekerasannya yang luar biasa, kestabilan terma dan rintangan haus. Kertas kerja ini menyediakan analisis menyeluruh tentang peranan PDC dalam aplikasi aeroangkasa, termasuk pemesinan aloi titanium, bahan komposit dan aloi super suhu tinggi. Selain itu, ia mengkaji cabaran seperti kemerosotan haba dan kos pengeluaran yang tinggi, bersama-sama dengan trend masa depan dalam teknologi PDC untuk aplikasi aeroangkasa.
1. Pengenalan
Industri aeroangkasa dicirikan oleh keperluan yang ketat untuk ketepatan, ketahanan dan prestasi. Komponen seperti bilah turbin, bahagian rangka udara berstruktur dan komponen enjin mesti dihasilkan dengan ketepatan tahap mikron sambil mengekalkan integriti struktur di bawah keadaan operasi yang melampau. Alat pemotong tradisional sering gagal memenuhi permintaan ini, yang membawa kepada penggunaan bahan termaju seperti Polycrystalline Diamond Compact (PDC).
PDC, bahan berasaskan berlian sintetik yang diikat pada substrat tungsten karbida, menawarkan kekerasan yang tiada tandingan (sehingga 10,000 HV) dan kekonduksian terma, menjadikannya sesuai untuk pemesinan bahan gred aeroangkasa. Kertas kerja ini meneroka sifat bahan PDC, proses pembuatannya, dan kesan transformatifnya terhadap pembuatan aeroangkasa. Tambahan pula, ia membincangkan batasan semasa dan kemajuan masa depan dalam teknologi PDC.
2. Sifat Bahan PDC Berkaitan dengan Aplikasi Aeroangkasa
2.1 Kekerasan Melampau dan Rintangan Haus
Berlian ialah bahan yang paling sukar diketahui, membolehkan alat PDC memesin bahan aeroangkasa yang sangat kasar seperti polimer bertetulang gentian karbon (CFRP) dan komposit matriks seramik (CMC).
Memanjangkan hayat alat dengan ketara berbanding alat karbida atau CBN, mengurangkan kos pemesinan.
2.2 Kekonduksian dan Kestabilan Terma Tinggi
Pelesapan haba yang cekap menghalang ubah bentuk haba semasa pemesinan kelajuan tinggi aloi berasaskan titanium dan nikel.
Mengekalkan integriti canggih walaupun pada suhu tinggi (sehingga 700°C).
2.3 Kelalaian Kimia
Tahan kepada tindak balas kimia dengan bahan aluminium, titanium dan komposit.
Meminimumkan kehausan alatan semasa pemesinan aloi aeroangkasa tahan kakisan.
2.4 Keliatan Patah dan Rintangan Kesan
Substrat tungsten karbida meningkatkan ketahanan, mengurangkan kerosakan alat semasa operasi pemotongan terganggu.
3. Proses Pengilangan PDC untuk Alat Gred Aeroangkasa
3.1 Sintesis Berlian dan Pensinteran
Zarah berlian sintetik dihasilkan melalui tekanan tinggi, suhu tinggi (HPHT) atau pemendapan wap kimia (CVD).
Pensinteran pada 5–7 GPa dan 1,400–1,600°C mengikat butiran berlian pada substrat tungsten karbida.
3.2 Pembuatan Alat Kepersisan
Pemotongan laser dan pemesinan nyahcas elektrik (EDM) membentuk PDC menjadi sisipan tersuai dan kilang akhir.
Teknik pengisaran lanjutan memastikan tepi pemotongan ultra tajam untuk pemesinan ketepatan.
3.3 Rawatan Permukaan dan Salutan
Rawatan selepas pensinteran (cth, larut lesap kobalt) meningkatkan kestabilan haba.
Salutan karbon seperti berlian (DLC) meningkatkan lagi rintangan haus.
4. Aplikasi Aeroangkasa Utama Alat PDC
4.1 Pemesinan Aloi Titanium (Ti-6Al-4V)
Cabaran: Kekonduksian haba Titanium yang rendah menyebabkan kehausan alat yang cepat dalam pemesinan konvensional.
Kelebihan PDC:
Mengurangkan daya pemotongan dan penjanaan haba.
Jangka hayat alat yang dilanjutkan (sehingga 10x lebih lama daripada alat karbida).
Aplikasi: Gear pendaratan pesawat, komponen enjin dan bahagian rangka kapal terbang struktur.
4.2 Pemesinan Polimer Bertetulang Gentian Karbon (CFRP).
Cabaran: CFRP sangat melelas, menyebabkan degradasi alat yang cepat.
Kelebihan PDC:
Pendelaminasi minimum dan tarik keluar gentian kerana tepi pemotongan yang tajam.
Penggerudian berkelajuan tinggi dan pemangkasan panel fiuslaj pesawat.
4.3 Superaloi Berasaskan Nikel (Inconel 718, Rene 41)
Cabaran: Kekerasan yang melampau dan kesan pengerasan kerja.
Kelebihan PDC:
Mengekalkan prestasi pemotongan pada suhu tinggi.
Digunakan dalam pemesinan bilah turbin dan komponen kebuk pembakaran.
4.4 Komposit Matriks Seramik (CMC) untuk Aplikasi Hipersonik**
Cabaran: Kerapuhan yang melampau dan sifat kasar.
Kelebihan PDC:
Pengisaran ketepatan dan kemasan tepi tanpa retak mikro.
Kritikal untuk sistem perlindungan terma dalam kenderaan aeroangkasa generasi seterusnya.
4.5 Pemprosesan Pasca Pembuatan Aditif
Aplikasi: Menamat bahagian titanium dan Inconel cetakan 3D.
Kelebihan PDC:
Pengilangan ketepatan tinggi geometri kompleks.
Mencapai keperluan kemasan permukaan gred aeroangkasa.
5. Cabaran dan Had dalam Aplikasi Aeroangkasa
5.1 Degradasi Terma pada Suhu Tinggi
Grafitisasi berlaku melebihi 700°C, mengehadkan pemesinan kering superaloi.
5.2 Kos Pengeluaran Tinggi
Sintesis HPHT yang mahal dan kos bahan berlian menyekat penggunaan yang meluas.
5.3 Kerapuhan dalam Pemotongan Terganggu
Alat PDC mungkin serpihan apabila pemesinan permukaan yang tidak teratur (cth, lubang gerudi dalam CFRP).
5.4 Keserasian Logam Ferus Terhad
Haus kimia berlaku apabila pemesinan komponen keluli.
6. Trend dan Inovasi Masa Depan
6.1 PDC Berstruktur Nano untuk Keliatan yang Dipertingkatkan
Penggabungan butiran nano-berlian meningkatkan ketahanan patah.
6.2 Alat PDC-CBN Hibrid untuk Pemesinan Superalloy
Menggabungkan rintangan haus PDC dengan kestabilan terma CBN.
6.3 Pemesinan PDC Berbantukan Laser
Bahan prapemanasan mengurangkan daya pemotongan dan memanjangkan hayat alat.
6.4 Alat PDC Pintar dengan Penderia Terbenam
Pemantauan masa nyata kehausan dan suhu alat untuk penyelenggaraan ramalan.
7. Kesimpulan
PDC telah menjadi asas pembuatan aeroangkasa, membolehkan pemesinan ketepatan tinggi titanium, CFRP, dan aloi super. Walaupun cabaran seperti kemerosotan haba dan kos yang tinggi berterusan, kemajuan berterusan dalam sains bahan dan reka bentuk alat sedang mengembangkan keupayaan PDC. Inovasi masa depan, termasuk PDC berstruktur nano dan sistem perkakas hibrid, akan mengukuhkan lagi peranannya dalam pembuatan aeroangkasa generasi akan datang.
Masa siaran: Jul-07-2025
