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为什么钛合金是一种难加工材料? 钛与钛合金的基本概念

为什么我们认为钛合金是一种难加工材料?由于对其加工机理和现象缺少深入的认识。


1.钛加工的物理现象

钛合金加工时的切削力只是略高于同等硬度的钢,但是加工钛合金的物理现象比加工钢要复杂得多,从而使钛合金加工面临巨大的困难。


大多数的钛合金的热导率很低,只有钢的1/7,铝的1/16。因此,在切削钛合金进程中产生的热量不会迅速传递给工件或被切屑带走,而集聚在切削区域,所产生的温度可高达1000℃以上,使刀具的刃口迅速磨损、崩裂和生成积屑瘤,快速出现磨损的刀刃,又使切削区域产生更多的热量,进一步缩短刀具的寿命。


切削进程中产生的高温同时破坏了钛合金零件的表面完整性,导致零件几何精度下降和出现严峻减少其疲劳强度的加工硬化现象。


钛合金的弹性对零件性能来说可能是有益的,但是在切削进程中,工件的弹性变形是产生振动的重要原因。切削压力使“弹性”的工件离开刀具和反弹,从而使刀具与工件之间摩擦现象大于切削作用。摩擦进程也会产生热,加重了钛合金导热性不良问题。


加工薄壁或环形等易变形零件时,这个问题就更加严峻,将钛合金薄壁零件加工到预期的尺寸精度不是一件容易的事。由于随着工件材料被刀具推开时,薄壁的局部变形已经超出弹性范围而产生塑性变形,切削点的材料强度和硬度明显添加。此刻,按照原先确定的切削速度加工就变得过高,进一步导致刀具急剧磨损。


“热”是钛合金难加工的“罪魁祸首”!


2.加工钛合金的工艺诀窍

在理解钛合金加工机理的基础上,加上以往的经验,加工钛合金的主要工艺诀窍如下:


⑴ 采用正角型几何形状的刀片,以减少切削力、切削热和工件的变形。


⑵ 坚持恒定的进给以避免工件的硬化,在切削进程中刀具要始终处于进给状态,铣削时径向吃刀量ae应为半径的30%。


⑶ 采用高压大流量切削液,以保证加工进程的热稳定性,防止因温度过高导致工件表面变性和刀具损坏。


⑷ 坚持刀片刃口锋利,钝的刀具是热集结和磨损的原因,容易导致刀具失效。


⑸ 尽可能在钛合金最软的状态加工,由于淬硬后材料变得更难加工,热处理提高了材料的强度并添加刀片的磨损。


⑹ 使用大的刀尖圆弧半径或倒角切入,尽可能把更多的刀刃进入切削。这可以减少每一点的切削力和热量,防止局部破损。在铣削钛合金时,各切削参数中切削速度对刀具寿命vc的影响最大,径向吃刀量(铣削深度)ae次之。


3.从刀片入手处理钛加工难题

钛合金加工时出现的刀片沟槽磨损是后面和前面在沿切削深度方向上的局部磨损,它往往是由于前期加工留下的硬化层所形成的。刀具与工件材料在加工温度超过800℃的化学反应和扩散,也是形成沟槽磨损的原因之一。由于在加工进程中,工件的钛分子在刀片的前面积聚,在高压高温下“焊接”到刀刃上,形成积屑瘤。当积屑瘤从刀刃上剥离时,将刀片的硬质合金涂层带走,因此,钛合金加工需要特殊的刀片材料和几何形状。


4.适合钛加工的刀具结构

钛合金加工的焦点是热,很多高压切削液要及时准确地喷射到切削刃上,才能够快速地将热量移除。市场上有专门用于钛合金加工的铣刀独特结构。


钛与钛合金的基本概念                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  

钛 Titanium

钛是一种金属元素,化学符号Ti,原子序数22,外观呈现银白色金属光泽。钛的密度为4.51g/cm3,熔点为1668℃。


钛有两种同素异构体,α-Ti在882℃以下稳定,为密排六方晶格(hcp)结构;β-Ti在882℃与熔点之间稳定存在,具有体心立方晶格(bbc)结构。



钛在自然界中分布很广,约占地壳质量的6‰,是含量第十高的元素,在金属世界里排行第七。钛的矿物多达70多种,比较常见是钛铁矿Fe-TiO3、金红石TiO2及钒钛磁铁矿等。钛在海水中含量是1μg/L,在海底结核中也含有大量的钛。除此之外,钛还可以在陨石、煤灰、植物,甚至人体中找到。


钛的产品

钛的产品主要是两类:第一类是海绵钛,它可以进一步加工制备各类钛材;第二类是钛白粉,是一种白色颜料,广泛应用在涂料、油漆等化工行业中。



钛精矿经冶炼成海绵钛后,经过铸锭可制成工业纯钛钛合金



钛产品特性

工业纯钛和钛合金都有耐腐蚀、耐高温和高比强度的特点。钛合金因为添加了其他合金元素,比工业纯钛具有更多样的性质和更广泛的用途。

耐腐蚀

钛与钛合金在不同介质和不同温度条件下都有良好的耐腐蚀性能。尤其是在海水中的抗蚀性比铝合金、不锈钢和镍基合金都好。


钛的耐蚀性能来自于钝化。在大气或水溶液中,钛表面会立即形成一层保护很好的氧化膜(钝化膜)。这层氧化膜有非常好的愈合性,被机械破损后能很快地<0.1s弥合修复形成新膜。温度在315℃以下,钛的氧化膜始终保持这一特性。

耐高温

工业纯钛和钛合金都能在高温环境下保持良好的强度与性能。纯钛稍低,可在350℃以下稳定服役;钛合金的工作温度可达500℃甚至更高。


高比强度

工业纯钛和钛合金的比强度都很高。比强度指的是材料的强度与密度的比值。比强度高代表材料强度大而重量轻。这样的特性在航空航天领域很受欢迎。


飞机或航天器常用材料有不锈钢、镍基合金和铝合金等。与不锈钢和镍基合金相比,钛合金的密度差不多只有它们的一半,质量更轻;与铝合金只能在200℃以下工作相比,钛合金更耐高温。优势十分明显。


工业纯钛

工业纯钛(纯度达99.5%)实质上是一种低合金含量的钛合金,含有氮、碳及铁、硅等杂质元素。其退火组织为α组织。由于含有较多的杂质元素,其强度高于化学纯钛(纯度高达99.9%,也叫高纯钛,接近高强铝合金的水平,但和钛合金比,强度仍然较低。


工业纯钛的力学性能和化学性能与不锈钢较为相似。主要用作工作温度350℃以下,受力不大但要求高塑性的冲压件和耐蚀结构零件。


我国工业纯钛按其杂质含量的不同,分为TA0、TA1、TA2和TA3四个牌号。四种工业纯钛的间隙杂质元素是逐渐增加的,故其机械强度和硬度也随之逐级增加,但塑性、韧性相应下降。工业上常用的工业纯钛是TA2,因其耐蚀性能和综合力学性能适中。对耐磨和强度要求较高时可采用TA3。对要求较好的成型性能时可用TA1。


表 他国工业纯钛典型牌号

美国ASTM

Grade1(Gr1)Grade2(Gr2)

Grade3(Gr3)Grade4(Gr4)

日本JIS

Class1Class2Class3

英国IMI

115125130155160

德国DIN

3.70253.70353.70553.7065


钛合金

钛合金是以钛元素为基础加入其它元素的合金。加入的合金元素有Al、Mo、Cr、Sn、Mn、V等。


世界上已研制出的钛合金有数百种,其中最著名是美国1954年研制成功的Ti-6Al-4V合金,由于它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好,而成为钛合金工业中的王牌合金,该合金使用量已占全部钛合金的75%~85%。其他许多钛合金都可以看作是Ti-6Al-4V合金的改型。


钛合金的比重、强度和使用温度介于铝和钢之间,但比铝、钢强度高并具有优异的抗海水腐蚀性能和超低温性能。钛合金最广泛的应用是作为航空航天工业中重要结构材料。


钛合金分类

钛合金可按退火组织分为三类:α钛合金、β钛合金、α+β钛合金(还包括含有少量β相的近α合金)。α钛合金代号为TA,β钛合金代号为TB,α+β钛合金代号为TC。三种钛合金中最常用的是α钛合金和α+β钛合金;α钛合金的切削加工性最好,α+β钛合金次之,β钛合金最差。


钛合金也可按用途分为耐热合金、高强合金、耐蚀合金(钛-钼,钛-钯合金等)、低温合金以及特殊功能合金(钛-铁贮氢材料和钛-镍记忆合金)等。

牌号及用途

α钛合金

性能:

室温强度低,高温强度高;良好的抗氧化性、耐蚀性和焊接性;不能热处理强化,退火态使用。

牌号:

TA4、TA5、TA6、TA7、TA8等。常用有TA5和TA7,以TA7为最常用。TA7还具有良好的低温性能。

用途:

可在500℃以下使用,如火箭飞船的低温高压容器,航空发动机的叶片和管道,导弹燃料缸等。TA5主要用于制造船舰零件。


β钛合金

性能:

可热处理强化,有较高的强度,焊接性能和压力加工性能良好;但性能不够稳定,熔炼工艺复杂,故应用不如α型、α+β型钛合金广泛。

牌号:

有TB1、TB2和TB3,实际应用的为TB2。TB2合金一般在固溶处理状态下交货,在固溶、时效后使用。

用途:

可在350℃以下工作,如压气机叶片、轮盘、轴类等重载荷旋转件,以及飞机的构件等。


α+β钛合金

性能:

具有α型和β型的优点,大部分可热处理强化,焊接性能不如α型。

牌号:

TC1~TC11,常用有TC3、TC4、TC6、TC9、TC10。TC4就是美国的Ti-6Al-4V,最为常用。TC10是在TC4基础上发展起来,有更高的强度和耐热性。

用途:

400℃以下工作的航空发动机压气机叶片,火箭发动机外壳,导弹液氢燃料箱部件,船舰耐压壳体。

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