鈦合金的應用及其切削加工技術的國內外發(fā)展現狀

1、鈦合金的應用及其切削加工技術的國內外發(fā)展現狀鈦合金的性能及其應用鈦及鈦合金由于具有比強度高、抗腐蝕性好、耐高溫等一系列突出的優(yōu)點，能夠進行各種方式的零件成形、焊接和機械加工。50年代初期，在一些軍用飛機上開始使用工業(yè)純鈦制造后機身的隔熱板、機層罩、減速板等受力不大的結構件。60年代，鈦合金在飛機結構上的應用，進一步擴大到襟冀滑軋、承力隔框、中冀盒形梁、起落架梁等主要受力結構件中。到70年代，鈦合金在飛機結構上的應用，又從戰(zhàn)斗機擴大到軍用型轟炸機和運輸機，而且在民用飛機上也開始大量采用鈦合金結構。進入80年代后，民用飛機用鈦逐步增加,并已超過軍用飛機用鈦。對于高速戰(zhàn)斗機。由于高速和高機動性，要求

2、飛機結構盡可能輕，同時還要有耐高溫的能力，實踐證明，鈦合金是最適宜的材料。從美國各時期主力戰(zhàn)機所使用的材料重量比例可以看出，軍用機上復合材料和鈦合金的比例正在不斷加大，兩鋁合金的比率呈下降趨勢鈦合金和復合材料的應用水平已是衡量飛機先進性的重要標志之一。美國王牌戰(zhàn)機F一22所使用的鈦合金的重量比例達到了41。鈦合金作為飛機機體材料使用的優(yōu)勢主要有以下幾點：1)輕量化，2)節(jié)約空間，3)耐熱性，4)耐蝕性，5)能與碳纖維強化復合材料(CFRP材料)互相相容。鈦合金的類型鈦是同素異構體，熔點為1720。C，在低于882。C時呈密排六方晶格結構，稱為a鈦；在882以上星體心立方晶格結構，稱為鈦。利用鈦

3、的上述兩種結構的不同特點，添加Al、sn、zr、V、Mo、Mn、Fc、Cr、Cu、Si等合金元素可得到不同類型的鈦合金，其分類如下：(1)a鈦合金退火組織以a鈦為基體的單相同溶體合金稱為a鈦合金。主要合金元素a穩(wěn)定元素A1、中性元素Sn和zr，可固溶強化。不論是在一般溫度下還是在較高的實際應用溫度下均是a相，組織穩(wěn)定，耐磨性高于純鈦，抗氧化能力強。在500。C600。C的溫度下，仍保持其強度和抗蠕變性能，但不能進行熱處理強化，室溫強度不高。(2) 鈦合金13相固溶體組成的單相合金。合金的主要特點是加入大量穩(wěn)定元素(>17)，如Mo、cr、V等。未經熱處理即有較高強度，淬火、時效后合金得到

4、進一步強化，室溫強度可達13721666MPa；但熱穩(wěn)定性較差，不宜在高溫下使用。(3)+鈦合金它是由a和兩相組成，相為主，相少于30。該合金具有良好的綜合性能，組織穩(wěn)定性好，有良好的韌性、塑性和高溫變形能力，能較好的進行熱壓力加工，能進行淬火、時效使合金強化。熱處理后的強度約比退火狀態(tài)提高50100,高溫強度高，可在400"C500"C的溫度下長期工作，其熱穩(wěn)定性次于a鈦合金。(4)近鈦合金所謂近鈦合金是在(+)鈦合金中含有少于2的穩(wěn)定元素，使其退火組織為a相和少量的相，這類合金具有最好的耐熱性。除按退火組織劃分外，鈦合金按性能特點可分為高塑性低強度、中強度、高強度和耐熱

5、鈦合金；按生產方式的不同可分為變形鈦合金、鑄造鈦合金和粉末冶金鈦合金。目前各國常用的鈦合金為變形鈦合金。鈦合金的性能(1)強度及熱強度高鈦合金的密度小，一般在459cm 3左右，僅為鋼的60，而強度高，熱穩(wěn)定性好，高溫強度好。在300500溫度下，鈦合金的強度約比鋁合金高10倍。 (2)低溫性能好鈦合金在低溫和超低溫下，仍能保持其力學性能。如在-100和196時TA4的b分別為893MPa和1207MPa。因此，鈦合金也是一種重要的低溫結構材料。(3)抗蝕性好鈦合金在潮濕的大氣和海水介質中工作，其抗蝕性遠優(yōu)于不銹鋼；對點蝕、酸蝕的抵抗能力特別強；對堿、氯化物、硝酸、硫酸等有優(yōu)良的抗腐蝕能力,但

6、鈦對具有還原性氧及鉻鹽介質的抗蝕性差。(4)化學活性大鈦的化學活性大，與大氣中的O、N、H、C02、CO、水蒸氣、氨氣等產生強烈的化學反應。含碳量大于O2時，會在鈦合金中形成硬質TiC；溫度較高時，與N作用也會形成TiN硬質表層；在600'0以上時，鈦吸收氧形成硬度很高的硬化層；氨含量上升，也會形成脆化層。(5)導熱系數小鈦的導熱系數=1524W(m·K)，約為鎳的14，鐵的15，鋁的114，而各種鈦合金的導熱系數比鈦的導熱系數約下降50。(6)彈性模量小鈦合金的彈性模量約為鋼的12，故其剛性差、易變形，不宜制作細長桿和薄壁件，切削時加工表面的回彈量很大，約為不銹鋼的23倍，

7、造成刀具后刀面的劇烈摩擦、粘附、粘著磨損。鈦合金切削加工技術的發(fā)展概況鈦合金在航空以及其他領域中的用量不斷加大，越來越多的鈦合金零件需要進行切削加工，然而鈦合金又是典型的難加工材料，所以國內外很多學者對鈦合金的切削問題進行了大量的試驗研究。其研究內容及成果包括如下幾方面；鈦合金切削加工的特點(1)切削溫度高由于鈦合金的導熱系數很小(只相當于45號鋼的1517)，切屑與前刀面的接觸長度極短，切削時產生的熱不易傳出，集中在切削區(qū)和切削刃附近的較小范圍內，切削溫度很高。在相同的切削條件下，切削溫度可比切削45號鋼時高出一倍以上。(2)單位面積上的切削力大切削鈦合金時的切削力與切削鋼時的切削力基本相當

8、，因此在切削過程中消耗的能量相同或者略低于鋼。但是在切削鈦合金時，主切削刃附近的應力非常高。這可能是由于在切削鈦合金時前刀面上的刀屑接觸區(qū)域通常很小(大約是在相同條件下切削鋼的113)，還有一部分原因是由于鈦合金在高溫條件下具有很強的抵抗變形的能力，這種能力只有在超過800時才下降。(3)振動振動是加工鈦合金時需要克服的一個問題，尤其是在精加工的時候，鈦合金很低的彈性模量是切削過程中引起振動的首要原因。當受到切削力時，鈦合金的變形量是碳鋼的兩倍，后刀面很大的回彈量造成了振動和很高的切削溫度。切削鈦合金時很高的動態(tài)切削力是造成振動的部分原因。其數值可以達到靜態(tài)力的30以上，這是由于鈦舍金切屑形成

9、過程中的絕熱或塑性剪切過程造成的。(4)化學活性高鈦合金毛坯經過沖壓、鍛造、熱軋等方法加工后，形成硬而脆的不均勻外皮，極易造成崩刃現象；由于鈦的化學活性大，在高的切削溫度下，容易吸收空氣中的氧和氮形成硬而脆的外皮；由于鈦合金對刀具材料的化學親和性強，在切削溫度高和單位面積上切削力大的條件下，刀具很容易產生粘著磨損。國外鈦合金切削技術的發(fā)展概況制約鈦合金切削效率提高的主要因素是目前沒有合適的刀具材料可以以較高的速度切削鈦合金。各種材料制成的刀具幾乎都被用來做過鈦合金切削的刀具壽命試驗，各種刀具的磨損機理國外的學者也做了很多研究。試驗表明PCD刀具雖然可以以200mrain的切削速度切削鈦合金，但

10、是由于價格的限制其應用仍不夠廣泛?？梢孕D的刀具和ledge刀具等一些新型的刀具已經被研制出來，雖然可以極大的提高切削效率，但由于受到很多條件的限制未見其大量應用的報導。優(yōu)化工藝參數可以使鈦合金的切削效率得到一定的提高，但其提高的幅度并不會很大。高壓切削液、低溫切削以及熱管換熱等冷卻潤滑方式也已經或正在被研究，但大量應用的報導仍不多見。目前實際切削加工大量應用的刀具仍然是YG(K)類硬質合金刀具，但也有報道稱利用物理氣相沉積(PVD)技術，采用精細TiN涂層的刀具高速立銑鈦合金時，刀具性能遠遠好于普通硬質合金立銑刀。國內鈦合金切削技術的發(fā)展現狀隨著我國航空工業(yè)的不斷發(fā)展，鈦合金的用量在不斷增長

11、，但是其較低的切削加工效率仍然是困擾航空制造業(yè)的一個難題。目前我國航空制造企業(yè)切削鈦合金主要存在的問題是所選用的刀具質量差，切削效率低下。筆者曾經去某航空制造企業(yè)做過調研，那里采用高速鋼刀具銑削TAl5鈦合金，切削速度僅為每分鐘十幾米。某航空部門研究所采用硬質合金刀具銑削鈦合金，其精加工的切削速度僅為每分鐘二十幾米，低于文獻上所推薦的40mrain左右的切削速度。采用低質量的刀具以較低的切削速度切削鈦合金雖然可以降低刀具成本，然而卻沒有考慮到用來加工鈦合金的機床一般都是進口高檔加工中心，其單位時間折舊費普遍很高這一問題。在鈦合金的切削加工技術方面，國內的學者張春江早在80年代就做了比較系統(tǒng)的研究，出版了鈦合金切削加工技術一書。南京航空航天大學所做的關于鈦合金切削的研究比較多：其碩士學位論文高強度鈦合金的高