钛合金与加工

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1、钛合金钛合金按组织可分三类.（1钛中加入铝和锡元素.2钛中加入铝铬钼钒等合金元素.3钛中加入铝和钒等元素.） 钛合金具有强度高而密度又小,机械性能好,韧性和抗蚀性能很好.另外:钛合金的工艺性能差,切削加工困难. 在热加工中,非常容易吸收氢氧氮碳等杂质.还有抗磨性差,生产工艺复杂.titanium alloys以钛为基加入其他元素组成的合金。钛的工业化生产是1948 年开始的。航空工业发展的需要，使钛 工业以平均每年约 8的增长速度发展。目前世界钛合金加工材年产量已达4 万余吨,钛合金牌号近30种。 使用最广泛的钛合金是Ti-6AI-4V（TC4）,Ti-5AI-2.5Sn（TA7）和工业纯钛（

2、TA1、TA2和TA3）。钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。60 年代中期， 钛及其合金已在一般工业中应用，用于制作电解工业的电极，发电站的冷凝器，石油精炼和海水淡化的加 热器以及环境污染控制装置等。钛及其合金已成为一种耐蚀结构材料。此外还用于生产贮氢材料和形状记 忆合金等。中国于1956年开始钛和钛合金研究；60年代中期开始钛材的工业化生产并研制成TB2合金。特点钛合金与其他金属材料相比，有下列优点:比强度（抗拉强度/密度）高（见图）,抗拉强度可达 100140kgf/mm2，而密度仅为钢的60%。中温强度好，使用温度比铝合金高几百度，在中等温度下仍

3、 能保持所要求的强度，可在450500C的温度下长期工作。耐蚀性好，在大气中钛表面立即形成一层均匀 致密的氧化膜，有抵抗多种介质侵蚀的能力。通常钛在氧化性和中性介质中具有良好的耐蚀性，在海水、 湿氯气和氯化物溶液中的耐蚀性能更为优异。但在还原性介质，如盐酸等溶液中，钛的耐蚀性能较差。 低温性能好，间隙元素极低的钛合金，如TA7,在-253C下还能保持一定的塑性。弹性模量低，热导率小，无 铁磁性。合金元素 钛有两种同质异晶体:882C以下为密排六方结构a钛，882C以上为体心立方的p钛。合金元素 根据它们对相变温度的影响可分为三类:稳定a相、提高相转变温度的元素为a稳定元素，有铝、碳、氧 和氮等

4、。其中铝是钛合金主要合金元素，它对提高合金的常温和高温强度、降低比重、增加弹性模量有明 显效果。稳定p相、降低相变温度的元素为p稳定元素，又可分同晶型和共析型二种。前者有钼、铌、 钒等；后者有铬、锰、铜、铁、硅等。对相变温度影响不大的元素为中性元素，有锆、锡等。氧、氮、碳和氢是钛合金的主要杂质。氧和氮在a相中有较大的溶解度，对钛合金有显著强化效果，但 却使塑性下降。通常规定钛中氧和氮的含量分别在0.150.2%和0.040.05%以下。氢在a相中溶解度 很小，钛合金中溶解过多的氢会产生氢化物，使合金变脆。通常钛合金中氢含量控制在 0.015%以下。氢在 钛中的溶解是可逆的，可以用真空退火除去。

5、类别 钛合金根据相的组成可分为三类:a合金,（a+p）合金和p合金，中国分别以TA、TC、TB表示。a合金含一定量的稳定a相的元素，平衡状态下主要由a相组成。a合金比重小，热强性好、具有 良好的焊接性和优异的耐蚀性，缺点是室温强度低，通常用作耐热材料和耐蚀材料。a合金通常又可分为全a 合金（TA7）、近a合金（Ti-8AI-1Mo-1V）和有少量化合物的a合金（Ti-2.5Cu）。（a+p）合金含一定量的稳定a相和p相的元素，平衡状态下合金的组织为a相和p相。（a+p）合金有中等强度、并可热处 理强化，但焊接性能较差。（a+p）合金应用广泛，其中Ti-6Al-4V合金的产量在全部钛材中占一半以

6、上。p合金含大量稳定p相的元素，可将高温p相全部保留到室温。p合金通常又可分为可热处理p 合金（亚稳定p合金和近亚稳定p合金）和热稳定p合金。可热处理p合金在淬火状态下有优异的塑性， 并能通过时效处理使抗拉强度达到130140kgf/mm2。p合金通常作高强度高韧性材料使用。缺点是比重 大，成本高，焊接性能差，切削加工困难。钛合金按用途可分为耐热合金、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。典型合金的成分和性能见表。热处理 钛合金通过调整热处理工艺可以获得不同的相组成和组织。一般认为细小等轴组织具有较好的塑 性、热稳定性和疲劳

7、强度；针状组织具有较高的持久强度、蠕变强度和断裂韧性；等轴和针状混合组织具 有较好的综合性能。常用的热处理方法有退火、固溶和时效处理。退火是为了消除内应力、提高塑性和组织稳定性，以获得较好的综合性能。通常a合金和(a+B)合金退火温度选在(a+B)一相转变点以下120200C； 固溶和时效处理是从高温区快冷,以得到马氏体a相和亚稳定的B相，然后在中温区保温使这些亚稳定相分 解，得到a相或化合物等细小弥散的第二相质点，达到使合金强化的目的。通常(a+B)合金的淬火在(a+ B)一 B相转变点以下40100C进行，亚稳定B合金淬火在(a+B)一 B相转变点以上4080C进行。时 效处理温度一般为4

8、50550C。此外，为了满足工件的特殊要求，工业上还采用双重退火、等温退火、B 热处理、形变热处理等金属热处理工艺。TA15、TB6钛合金切削加工用量和刀具的选择TA15、 TB6 两种钛合金材料具有重量轻、强度高、耐热、耐腐蚀、疲劳性能好等一系列优良的力学、 物理性能，成为航空航天、核能、船舶等领域理想的结构材料之一。但由于该材料价格昂贵，难加工，尤 其是铣削加工制造周期长、成本高，制约了它的应用。而新一代航空产品需要具备更优异的性能新材料、 新结构、新工艺被广泛应用。同时，为了竞争的需要，研制周期短和制造成本低是取胜的关键，因此，开 展对 TA15、 TB6 两种钛合金材料切削加工的研究是

9、必要的，特别是铣削高效加工的探索尤其显得紧迫和 重要。TA15、TB6 钛合金材料主要特征TA15 a钛合金是a相固熔体组成的单相合金。该合金室温强度在930MPa以上，耐热性高于纯钛，组 织稳定，抗氧化能力强，500600 C下仍保持其强度，抗蠕变能力强，但不能进行热处理强化。TB6卩钛合金是卩相固熔体组成的单相合金。该合金室温强度在1105MPa以上，但热稳定性较差，不 宜在高温下使用。TA15、TB6钛合金的切削加工工艺特性1. 摩擦系数大，导热系数低，刀尖切削温度高。钛合金热导率仅为钢的1/4 、铝的1/14 、铜的1/25 , 因 而散热慢，不利于热平衡。切削时产生的切削热都集中在刀

10、尖上，使刀尖温度很高，易使刀尖很快熔化或 粘结磨损而变钝。2. 弹性模量小。钛合金的弹性模量只有30CrMnSi的56%，这说明零件的刚性差，切削时易产生弹性变 形和振动，不仅影响零件的尺寸精度和表面质量，而且还影响刀具的使用寿命；同时造成已加工面的弹性 恢复较大，刀具后面摩擦增加导致刀具过快磨损。3. 化学活性大。在300C以上时有强烈的吸氢、氧、氮的特性，造成加工表面易产生脆硬的化合物，切 屑形成短碎片状，使刀具极易磨损。4. 钛合金化学亲和力较强，极易与其他金属亲和结合。在加工中切屑与刀具的粘结现象严重，使刀具的 粘结和扩散磨损加大。TA15、TB6钛合金零件切削用量和刀具参数的选择1.

11、 主要加工方法钛合金零件的加工余量比较大，有的部位很薄(23mm)，主要配合表面的尺寸精度、形位公差又较 严，因此每项结构件都必须按粗加工f半精加工f精加工的顺序分阶段安排工序。主要表面分阶段反复加 工，减少表面残余应力，防止变形，最后达到设计图的要求。其主要的加工方法有铣削、车削、磨削、钻 削、铰削、攻丝等。2. 铣削用量及刀具的选择钛合金结构件中大量应用铣削加工，如零件内外型面。 刀具应选择具有高硬度、高抗弯强度和韧性、耐磨性好、热硬性好、工艺性好、散热性好的材料，主 要为高速钢 W6Mo5Cr4V2Al、W2Mo9Cr4VCo5(M42)和硬质合金 YG8、K30、Y330。刀具几何参数

12、应以保证刀具强度高、刚性好、锋利为原则，细长比不能过大，并分粗、精加工两种， 加工时最好采用顺铣。铣削刀具参数见表1，常规加工铣削用量见表2。铳削时必须注入充足的水溶性油质切削液来降低刀具和工件的温度，切削液流量应不小于5L/min， 以延长刀具的使用寿命。在上述常规加工的基础上，为进一步提高铣削加工效率，我们在强力铣加工中心机床上进行了高效铣 削试验，获得了较理想的切削用量、刀具和切削液，铣削用量数据见表3。通过高效铣削与常规对比可以看出，高效铣削加工比常规加工效率提高了24倍，零件表面质量也 得到较大的提高，加工周期大大缩短，制造成本相应降低。3. 车削用量及刀具的选择在刀具、切削用量、切

13、削液选择合理的情况下，钛合金车削并不困难，与加工合金钢接近。但车削钛 合金表面氧化皮较为困难，一般在加工前用酸洗方法去掉表面薄层氧化皮，然后车削剩余的氧化皮，车削 时切削深度应超过氧化皮深度15倍，走刀量可加大，但切削速度应降低。刀具材料应选择 YG 类硬质合金材料。刀具几何参数选择：前角丫0=4。8，后角=12。18,主偏角045。75。，刃倾角九=0。，刀尖圆弧半径 r=0.51.5mm。切削用量的选择：主轴转速n23Or/min,进给量f 30.100.15mm/r，切削深度a =1.52.0mm。 p车削时必须注入充足的水溶性油质切削液来降低刀具和工件的温度，提高刀具的耐用度。表1铳削

14、刀具参数刀具前角丫0()后角()螺旋角卩()刀尖齿背备注立铳刀粗0412 1530 45按需R形卩大：切削平稳精4815 2030 45按需R形%大：切削力小，机床震动小三面刃铳刀31012 15按需端铳刀0512 15主偏角04575。表2常规加工铣削用量刀具材料立铣刀直径d(mm)切削速度V(m/min)进给量f(mm/min切削深度a)P(mm)切削宽度a c(mm)切削刃总长1(mm)使用机床K302525 351001500.3 0.52.550 150数控加工中心表3咼效加工铣削用量刀具材料立铣刀直径d(mm)切削速度V(m/min)进给量f(mm/min)切削深度a p(mm)切

15、削宽度切削刃总a长1C(mm)(mm)使用机床K302540 1203004000.3 0.82.5 83060强力铳加工中心4. 磨削用量及刀具的选择磨削加工可获得较高精度，但由于钛合金的特有性质决定了钛合金磨削非常困难。磨削时砂轮磨损严 重，容易变钝，磨削比也较低；同时易在表面产生有害的拉应力及严重的表面烧伤现象，因此应尽量避免 磨削加工，以精铣代替。磨削材料选择：磨削钛合金选用绿碳化硅(TL)、黑碳化硅(TH)两种磨料。如出现磨削烧伤趋势，应使 用人造金刚石或立方氮化硼砂轮，其效果好，但价格昂贵。砂轮硬度选择较软砂轮R3、ZR1、ZR2,粒度 选择 46、 60 为佳，选 A 类结合剂。磨削用量选择见表 4。钛