關鍵詞: 鈦合金特性加工性能
鈦合金以其比強度高、機械性能及抗蝕性良好而成為飛機及發動機理想的制造材料,但由于其切削加工性差,長期以來在很大程度上制約了它的應用。隨著加工工藝技術的發展,近年來,鈦合金已廣泛應用于飛機發動機的壓氣機段、發動機罩、排氣裝置等零件的制造以及飛機的大梁隔框等結構框架件的制造。以下主要論述鈦合金的特性及其加工性能。
一、鈦及鈦合金的特性
鈦及鈦合金具有許多優良特性,主要體現在以下幾個方面:
1、強度高。鈦合金具有很高的強度,其抗拉強度為686―1176MPa,而密度僅為鋼的60%左右,所以比強度很高。
2、硬度較高。鈦合金(退火態)的硬度HRC為32―38。
3、彈性模量低。鈦合金(退火態)的彈性模量為1.078×10-1.176×10MPa,約為鋼和不銹鋼的一半。
4、高溫和低溫性能優良。在高溫下,鈦合金仍能保持良好的機械性能,其耐熱性遠高于鋁合金,且工作溫度范圍較寬,目前新型耐熱鈦合金的工作溫度可達550―600℃;在低溫下,鈦合金的強度反而比在常溫時增加,且具有良好的韌性,低溫鈦合金在-253℃時還能保持良好的韌性。
5、鈦的抗腐蝕性強。鈦在550℃以下的空氣中,表面會迅速形成薄而致密的氧化鈦膜,故在大氣、海水、硝酸和硫酸等氧化性介質及強堿中,其耐蝕性優于大多數不銹鋼。
二、鈦及鈦合金的加工性能
1、切削加工性能
根據鈦合金的性質和切削過程中的特點,加工時應考慮以下幾個方面:
盡可能使用硬質合金刀具,如鎢鈷類硬質合金與鈦合金化學親和力小、導熱性好、強度也較高。低速下斷續切削時可選用耐沖擊的超細晶粒硬質合金,成形和復雜刀具可用高溫性能好的高速鋼。
采用較小的前角和較大的后角以增大切屑與前刀面的接觸長度,減小工件與后刀面的摩擦,刀尖采用圓弧過渡刃以提高強度,避免尖角燒損和崩刃。 要保持刀刃鋒利,以保證排屑流暢,避免粘屑崩刃。切削速度宜低,以免切削溫度過高;進給量適中,過大易燒刀,過小則因刀刃在加工硬化層中工作而磨損過快;切削深度可較大,使刀尖在硬化層以下工作,有利于提高刀具耐用度。加工時須加冷卻液充分冷卻。切削鈦合金時吃刀抗力較大,故工藝系統需保證有足夠的剛度。由于鈦合金易變形,所以切削夾緊力不能大,特別是在某些精加工工序時,必要時可使用一定的輔助支承。
2、磨削加工性能
鈦合金化學性質活潑、在高溫下易與磨料親和并粘附,堵塞砂輪,導致砂輪磨損加劇,磨削性能降低,磨削精度不易保證。砂輪磨損同時也增大了砂輪與工件之間的接觸面積,致使散熱條件惡化,磨削區溫度急劇升高,在磨削表面層形成較大的熱應力,造成工件的局部燒傷,產生磨削裂紋。鈦合金強度高、韌性大,使磨削時磨屑不易分離、磨削力增大、磨削功耗相應增加。鈦合金熱導率低、比熱小、磨削時熱傳導慢,致使熱量積聚在磨削弧區,造成磨削區溫度急劇升高。
3、擠壓加工性能
對鈦及鈦合金進行擠壓加工時,要求擠壓溫度高,擠壓速度快,以防溫降過快,同時應盡量縮短高\溫坯錠與模具的接觸時間。因此擠壓模具應選用新型耐熱模具材料,坯錠由加熱爐到擠壓筒的輸送速度也要快。鑒于在加熱和擠壓過程中金屬易被氣體污染,故還應采用適當的保護措施。擠壓時應選擇合適的潤滑劑,以防粘結模具,如采用包套擠壓和玻璃潤滑擠壓。因鈦及鈦合金的變形熱效應較大,導熱性較差,故在擠壓變形時還要特別注意防止過熱現象。鈦合金的擠壓過程比鋁合金、銅合金、甚至鋼的擠壓過程更為復雜,這是由鈦合金特殊物理化學性能所決定的。鈦合金在常規熱反擠成形時,模具溫度低,與模具接觸的坯料表面溫度迅速下降,而坯料內部因變形熱而溫度升高。由于鈦合金熱導率低,表層溫度下降后,內層坯料熱量不能及時傳輸到表層補充,會出現表面硬化層,而使得變形難以繼續進行。同時,表層與內層會產生很大的溫度梯度,即使能成形,也容易造成變形和組織不均勻。
4、鍛壓加工性能
鈦合金對鍛造工藝參數非常敏感,鍛造溫度、變形量、變形及冷卻速度的改變都會引起鈦合金組織性能的變化。為更好地控制鍛件的組織性能,近幾年,熱模鍛造、等溫鍛造等先進的鍛造技術在鈦合金的鍛造生產中得到了廣泛應用。
鈦合金的塑性隨溫度升高而增大,在1000―1200℃溫度范圍內,塑性達到最大值,允許變形程度達70%―80%。鈦合金鍛造溫度范圍較窄,應嚴格按(α+β)/β轉變溫度進行掌握(鑄錠開坯除外),否則β晶粒會劇烈長大,降低室溫塑性;α鈦合金通常在(α+β)兩相區鍛造,因(α+β)/β相變線以上鍛造溫度過高,將導致β脆相,β鈦合金其始鍛和終鍛都必須高于(α+β)/β轉變溫度。鈦合金的變形抗力隨變形速度的增加提高較快,鍛造溫度對鈦合金變形抗力影響更大,因此常規鍛造必須在鍛模內冷卻最少的情況下完成。間隙元素(如O、N、C)的含量對鈦合金的鍛造性也有顯著影響。
5、鑄造工藝性能
由于鈦和鈦合金的化學活性高,易與空氣中的N、O、N發生劇烈化學反應,且易與鑄造中常用的耐火材料發生化學反應。鈦和鈦合金的鑄造,特別是熔模精鑄要比鋁和鋼的熔模精鑄難度大得多,需借助特殊手段才能實現。鑄鈦發展初期,由于鑄造工藝的發展落后于壓力加工工藝,因此,先選用已有一定變形的中強鈦合金,如TiΟ6AlΟ4V,TiΟ5AlΟ2.5Sn等作為鑄造合金材料。這些合金至今還在廣泛應用。但隨著鑄鈦工藝的發展和應用領域對鑄造鈦合金各方面性能要求的提高,以及鑄件結構復雜程度的加大,過去那種認為“所有的變形鈦合金都適合用作鑄造合金”的論點應加以修正。隨著合金使用溫度和工作強度的提高,合金中所添加元素的數量和加入量也相應增加,但同時必須考慮到合金的鑄造性能、流動性凝固區間結晶組織、力學性能等等,即合金的化學成分必須根據鑄造工藝的要求進行調整。
綜上所述,鈦合金由于具有優良的性能在航空航天和其他領域有著非常廣泛的應用,但也受其加工效率和生產成本的制約。鈦的冶煉技術一旦有所突破,其價格也將明顯降低。隨著鈦合金的開發研制、鈦材品種的增多及價格的降低,鈦在民用工業中的應用將成倍增加,特別是在造船、汽車制造、化工、電子、海洋開發、海水淡化、地熱發電、排污防腐等民用領域將獲得廣泛的應用。與此同時,市場的需求也將加速鈦工業與鈦材加工技術的發展。
參考文獻:
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