為什么我們認(rèn)為鈦合金是一種難加工材料？由于對(duì)其加工機(jī)理和現(xiàn)象缺少深入的認(rèn)識(shí)。
| 1.鈦加工的物理現(xiàn)象 |
鈦合金加工時(shí)的切削力只是略高于同等硬度的鋼，但是加工鈦合金的物理現(xiàn)象比加工鋼要復(fù)雜得多，從而使鈦合金加工面臨巨大的困難。
大多數(shù)的鈦合金的熱導(dǎo)率很低，只有鋼的1/7，鋁的1/16。因此，在切削鈦合金進(jìn)程中產(chǎn)生的熱量不會(huì)迅速傳遞給工件或被切屑帶走，而集聚在切削區(qū)域，所產(chǎn)生的溫度可高達(dá)1000℃以上，使刀具的刃口迅速磨損、崩裂和生成積屑瘤，快速出現(xiàn)磨損的刀刃，又使切削區(qū)域產(chǎn)生更多的熱量，進(jìn)一步縮短刀具的壽命。
切削進(jìn)程中產(chǎn)生的高溫同時(shí)破壞了鈦合金零件的表面完整性，導(dǎo)致零件幾何精度下降和出現(xiàn)嚴(yán)峻減少其疲勞強(qiáng)度的加工硬化現(xiàn)象。
鈦合金的彈性對(duì)零件性能來(lái)說(shuō)可能是有益的，但是在切削進(jìn)程中，工件的彈性變形是產(chǎn)生振動(dòng)的重要原因。切削壓力使“彈性”的工件離開(kāi)刀具和反彈，從而使刀具與工件之間摩擦現(xiàn)象大于切削作用。摩擦進(jìn)程也會(huì)產(chǎn)生熱，加重了鈦合金導(dǎo)熱性不良問(wèn)題。
加工薄壁或環(huán)形等易變形零件時(shí)，這個(gè)問(wèn)題就更加嚴(yán)峻，將鈦合金薄壁零件加工到預(yù)期的尺寸精度不是一件容易的事。由于隨著工件材料被刀具推開(kāi)時(shí)，薄壁的局部變形已經(jīng)超出彈性范圍而產(chǎn)生塑性變形，切削點(diǎn)的材料強(qiáng)度和硬度明顯添加。此刻，按照原先確定的切削速度加工就變得過(guò)高，進(jìn)一步導(dǎo)致刀具急劇磨損。
“熱”是鈦合金難加工的“罪魁禍?zhǔn)住保?/span>
| 2.加工鈦合金的工藝訣竅 |
在理解鈦合金加工機(jī)理的基礎(chǔ)上，加上以往的經(jīng)驗(yàn)，加工鈦合金的主要工藝訣竅如下：
⑴ 采用正角型幾何形狀的刀片，以減少切削力、切削熱和工件的變形。
⑵ 堅(jiān)持恒定的進(jìn)給以避免工件的硬化，在切削進(jìn)程中刀具要始終處于進(jìn)給狀態(tài)，銑削時(shí)徑向吃刀量ae應(yīng)為半徑的30%。
⑶ 采用高壓大流量切削液，以保證加工進(jìn)程的熱穩(wěn)定性，防止因溫度過(guò)高導(dǎo)致工件表面變性和刀具損壞。
⑷ 堅(jiān)持刀片刃口鋒利，鈍的刀具是熱集結(jié)和磨損的原因，容易導(dǎo)致刀具失效。
⑸ 盡可能在鈦合金最軟的狀態(tài)加工，由于淬硬后材料變得更難加工，熱處理提高了材料的強(qiáng)度并添加刀片的磨損。
⑹ 使用大的刀尖圓弧半徑或倒角切入，盡可能把更多的刀刃進(jìn)入切削。這可以減少每一點(diǎn)的切削力和熱量，防止局部破損。在銑削鈦合金時(shí)，各切削參數(shù)中切削速度對(duì)刀具壽命vc的影響最大，徑向吃刀量（銑削深度）ae次之。
| 3.從刀片入手處理鈦加工難題 |
鈦合金加工時(shí)出現(xiàn)的刀片溝槽磨損是后面和前面在沿切削深度方向上的局部磨損，它往往是由于前期加工留下的硬化層所形成的。刀具與工件材料在加工溫度超過(guò)800℃的化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散，也是形成溝槽磨損的原因之一。由于在加工進(jìn)程中，工件的鈦分子在刀片的前面積聚，在高壓高溫下“焊接”到刀刃上，形成積屑瘤。當(dāng)積屑瘤從刀刃上剝離時(shí)，將刀片的硬質(zhì)合金涂層帶走，因此，鈦合金加工需要特殊的刀片材料和幾何形狀。
| 4.適合鈦加工的刀具結(jié)構(gòu) |
鈦合金加工的焦點(diǎn)是熱，很多高壓切削液要及時(shí)準(zhǔn)確地噴射到切削刃上，才能夠快速地將熱量移除。市場(chǎng)上有專門用于鈦合金加工的銑刀獨(dú)特結(jié)構(gòu)。
鈦與鈦合金的基本概念
鈦是一種金屬元素，化學(xué)符號(hào)Ti，原子序數(shù)22，外觀呈現(xiàn)銀白色金屬光澤。鈦的密度為4.51g/cm3，熔點(diǎn)為1668℃。
鈦有兩種同素異構(gòu)體，α-Ti在882℃以下穩(wěn)定，為密排六方晶格(hcp)結(jié)構(gòu)；β-Ti在882℃與熔點(diǎn)之間穩(wěn)定存在，具有體心立方晶格(bbc)結(jié)構(gòu)。
鈦在自然界中分布很廣，約占地殼質(zhì)量的6‰，是含量第十高的元素，在金屬世界里排行第七。鈦的礦物多達(dá)70多種，比較常見(jiàn)是鈦鐵礦Fe-TiO3、金紅石TiO2及釩鈦磁鐵礦等。鈦在海水中含量是1μg/L，在海底結(jié)核中也含有大量的鈦。除此之外，鈦還可以在隕石、煤灰、植物，甚至人體中找到。
鈦的產(chǎn)品主要是兩類：第一類是海綿鈦，它可以進(jìn)一步加工制備各類鈦材；第二類是鈦白粉，是一種白色顏料，廣泛應(yīng)用在涂料、油漆等化工行業(yè)中。
鈦精礦經(jīng)冶煉成海綿鈦后，經(jīng)過(guò)鑄錠可制成工業(yè)純鈦和鈦合金。
工業(yè)純鈦和鈦合金都有耐腐蝕、耐高溫和高比強(qiáng)度的特點(diǎn)。鈦合金因?yàn)樘砑恿似渌辖鹪兀裙I(yè)純鈦具有更多樣的性質(zhì)和更廣泛的用途。
鈦與鈦合金在不同介質(zhì)和不同溫度條件下都有良好的耐腐蝕性能。尤其是在海水中的抗蝕性比鋁合金、不銹鋼和鎳基合金都好。
鈦的耐蝕性能來(lái)自于鈍化。在大氣或水溶液中，鈦表面會(huì)立即形成一層保護(hù)很好的氧化膜（鈍化膜）。這層氧化膜有非常好的愈合性，被機(jī)械破損后能很快地（<0.1s）彌合修復(fù)形成新膜。溫度在315℃以下，鈦的氧化膜始終保持這一特性。
工業(yè)純鈦和鈦合金都能在高溫環(huán)境下保持良好的強(qiáng)度與性能。純鈦稍低，可在350℃以下穩(wěn)定服役；鈦合金的工作溫度可達(dá)500℃甚至更高。
工業(yè)純鈦和鈦合金的比強(qiáng)度都很高。比強(qiáng)度指的是材料的強(qiáng)度與密度的比值。比強(qiáng)度高代表材料強(qiáng)度大而重量輕。這樣的特性在航空航天領(lǐng)域很受歡迎。
飛機(jī)或航天器常用材料有不銹鋼、鎳基合金和鋁合金等。與不銹鋼和鎳基合金相比，鈦合金的密度差不多只有它們的一半，質(zhì)量更輕；與鋁合金只能在200℃以下工作相比，鈦合金更耐高溫。優(yōu)勢(shì)十分明顯。
工業(yè)純鈦（純度達(dá)99.5%）實(shí)質(zhì)上是一種低合金含量的鈦合金，含有氮、碳及鐵、硅等雜質(zhì)元素。其退火組織為α組織。由于含有較多的雜質(zhì)元素，其強(qiáng)度高于化學(xué)純鈦（純度高達(dá)99.9%，也叫高純鈦），接近高強(qiáng)鋁合金的水平，但和鈦合金比，強(qiáng)度仍然較低。
工業(yè)純鈦的力學(xué)性能和化學(xué)性能與不銹鋼較為相似。主要用作工作溫度350℃以下，受力不大但要求高塑性的沖壓件和耐蝕結(jié)構(gòu)零件。
我國(guó)工業(yè)純鈦按其雜質(zhì)含量的不同，分為TA0、TA1、TA2和TA3四個(gè)牌號(hào)。四種工業(yè)純鈦的間隙雜質(zhì)元素是逐漸增加的，故其機(jī)械強(qiáng)度和硬度也隨之逐級(jí)增加，但塑性、韌性相應(yīng)下降。工業(yè)上常用的工業(yè)純鈦是TA2，因其耐蝕性能和綜合力學(xué)性能適中。對(duì)耐磨和強(qiáng)度要求較高時(shí)可采用TA3。對(duì)要求較好的成型性能時(shí)可用TA1。
表 他國(guó)工業(yè)純鈦典型牌號(hào)
美國(guó)ASTM | Grade1(Gr1)、Grade2(Gr2)、 Grade3(Gr3)、Grade4(Gr4) |
日本JIS | Class1、Class2、Class3 |
英國(guó)IMI | 115、125、130、155、160 |
德國(guó)DIN | 3.7025、3.7035、3.7055、3.7065 |
鈦合金是以鈦元素為基礎(chǔ)加入其它元素的合金。加入的合金元素有Al、Mo、Cr、Sn、Mn、V等。
世界上已研制出的鈦合金有數(shù)百種，其中最著名是美國(guó)1954年研制成功的Ti-6Al-4V合金，由于它的耐熱性、強(qiáng)度、塑性、韌性、成形性、可焊性、耐蝕性和生物相容性均較好，而成為鈦合金工業(yè)中的王牌合金，該合金使用量已占全部鈦合金的75%～85%。其他許多鈦合金都可以看作是Ti-6Al-4V合金的改型。
鈦合金的比重、強(qiáng)度和使用溫度介于鋁和鋼之間，但比鋁、鋼強(qiáng)度高并具有優(yōu)異的抗海水腐蝕性能和超低溫性能。鈦合金最廣泛的應(yīng)用是作為航空航天工業(yè)中重要結(jié)構(gòu)材料。
鈦合金可按退火組織分為三類：α鈦合金、β鈦合金、α+β鈦合金（還包括含有少量β相的近α合金）。α鈦合金代號(hào)為TA，β鈦合金代號(hào)為TB，α+β鈦合金代號(hào)為TC。三種鈦合金中最常用的是α鈦合金和α+β鈦合金；α鈦合金的切削加工性最好，α+β鈦合金次之，β鈦合金最差。
鈦合金也可按用途分為耐熱合金、高強(qiáng)合金、耐蝕合金（鈦-鉬，鈦-鈀合金等）、低溫合金以及特殊功能合金（鈦-鐵貯氫材料和鈦-鎳記憶合金）等。
性能：
室溫強(qiáng)度低，高溫強(qiáng)度高；良好的抗氧化性、耐蝕性和焊接性；不能熱處理強(qiáng)化，退火態(tài)使用。
牌號(hào)：
TA4、TA5、TA6、TA7、TA8等。常用有TA5和TA7，以TA7為最常用。TA7還具有良好的低溫性能。
用途：
可在500℃以下使用，如火箭飛船的低溫高壓容器，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片和管道，導(dǎo)彈燃料缸等。TA5主要用于制造船艦零件。
性能：
可熱處理強(qiáng)化，有較高的強(qiáng)度，焊接性能和壓力加工性能良好；但性能不夠穩(wěn)定，熔煉工藝復(fù)雜，故應(yīng)用不如α型、α+β型鈦合金廣泛。
牌號(hào)：
有TB1、TB2和TB3，實(shí)際應(yīng)用的為TB2。TB2合金一般在固溶處理狀態(tài)下交貨，在固溶、時(shí)效后使用。
用途：
可在350℃以下工作，如壓氣機(jī)葉片、輪盤、軸類等重載荷旋轉(zhuǎn)件，以及飛機(jī)的構(gòu)件等。
性能：
具有α型和β型的優(yōu)點(diǎn)，大部分可熱處理強(qiáng)化，焊接性能不如α型。
牌號(hào)：
TC1~TC11，常用有TC3、TC4、TC6、TC9、TC10。TC4就是美國(guó)的Ti-6Al-4V，最為常用。TC10是在TC4基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)，有更高的強(qiáng)度和耐熱性。
用途：
400℃以下工作的航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外殼，導(dǎo)彈液氫燃料箱部件，船艦?zāi)蛪簹んw。
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