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钛合金加工技术进展研究

发布日期:2018-06-12  浏览次数:692
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  摘 要:由于钛合金的强度较高,无磁,中温性较好,具有良好的焊接性,耐腐蚀性等特点,当前已被广泛地应用在航空领域,武器装备,舰艇以及一些轻型的火炮等方面。我国近些年来合金技术的应用已经有了很大的进步,同时也存在一些问题需要进一步的研究,希望在未来的加工技术领域会有更大的突破。
  关键词:钛合金;加工技术;未来发展
  钛合金具有耐高温,良好的焊接性,比强度高,易加工成型等特点,目前已广泛地应用在航空和航天领域。另外,因其具有其他材料不可比拟的耐腐蚀性,在海洋以及工业大气当中也得到了广泛的应用。但是钛合金存在一定的缺点,如切削加工时其成型性较差,在一定程度上制约了它的应用。
  一、钛合金材料的特点
  钛合金不仅强度如钢,且重量较轻,抗腐蚀性好,有着良好的热稳定性,除了普遍应用于航天和航空领域外,在生物制药和石油化工行业也得到广泛应用。钛合金因合金成分及组织差异,表现出不同的特性,其用途也不相同。
  (一)钛合金特点
  在钛中加入一些合金元素,根据所形成的钛合金的特性,通常把钛合金分为以下几种:
  (1)α相钛合金。这种钛合金是一种密排六方晶格结构的合金,有很强的韧性和高强度,在高温下具有很强的抗氧化的能力。其缺点是成型性较差,只能在高温环境下应用。
  (2)β相钛合金。这种钛合金是体心立方结构的合金,具有较好的成型性,但会在受到污染的情况下容易损坏,所以应用的方面不多,需要达到一定的时效后才能提高它的强度。
  (3)α+β相合金。这种钛合金具有良好的室温强度,易成型,但其热强性不太理想。经热处理强化后,适用在具有较高强度要求的部件当中,不仅用量大,且用途也较为广泛。
  由于钛合金在高温与低温的环境下其性能都较好,所以适用的工作范围很广。具有较小的密度和高强度,所以它的比强度值较高。同时在海水,大气或者是酸、碱度的条件下具有良好的抗蚀性,使得钛合金在众多的金属材料成为被最优选的耐蚀材料。而它的热导率会较低,一般适用在各种的隔热构件当中。
  钛合金也存在一些缺点。即缺少良好的耐磨性,所以不能制作一些运动部件。弹性模量相对较低,与镁和铝相比较时会更低。其加工制造工艺更加复杂,生产成本也会较高。
  二、钛合金的切削加工
  由于钛合金含有多种合金元素,其中含有一些高激活能元素,其在合金内呈相对稳定的状态,所以钛合金在塑性变形方面具有很大能量,也具有一定的加工性。但是钛合金的导热性较差,在切削加工时,切削热量会聚集于刀具上,不像铝的切削加工,其切削热被切屑带走。因而使得钛合金材料热负荷较大,而损坏刀具。因此常见的通过提升单位时间范围内的切除量来提高生产效率的方法,并不适用于钛合金材料的加工。所以应该针对不同钛合金材料,应选择合适的加工方法。
  (一)钛合金具有很高的强度,韧性大,其硬度也大,所以在切削加工时硬化问题比较严重,需要配合退火处理。尤其当工件表面有划伤或存在切口时,由于它们对变形速度非常敏感,在切削加工过程中极易产生擦伤或裂纹,所以加工时必须控制加工速度,以低速进行。
  (二)一般情况下钛合金热稳定性较好,耐高温,与铝合金相比,钛合金的强度会高出很多。在切削加工时,钛合金的导热系数是非常低的,相当于铁和铝材料的一小部分,它的热量都集中在切削刀刃上。当温度超出一定的标准时,就会产生高化学活性,与空气中的氧和氢发生反应,从而降低了它的塑性,在与刀面和切屑相接触时就会加剧对刀具的磨损。
  (三)切削加工?r,由于钛合金与刀具之间存在一定的磨擦,随着摩擦速度的增大,温度就会越高,功率也就越大,刀具磨损加快,并且易黏结,从而大大缩短了刀具的使用寿命。所以切削加工刀具的合理选用也是很关键的,通常选用一些硬质合金材料如钴类硬质合金的刀具。这样可以有效预防加工过程中不良应力的产生,保证构件的加工精度。
  钛合金在切削加工过程中所表现出的这些特性使得其切削加工变得十分困难,导致生产效率降低,生产成本增大。因此,在钛合金切削加工工艺中,需要不断改进加工方案,调整合理的加工工艺参数,以提高钛合金加工质量。
  三、钛合金的焊接加工
  近些年来,除一些传统的钛合金加工技术以外,也不断出现了一些新的加工方法,如低温切削、激光,超声波以及电磁切削等。特别是随着焊接技术的发展,使得钛合金的加工应用范围更加广泛。而因钛合金物理化学特性,对其焊接时焊缝容易被氧化、氮化而发生污染现象,且接头脆化敏感,因此对它进行焊接加工具有很大的挑战性。
  (一)钨极氩弧焊
  钨极氩弧焊是钛合金焊接中最普遍的一种方法,在氩气的保护下,以钨极充当电极,焊缝金属得到良好的保护,但这种焊接方法,焊接生产效率低,焊后结构变形较大,焊接接头组织晶粒粗大,保护不良的情况下会严重影响到焊缝质量。仅适用于薄板焊接或打底焊。
  (二)激光焊接是一种高能密度的焊接方法,采用该方法对钛合金进行焊接,不仅可以减少传统加工工艺的缺陷,还可以有效地细化焊缝的组织晶粒,提高焊缝性能。然而,这种焊接方法的功率较小,被焊工件表面所吸收的激光束是非常低的,存在一些阈值的问题。仅适用于特殊材料或者对加工结构有特殊要求的场合,且限于微小型精密零件的加工,所以较传统加工工艺更加有难度。
  (三)搅拌摩擦焊,是众多的新型塑性连接工艺当中较好的一种工艺方法。采用搅拌摩擦焊时因焊接加热温度低,其焊缝区域的缺陷最少,并且接头组织性能良好,可以实现钛合金的有效焊接。然而,这种方法对搅拌头及其材质的要求高,且没有良好的适应性,工艺不成熟,所以只能应用在简单构件的焊接加工中。
  (四)电子束焊,焊接能量大,穿透性强,焊缝深宽比大,隔绝了大气的污染,焊接接头性能良好,可实现钛合金厚板的焊接。但是这种方法要求在真空的条件下进行,受到所加工的零件大小和形状的限制,不能批量化生产,而且对设备的要求也是很高的,生产成本高,从而也就限制了它的应用范围。
  (五)激光-电弧复合焊,对于钛合金来说是一种良好的焊接工艺,结合了激光焊和电弧焊的优点,能量密度集中,电弧稳定,焊缝性能良好。但是它的焊接工艺参数较多,不能有效地进行控制,操作过程也较为复杂,所以目前只是处于研究阶段。
  对于钛合金的焊接加工而言,无论是哪种新技术,新方法,在某种程度上都存在一定的优点和不足。随着钛合金材料的多领域的广泛应用,需要不断研究新的焊接工艺及方法,以提高焊缝质量和焊接生产效率,保证钛合金结构件的焊接质量和满足使用要求。
  结语
  在现如今,钛合金以其独特的优异性能得到广泛的应用,因此钛合金的加工技术也就成了研究的热点问题。在钛合金材料及其加工工艺方面我国同一些先进的国家相比仍存在一定的差距,随着现代化的技术的迅速发展,钛合金的应用领域也在逐年拓宽,这就需要我们必须要加强在加工技术方面的优化和创新,不断积累技术经验,提高产品质量,从而来满足各个领域的使用要求,这对于我国充分利用钛合金材料具有重要意义。
  参考文献
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  [2]刘瑛,张新明,李慧中,等. 2519铝合金的低温拉伸力学性能[J].中南大学学报(自然科学版),2006(37):312-133.
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