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试论钛合金的特性及其加工性能

发布日期:2018-09-05  浏览次数:115
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  摘要:本文论述了钛合金材料的应用及研究现状,着重介绍了及钛合金的主要特性,加工性能及其在航空航天、军事工业和汽车制造方面的应用,并在此基础上展望了钛合金的发展方向。
  关键词: 钛合金特性加工性能
  钛合金以其比强度高、机械性能及抗蚀性良好而成为飞机及发动机理想的制造材料,但由于其切削加工性差,长期以来在很大程度上制约了它的应用。随着加工工艺技术的发展,近年来,钛合金已广泛应用于飞机发动机的压气机段、发动机罩、排气装置等零件的制造以及飞机的大梁隔框等结构框架件的制造。以下主要论述钛合金的特性及其加工性能。
  一、钛及钛合金的特性
  钛及钛合金具有许多优良特性,主要体现在以下几个方面:
  1、强度高。钛合金具有很高的强度,其抗拉强度为686―1176MPa,而密度仅为钢的60%左右,所以比强度很高。
  2、硬度较高。钛合金(退火态)的硬度HRC为32―38。
  3、弹性模量低。钛合金(退火态)的弹性模量为1.078×10-1.176×10MPa,约为钢和不锈钢的一半。
  4、高温和低温性能优良。在高温下,钛合金仍能保持良好的机械性能,其耐热性远高于铝合金,且工作温度范围较宽,目前新型耐热钛合金的工作温度可达550―600℃;在低温下,钛合金的强度反而比在常温时增加,且具有良好的韧性,低温钛合金在-253℃时还能保持良好的韧性。
  5、钛的抗腐蚀性强。钛在550℃以下的空气中,表面会迅速形成薄而致密的氧化钛膜,故在大气、海水、硝酸和硫酸等氧化性介质及强碱中,其耐蚀性优于大多数不锈钢。
  二、钛及钛合金的加工性能
  1、切削加工性能
  根据钛合金的性质和切削过程中的特点,加工时应考虑以下几个方面:
  尽可能使用硬质合金刀具,如钴类硬质合金与钛合金化学亲和力小、导热性好、强度也较高。低速下断续切削时可选用耐冲击的超细晶粒硬质合金,成形和复杂刀具可用高温性能好的高速钢。
  采用较小的前角和较大的后角以增大切屑与前刀面的接触长度,减小工件与后刀面的摩擦,刀尖采用圆弧过渡刃以提高强度,避免尖角烧损和崩刃。 要保持刀刃锋利,以保证排屑流畅,避免粘屑崩刃。切削速度宜低,以免切削温度过高;进给量适中,过大易烧刀,过小则因刀刃在加工硬化层中工作而磨损过快;切削深度可较大,使刀尖在硬化层以下工作,有利于提高刀具耐用度。加工时须加冷却液充分冷却。切削钛合金时吃刀抗力较大,故工艺系统需保证有足够的刚度。由于钛合金易变形,所以切削夹紧力不能大,特别是在某些精加工工序时,必要时可使用一定的辅助支承。
  2、磨削加工性能
  钛合金化学性质活泼、在高温下易与磨料亲和并粘附,堵塞砂轮,导致砂轮磨损加剧,磨削性能降低,磨削精度不易保证。砂轮磨损同时也增大了砂轮与工件之间的接触面积,致使散热条件恶化,磨削区温度急剧升高,在磨削表面层形成较大的热应力,造成工件的局部烧伤,产生磨削裂纹。钛合金强度高、韧性大,使磨削时磨屑不易分离、磨削力增大、磨削功耗相应增加。钛合金热导率低、比热小、磨削时热传导慢,致使热量积聚在磨削弧区,造成磨削区温度急剧升高。
  3、挤压加工性能
  对钛及钛合金进行挤压加工时,要求挤压温度高,挤压速度快,以防温降过快,同时应尽量缩短高\温坯锭与模具的接触时间。因此挤压模具应选用新型耐热模具材料,坯锭由加热炉到挤压筒的输送速度也要快。鉴于在加热和挤压过程中金属易被气体污染,故还应采用适当的保护措施。挤压时应选择合适的润滑剂,以防粘结模具,如采用包套挤压和玻璃润滑挤压。因钛及钛合金的变形热效应较大,导热性较差,故在挤压变形时还要特别注意防止过热现象。钛合金的挤压过程比铝合金、铜合金、甚至钢的挤压过程更为复杂,这是由钛合金特殊物理化学性能所决定的。钛合金在常规热反挤成形时,模具温度低,与模具接触的坯料表面温度迅速下降,而坯料内部因变形热而温度升高。由于钛合金热导率低,表层温度下降后,内层坯料热量不能及时传输到表层补充,会出现表面硬化层,而使得变形难以继续进行。同时,表层与内层会产生很大的温度梯度,即使能成形,也容易造成变形和组织不均匀。
  4、锻压加工性能
  钛合金对锻造工艺参数非常敏感,锻造温度、变形量、变形及冷却速度的改变都会引起钛合金组织性能的变化。为更好地控制锻件的组织性能,近几年,热模锻造、等温锻造等先进的锻造技术在钛合金的锻造生产中得到了广泛应用。
  钛合金的塑性随温度升高而增大,在1000―1200℃温度范围内,塑性达到最大值,允许变形程度达70%―80%。钛合金锻造温度范围较窄,应严格按(α+β)/β转变温度进行掌握(铸锭开坯除外),否则β晶粒会剧烈长大,降低室温塑性;α钛合金通常在(α+β)两相区锻造,因(α+β)/β相变线以上锻造温度过高,将导致β脆相,β钛合金其始锻和终锻都必须高于(α+β)/β转变温度。钛合金的变形抗力随变形速度的增加提高较快,锻造温度对钛合金变形抗力影响更大,因此常规锻造必须在锻模内冷却最少的情况下完成。间隙元素(如O、N、C)的含量对钛合金的锻造性也有显著影响。
  5、铸造工艺性能
  由于钛和钛合金的化学活性高,易与空气中的N、O、N发生剧烈化学反应,且易与铸造中常用的耐火材料发生化学反应。钛和钛合金的铸造,特别是熔模精铸要比铝和钢的熔模精铸难度大得多,需借助特殊手段才能实现。铸钛发展初期,由于铸造工艺的发展落后于压力加工工艺,因此,先选用已有一定变形的中强钛合金,如TiΟ6AlΟ4V,TiΟ5AlΟ2.5Sn等作为铸造合金材料。这些合金至今还在广泛应用。但随着铸钛工艺的发展和应用领域对铸造钛合金各方面性能要求的提高,以及铸件结构复杂程度的加大,过去那种认为“所有的变形钛合金都适合用作铸造合金”的论点应加以修正。随着合金使用温度和工作强度的提高,合金中所添加元素的数量和加入量也相应增加,但同时必须考虑到合金的铸造性能、流动性凝固区间结晶组织、力学性能等等,即合金的化学成分必须根据铸造工艺的要求进行调整。
  综上所述,钛合金由于具有优良的性能在航空航天和其他领域有着非常广泛的应用,但也受其加工效率和生产成本的制约。钛的冶炼技术一旦有所突破,其价格也将明显降低。随着钛合金的开发研制、钛材品种的增多及价格的降低,钛在民用工业中的应用将成倍增加,特别是在造船、汽车制造、化工、电子、海洋开发、海水淡化、地热发电、排污防腐等民用领域将获得广泛的应用。与此同时,市场的需求也将加速钛工业与钛材加工技术的发展。
  参考文献:
  [1]中国航空材料手册编辑委员会:《中国航空材料手册》,中国标准出版社2001年版
  [2]杨冠军:《钛合金研究和加工技术的新进展》,《钛工业进展》2001年
  [3]李明怡:《航空用钛合金结构材料》,《世界有色金属》2000年第6期
  [4]张喜燕、赵永庆、白晨光:《钛合金及应用》,化学工业出版社2005年版
 

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