摘要:本文論述了鈦合金材料的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀,著重介紹了鈦及鈦合金的主要特性,加工性能及其在航空航天、軍事工業(yè)和汽車制造方面的應(yīng)用,并在此基礎(chǔ)上展望了鈦合金的發(fā)展方向。

　　關(guān)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(fā)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(yīng)用。隨著加工工藝技術(shù)的發(fā)展,近年來,鈦合金已廣泛應(yīng)用于飛機發(fā)動機的壓氣機段、發(fā)動機罩、排氣裝置等零件的制造以及飛機的大梁隔框等結(jié)構(gòu)框架件的制造。以下主要論述鈦合金的特性及其加工性能。

　　鈦及鈦合金具有許多優(yōu)良特性,主要體現(xiàn)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(tài))的硬度HRC為32―38。

　　3、彈性模量低。鈦合金(退火態(tài))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(yōu)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(zhì)及強堿中,其耐蝕性優(yōu)于大多數(shù)不銹鋼。

　　二、鈦及鈦合金的加工性能

　　1、切削加工性能

　　根據(jù)鈦合金的性質(zhì)和切削過程中的特點,加工時應(yīng)考慮以下幾個方面:

　　盡可能使用硬質(zhì)合金刀具,如鎢鈷類硬質(zhì)合金與鈦合金化學(xué)親和力小、導(dǎo)熱性好、強度也較高。低速下斷續(xù)切削時可選用耐沖擊的超細晶粒硬質(zhì)合金,成形和復(fù)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(tǒng)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(xué)性質(zhì)活潑、在高溫下易與磨料親和并粘附,堵塞砂輪,導(dǎo)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(qū)溫度急劇升高,在磨削表面層形成較大的熱應(yīng)力,造成工件的局部燒傷,產(chǎn)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(yīng)增加。鈦合金熱導(dǎo)率低、比熱小、磨削時熱傳導(dǎo)慢,致使熱量積聚在磨削弧區(qū),造成磨削區(qū)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(yīng)盡量縮短高\溫坯錠與模具的接觸時間。因此擠壓模具應(yīng)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(yīng)采用適當(dāng)?shù)谋Ｗo措施。擠壓時應(yīng)選擇合適的潤滑劑,以防粘結(jié)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(yīng)較大,導(dǎo)熱性較差,故在擠壓變形時還要特別注意防止過熱現(xiàn)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(fù)雜,這是由鈦合金特殊物理化學(xué)性能所決定的。鈦合金在常規(guī)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(nèi)部因變形熱而溫度升高。由于鈦合金熱導(dǎo)率低,表層溫度下降后,內(nèi)層坯料熱量不能及時傳輸?shù)奖韺友a充,會出現(xiàn)表面硬化層,而使得變形難以繼續(xù)進行。同時,表層與內(nèi)層會產(chǎn)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(shù)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(shù)在鈦合金的鍛造生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。

　　鈦合金的塑性隨溫度升高而增大,在1000―1200℃溫度范圍內(nèi),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(yīng)嚴格按(α+β)/β轉(zhuǎn)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(qū)鍛造,因(α+β)/β相變線以上鍛造溫度過高,將導(dǎo)致β脆相,β鈦合金其始鍛和終鍛都必須高于(α+β)/β轉(zhuǎn)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(guī)鍛造必須在鍛模內(nèi)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(xué)活性高,易與空氣中的N、O、N發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng),且易與鑄造中常用的耐火材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。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(xiàn)。鑄鈦發(fā)展初期,由于鑄造工藝的發(fā)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(yīng)用。但隨著鑄鈦工藝的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹁T造鈦合金各方面性能要求的提高,以及鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)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(yīng)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(shù)量和加入量也相應(yīng)增加,但同時必須考慮到合金的鑄造性能、流動性凝固區(qū)間結(jié)晶組織、力學(xué)性能等等,即合金的化學(xué)成分必須根據(jù)鑄造工藝的要求進行調(diào)整。

　　綜上所述,鈦合金由于具有優(yōu)良的性能在航空航天和其他領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用,但也受其加工效率和生產(chǎn)成本的制約。鈦的冶煉技術(shù)一旦有所突破,其價格也將明顯降低。隨著鈦合金的開發(fā)研制、鈦材品種的增多及價格的降低,鈦在民用工業(yè)中的應(yīng)用將成倍增加,特別是在造船、汽車制造、化工、電子、海洋開發(fā)、海水淡化、地?zé)岚l(fā)電、排污防腐等民用領(lǐng)域?qū)@得廣泛的應(yīng)用。與此同時,市場的需求也將加速鈦工業(yè)與鈦材加工技術(shù)的發(fā)展。

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