鈦合金是以鈦為基礎(chǔ)加入其他元素組成的合金。鈦有兩種同質(zhì)異晶體:882℃以下為密排六方結(jié)構(gòu)α鈦,882℃以上為體心立方的β鈦。
鈦合金具有強(qiáng)度高而密度又小,機(jī)械性能好,韌性和抗蝕性能很好。另外,鈦合金的工藝性能差,切削加工困難,在熱加工中,非常容易吸收氫氧氮碳等雜質(zhì)。還有抗磨性差,生產(chǎn)工藝復(fù)雜。鈦的工業(yè)化生產(chǎn)是1948年開始的。航空工業(yè)發(fā)展的需要,使鈦工業(yè)以平均每年約 8%的增長速度發(fā)展。世界鈦合金加工材年產(chǎn)量已達(dá)4萬余噸,鈦合金牌號近30種。使用最廣泛的鈦合金是Ti-6Al-4V(TC4),Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和工業(yè)純鈦(TA1、TA2和TA3)。
鈦合金主要用于制作飛機(jī)發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)部件,其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件。60年代中期,鈦及其合金已在一般工業(yè)中應(yīng)用,用于制作電解工業(yè)的電極,發(fā)電站的冷凝器,石油精煉和海水淡化的加熱器以及環(huán)境污染控制裝置等。鈦及其合金已成為一種耐蝕結(jié)構(gòu)材料。此外還用于生產(chǎn)貯氫材料和形狀記憶合金等。
中國于1956年開始鈦和鈦合金研究;60年代中期開始鈦材的工業(yè)化生產(chǎn)并研制成TB2合金。
鈦合金是航空航天工業(yè)中使用的一種新的重要結(jié)構(gòu)材料,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。1950年美國首次在F-84戰(zhàn)斗轟炸機(jī)上用作后機(jī)身隔熱板、導(dǎo)風(fēng)罩、機(jī)尾罩等非承力構(gòu)件。60年代開始鈦合金的使用部位從后機(jī)身移向中機(jī)身、部分地代替結(jié)構(gòu)鋼制造隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構(gòu)件。鈦合金在軍用飛機(jī)中的用量迅速增加,達(dá)到飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的20%~25%。70年代起,民用機(jī)開始大量使用鈦合金,如波音747客機(jī)用鈦量達(dá)3640公斤以上。馬赫數(shù)大于 2.5的飛機(jī)用鈦主要是為了代替鋼,以減輕結(jié)構(gòu)重量。又如,美國SR-71 高空高速偵察機(jī)(飛行馬赫數(shù)為3,飛行高度26212米),鈦占飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的93%,號稱“全鈦”飛機(jī)。當(dāng)航空發(fā)動機(jī)的推重比從4~6提高到8~10,壓氣機(jī)出口溫度相應(yīng)地從200~300°C增加到500~600°C時,原來用鋁制造的低壓壓氣機(jī)盤和葉片就必須改用鈦合金,或用鈦合金代替不銹鋼制造高壓壓氣機(jī)盤和葉片,以減輕結(jié)構(gòu)重量。70年代,鈦合金在航空發(fā)動機(jī)中的用量一般占結(jié)構(gòu)總重量的20%~30%,主要用于制造壓氣機(jī)部件,如鍛造鈦風(fēng)扇、壓氣機(jī)盤和葉片、鑄鈦壓氣機(jī)機(jī)匣、中介機(jī)匣、軸承殼體等。航天器主要利用鈦合金的高比強(qiáng)度,耐腐蝕和耐低溫性能來制造各種壓力容器、燃料
合金元素根據(jù)它們對相變溫度的影響可分為三類:
①穩(wěn)定α相、提高相轉(zhuǎn)變溫度的元素為α穩(wěn)定元素,有鋁、碳、氧和氮等。其中鋁是鈦合金主要合金元素,它對提高合金的常溫和高溫強(qiáng)度、降低比重、增加彈性模量有明顯效果。
②穩(wěn)定β相、降低相變溫度的元素為β穩(wěn)定元素,又可分同晶型和共析型二種。前者有鉬、鈮、釩等;后者有鉻、錳、銅、鐵、硅等。
③對相變溫度影響不大的元素為中性元素,有鋯、錫等。
氧、氮、碳和氫是鈦合金的主要雜質(zhì)。氧和氮在α相中有較大的溶解度,對鈦合金有顯著強(qiáng)化效果,但卻使塑性下降。通常規(guī)定鈦中氧和氮的含量分別在0.15~0.2%和0.04~0.05%以下。氫在α相中溶解度很小,鈦合金中溶解過多的氫會產(chǎn)生氫化物,使合金變脆。通常鈦合金中氫含量控制在 0.015%以下。氫在鈦中的溶解是可逆的,可以用真空退火除去。
室溫下,鈦合金有三種基體組織,鈦合金也就分為以下三類:α合金,(α+β)合金和β合金。中國分別以TA、TC、TB表示。
固溶體組成的單相合金,不論是在一般溫度下還是在較高的實際應(yīng)用溫度下,均是α相,組織穩(wěn)定,耐磨性高于純鈦,抗氧化能力強(qiáng)。在500℃~600℃的溫度下,仍保持其強(qiáng)度和抗蠕變性能,但不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化,室溫強(qiáng)度不高。
β鈦合金
它是β相固溶體組成的單相合金,未熱處理即具有較高的強(qiáng)度,淬
火、時效后合金得到進(jìn)一步強(qiáng)化,室溫強(qiáng)度可達(dá)1372~1666 MPa;但熱穩(wěn)定性較差,不宜在高溫下使用。
相合金,具有良好的綜合性能,組織穩(wěn)定性好,有良好的韌性、塑性和高溫變形性能,能較好地進(jìn)行熱壓力加工,能進(jìn)行淬火、時效使合金強(qiáng)化。熱處理后的強(qiáng)度約比退火狀態(tài)提高50%~100%;高溫強(qiáng)度高,可在400℃~500℃的溫度下長期工作,其熱穩(wěn)定性次于α鈦合金。
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。α鈦合金代號為TA,β鈦合金代號為TB,α+β鈦合金代號為TC。
鈦合金按用途可分為耐熱合金、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。
熱處理:鈦合金通過調(diào)整熱處理工藝可以獲得不同的相組成和組織。一般認(rèn)為細(xì)小等軸組織具有較好的塑性、熱穩(wěn)定性和疲勞強(qiáng)度;針狀組織具有較高的持久強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度和斷裂韌性;等軸和針狀混合組織具有較好的綜合性能。
切削特點
鈦合金的硬度大于HB350時切削加工特別困難,小于HB300時則容易出現(xiàn)粘刀現(xiàn)象,也難于切削。但鈦合金的硬度只是難于切削加工的一個方面,關(guān)鍵在于鈦合金本身化學(xué)、物理、力學(xué)性能間的綜合對其切削加工性的影響。鈦合金有如下切削特點:
(1)變形系數(shù)?。哼@是鈦合金切削加工的顯著特點,變形系數(shù)小于或接近于1。切屑在前刀面上滑動摩擦的路程大大增大,加速刀具磨損。
(2)切削溫度高:由于鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)很小(只相當(dāng)于45號鋼的1/5~1/7),切屑與前刀面的接觸長度極短,切削時產(chǎn)生的熱不易傳出,集中在切削區(qū)和切削刃附近的較小范圍內(nèi),切削溫度很高。在相同的切削條件下,切削溫度可比切削45號鋼時高出一倍以上。
(3)單位面積上的切削力大:主切削力比切鋼時約小20%,由于切屑與前刀面的接觸長度極短,單位接觸面積上的切削力大大增加,容易造成崩刃。同時,由于鈦合金的彈性模量小,加工時在徑向力作用下容易產(chǎn)生彎曲變形,引起振動,加大刀具磨損并影響零件的精度。因此,要求工藝系統(tǒng)應(yīng)具有較好的剛性。
(4)冷硬現(xiàn)象嚴(yán)重:由于鈦的化學(xué)活性大,在高的切削溫度下,很容易吸收空氣中的氧和氮形成硬而脆的外皮;同時切削過程中的塑性變形也會造成表面硬化。冷硬現(xiàn)象不僅會降低零件的疲勞強(qiáng)度,而且能加劇刀具磨損,是切削鈦合金時的一個很重要特點。
(5)刀具易磨損:毛坯經(jīng)過沖壓、鍛造、熱軋等方法加工后,形成硬而脆的不均勻外皮,極易造成崩刃現(xiàn)象,使得切除硬皮成為鈦合金加工中最困難的工序。另外,由于鈦合金對刀具材料的化學(xué)親和性強(qiáng),在切削溫度高和單位面積上切削力大的條件下,刀具很容易產(chǎn)生粘結(jié)磨損。車削鈦合金時,有時前刀面的磨損甚至比后刀面更為嚴(yán)重;進(jìn)給量f<0.1 mm/r時,磨損主要發(fā)生在后刀面上;當(dāng)f>0.2 mm/r時,前刀面將出現(xiàn)磨損;用硬質(zhì)合金刀具精車和半精車時,后刀面的磨損以VBmax小于0.4 mm較合適。
在銑削加工中,由于鈦合金材料的導(dǎo)熱系數(shù)低,而且切屑與前刀面的接觸長度極短,切削時產(chǎn)生的熱不易傳出,集中在切削變形區(qū)和切削刃附近的較小范圍內(nèi),加工時切削刃刃口處會產(chǎn)生極高的切削溫度,將大大縮短刀具壽命。對于鈦合金Ti6Al4V來說,在刀具強(qiáng)度和機(jī)床功率允許的條件下,切削溫度的高低是影響刀具壽命的關(guān)鍵因素,而并非切削力的大小。
高釩高速鋼(如W12Cr4V4Mo)、高鈷高速鋼(如W2Mo9Cr4VCo8)或鋁高速鋼(如W6Mo5Cr4V2Al、M10Mo4Cr4V3Al)等刀具材料,適于制作切削鈦合金的鉆頭、鉸刀、立銑刀、拉刀、絲錐等刀具。
采用金剛石和立方氮化硼作刀具切削鈦合金,可取得顯著效果。如用天然金剛石刀具在乳化液冷卻的條件下,切削速度可達(dá)200 m/min;若不用切削液,在同等磨損量時,允許的切削速度僅為100m/min。
應(yīng)力腐蝕開裂。
(3)切削液中的氯化物使用時還可能分解或揮發(fā)有毒氣體,使用時宜采取安全防護(hù)措施,否則不應(yīng)使用;切削后應(yīng)及時用不含氯的清洗劑徹底清洗零件,清除含氯殘留物。
(4)禁止使用鉛或鋅基合金制作的工、夾具與鈦合金接觸,銅、錫、鎘及其合金也同樣禁止使用。
(5)與鈦合金接觸的所有工、夾具或其他裝置都必須潔凈;經(jīng)清洗過的鈦合金零件,要防止油脂或指印污染,否則以后可能造成鹽(氯化鈉)的應(yīng)力腐蝕。
(6)一般情況下切削加工鈦合金時,沒有發(fā)火危險,只有在微量切削時,切下的細(xì)小切屑才有發(fā)火燃燒現(xiàn)象。為了避免火災(zāi),除大量澆注切削液之外,還應(yīng)防止切屑在機(jī)床上堆積,刀具用鈍后立即進(jìn)行更換,或降低切削速度,加大進(jìn)給量以加大切屑厚度。若一旦著火,應(yīng)采用滑石粉、石灰石粉末、干砂等滅火器材進(jìn)行撲滅,嚴(yán)禁使用四氯化碳、二氧化碳滅火器,也不能澆水,因為水能加速燃燒,甚至導(dǎo)致氫爆炸。