钛合金与加工

钛合金按组织可分三类.(1钛中加入铝和锡元素.2钛中加入铝铬钼钒等合金元素.3钛中加入铝和钒等元素.)钛合金具有强度高而密度又小,机械性能好,韧性和抗蚀性能很好.另外:钛合金的工艺性能差,切削加工困难.在热加工中,非常容易吸收氢氧氮碳等杂质.还有抗磨性差,生产工艺复杂.

titanium alloys

以钛为基加入其他元素组成的合金。钛的工业化生产是1948年开始的。航空工业发展的需要，使钛工业以平均每年约 8％的增长速度发展。目前世界钛合金加工材年产量已达4万余吨,钛合金牌号近30种。使用最广泛的钛合金是Ti-6Al-4V(TC4),Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和工业纯钛（TA1、TA2和TA3）。

钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。60年代中期，钛及其合金已在一般工业中应用，用于制作电解工业的电极，发电站的冷凝器，石油精炼和海水淡化的加热器以及环境污染控制装置等。钛及其合金已成为一种耐蚀结构材料。此外还用于生产贮氢材料和形状记忆合金等。

中国于1956年开始钛和钛合金研究；60年代中期开始钛材的工业化生产并研制成TB2合金。

特点钛合金与其他金属材料相比,有下列优点:①比强度（抗拉强度／密度）高（见图）,抗拉强度可达100～140kgf/mm2，而密度仅为钢的60％。②中温强度好,使用温度比铝合金高几百度，在中等温度下仍能保持所要求的强度,可在450～500℃的温度下长期工作。③耐蚀性好,在大气中钛表面立即形成一层均匀致密的氧化膜，有抵抗多种介质侵蚀的能力。通常钛在氧化性和中性介质中具有良好的耐蚀性，在海水、湿和氯化物溶液中的耐蚀性能更为优异。但在还原性介质，如盐酸等溶液中，钛的耐蚀性能较差。④低温性能好,间隙元素极低的钛合金,如TA7,在-253℃下还能保持一定的塑性。⑤弹性模量低,热导率小，无铁磁性。

合金元素钛有两种同质异晶体:882℃以下为密排六方结构α钛，882℃以上为体心立方的β钛。合金元素根据它们对相变温度的影响可分为三类:①稳定α相、提高相转变温度的元素为α稳定元素,有铝、碳、氧和氮等。其中铝是钛合金主要合金元素，它对提高合金的常温和高温强度、降低比重、增加弹性模量有明显效果。②稳定β相、降低相变温度的元素为β稳定元素，又可分同晶型和共析型二种。前者有钼、铌、钒等；后者有铬、锰、铜、铁、硅等。③对相变温度影响不大的元素为中性元素，有锆、锡等。

氧、氮、碳和氢是钛合金的主要杂质。氧和氮在α相中有较大的溶解度,对钛合金有显著强化效果,但却使塑性下降。通常规定钛中氧和氮的含量分别在0.15～0.2％和0.04～0.05％以下。氢在α相中溶解度很小,钛合金中溶解过多的氢会产生氢化物，使合金变脆。通常钛合金中氢含量控制在 0.015％以下。氢在钛中的溶解是可逆的，可以用真空退火除去。

类别钛合金根据相的组成可分为三类:α合金,(α+β)合金和β合金,中国分别以TA、TC、TB表示。

① α合金含一定量的稳定α相的元素，平衡状态下主要由α相组成。α合金比重小，热强性好、具有良好的焊接性和优异的耐蚀性,缺点是室温强度低,通常用作耐热材料和耐蚀材料。α合金通常又可分为全α合金（TA7）、近α合金 (Ti-8Al-1Mo-1V)和有少量化合物的α合金(Ti-2.5Cu)。　② (α+β)合金含一定量的稳定α相和β相的元素，平衡状态下合金的组织为α相和β相。(α＋β)合金有中等强度、并可热处理强化，但焊接性能较差。(α＋β)合金应用广泛,其中Ti-6Al-4V合金的产量在全部钛材中占一半以上。

③ β合金含大量稳定β相的元素，可将高温β相全部保留到室温。β合金通常又可分为可热处理β合金（亚稳定β合金和近亚稳定β合金）和热稳定β合金。可热处理β合金在淬火状态下有优异的塑性，并能通过时效处理使抗拉强度达到130～140kgf/mm2。β合金通常作高强度高韧性材料使用。缺点是比重大，成本高，焊接性能差，切削加工困难。

钛合金按用途可分为耐热合金、高强合金、耐蚀合金（钛-钼，钛-钯合金等）、低温合金以及特殊功能合金（钛-铁贮氢材料和钛-镍记忆合金）等。典型合金的成分和性能见表。

热处理钛合金通过调整热处理工艺可以获得不同的相组成和组织。一般认为细小等轴组织具有较好的塑性、热稳定性和疲劳强度；针状组织具有较高的持久强度、蠕变强度和断裂韧性；等轴和针状混合组织具有较好的综合性能。

常用的热处理方法有退火、固溶和时效处理。退火是为了消除内应力、提高塑性和组织稳定性，以获得较好的综合性能。通常α合金和（α＋β）合金退火温度选在（α＋β）─→β相转变点以下120～200℃；固溶和时效处理是从高温区快冷,以得到马氏体α′相和亚稳定的β相,然后在中温区保温使这些亚稳定相分解，得到α相或化合物等细小弥散的第二相质点，达到使合金强化的目的。通常(α＋β)合金的淬火在(α＋β)─→β相转变点以下40～100℃进行，亚稳定β合金淬火在(α＋β)─→β相转变点以上40～80℃进行。时效处理温度一般为450～550℃。此外,为了满足工件的特殊要求，工业上还采用双重退火、等温退火、β热处理、形变热处理等金属热处理工艺。

TA15、TB6钛合金切削加工用量和刀具的选择

TA15、TB6两种钛合金材料具有重量轻、强度高、耐热、耐腐蚀、疲劳性能好等一系列优良的力学、物理性能，成为航空航天、核能、船舶等领域理想的结构材料之一。但由于该材料价格昂贵，难加工，尤其是铣削加工制造周期长、成本高，制约了它的应用。而新一代航空产品需要具备更优异的性能新材料、新结构、新工艺被广泛应用。同时，为了竞争的需要，研制周期短和制造成本低是取胜的关键，因此，开展对TA15、TB6两种钛合金材料切削加工的研究是必要的，特别是铣削高效加工的探索尤其显得紧迫和重要。

TA15、TB6钛合金材料主要特征

TA15 α钛合金是α相固熔体组成的单相合金。该合金室温强度在930MPa以上，耐热性高于纯钛，组织稳定，抗氧化能力强，500～600 ℃下仍保持其强度，抗蠕变能力强，但不能进行热处理强化。

TB6 β钛合金是β相固熔体组成的单相合金。该合金室温强度在1105MPa 以上，但热稳定性较差，不宜在高温下使用。

TA15、TB6钛合金的切削加工工艺特性

1.摩擦系数大，导热系数低，刀尖切削温度高。钛合金热导率仅为钢的1/4 、铝的1/14 、铜的1/25 , 因而散热慢，不利于热平衡。切削时产生的切削热都集中在刀尖上，使刀尖温度很高，易使刀尖很快熔化或粘结磨损而变钝。

2.弹性模量小。钛合金的弹性模量只有30CrMnSi的56% ，这说明零件的刚性差，切削时易产生弹性变形和振动，不仅影响零件的尺寸精度和表面质量，而且还影响刀具的使用寿命；同时造成已加工面的弹性恢复较大，刀具后面摩擦增加导致刀具过快磨损。

3.化学活性大。在300℃ 以上时有强烈的吸氢、氧、氮的特性，造成加工表面易产生脆硬的化合物，切屑形成短碎片状，使刀具极易磨损。

4.钛合金化学亲和力较强，极易与其他金属亲和结合。在加工中切屑与刀具的粘结现象严重，使刀具的粘结和扩散磨损加大。

TA15、TB6钛合金零件切削用量和刀具参数的选择

1.主要加工方法

钛合金零件的加工余量比较大，有的部位很薄(2～3mm) ，主要配合表面的尺寸精度、形位公差又较严，因此每项结构件都必须按粗加工→半精加工→精加工的顺序分阶段安排工序。主要表面分阶段反复加工，减少表面残余应力，防止变形，最后达到设计图的要求。其主要的加工方法有铣削、车削、磨削、钻削、铰削、攻丝等。

2.铣削用量及刀具的选择

钛合金结构件中大量应用铣削加工，如零件内外型面。

刀具应选择具有高硬度、高抗弯强度和韧性、耐磨性好、热硬性好、工艺性好、散热性好的材料，主要为高速钢W6Mo5Cr4V2Al、W2Mo9Cr4VCo5(M42)和硬质合金YG8、K3O、Y330。

刀具几何参数应以保证刀具强度高、刚性好、锋利为原则，细长比不能过大，并分粗、精加工两种，加工时最好采用顺铣。铣削刀具参数见表1，常规加工铣削用量见表2。

铣削时必须注入充足的水溶性油质切削液来降低刀具和工件的温度，切削液流量应不小于5L/min ，以延长刀具的使用寿命。

在上述常规加工的基础上，为进一步提高铣削加工效率，我们在强力铣加工中心机床上进行了高效铣削试验，获得了较理想的切削用量、刀具和切削液，铣削用量数据见表3。

通过高效铣削与常规对比可以看出，高效铣削加工比常规加工效率提高了2～4倍，零件表面质量也得到较大的提高，加工周期大大缩短，制造成本相应降低。

3.车削用量及刀具的选择

在刀具、切削用量、切削液选择合理的情况下，钛合金车削并不困难，与加工合金钢接近。但车削钛合金表面氧化皮较为困难，一般在加工前用酸洗方法去掉表面薄层氧化皮，然后车削剩余的氧化皮，车削时切削深度应超过氧化皮深度1～5倍，走刀量可加大，但切削速度应降低。

刀具材料应选择YG类硬质合金材料。

刀具几何参数选择：前角γ0=4°～8°，后角α0=12°～18°，主偏角Ø45°～75°，刃倾角λ=0°，刀尖圆弧半径r=0.5～1.5mm 。

切削用量的选择：主轴转速n≥23Or/min，进给量f ≥0.10～0.15mm/r ，切削深度ap=1.5～2.0mm 。

车削时必须注入充足的水溶性油质切削液来降低刀具和工件的温度，提高刀具的耐用度。

表1 铣削刀具参数
刀具		前角γ0 (°)	后角α0 (°)	螺旋角β (°)	刀尖	齿背	备注
立铣刀	粗	O～4	12～15	30～45	按需	R形	β大：切削平稳
立铣刀	精	4～8	15～20	30～45	按需	R形	α0大：切削力小，机床震动小
三面刃铣刀		3～10	12～15		按需
端铣刀		0～5	12～15				主偏角Ø45°～75°

表2 常规加工铣削用量
刀具材料	立铣刀直径d (mm)	切削速度V (m/min)	进给量f (mm/min)	切削深度ap (mm)	切削宽度ac (mm)	切削刃总长l (mm)	使用机床
K30	≤25	25～35	50～100	0.3～0.5	1.5	50～150	数控加工中心
K30	>25	25～35	100～150	0.3～0.5	2.5	50～150	数控加工中心

表3 高效加工铣削用量
刀具材料	立铣刀直径d (mm)	切削速度V (m/min)	进给量f (mm/min)	切削深度ap (mm)	切削宽度ac (mm)	切削刃总长l (mm)	使用机床
K30	≤25	40～70	200～300	0.3～0.8	1.5～5	30～40	强力铣加工中心
K30	>25	40～120	300～400	0.3～0.8	2.5～8	30～60	强力铣加工中心

4.磨削用量及刀具的选择

磨削加工可获得较高精度，但由于钛合金的特有性质决定了钛合金磨削非常困难。磨削时砂轮磨损严重，容易变钝，磨削比也较低；同时易在表面产生有害的拉应力及严重的表面烧伤现象，因此应尽量避免磨削加工，以精铣代替。

磨削材料选择：磨削钛合金选用绿碳化硅(TL)、黑碳化硅(TH)两种磨料。如出现磨削烧伤趋势，应使用人造金刚石或立方氮化硼砂轮，其效果好，但价格昂贵。砂轮硬度选择较软砂轮R3、ZR1、ZR2，粒度选择46、60为佳，选A类结合剂。

磨削用量选择见表4。

钛合金零件在磨削过程中必须充分冷却，否则零件会变甚至烧伤。磨削液除具有冷却、润滑和冲洗作用外，更重要的还在于能有效地抑制钛与磨料的粘附和化学反应。

表4 磨削用量
磨削方法		砂轮速度v (m/s)	工作台速度V1 (m/min)	工件速度V2 (m/min)	磨削深度ap (mm)	横向进给①fa (mm/st)	纵向进给②fb (mm/r) (砂轮宽度B)
平面磨	粗	15～18	10～20		0.025～0.035	0.5～4.0
平面磨	精	15～18	6～12		0.010(最大)	0.5～4.0
外圆磨	粗	15～18		15～30	0.025～O.035		1/5B
外圆磨	精	15～18		15～30	0.010(最大)		1/10B
注：①横向进给fa(mm/st)指工作台每单行程砂轮对工件横向移动量；②纵向进给fb(mm/r)指工件每旋转一转，砂轮对工件纵向移动量。

5.钻削用量及钻头的选用

钛合金钻削材料应选择具有足够的硬度、强度、韧性、耐磨性及与钛合金亲合能力低的材料，主要为W6Mo5Cr4V2、W6Mo5Cr4V2Al、W12Cr4V4Mo、W2Mo9Cr4VCo5和YG8、K30等。

钻头的几何形状，应注意：

表5 不同规格钻头的螺旋角
钻头直径D：(mm)	2～6	6～18	18～50
螺旋角β：(°)	43～45	40～42	35～40

表6 钻头直径与外缘处后角αf的关系
钻头直径D：(mm)	2～6	6～18	18～50
外缘处后角αf：(°)	17～20	15～18	12～15

表7 钻头直径D与倒锥度的关系
钻头直径D：(mm)	2～6	6～18	18～50
倒锥度：(mm/100mm)	0.03～0.05	0.04～0.08	0.05～0.12

表8 钻头直径D与切削用量的关系
钻头直径D：(mm)	主轴转速(r/min)	进给量f (mm/r)
≤3	650～450	0.04～0.06
3～6	450～350	0.06～0.11
6～10	350～300	0.07～0.12
10～15	250～200	0.08～0.14
15～20	180～150	0.11～0.15
20～25	120～90	0.12～0.20

表9 铰削用量
刀具材料	铰刀直径D (mm)	主轴速度n (r/min)	每齿进给量ar (mm)	铰削余量(单边)ap (mm)
M42	≤10	250～120	0.02～0.04	粗铰：0.10～0.15
M42	>10～20	120～80	0.025～0.050	精铰：0.05～0.10
K30	≤10	800～400	0.02～0.04	粗铰：0.1～0.2
K30	>10～20	400～200	0.025～0.050	精铰：0.05～0.10

o适当增大钻头顶角，顶角范围由118°～120°增加到135 °～140°，其目的是增强切削部分并使切削厚度增加，改善钻削效果。

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