三林

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鈦合金是以鈦為基加入其他元素組成的合金。鈦有兩種同質異晶體:882℃以下為密排六方結構α鈦,882℃以上為體心立方的β鈦。合金元素根據它們對相變溫度的影響可分為三類:①穩定α相、提高相轉變溫度的元素為α穩定元素,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度、降低比重、增加彈性模量有明顯效果。②穩定β相、降低相變溫度的元素為β穩定元素,又可分同晶型和共析型二種。前者有鉬、鈮、釩等;後者有鉻、錳、銅、鐵、矽等。③對相變溫度影響不大的元素為中性元素,有鋯、錫等。

基本信息

性能

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鈦是一種新型金屬,鈦的性能與所含碳、、氧等雜質含量有關,最純的碘化鈦雜質含量不超過0.1%,但其強度低、塑性高。99.5%工業純鈦的性能為:密度ρ=4.5g/cm3,熔點為1725℃,導熱係數λ=15.24W/(m.K),抗拉強度σb=539MPa,伸長率δ=25%,斷面收縮率ψ=25%,彈性模量E=1.078×105MPa,硬度HB195。

(1)比強度高

鈦合金的密度一般在4.5g/cm3左右,僅為鋼的60%,純鈦的強度才接近普通鋼的強度,一些高強度鈦合金超過了許多合金結構鋼的強度。因此鈦合金的比強度(強度/密度)遠大於其他金屬結構材料,見表7-1,可制出單位強度高、剛性好、質輕的零、部件。目前飛機的發動機構件、骨架、蒙皮、緊固件及起落架等都使用鈦合金

(2)熱強度高

使用溫度比鋁合金高几百度,在中等溫度下仍能保持所要求的強度,可在450~500℃的溫度下長期工作這兩類鈦合金在150℃~500℃範圍內仍有很高的比強度,而鋁合金在150℃時比強度明顯下降。鈦合金的工作溫度可達500℃,鋁合金則在200℃以下。

(3)抗蝕性好

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鈦合金在潮濕的大氣和海水介質中工作,其抗蝕性遠優於不鏽鋼;對點蝕、酸蝕、應力腐蝕的抵抗力特彆強;對鹼、氯化物、氯的有機物品、硝酸、硫酸等有優良的抗腐蝕能力。但鈦對具有還原性氧及鉻鹽介質的抗蝕性差。

(4)低溫性能好

鈦合金在低溫和超低溫下,仍能保持其力學性能。低溫性能好,間隙元素極低的鈦合金,如TA7,在-253℃下還能保持一定的塑性。因此,鈦合金也是一種重要的低溫結構材料。

(5)化學活性大

鈦的化學活性大,與大氣中O、N、H、CO、CO2、水蒸氣、氨氣等產生強烈的化學反應。含碳量大於0.2%時,會在鈦合金中形成硬質TiC;溫度較高時,與N作用也會形成TiN硬質表層;在600℃以上時,鈦吸收氧形成硬度很高的硬化層;氫含量上升,也會形成脆化層。吸收氣體而產生的硬脆表層深度可達0.1~0.15mm,硬化程度為20%~30%。鈦的化學親和性也大,易與摩擦表面產生粘附現象。

(6)導熱係數小、彈性模量小

鈦的導熱係數λ=15.24W/(m.K)約為鎳的1/4,鐵的1/5,鋁的1/14,而各種鈦合金的導熱係數比鈦的導熱係數約下降50%。鈦合金的彈性模量約為鋼的1/2,故其剛性差、易變形,不宜製作細長桿和薄壁件,切削時加工表面的回彈量很大,約為不鏽鋼的2~3倍,造成刀具後刀面的劇烈摩擦、粘附、粘結磨損。

用途

鈦合金具有強度高而密度又小,機械性能好,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。還有抗磨性差,生產工藝複雜。鈦的工業化生產是1948年開始的。航空工業發展的需要,使鈦工業以平均每年約8%的增長速度發展。目前世界鈦合金加工材年產量已達4萬餘噸,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)和工業純鈦(TA1、TA2和TA3)。

鈦合金主要用於製作飛機發動機壓氣機部件,其次為火箭、飛彈和高速飛機的結構件。60年代中期,鈦及其合金已在一般工業中套用,用於製作電解工業的電極,發電站的冷凝器,石油精煉和海水淡化的加熱器以及環境污染控制裝置等。鈦及其合金已成為一種耐蝕結構材料。此外還用於生產貯氫材料和形狀記憶合金等。

中國於1956年開始鈦和鈦合金研究;60年代中期開始鈦材的工業化生產並研製成TB2合金。

鈦合金是航空航天工業中使用的一種新的重要結構材料,比重、強度和使用溫度介於鋁和鋼之間,但比強度高並具有優異的抗海水腐蝕性能和超低溫性能。1950年美國首次在F-84戰鬥轟炸機上用作後機身隔熱板、導風罩、機尾罩等非承力構件。60年代開始鈦合金的使用部位從後機身移向中機身、部分地代替結構鋼製造隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構件。鈦合金在軍用飛機中的用量迅速增加,達到飛機結構重量的20%~25%。70年代起,民用機開始大量使用鈦合金,如波音747客機用鈦量達3640公斤以上。馬赫數小於2.5的飛機用鈦主要是為了代替鋼,以減輕結構重量。又如,美國SR-71高空高速偵察機(飛行馬赫數為3,飛行高度26212米),鈦占飛機結構重量的93%,號稱“全鈦”飛機。當航空發動機的推重比從4~6提高到8~10,壓氣機出口溫度相應地從200~300°C增加到500~600°C時,原來用鋁製造的低壓壓氣機盤和葉片就必須改用鈦合金,或用鈦合金代替不鏽鋼製造高壓壓氣機盤和葉片,以減輕結構重量。70年代,鈦合金在航空發動機中的用量一般占結構總重量的20%~30%,主要用於製造壓氣機部件,如鍛造鈦風扇、壓氣機盤和葉片、鑄鈦壓氣機機匣、中介機匣、軸承殼體等。太空飛行器主要利用鈦合金的高比強度,耐腐蝕和耐低溫性能來製造各種壓力容器、燃料貯箱、緊固件、儀器綁帶、構架和火箭殼體。人造地球衛星、登月艙、載人飛船和太空梭也都使用鈦合金板材焊接件。

熱處理

常用的熱處理方法有退火、固溶和時效處理。退火是為了消除內應力、提高塑性和組織穩定性,以獲得較好的綜合性能。通常α合金和(α+β)合金退火溫度選在(α+β)─→β相轉變點以下120~200℃;固溶和時效處理是從高溫區快冷,以得到馬氏體α′相和亞穩定的β相,然後在中溫區保溫使這些亞穩定相分解,得到α相或化合物等細小彌散的第二相質點,達到使合金強化的目的。通常(α+β)合金的淬火在(α+β)─→β相轉變點以下40~100℃進行,亞穩定β合金淬火在(α+β)─→β相轉變點以上40~80℃進行。時效處理溫度一般為450~550℃。

總結,鈦合金的熱處理工藝可以歸納為:

(1)消除應力退火:目的是為消除或減少加工過程中產生的殘餘應力。防止在一些腐蝕環境中的化學侵蝕和減少變形。

(2)完全退火:目的是為了獲得好的韌性,改善加工性能,有利於再加工以及提高尺寸和組織的穩定性。

(3)固溶處理和時效:目的是為了提高其強度,α鈦合金和穩定的β鈦合金不能進行強化熱處理,在生產中只進行退火。α+β鈦合金和含有少量α相的亞穩β鈦合金可以通過固溶處理和時效使合金進一步強化。

此外,為了滿足工件的特殊要求,工業上還採用雙重退火、等溫退火、β熱處理、形變熱處理等金屬熱處理工藝。

切削

切削特點

鈦合金的硬度大於HB350時切削加工特別困難,小於HB300時則容易出現粘刀現象,也難於切削。但鈦合金的硬度只是難於切削加工的一個方面,關鍵在於鈦合金本身化學、物理、力學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)變形係數小:這是鈦合金切削加工的顯著特點,變形係數小於或接近於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:由於鈦合金的導熱係數很小(只相當於45號鋼的1/5~1/7),切屑與前刀面的接觸長度極短,切削時產生的熱不易傳出,集中在切削區和切削刃附近的較小範圍內,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。

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(3)單位面積上的切削力大:主切削力比切鋼時約小20%,由於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,由於鈦合金的彈性模量小,加工時在徑向力作用下容易產生彎曲變形,引起振動,加大刀具磨損並影響零件的精度。因此,要求工藝系統應具有較好的剛性。

(4)冷硬現象嚴重:由於鈦的化學活性大,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。冷硬現象不僅會降低零件的疲勞強度,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:毛坯經過衝壓、鍛造、熱軋等方法加工後,形成硬而脆的不均勻外皮,極易造成崩刃現象,使得切除硬皮成為鈦合金加工中最困難的工序。另外,由於鈦合金對刀具材料的化學親和性強,在切削溫度高和單位面積上切削力大的條件下,刀具很容易產生粘結磨損。車削鈦合金時,有時前刀面的磨損甚至比後刀面更為嚴重;進給量f<0.1mm/r時,磨損主要發生在後刀面上;當f>0.2mm/r時,前刀面將出現磨損;用硬質合金刀具精車和半精車時,後刀面的磨損以VBmax<0.4mm較合適。

刀具材料

切削加工鈦合金應從降低切削溫度和減少粘結兩方面出發,選用紅硬性好、抗彎強度高、導熱性能好、與鈦合金親和性差的刀具材料,YG類硬質合金比較合適。由於高速鋼的耐熱性差,因此應儘量採用硬質合金製作的刀具。常用的硬質合金刀具材料有YG8、YG3、YG6X、YG6A、813、643、YS2T和YD15等。

塗層刀片和YT類硬質合金會與鈦合金產生劇烈的親和作用,加劇刀具的粘結磨損,不宜用來切削鈦合金;對於複雜、多刃刀具,可選用高釩高速鋼(如W12Cr4V4Mo)、高鈷高速鋼(如W2Mo9Cr4VCo8)或鋁高速鋼(如W6Mo5Cr4V2Al、M10Mo4Cr4V3Al)等刀具材料,適於製作切削鈦合金的鑽頭、鉸刀、立銑刀、拉刀、絲錐等刀具。

採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200m/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。

注意事項

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在切削鈦合金的過程中,應注意的事項有:

(1)由於鈦合金的彈性模量小,工件在加工中的夾緊變形和受力變形大,會降低工件的加工精度;工件安裝時夾緊力不宜過大,必要時可增加輔助支承。

(2)如果使用含氯的切削液,切削過程中在高溫下將分解釋放出氫氣,被鈦吸收引起氫脆;也可能引起鈦合金高溫應力腐蝕開裂。

(3)切削液中的氯化物使用時還可能分解或揮發有毒氣體,使用時宜採取安全防護措施,否則不應使用;切削後應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製作的工、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淨;經清洗過的鈦合金零件,要防止油脂或指印污染,否則以後可能造成鹽(氯化鈉)的應力腐蝕。

(6)一般情況下切削加工鈦合金時,沒有發火危險,只有在微量切削時,切下的細小切屑才有發火燃燒現象。為了避免火災,除大量澆注切削液之外,還應防止切屑在工具機上堆積,刀具用鈍後立即進行更換,或降低切削速度,加大進給量以加大切屑厚度。若一旦著火,應採用滑石粉、石灰石粉末、乾砂等滅火器材進行撲滅,嚴禁使用四氯化碳、二氧化碳滅火器,也不能澆水,因為水能加速燃燒,甚至導致氫爆炸。

鈦合金特點:

鈦金屬的密度較小,為4.5g/cm3,僅為鐵的60%,通常與鋁、鎂等被稱為輕金屬,其相應的鈦合金、鋁合金、鎂合金則稱為輕合金。世界上許多國家都認識到鈦合金材料的重要性,相繼對鈦合金材料進行研究開發,並且得到了實際套用。鈦是二十世紀五十年代發展起來的一種重要的結構金屬,鈦合金因具有比強度高、耐蝕性好、耐熱性高、易焊接等特點而被廣泛用於各個領域,尤其是強度高、易焊接性能有利於高爾夫桿頭的製造。

第一個實用的鈦合金是1954年美國研製成功的Ti-6Al(鋁)-4V(礬)合金。Ti-6Al-4V合金在耐熱性、強度、塑性、韌性、成形性、可焊性、耐蝕性和生物相容性方面均達到較好水平。Ti-6Al-4V合金使用量已占全部鈦合金的75~85%。許多其它合金可以看作是Ti-6Al-4V合金的改型。目前,世界上已研製出的鈦合金有數百種,最著名的合金有二十至三十種,例如,有Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-2Al-2.5Zr、Ti-32Mo、Ti-Mo-Ni、Ti-Pd、Ti-811、Ti-6242、Ti-1023、Ti-10-5-3、Ti-1100、BT9、BT20、IMI829、IMI834等;用於球桿製造的有10-2-3,SP700,15-3-3-3(通常所說的β鈦),22-4,DAT51。

鈦合金套用:

鈦合金是一種新型結構材料,它具有優異的綜合性能,如密度小(~4.5g�cm-3),比強度和比斷裂韌性高,疲勞強度和抗裂紋擴展能力好,低溫韌性良好,抗蝕性能優異,某些鈦合金的最高工作溫度為550ºC,預期可達700ºC。因此它在航空、航天、化工、造船等工業部門獲得日益廣泛的套用,發展迅猛。輕合金、鋼等的(σ0.2/密度)與溫度的關係,鈦合金的比強高於其他輕金屬、鋼和鎳合金,並且這一優勢可以保持到500ºC左右,因此某些鈦合金適於製造燃氣輪機部件。鈦產量中約80%用於航空和宇航工業。例如美國的B-1轟炸機的機體結構材料中,鈦合金約占21%,主要用於製造機身、機翼、蒙皮和承力構件。F-15戰鬥機的機體結構材料,鈦合金用量達7000kg,約占結構重量的34%。波音757客機的結構件,鈦合金約占5%,用量達3640kg。麥克唐納�道格拉斯(Mc-Donnell-Dounlas)公司生產的DC10飛機,鈦合金用量達5500kg,占結構重量的10%以上。在化學和一般工程領域的鈦用量:美國約占其產量的15%,歐洲約占40%。由於鈦及其合金的優異抗蝕性能,良好的力學性能,以及合格的組織相容性,使它用於製作假體裝置等生物材料。

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