1、鈦合金的特點(diǎn)、應(yīng)用與分類
航空制造業(yè)通常是衡量一個(gè)國(guó)家制造水平高低的標(biāo)準(zhǔn)，是一個(gè)國(guó)家先進(jìn)制造水平和技術(shù)實(shí)力的集中體現(xiàn)。自上個(gè)世紀(jì)五十年代以來(lái)，航空航天工業(yè)在迅猛發(fā)展。為了滿足先進(jìn)尖端設(shè)備能夠在極端環(huán)境下的正常運(yùn)行，先進(jìn)材料也在探索發(fā)展，因此金屬鈦和鈦合金應(yīng)運(yùn)而生。在 1910年，美國(guó)科學(xué)家 “亨特”使用“鈉法”制造出金屬鈦。隨后的幾十年發(fā)展里，對(duì)先進(jìn)的制作鈦工藝也在摸索前進(jìn)。但直到 1948 年，飛躍性的金屬鈦制備技術(shù)—“鎂法制鈦”才被盧森堡科學(xué)家提出。從此時(shí)開始，世界各國(guó)才開始大規(guī)模的使用和研究金屬鈦和鈦合金。
在現(xiàn)有的地球礦產(chǎn)資源儲(chǔ)備中，鈦元素在金屬材料儲(chǔ)備排序中排在第四位，僅次于鐵（Fe）、鋁（Al）和鎂（Mg）。相比較與鐵、鋁和鎂等元素，鈦和鈦合金具有優(yōu)秀的使用性能，其中典型的材料屬性有：
（1）比強(qiáng)度高（強(qiáng)度/密度），鈦合金的比強(qiáng)度約在 200-300。相比較于合金鋼，鈦合金的強(qiáng)度區(qū)間為 980-1300MPa，略小于合金鋼的 1250-1600MPa，但是由于鈦合金（4.5g/cm3）的密度約有合金鋼（7.9 g/cm3）的一半，相同體積下鈦合金質(zhì)量更輕，性能更好。
（2）熱強(qiáng)度和低溫性能好，目前低溫鈦合金可以在-253°C 環(huán)境下工作，并保持良好的使用性能，高溫鈦合金可以在 350°C—650°C 環(huán)境下服役使用。相比較其他材料，鈦合金在極端溫度下具有優(yōu)秀耐受性。
（3）抗腐蝕性能優(yōu)異，鈦元素在低于 550°C 的空氣中，易于空氣中的氧元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，鈦合金表面會(huì)形成一種均勻的、致密的薄膜。這個(gè)薄膜可以有效地阻礙鈦元素與強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和復(fù)雜環(huán)境下的其他元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，維持鈦合金的穩(wěn)定性。鈦合金的抗腐蝕性均優(yōu)于常規(guī)不銹鋼等材料。
無(wú)磁、超導(dǎo)、彈性模量小和硬度較高等也是鈦合金的優(yōu)秀特性。
從上述可以看到，鈦合金是一種性能優(yōu)異，存儲(chǔ)豐富且研究還未成熟的年輕金屬。
結(jié)合這些優(yōu)點(diǎn)，從上 20 世紀(jì) 50 年代起，世界各國(guó)在先進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域就開始給予鈦合金足夠多的重視，加大了對(duì)新型鈦合金的制備和鈦合金的研究應(yīng)用。
目前在常溫狀態(tài)下，根據(jù)鈦合金的退火組織可將鈦合金主要分為以下 3 類：
（1）α 鈦合金，α 鈦合金是鈦元素與硼、鋁等元素相容后得到的。國(guó)內(nèi)的 α 鈦合金簡(jiǎn)稱為 TA，其退火后微觀結(jié)構(gòu)呈密排六方體結(jié)構(gòu)。α 鈦合金的特點(diǎn)為高溫強(qiáng)度好，常溫強(qiáng)度低，抗氧化性和抗腐蝕性優(yōu)秀。
（2）β 鈦合金，鈦元素中加入一定量的鉻、鉬、釩等元素就可形成 β 鈦合金，β 鈦合金在國(guó)內(nèi)牌號(hào)為 TB，其退火后微觀結(jié)構(gòu)呈體心立方體結(jié)構(gòu)，并可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化。
（3）α+β 鈦合金，也稱兩相鈦合金。國(guó)內(nèi)的 α+β 鈦合金牌號(hào)為 TC，該材料結(jié)合了 α鈦合金和β鈦合金的優(yōu)點(diǎn)，可以進(jìn)行熱處理，但焊接性能稍差于α鈦合金，綜合性能好。
常用各類代表性的鈦合金如下表 1 所示。
在上述部分內(nèi)容中討論了鈦合金棒、鈦合金管等鈦合金的性能和分類，作為年輕的太空金屬，鈦合金自發(fā)現(xiàn)開始，就逐漸成為重要的航空材料。在航空應(yīng)用方面，鈦合金主要集中在以下兩個(gè)部分。
（1）鈦合金在飛機(jī)上的應(yīng)用
美國(guó)、俄羅斯和中國(guó)等先進(jìn)國(guó)家均在軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域?qū)︹伜辖鸬膽?yīng)用進(jìn)行了研究。表 1.2 為各國(guó)飛機(jī)上鈦合金的使用占比。圖 1.1 為不同類型鈦合金在 F-22 猛禽戰(zhàn)斗機(jī)上的使用情況。結(jié)合表 1.2 和圖 1.1 可以看出，先進(jìn)飛機(jī)上鈦合金的使用比例均很高，鈦合金的占比和飛機(jī)的性能成正比，同時(shí)也應(yīng)用在更多的飛機(jī)零部件上。在 21 世紀(jì)，衡量一個(gè)飛機(jī)是否先進(jìn)，一個(gè)重要指標(biāo)即為鈦合金的使用占比。我國(guó)鈦合金工業(yè)起步較晚，在鈦合金的應(yīng)用和應(yīng)用領(lǐng)域上仍有很大的進(jìn)展。
（2）鈦合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的使用
航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟部位，航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境是高溫、高壓的極端情況。發(fā)動(dòng)機(jī)的大部分關(guān)鍵零部件在運(yùn)作過(guò)程中要承受極高的壓力和表面高溫（如：葉片）。因此在選擇使用材料時(shí)，要求材料能夠在 550°C-700°C 時(shí)，保持良好的高溫強(qiáng)度、高溫蠕變性和穩(wěn)定的化學(xué)性。在傳統(tǒng)的材料中，鋁合金耐高溫性差，并且鋼和其合金密度高，重量大，因此均不是最合適的材料選擇。同時(shí)衡量一個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)是否優(yōu)秀的重要指標(biāo)既是推重比，在 20 世紀(jì)早期，飛機(jī)的推重比均在 5 以下，但隨著工業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)階段飛機(jī)的推重比可達(dá)到 10 左右。隨著金屬鈦的出現(xiàn)和鈦合金優(yōu)秀性能的開發(fā)，鈦合金逐漸成為了航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料的最佳選擇。目前鈦合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上主要應(yīng)用部件有：燃燒室、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、壓氣機(jī)盤和防火壁等，鈦合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的使用比例也在升高，在我國(guó)早期 1978 年生產(chǎn)的渦噴-13 系列發(fā)動(dòng)機(jī)上，鈦合金的使用比例僅為 13%。在后來(lái) 2002年生產(chǎn)的渦噴-14（昆侖）發(fā)動(dòng)機(jī)上，使用比例為 15%。美國(guó)普惠公司在 1970 年生產(chǎn)的第三代 F100 發(fā)動(dòng)機(jī)，其鈦合金使用比例為 25%。而在 1994 年生產(chǎn)的第四代 F119 發(fā)動(dòng)機(jī)上，鈦合金的使用比例為 40%。表 1.3 為各國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)在不同溫度下鈦合金的應(yīng)用選材情況。從表 1.3 可以看到鈦合金可以滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)不同溫度區(qū)間下的使用需求。隨著工業(yè)的發(fā)展和航空產(chǎn)品的生產(chǎn)迭代，鈦合金在飛機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)中使用占比愈發(fā)提高。在同時(shí)期我國(guó)航空用鈦合金使用比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于美國(guó)，在材料應(yīng)用與技術(shù)擴(kuò)展上，仍有很大的進(jìn)步空間。
2、 鈦合金加工存在的問(wèn)題
在 1.1.1 節(jié)中討論可知，鈦合金是性能優(yōu)異的材料，十分適合應(yīng)用于極端環(huán)境。但同時(shí)鈦合金也屬于難加工材料，根據(jù)相對(duì)加工性準(zhǔn)則，鈦合金的相對(duì)加工性僅有普通 45 鋼的 20%-40%。相比較于傳統(tǒng)金屬切削加工方面，鈦合金具有不同于傳統(tǒng)金屬（鋼、鋁合金和鎂合金）的加工特點(diǎn)。加工鈦合金主要有以下特點(diǎn)。
（1）導(dǎo)熱性差、熱傳導(dǎo)率低
鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)僅為λ=15.24 W/（m·K），約為鐵的 20%，遠(yuǎn)低于鋁的導(dǎo)熱系數(shù)。
切削加工是一個(gè)穩(wěn)態(tài)的、長(zhǎng)期的過(guò)程。鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)差，熱傳導(dǎo)率低，加工時(shí)就會(huì)導(dǎo)致切削熱聚集在刀具刀尖的一部分小區(qū)域面積上。切削時(shí)刀尖此部分承受了切削熱總量的 80%-90%,這些集中的切削熱加劇了刀具的磨損，促進(jìn)了刀具與工件表面之間的元素?cái)U(kuò)散和金屬的高溫相變，圖 1.2 為刀具因切削熱過(guò)大導(dǎo)致的磨損。
（2）彈性模量小、摩擦系數(shù)大。
鈦合金的彈性模量小，TC4 和 TC11 的彈性模量分別為 110GPa 和 123GPa，約為鋼材料的一半。材料的彈性模量小容易發(fā)生彈性變形，而鈦合金不僅彈性模量小，同時(shí)屈服比大。在切削過(guò)程中，第三變形區(qū)的工件表面會(huì)發(fā)生材料回彈，回彈后的材料會(huì)與刀具的后刀面相接觸，增大刀具后刀面的磨損。對(duì)比傳統(tǒng)材料切削，在切削鈦合金時(shí)，刀具與材料接觸面的摩擦系數(shù)更大，需要克服摩擦所做的功就越多，從而刀具-切屑接觸面的溫度升高，接觸面易于發(fā)生粘結(jié)磨損，材料剝落形成月牙灣。
（3）刀具與切屑接觸長(zhǎng)度短，切削力大
相比較于鋼材料的切削，切削鈦合金時(shí)產(chǎn)生的主切削力小于切削鋼材產(chǎn)生的，主切削力約占鋼材的 2/3-3/4。但是對(duì)比兩者切削時(shí)的刀具-切屑接觸長(zhǎng)度發(fā)現(xiàn)，鈦合金的接觸面積
很小，切削力主要集中在前刀面和刀尖的一小面積上，切削力大刀尖材料易剝落發(fā)生崩刃現(xiàn)象，從而刀具失效。圖 1.3 是切削力過(guò)大導(dǎo)致的刀具破壞失效。
（4）鈦合金硬度較低、化學(xué)活性高
鈦合金的化學(xué)性質(zhì)是很活潑的，在高溫和高壓的切削環(huán)境中易與空氣中的氧元素、氫元素等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而在加工過(guò)程中形成表面硬化層。提高了鈦合金的硬度，阻礙刀具的切削，使得鈦合金的塑性降低。切削過(guò)程中化學(xué)性能活潑，刀具和工件間元素易發(fā)生置換和轉(zhuǎn)移，使得刀具表面材料發(fā)生改變，影響切削穩(wěn)定性，促進(jìn)了刀具磨損。
（5）切屑問(wèn)題
在加工鈦合金的過(guò)程中，鈦合金的切屑呈絮狀，類似于棉花，纏繞在刀尖和工件附近。在切削加工時(shí)需要往刀尖加工部位注入冷卻液，冷卻液可以及時(shí)帶走切削過(guò)程的產(chǎn)熱。結(jié)合鈦合金的切削特點(diǎn)和實(shí)際加工過(guò)程，不難可以為實(shí)際加工做出指導(dǎo)性建議，即切削液應(yīng)盡可能的噴在刀尖加工區(qū)域，同時(shí)在發(fā)生切屑纏繞時(shí)，應(yīng)及時(shí)的清理切屑，以免因切削熱量無(wú)法及時(shí)散出而導(dǎo)致刀具破壞。圖 1.4 時(shí)切削鈦合金產(chǎn)生的切屑。
3、常用鈦合金加工刀具
加工鈦合金的刀具主要分為以下幾種。
（1）高速鋼刀具
高速鋼刀具是指含有較多鎢（W）、鉻（Cr）、鉬（Mo）和釩（V）等材料元素的合金刀具，一般高速鋼刀具具有硬度較低、紅硬性較差和熱導(dǎo)率低的特點(diǎn)。只有部分高速鋼刀具牌號(hào)可以用來(lái)進(jìn)行鈦合金切削，但整體應(yīng)用面窄，適用于切削的有：高釩高速鋼、鈷高速鋼和鋁高速鋼等。對(duì)高速鋼刀具組成成分功能分析，含 Co的高速鋼刀具使用壽命較長(zhǎng)于其他刀具，主要原因?yàn)殁捲兀–o）的添加可以增加刀具的硬度、耐磨性和導(dǎo)熱性。盡管鈷元素可以提高高速鋼刀具的切削性能，但也難以保證長(zhǎng)時(shí)間切削的加工精度和加工穩(wěn)定性。在高溫高壓的切削過(guò)程中，高速鋼刀具中的 W、V 等元素易于鈦合金材料中的元素發(fā)生粘結(jié)—擴(kuò)散磨損。因此結(jié)合高速鋼刀具的切削性能和使用成本，高速鋼刀具通常應(yīng)用于低速加工和粗加工鈦合金階段。
（2）硬質(zhì)合金刀具
硬質(zhì)合金刀具是使用粉末冶金工藝將金屬碳化物和粘結(jié)劑燒結(jié)制成。硬質(zhì)合金刀具耐用性好、加工性能穩(wěn)定，是目前主流的加工鈦合金的刀具材料。在粉末冶金工藝中，晶粒尺寸影響著硬質(zhì)合金刀具的使用性能。常規(guī)的硬質(zhì)合金刀具，其晶粒尺寸在幾μm之間。對(duì)于精密切削用的硬質(zhì)合金刀具其晶粒尺寸可達(dá) 1μm 左右。燒結(jié)過(guò)程中減小晶粒尺寸，可以提高晶粒間的相互結(jié)合力，晶粒粘結(jié)更敦實(shí)，整體性能更均勻，耐磨性和硬度均優(yōu)于粗晶粒制備的刀具。按照組成成分可將硬質(zhì)合金刀具主要分為以下三類：鎢鈷類（YG類）、鎢鈦鈷類（YT類）和添加稀有金屬碳化物類。根據(jù)鈦合金的切削特點(diǎn)，常用鎢鈷類硬質(zhì)合金刀具來(lái)加工鈦合金，不常用鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金刀具。這是由于在鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金刀具中存有一定量的鈦元素（TiC），在高溫高壓的切削條件下，刀具和工件中的鈦元素易發(fā)生粘結(jié)—擴(kuò)散磨損，使得刀具過(guò)早的產(chǎn)生磨損失效，并且鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金相比較于鎢鈷類硬質(zhì)合金材料較脆，在切削過(guò)程中，刀具容易發(fā)生刀尖崩壞等非正常磨損失效。鎢鈷類硬質(zhì)合金刀具的抗彎強(qiáng)度、韌性和硬度均優(yōu)于鎢鈦鈷類，刀具能夠承受一定量的沖擊和振動(dòng)，可減少在切削過(guò)程中刀具的非正常磨損破壞，延長(zhǎng)服役時(shí)間，降低刀具使用成本。鎢鈷類刀具導(dǎo)熱性好，有利于降低切削溫度，鈷含量愈高，則刀具韌性愈好，適用于精密加工。常用的鎢鈷類硬質(zhì)合金刀具牌號(hào)有：YG6X、YG8、YG3 和 YG3X。
（3）超硬刀具材料
超硬刀具是新興的應(yīng)用于鈦合金管、鈦合金板等鈦合金加工的刀具材料，在鈦合金的加工領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。超硬刀具材料種類主要包括：立方氮化硼刀具（CBN）、聚晶立方氮化硼刀具（PCBN）和金剛石刀具。目前的我國(guó)超硬刀具材料主要應(yīng)用于民用領(lǐng)域和非金屬切削領(lǐng)域，其中金剛石刀具主要用于非鐵材料的加工。金剛石主要分為：天然單晶金剛石、人造聚晶金剛石和金剛石燒結(jié)體這三種。國(guó)外學(xué)者[17]已經(jīng)使用聚晶金剛石刀具（PCD）高速切削鈦合金，優(yōu)化了切削參數(shù)，得出了最優(yōu)組。超硬刀具材料的硬度高，熱導(dǎo)率高散熱性能好，能夠有效的應(yīng)用于鈦合金的精加工和高速加工方面。但是受約束于超硬刀具材料的應(yīng)用成本，使得超硬刀具材料無(wú)法大范地在車間生產(chǎn)過(guò)程中使用。英國(guó)學(xué)者Farhad Nabhani[18]對(duì)比分析了 PCD 刀具、CBN 刀具和 KC850 硬質(zhì)合金刀具在切削鈦合金時(shí)的刀具壽命問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)表明 PCD 刀具的使用壽命是 CBN 刀具的兩倍以上，是 KC850刀具的三倍以上，相比之下 PCD 刀具是適合鈦合金加工的。
總而言之，在選擇刀具進(jìn)行鈦合金材料切削時(shí)，主要以硬質(zhì)合金刀具材料為主，部分高速鋼刀具可以用來(lái)進(jìn)行毛坯加工和粗加工。在不考慮刀具使用成本的前提下，超硬刀具材料更適合應(yīng)用于精密和超精密加工。表 1.4 為各類刀具材料的力學(xué)性能。
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