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1、钛合金的应用及其切削加工技术的国内外发展现状钛合金的性能及其应用钛及钛合金由于具有比强度高、抗腐蚀性好、耐高温等一系列突出的优点，能够进行各种方式的零件成形、焊接和机械加工。50年代初期，在一些军用飞机上开始使用工业纯钛制造后机身的隔热板、机层罩、减速板等受力不大的结构件。60年代，钛合金在飞机结构上的应用，进一步扩大到襟冀滑轧、承力隔框、中冀盒形梁、起落架梁等主要受力结构件中。到70年代，钛合金在飞机结构上的应用，又从战斗机扩大到军用型轰炸机和运输机，而且在民用飞机上也开始大量采用钛合金结构。进入80年代后，民用飞机用钛逐步增加,并已超过军用飞机用钛。对于高速战斗机。由于高速和高机动性，要求
2、飞机结构尽可能轻，同时还要有耐高温的能力，实践证明，钛合金是最适宜的材料。从美国各时期主力战机所使用的材料重量比例可以看出，军用机上复合材料和钛合金的比例正在不断加大，两铝合金的比率呈下降趋势钛合金和复合材料的应用水平已是衡量飞机先进性的重要标志之一。美国王牌战机F一22所使用的钛合金的重量比例达到了41。钛合金作为飞机机体材料使用的优势主要有以下几点：1)轻量化，2)节约空间，3)耐热性，4)耐蚀性，5)能与碳纤维强化复合材料(CFRP材料)互相相容。钛合金的类型钛是同素异构体，熔点为1720。C，在低于882。C时呈密排六方晶格结构，称为a钛；在882以上星体心立方晶格结构，称为钛。利用钛
3、的上述两种结构的不同特点，添加Al、sn、zr、V、Mo、Mn、Fc、Cr、Cu、Si等合金元素可得到不同类型的钛合金，其分类如下：(1)a钛合金退火组织以a钛为基体的单相同溶体合金称为a钛合金。主要合金元素a稳定元素A1、中性元素Sn和zr，可固溶强化。不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下均是a相，组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强。在500。C600。C的温度下，仍保持其强度和抗蠕变性能，但不能进行热处理强化，室温强度不高。(2) 钛合金13相固溶体组成的单相合金。合金的主要特点是加入大量稳定元素(17)，如Mo、cr、V等。未经热处理即有较高强度，淬火、时效后合金得到进一步强
4、化，室温强度可达13721666MPa；但热稳定性较差，不宜在高温下使用。(3)+钛合金它是由a和两相组成，相为主，相少于30。该合金具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形能力，能较好的进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50100,高温强度高，可在400C500C的温度下长期工作，其热稳定性次于a钛合金。(4)近钛合金所谓近钛合金是在(+)钛合金中含有少于2的稳定元素，使其退火组织为a相和少量的相，这类合金具有最好的耐热性。除按退火组织划分外，钛合金按性能特点可分为高塑性低强度、中强度、高强度和耐热钛合金；按生产方式的不同可分为变
5、形钛合金、铸造钛合金和粉末冶金钛合金。目前各国常用的钛合金为变形钛合金。钛合金的性能(1)强度及热强度高钛合金的密度小，一般在459cm 3左右，仅为钢的60，而强度高，热稳定性好，高温强度好。在300500温度下，钛合金的强度约比铝合金高10倍。 (2)低温性能好钛合金在低温和超低温下，仍能保持其力学性能。如在-100和196时TA4的b分别为893MPa和1207MPa。因此，钛合金也是一种重要的低温结构材料。(3)抗蚀性好钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢；对点蚀、酸蚀的抵抗能力特别强；对碱、氯化物、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力,但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀
6、性差。(4)化学活性大钛的化学活性大，与大气中的O、N、H、C02、CO、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。含碳量大于O2时，会在钛合金中形成硬质TiC；温度较高时，与N作用也会形成TiN硬质表层；在6000以上时，钛吸收氧形成硬度很高的硬化层；氨含量上升，也会形成脆化层。(5)导热系数小钛的导热系数=1524W(mK)，约为镍的14，铁的15，铝的114，而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50。(6)弹性模量小钛合金的弹性模量约为钢的12，故其刚性差、易变形，不宜制作细长杆和薄壁件，切削时加工表面的回弹量很大，约为不锈钢的23倍，造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、粘着磨损。钛合金切削加
7、工技术的发展概况钛合金在航空以及其他领域中的用量不断加大，越来越多的钛合金零件需要进行切削加工，然而钛合金又是典型的难加工材料，所以国内外很多学者对钛合金的切削问题进行了大量的试验研究。其研究内容及成果包括如下几方面；钛合金切削加工的特点(1)切削温度高由于钛合金的导热系数很小(只相当于45号钢的1517)，切屑与前刀面的接触长度极短，切削时产生的热不易传出，集中在切削区和切削刃附近的较小范围内，切削温度很高。在相同的切削条件下，切削温度可比切削45号钢时高出一倍以上。(2)单位面积上的切削力大切削钛合金时的切削力与切削钢时的切削力基本相当，因此在切削过程中消耗的能量相同或者略低于钢。但是在切
8、削钛合金时，主切削刃附近的应力非常高。这可能是由于在切削钛合金时前刀面上的刀屑接触区域通常很小(大约是在相同条件下切削钢的113)，还有一部分原因是由于钛合金在高温条件下具有很强的抵抗变形的能力，这种能力只有在超过800时才下降。(3)振动振动是加工钛合金时需要克服的一个问题，尤其是在精加工的时候，钛合金很低的弹性模量是切削过程中引起振动的首要原因。当受到切削力时，钛合金的变形量是碳钢的两倍，后刀面很大的回弹量造成了振动和很高的切削温度。切削钛合金时很高的动态切削力是造成振动的部分原因。其数值可以达到静态力的30以上，这是由于钛舍金切屑形成过程中的绝热或塑性剪切过程造成的。(4)化学活性高钛合
9、金毛坯经过冲压、锻造、热轧等方法加工后，形成硬而脆的不均匀外皮，极易造成崩刃现象；由于钛的化学活性大，在高的切削温度下，容易吸收空气中的氧和氮形成硬而脆的外皮；由于钛合金对刀具材料的化学亲和性强，在切削温度高和单位面积上切削力大的条件下，刀具很容易产生粘着磨损。国外钛合金切削技术的发展概况制约钛合金切削效率提高的主要因素是目前没有合适的刀具材料可以以较高的速度切削钛合金。各种材料制成的刀具几乎都被用来做过钛合金切削的刀具寿命试验，各种刀具的磨损机理国外的学者也做了很多研究。试验表明PCD刀具虽然可以以200mrain的切削速度切削钛合金，但是由于价格的限制其应用仍不够广泛。可以旋转的刀具和le
10、dge刀具等一些新型的刀具已经被研制出来，虽然可以极大的提高切削效率，但由于受到很多条件的限制未见其大量应用的报导。优化工艺参数可以使钛合金的切削效率得到一定的提高，但其提高的幅度并不会很大。高压切削液、低温切削以及热管换热等冷却润滑方式也已经或正在被研究，但大量应用的报导仍不多见。目前实际切削加工大量应用的刀具仍然是YG(K)类硬质合金刀具，但也有报道称利用物理气相沉积(PVD)技术，采用精细TiN涂层的刀具高速立铣钛合金时，刀具性能远远好于普通硬质合金立铣刀。国内钛合金切削技术的发展现状随着我国航空工业的不断发展，钛合金的用量在不断增长，但是其较低的切削加工效率仍然是困扰航空制造业的一个难
11、题。目前我国航空制造企业切削钛合金主要存在的问题是所选用的刀具质量差，切削效率低下。笔者曾经去某航空制造企业做过调研，那里采用高速钢刀具铣削TAl5钛合金，切削速度仅为每分钟十几米。某航空部门研究所采用硬质合金刀具铣削钛合金，其精加工的切削速度仅为每分钟二十几米，低于文献上所推荐的40mrain左右的切削速度。采用低质量的刀具以较低的切削速度切削钛合金虽然可以降低刀具成本，然而却没有考虑到用来加工钛合金的机床一般都是进口高档加工中心，其单位时间折旧费普遍很高这一问题。在钛合金的切削加工技术方面，国内的学者张春江早在80年代就做了比较系统的研究，出版了钛合金切削加工技术一书。南京航空航天大学所做的关于钛合金切削的研究比较多：其硕士学位论文高强度钛合金的高速铣削研究对钛合金的高速铣削可行性做了一些探索；硕士学位论文新型非调质钢和21s钛合金的切削加工性研究对21s钛合金的切削加工性傲了研究；苌浩，何宁，满忠雷等人研究了在干切、氮气油雾、空气油雾不同介质条件下铣削TC4钛合金时的切削力与刀具磨；辽宁工程技术大学与沈阳飞机制造厂合作对BT20钛合金的切削机理及刀具设计等问题做了研究。 李哲