1、鈦合金的特點、應用與分類

航空制造業通常是衡量一個國家制造水平高低的標準，是一個國家先進制造水平和技術實力的集中體現。自上個世紀五十年代以來，航空航天工業在迅猛發展。為了滿足先進尖端設備能夠在極端環境下的正常運行，先進材料也在探索發展，因此金屬鈦和鈦合金應運而生。在 1910年，美國科學家 “亨特”使用“鈉法”制造出金屬鈦。隨后的幾十年發展里，對先進的制作鈦工藝也在摸索前進。但直到 1948 年，飛躍性的金屬鈦制備技術—“鎂法制鈦”才被盧森堡科學家提出。從此時開始，世界各國才開始大規模的使用和研究金屬鈦和鈦合金。

在現有的地球礦產資源儲備中，鈦元素在金屬材料儲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，鈦和鈦合金具有優秀的使用性能，其中典型的材料屬性有：

（1）比強度高（強度/密度），鈦合金的比強度約在 200-300。相比較于合金鋼，鈦合金的強度區間為 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量更輕，性能更好。

（2）熱強度和低溫性能好，目前低溫鈦合金可以在-253°C 環境下工作，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秀耐受性。

（3）抗腐蝕性能優異，鈦元素在低于 550°C 的空氣中，易于空氣中的氧元素發生化學反應，鈦合金表面會形成一種均勻的、致密的薄膜。這個薄膜可以有效地阻礙鈦元素與強酸、強堿和復雜環境下的其他元素發生化學反應，維持鈦合金的穩定性。鈦合金的抗腐蝕性均優于常規不銹鋼等材料。

無磁、超導、彈性模量小和硬度較高等也是鈦合金的優秀特性。 從上述可以看到，鈦合金是一種性能優異，存儲豐富且研究還未成熟的年輕金屬。

結合這些優點，從上 20 世紀 50 年代起，世界各國在先進工業領域就開始給予鈦合金足夠多的重視，加大了對新型鈦合金的制備和鈦合金的研究應用。

目前在常溫狀態下，根據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。國內的 α 鈦合金簡稱為 TA，其退火后微觀結構呈密排六方體結構。α 鈦合金的特點為高溫強度好，常溫強度低，抗氧化性和抗腐蝕性優秀。

（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 鈦合金在國內牌號為 TB，其退火后微觀結構呈體心立方體結構，并可進行熱處理強化。

（3）α+β 鈦合金，也稱兩相鈦合金。國內的 α+β 鈦合金牌號為 TC，該材料結合了 α鈦合金和β鈦合金的優點，可以進行熱處理，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，鈦合金自發現開始，就逐漸成為重要的航空材料。在航空應用方面，鈦合金主要集中在以下兩個部分。

（1）鈦合金在飛機上的應用

美國、俄羅斯和中國等先進國家均在軍事領域和民用領域對鈦合金的應用進行了研究。表 1.2 為各國飛機上鈦合金的使用占比。圖 1.1 為不同類型鈦合金在 F-22 猛禽戰斗機上的使用情況。結合表 1.2 和圖 1.1 可以看出，先進飛機上鈦合金的使用比例均很高，鈦合金的占比和飛機的性能成正比，同時也應用在更多的飛機零部件上。在 21 世紀，衡量一個飛機是否先進，一個重要指標即為鈦合金的使用占比。我國鈦合金工業起步較晚，在鈦合金的應用和應用領域上仍有很大的進展。

（2）鈦合金在航空發動機上的使用

航空發動機是飛機的心臟部位，航空發動機運轉環境是高溫、高壓的極端情況。發動機的大部分關鍵零部件在運作過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，要求材料能夠在 550°C-700°C 時，保持良好的高溫強度、高溫蠕變性和穩定的化學性。在傳統的材料中，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。同時衡量一個航空發動機是否優秀的重要指標既是推重比，在 20 世紀早期，飛機的推重比均在 5 以下，但隨著工業的發展，現階段飛機的推重比可達到 10 左右。隨著金屬鈦的出現和鈦合金優秀性能的開發，鈦合金逐漸成為了航空發動機材料的最佳選擇。目前鈦合金在航空發動機上主要應用部件有：燃燒室、發動機葉片、壓氣機盤和防火壁等，鈦合金在航空發動機上的使用比例也在升高，在我國早期 1978 年生產的渦噴-13 系列發動機上，鈦合金的使用比例僅為 13%。在后來 2002年生產的渦噴-14（昆侖）發動機上，使用比例為 15%。美國普惠公司在 1970 年生產的第三代 F100 發動機，其鈦合金使用比例為 25%。而在 1994 年生產的第四代 F119 發動機上，鈦合金的使用比例為 40%。表 1.3 為各國航空發動機在不同溫度下鈦合金的應用選材情況。從表 1.3 可以看到鈦合金可以滿足航空發動機不同溫度區間下的使用需求。隨著工業的發展和航空產品的生產迭代，鈦合金在飛機和航空發動機中使用占比愈發提高。在同時期我國航空用鈦合金使用比例遠遠低于美國，在材料應用與技術擴展上，仍有很大的進步空間。

2、 鈦合金加工存在的問題

在 1.1.1 節中討論可知，鈦合金是性能優異的材料，十分適合應用于極端環境。但同時鈦合金也屬于難加工材料，根據相對加工性準則，鈦合金的相對加工性僅有普通 45 鋼的 20%-40%。相比較于傳統金屬切削加工方面，鈦合金具有不同于傳統金屬（鋼、鋁合金和鎂合金）的加工特點。加工鈦合金主要有以下特點。

（1）導熱性差、熱傳導率低

鈦合金的導熱系數僅為λ=15.24 W/（m·K），約為鐵的 20%，遠低于鋁的導熱系數。

切削加工是一個穩態的、長期的過程。鈦合金導熱系數差，熱傳導率低，加工時就會導致切削熱聚集在刀具刀尖的一部分小區域面積上。切削時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，促進了刀具與工件表面之間的元素擴散和金屬的高溫相變，圖 1.2 為刀具因切削熱過大導致的磨損。

（2）彈性模量小、摩擦系數大。

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生彈性變形，而鈦合金不僅彈性模量小，同時屈服比大。在切削過程中，第三變形區的工件表面會發生材料回彈，回彈后的材料會與刀具的后刀面相接觸，增大刀具后刀面的磨損。對比傳統材料切削，在切削鈦合金時，刀具與材料接觸面的摩擦系數更大，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，接觸面易于發生粘結磨損，材料剝落形成月牙灣。

（3）刀具與切屑接觸長度短，切削力大

相比較于鋼材料的切削，切削鈦合金時產生的主切削力小于切削鋼材產生的，主切削力約占鋼材的 2/3-3/4。但是對比兩者切削時的刀具-切屑接觸長度發現，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生崩刃現象，從而刀具失效。圖 1.3 是切削力過大導致的刀具破壞失效。

（4）鈦合金硬度較低、化學活性高

鈦合金的化學性質是很活潑的，在高溫和高壓的切削環境中易與空氣中的氧元素、氫元素等發生化學反應，從而在加工過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。切削過程中化學性能活潑，刀具和工件間元素易發生置換和轉移，使得刀具表面材料發生改變，影響切削穩定性，促進了刀具磨損。

（5）切屑問題

在加工鈦合金的過程中，鈦合金的切屑呈絮狀，類似于棉花，纏繞在刀尖和工件附近。在切削加工時需要往刀尖加工部位注入冷卻液，冷卻液可以及時帶走切削過程的產熱。結合鈦合金的切削特點和實際加工過程，不難可以為實際加工做出指導性建議，即切削液應盡可能的噴在刀尖加工區域，同時在發生切屑纏繞時，應及時的清理切屑，以免因切削熱量無法及時散出而導致刀具破壞。圖 1.4 時切削鈦合金產生的切屑。

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、紅硬性較差和熱導率低的特點。只有部分高速鋼刀具牌號可以用來進行鈦合金切削，但整體應用面窄，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于其他刀具，主要原因為鈷元素（Co）的添加可以增加刀具的硬度、耐磨性和導熱性。盡管鈷元素可以提高高速鋼刀具的切削性能，但也難以保證長時間切削的加工精度和加工穩定性。在高溫高壓的切削過程中，高速鋼刀具中的 W、V 等元素易于鈦合金材料中的元素發生粘結—擴散磨損。因此結合高速鋼刀具的切削性能和使用成本，高速鋼刀具通常應用于低速加工和粗加工鈦合金階段。

（2）硬質合金刀具

硬質合金刀具是使用粉末冶金工藝將金屬碳化物和粘結劑燒結制成。硬質合金刀具耐用性好、加工性能穩定，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合金刀具的使用性能。常規的硬質合金刀具，其晶粒尺寸在幾μm之間。對于精密切削用的硬質合金刀具其晶粒尺寸可達 1μm 左右。燒結過程中減小晶粒尺寸，可以提高晶粒間的相互結合力，晶粒粘結更敦實，整體性能更均勻，耐磨性和硬度均優于粗晶粒制備的刀具。按照組成成分可將硬質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。根據鈦合金的切削特點，常用鎢鈷類硬質合金刀具來加工鈦合金，不常用鎢鈦鈷類硬質合金刀具。這是由于在鎢鈦鈷類硬質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生粘結—擴散磨損，使得刀具過早的產生磨損失效，并且鎢鈦鈷類硬質合金相比較于鎢鈷類硬質合金材料較脆，在切削過程中，刀具容易發生刀尖崩壞等非正常磨損失效。鎢鈷類硬質合金刀具的抗彎強度、韌性和硬度均優于鎢鈦鈷類，刀具能夠承受一定量的沖擊和振動，可減少在切削過程中刀具的非正常磨損破壞，延長服役時間，降低刀具使用成本。鎢鈷類刀具導熱性好，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。常用的鎢鈷類硬質合金刀具牌號有：YG6X、YG8、YG3 和 YG3X。

（3）超硬刀具材料

超硬刀具是新興的應用于鈦合金管、鈦合金板等鈦合金加工的刀具材料，在鈦合金的加工領域有著良好的應用前景。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。目前的我國超硬刀具材料主要應用于民用領域和非金屬切削領域，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體這三種。國外學者[17]已經使用聚晶金剛石刀具（PCD）高速切削鈦合金，優化了切削參數，得出了最優組。超硬刀具材料的硬度高，熱導率高散熱性能好，能夠有效的應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用成本，使得超硬刀具材料無法大范地在車間生產過程中使用。英國學者Farhad Nabhani[18]對比分析了 PCD 刀具、CBN 刀具和 KC850 硬質合金刀具在切削鈦合金時的刀具壽命問題，實驗表明 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，在選擇刀具進行鈦合金材料切削時，主要以硬質合金刀具材料為主，部分高速鋼刀具可以用來進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用于精密和超精密加工。表 1.4 為各類刀具材料的力學性能。

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