钛合金特性和加工

合金元素钛合金是以钛为基加入其他元素组成的合金。钛有两种同质异晶体：882C 以下为密排六方结构a钛，882C以上为体心立方的P钛。合金元素根据它们 对相变温度的影响可分为三类：稳定a相、提高相转变温度的元素为a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。稳定P相、降低相变 温度的元素为P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。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 a 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 0.150.2%和0.040.05%以下。氢在a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。编辑本段钛合金的分类钛是同素异构体，熔点为1720C,在低于882C时呈密排六方晶格结构，称 为a钛；在882C以上呈体心立方品格结构，称为P钛。利用钛的上述两种结 构的不同特点，添加适当的合金元素，使其相变温度及相分含量逐渐改变而得到 不同组织的钛合金(itanium alloys)。室温下，钛合金有三种基体组织，钛合 金也就分为以下三类：a合金，(a +p )合金和0合金。中国分别以TA、TC、TB 表示。a钛合金它是 a 相固溶体组成的单相合金，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 500C 600 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。P钛合金它是 0 相固溶体组成的单相合金，未热处理即具有较高的强度，淬火、时 效后合金得到进一步强化，室温强度可达13721666 MPa ；但热稳定性较差， 不宜在高温下使用。a +p钛合金它是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性 和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，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 50%100%；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。三种钛合金中最常用的是a钛合金和a +P钛合金；a钛合金的切削加工 性最好，a +p钛合金次之，p钛合金最差。a钛合金代号为TA, p钛合金代 号为TB，a +p钛合金代号为TC。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。编辑本段钛合金的性能钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯 的碘化钛杂质含量不超过 0.1，但其强度低、塑性高。 99.5工业纯钛的性能 为：密度p =4.5g/cm3，熔点为1725C，导热系数入=15.24W/(m.K),抗拉强度 a b=539MPa,伸长率6 =25%,断面收缩率屮=25%,弹性模量E=1.078X 105MPa， 硬度 HB195。(1) 比强度高钛合金的密度一般在4. 5g/cm3 左右，仅为钢的60%，纯钛的强度才接近普 通钢的强度，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比 强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料，见表7-1，可制出单位强度高、刚 性好、质轻的零、部件。目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架 等都使用钛合金。(2) 热强度高 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450500C的温度下长期工作这两类钛合金在150C500C范围内仍有很高的 比强度，而铝合金在150C时比强度明显下降。钛合金的工作温度可达500C, 铝合金则在200C以下。(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、应力腐蚀的抵抗力特别强；对碱、氯化物、氯的有机物品、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性差。(4) 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。低温性能好,间隙元素极低的钛合金，如TA7,在-253C下还能保持一定的塑性。因此，钛合金也是一种重 要的低温结构材料。(5) 化学活性大钛的化学活性大，与大气中0、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈 的化学反应。含碳量大于0.2%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600C以上时，钛吸收氧形成硬度很高的硬 化层；氢含量上升，也会形成脆化层。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.1 0.15 mm,硬化程度为20%_30%。钛的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生粘 附现象。(6)导热系数小、弹性模量小钛的导热系数久=15.24W/ (m.K)约为镍的1/4,铁的1/5，铝的1/14，而 各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50%。钛合金的弹性模量约为钢 的1/2,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、粘结磨 损。编辑本段钛合金的用途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。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。钛合金是航空航天工业中使用的一种新的重要结构材料,比重、强度和使用 温度介于铝和钢之间,但比强度高并具有优异的抗海水腐蚀性能和超低温性能。 1950年美国首次在F-84战斗轰炸机上用作后机身隔热板、导风罩、机尾罩等非 承力构件。 60年代开始钛合金的使用部位从后机身移向中机身、部分地代替结 构钢制造隔框、梁、襟翼滑轨等重要承力构件。钛合金在军用飞机中的用量迅速 增加,达到飞机结构重量的20%25%。70年代起,民用机开始大量使用钛合 金,如波音747客机用钛量达3640公斤以上。马赫数小于 2. 5的飞机用钛主要 是为了代替钢，以减轻结构重量。又如，美国SR-71高空高速侦察机(飞行马赫 数为3,飞行高度26212米) ,钛占飞机结构重量的93%,号称“全钛”飞机。 当航空发动机的推重比从46提高到810,压气机出口温度相应地从200 300C增加到500_600C时，原来用铝制造的低压压气机盘和叶片就必须改 用钛合金,或用钛合金代替不锈钢制造高压压气机盘和叶片,以减轻结构重量。70年代，钛合金在航空发动机中的用量一般占结构总重量的20%30%，主要 用于制造压气机部件，如锻造钛风扇、压气机盘和叶片、铸钛压气机机匣、中介 机匣、轴承壳体等。航天器主要利用钛合金的高比强度，耐腐蚀和耐低温性能来 制造各种压力容器、燃料贮箱、紧固件、仪器绑带、构架和火箭壳体。人造地球 卫星、登月舱、载人飞船和航天飞机 也都使用钛合金板材焊接件。编辑本段钛合金的热处理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a合金和（a +0 ）合金退 火温度选在（a +0 ） 一- 0相转变点以下120200C；固溶和时效处理是从 高温区快冷，以得到马氏体a 相和亚稳定的0相,然后在中温区保温使这些亚 稳定相分解，得到a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（a +0 ）合金的淬火在（a +0 ）一- 0相转变点以下40100C进行, 亚稳定0合金淬火在（a +0 ）一- 0相转变点以上4080C进行。时效处理温 度一般为 450550C。总结，钛合金的热处理工艺可以归纳为：（1）消除应力退火：目的是为消除或减少加工过程中产生的残余应力。防 止在一些腐蚀环境中的化学侵蚀和减少变形。（2）完全退火：目的是为了获得好的韧性，改善加工性能，有利于再加工 以及提高尺寸和组织的稳定性。（3）固溶处理和时效：目的是为了提高其强度， a 钛合金和稳定的 0 钛 合金不能进行强化热处理，在生产中只进行退火。a +0钛合金和含有少量a 相的亚稳0 钛合金可以通过固溶处理和时效使合金进一步强化。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、0 热处理、形变热处理等金属热处理工艺。编辑本段钛合金的切削切削特点钛合金的硬度大于HB350时切削加工特别困难，小于HB300时则容易出现粘 刀现象，也难于切削。但钛合金的硬度只是难于切削加工的一个方面，关键在于 钛合金本身化学、物理、力学性能间的综合对其切削加工性的影响。钛合金有如 下切削特点：（1）变形系数小：这是钛合金切削加工的显著特点，变形系数小于或接近于 1。切屑在前刀面上滑动摩擦的路程大大增大，加速刀具磨损。(2) 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1/51/7), 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。(3) 单位面积上的切削力大：主切削力比切钢时约小20,由于切屑与前刀 面的接触长度极短,单位接触面积上的切削力大大增加,容易造成崩刃。同时, 由于钛合金的弹性模量小,加工时在径向力作用下容易产生弯曲变形,引起振动, 加大刀具磨损并影响零件的精度。因此,要求工艺系统应具有较好的刚性。(4) 冷硬现象严重：由于钛的化学活性大,在高的切削温度下,很容易吸收 空气中的氧和氮形成硬而脆的外皮；同时切削过程中的塑性变形也会造成表面硬 化。冷硬现象不仅会降低零件的疲劳强度,而且能加剧刀具磨损,是切削钛合金 时的一个很重要特点。(5) 刀具易磨损：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,使得切除硬皮成为钛合金加工中最困难的工序。 另外,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,刀具很容易产生粘结磨损。车削钛合金时,有时前刀面的磨损甚 至比后刀面更为严重；进给量 f0.2 mm/r 时,前刀面将出现磨损；用硬质合金刀具精车和半精车时,后刀面的磨损 以 VBmax0.4 mm 较合适。刀具材料 切削加工钛合金应从降低切削温度和减少粘结两方面出发,选用红硬性好、 抗弯强度高、导热性能好、与钛合金亲和性差的刀具材料, YG 类硬质合金比较 合适。由于高速钢的耐热性差,因此应尽量采用硬质合金制作的刀具。常用的硬 质合金刀具材料有 YG8、YG3、YG6X、YG6A、813、643、YS2T 和 YD15 等。涂层刀片和YT类硬质合金会与钛合金产生剧烈的亲和作用，加剧刀具的粘 结磨损,不宜用来切削钛合金；对于复杂、多刃刀具,可选用高钒高速钢(如 W12Cr4V4Mo)、高钻高速钢(如 W2Mo9Cr4VCo8)或铝高速钢(如 W6Mo5Cr4V2Al、 M10Mo4Cr4V3Al)等刀具材料，适于制作切削钛合金的钻头、铰刀、立铣刀、拉刀、 丝锥等刀具。采用金刚石和立方氮化硼作刀具切削钛合金，可取得显著效果。如用天然金 刚石刀具在乳化液冷却的条件下，切削速度可达200 m/min；若不用切削液，在 同等磨损量时，允许的切削速度仅为 100m/min。注意事项在切削钛合金的过程中，应注意的事项有：(1) 由于钛合金的弹性模量小，工件在加工中的夹紧变形和受力变形大，会 降低工件的加工精度；工件安装时夹紧力不宜过大，必要时可增加辅助支承。(2) 如果使用含氯的切削液，切削过程中在高温下将分解释放出氢气，被钛 吸收引起氢脆；也可能引起钛合金高温应力腐蚀开裂。(3) 切削液中的氯化物使用时还可能分解或挥发有毒气体，使用时宜采取安 全防护措施，否则不应使用；切削后应及时用不含氯的清洗剂彻底清洗零件，清 除含氯残留物。(4) 禁止使用铅或锌基合金制作的工、夹具与钛合金接触，铜、锡、镉及其 合金也同样禁止使用。（5）与钛合金接触的所有工、夹具或其他装置都必须洁净；经清洗过的钛合 金零件，要防止油脂或指印污染，否则以后可能造成盐（氯化钠）的应力腐蚀。（6）一般情况下切削加工钛合金时，没有发火危险，只有在微量切削时，切 下的细小切屑才有发火燃烧现象。为了避免火灾，除大量浇注切削液之外，还应 防止切屑在机床上堆积，刀具用钝后立即进行更换，或降低切削速度，加大进给 量以加大切屑厚度。若一旦着火，应采用滑石粉、石灰石粉末、干砂等灭火器材 进行扑灭，严禁使用四氯化碳、二氧化碳灭火器，也不能浇水，因为水能加速燃 烧，甚至导致氢爆炸。钛合金特点：钛金属的密度较小，为4.5g/cm3，仅为铁的60%,通常与铝、镁等被称为轻 金属，其相应的钛合金、铝合金、镁合金则称为轻合金。世界上许多国家都认识 到钛合金材料的重要性，相继对钛合金材料进行研究开发，并且得到了实际应用。 钛是二十世纪五十年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有比强度高、 耐蚀性好、耐热性高、易焊接等特点而被广泛用于各个领域，尤其是强度高、易 焊接性能有利于高尔夫杆头的制造。第一个实用的钛合金是1954年美国研制成功的Ti-6Al （铝）-4V （矶）合 金。Ti-6Al-4V合金在耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和 生物相容性方面均达到较好水平。Ti-6Al-4V合金使用量已占全部钛合金的 7585%。许多其它合金可以看作是Ti-6Al-4V合金的改型。目前，世界上已研制 出的钛合金有数百种，最著名的合金有二十至三十种，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；用于球杆制 造的有 10-2-3,SP700,15-3-3-3 （通常所说的 0 钛），22-4,DAT51。钛合金应用： 钛合金是一种新型结构材料，它具有优异的综合性能，如密度小（4.5gcm-3），比强度和比断裂韧性高，疲劳强度和抗裂纹扩展能力好，低 温韧性良好，抗蚀性能优异，某些钛合金的最高工作温度为550ºC，预期 可达700ºC。因此它在航空、航天、化工、造船等工业部门获得日益广泛 的应用，发展迅猛。轻合金、钢等的（。0.2/密度）与温度的关系，钛合金的比 强高于其他轻金属、钢和镍合金，并且这一优势可以保持到500ºC左右， 因此某些钛合金适于制造燃气轮机部件。钛产量中约 80%用于航空和宇航工业。 例如美国的B-1轰炸机的机体结构材料中，钛合金约占21%，主要用于制造机身、 机翼、蒙皮和承力构件。F-15战斗机的机体结构材料，钛合金用量达7000kg， 约占结构重量的34%。波音757客机的结构件，钛合金约占5%，用量达3640 kg。 麦克唐纳道格拉斯（Mc-Donnell-Dounlas）公司生产的DC10飞机，钛合金用 量达5500kg，占结构重量的10%以上。在化学和一般工程领域的钛用量：美国约 占其产量的 15%，欧洲约占 40%。由于钛及其合金的优异抗蚀性能，良好的力学 性能，以及合格的组织相容性，使它用于制作假体装置等生物材料。12钛合金知识 钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有比强度 高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家都认识 到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。钛是周期 表中第WB类元素，外观似钢，熔点达1 672 C，属难熔金属。钛在地壳中含量 较丰富，远高于 Cu、Zn、Sn、Pb 等常见金属。我国钛的资源极为丰富，仅四川 攀枝花地区发现的特大型钒钛磁铁矿中，伴生钛金属储量约达 4.2 亿吨，接近国 外探明钛储量的总和。