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钛合金的硬度和基础理论知识 |
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| 钛合金是以钛为基参加其他元素组成的合金。钛有两种同质异晶体：882℃以下为密排六方结构α钛，882℃以上为体心立方的β钛。 合金元素依据它们对相变温度的影响可分为三类： ①安稳α相、进步相改动温度的元素为α安稳元素,有铝、碳、氧和氮等。其间铝是钛合金首要合金元素，它对进步合金的常温文高温强度、下降比重、添加弹性模量有显着效果。 ②安稳β相、下降相变温度的元素为β安稳元素，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。 ③对相变温度影响不大的元素为中性元素，有锆、锡等。 氧、氮、碳和氢是钛合金的首要杂质。氧和氮在α相中有较大的溶解度,对钛合金有显着强化效果,但却使塑性下降。一般规则钛中氧和氮的含量别离在0.15～0.2％和0.04～0.05％以下。氢在α相中溶解度很小,钛合金中溶解过多的氢会发作氢化物，使合金变脆。一般钛合金中氢含量操控在 0.015％以下。氢在钛中的溶解是可逆的，能够用真空退火除掉。 钛合金的分类 钛是同素异构体，熔点为1720℃，在低于882℃时呈密排六方晶格结构，称为α钛；在882℃以上呈体心立方品质结构，称为β钛。运用钛的上述两种结构的不同特色，添加恰当的合金元素，使其相变温度及相分含量逐步改动而得到不同安排的钛合金（titanium alloys）。室温下，钛合金有三种基体安排，钛合金也就分为以下三类：α合金,(α+β)合金和β合金。我国别离以TA、TC、TB表明。 α钛合金 它是α相固溶体组成的单相合金，不论是在一般温度下仍是在较高的实践运用温度下，均是α相，安排安稳，耐磨性高于纯钛，抗氧化才能强。在500℃～600℃的温度下，仍坚持其强度和抗蠕变功用，但不能进行热处理强化，室温强度不高。 β钛合金 它是β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1372～1666 MPa；但热安稳性较差，不宜在高温下运用。 α+β钛合金 它是双相合金，具有杰出的概括功用，安排安稳性好，有杰出的耐性、塑性和高温变形功用，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况进步50％～100％；高温强度高，可在400℃～500℃的温度下长时间作业，其热安稳性次于α钛合金。 三种钛合金中最常用的是α钛合金和α+β钛合金；α钛合金的切削加工性最好，α+β钛合金次之，β钛合金最差。α钛合金代号为TA，β钛合金代号为TB，α+β钛合金代号为TC。 钛合金按用处可分为耐热合金、高强合金、耐蚀合金（钛-钼，钛-钯合金等）、低温合金以及特殊功用合金（钛-铁贮氢材料和钛-镍回忆合金）等。典型合金的成分和功用见表。浅笑 热处理 钛合金通过调整热处理工艺能够取得不同的相组成和安排。一般以为细微等轴安排具有较好的塑性、热安稳性和疲劳强度；针状安排具有较高的耐久强度、蠕变强度和断裂耐性；等轴和针状混合安排具有较好的概括功用。 钛合金的功用 钛是一种新式金属，钛的功用与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超越0.1％，但其强度低、塑性高。99.5％工业纯钛的功用为：密度ρ=4.5g/cm3，熔点为1725℃，导热系数λ=15.24W/(m.K)，抗拉强度σb=539MPa，伸长率δ=25％，断面缩短率ψ=25％，弹性模量E=1.078×105MPa，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％，纯钛的强度才挨近普通钢的强度，一些高强度钛合金超越了许多合金结构钢的强度。因而钛合金的比强度(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。现在飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都运用钛合金。 (2)热强度高 运用温度比铝合金高几百度，在中等温度下仍能坚持所要求的强度,可在450～500℃的温度下长时间作业这两类钛合金在150℃～500℃范围内仍有很高的比强度，而铝合金在150℃时比强度显着下降。钛合金的作业温度可达500℃，铝合金则在200℃以下。 (3)抗蚀性好 钛合金在湿润的大气和海水介质中作业，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、硫酸等有优秀的抗腐蚀才能。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。 (4)低温功用好 钛合金在低温文超低温下，仍能坚持其力学功用。低温功用好,空隙元素极低的钛合金,如TA7,在-253℃下还能坚持必定的塑性。因而，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O、N、H、CO、CO2、水蒸气、气等发作激烈的化学反应。含碳量大于0.2％时，会在钛合金中构成硬质TiC；温度较高时，与N效果也会构成TiN硬质表层；在600℃以上时，钛吸收氧构成硬度很高的硬化层；氢含量上升，也会构成脆化层。吸收气体而发作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，易与冲突表面发作粘附现象。 (6)导热系数小、弹性模量小 钛的导热系数λ=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2～3倍，构成刀具后刀面的剧烈冲突、粘附、粘结磨损。 钛合金的用处 钛合金具有强度高而密度又小，机械功用好，耐性和抗蚀功用很好。别的，钛合金的工艺功用差，切削加工困难，在热加工中，十分简单吸收氢氧氮碳等杂质。还有抗磨性差，出产工艺杂乱。钛的工业化出产是1948年开端的。航空工业开展的需求，使钛工业以均匀每年约 8％的增长速度开展。现在国际钛合金加工材年产值已达4万余吨,钛合金牌号近30种。运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）。 钛合金首要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、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运用，用于制作电解工业的电极，发电站的冷凝器，粹和海水淡化的加热器以及环境污染操控设备等。钛及其合金已成为一种耐蚀结构材料。此外还用于出产贮氢材料和形状回忆合金等。 我国于1956年开端钛和钛合金研讨；60年代中期开端钛材的工业化出产并研制成TB2合金。 钛合金是航空航天工业中运用的一种新的重要结构材料，比重、强度和运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功用和超低温功用。1950年美国初次在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年代开端钛合金的运用部位从后机身移向中机身、部分地替代结构钢制作隔框、梁、襟翼滑轨等重要承力构件。钛合金在军用飞机中的用量敏捷添加，到达飞机结构分量的20％～25％。70年代起，民用机开端很多运用钛合金，如波音747客机用钛量达3640公斤以上。马赫数小于 2.5的飞机用钛首要是为了替代钢，以减轻结构分量。又如，美国SR-71 高空高速侦察机(飞翔马赫数为3，飞翔高度26212米)，钛占飞机结构分量的93％，声称“全钛”飞机。当航空发动机的推重比从4～6进步到8～10，压气机出口温度相应地从200～300°C添加到500～600°C时，原来用铝制作的低压压气机盘和叶片就必须改用钛合金，或用钛合金替代不锈钢制作高压压气机盘和叶片，以减轻结构分量。70年代，钛合金在航空发动机中的用量一般占结构总分量的20％～30％，首要用于制作压气机部件，如铸造钛电扇、压气机盘和叶片、铸钛压气机机匣、中介机匣、轴承壳体等。航天器首要运用钛合金的高比强度，耐腐蚀和耐低温功用来制作各种压力容器、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 也都运用钛合金板材焊接件。 [修改本段]钛合金的热处理 常用的热处理办法有退火、固溶和时效处理。退火是为了消除内应力、进步塑性和安排安稳性，以取得较好的概括功用。一般α合金和（α＋β）合金退火温度选在（α＋β）─→β相改动点以下120～200℃；固溶和时效处理是从高温区快冷,以得到马氏体α′相和亚安稳的β相,然后在中温区保温使这些亚安稳相分化，得到α相或化合物等细微弥散的第二相质点，到达使合金强化的意图。一般(α＋β)合金的淬火在(α＋β)─→β相改动点以下40～100℃进行，亚安稳β合金淬火在(α＋β)─→β相改动点以上40～80℃进行。时效处理温度一般为450～550℃。 总结，钛合金的热处理工艺能够概括为： （1）消除应力退火：意图是为消除或削减加工过程中发作的剩余应力。避免在一些腐蚀环境中的化学腐蚀和削减变形。 （2）完全退火：意图是为了取得好的耐性，改进加工功用，有利于再加工以及进步尺度和安排的安稳性。 （3）固溶处理和时效：意图是为了进步其强度，α钛合金和安稳的β钛合金不能进行强化热处理，在出产中只进行退火。α+β钛合金和含有少数α相的亚稳β钛合金能够通过固溶处理和时效使合金进一步强化。 此外，为了满意工件的特殊要求，工业上还选用两层退火、等温退火、β热处理、形变热处理等金属热处理工艺。 钛合金的切削 切削特色 钛合金的硬度大于HB350时切削加工特别困难，小于HB300时则简单呈现粘刀现象，也难于切削。但钛合金的硬度仅仅难于切削加工的一个方面，关键在于钛合金自身化学、物理、力学功用间的概括对其切削加工性的影响。钛合金有如下切削特色： (1)变形系数小：这是钛合金切削加工的显着特色，变形系数小于或挨近于1。切屑在前刀面上滑动冲突的旅程大大增大，加快刀具磨损。 (2)切削温度高：因为钛合金的导热系数很小(只相当于45号钢的1/5～1/7)，切屑与前刀面的触摸长度极短，切削时发作的热不易传出，会集在切削区和切削刃邻近的较小范围内，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％，因为切屑与前刀面的触摸长度极短，单位触摸面积上的切削力大大添加，简单构成崩刃。一起，因为钛合金的弹性模量小，加工时在径向力效果下简单发作曲折变形，引起振荡，加大刀具磨损并影响零件的精度。因而，要求工艺体系应具有较好的刚性。 (4)冷硬现象严峻：因为钛的化学活性大，在高的切削温度下，很简单吸收空气中的氧和氮构成硬而脆的外皮；一起切削过程中的塑性变形也会构成表面硬化。冷硬现象不只会下降零件的疲劳强度，而且能加重刀具磨损，是切削钛合金时的一个很重要特色。 (5)刀具易磨损：毛坯通过冲压、铸造、热轧等办法加工后，构成硬而脆的不均匀外皮，极易构成崩刃现象，使得切除硬皮成为钛合金加工中最困难的工序。别的，因为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，刀具很简单发作粘结磨损。车削钛合金时，有时前刀面的磨损乃至比后刀面更为严峻；进给量f<0.1 mm/r时，磨损首要发作在后刀面上；当f>0.2 mm/r时，前刀面将呈现磨损；用硬质合金刀具精车和半精车时，后刀面的磨损以VBmax<0.4 mm较适宜。 刀具材料 切削加工钛合金应从下降切削温度和削减粘结两方面动身，选用红硬性好、抗弯强度高、导热功用好、与钛合金亲和性差的刀具材料，YG类硬质合金比较适宜。因为高速钢的耐热性差，因而应尽量选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发作剧烈的亲和效果，加重刀具的粘结磨损，不宜用来切削钛合金；关于杂乱、多刃刀具，可选用高钒高速钢(如W12Cr4V4Mo)、高钴高速钢(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。 选用金刚石和立方氮化硼作刀具切削钛合金，可取得显着效果。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；若不必切削液，在平等磨损量时，答应的切削速度仅为100m/min。 留意事项 在切削钛合金的过程中，应留意的事项有： (1)因为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，会下降工件的加工精度；工件设备时夹紧力不宜过大，必要时可添加辅佐支承。 (2)假如运用含氯的切削液，切削过程中在高温下将分化释放出，被钛吸收引起氢脆；也或许引起钛合金高温应力腐蚀开裂。 (3)切削液中的氯化物运用时还或许分化或蒸发有毒气体，运用时宜采纳安全防护办法，不然不该运用；切削后应及时用不含氯的清洗剂完全清洗零件，铲除含氯残留物。 (4)制止运用铅或锌基合金制作的工、夹具与钛合金触摸，铜、锡、镉及其合金也相同制止运用。 (5)与钛合金触摸的一切工、夹具或其他设备都必须洁净；经清洗过的钛合金零件，要避免油脂或指印污染，不然今后或许构成盐(氯化钠)的应力腐蚀。 (6)一般情况下切削加工钛合金时，没有发火风险，只要在微量切削时，切下的细微切屑才有发火焚烧现象。为了避免火灾，除很多浇注切削液之外，还应避免切屑在机床上堆积，刀具用钝后当即进行替换，或下降切削速度，加大进给量以加大切屑厚度。若一旦着火，应选用滑石粉、石灰石粉末、干砂等救活器件进行熄灭，禁止运用、二氧化碳救活器，也不能洒水，因为水能加快焚烧，乃至导致氢爆破。 钛合金特色： 钛金属的密度较小，为4.5g/cm3，仅为铁的60%，一般与铝、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。国际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讨开发，而且得到了实践运用。钛是二十世纪五十年代开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、易焊接等特色而被广泛用于各个范畴，尤其是强度高、易焊接功用有利于高尔夫杆头的制作。 第一个有用的钛合金是1954年美国研制成功的Ti-6Al（铝）-4V（矾）合金。Ti-6Al-4V合金在耐热性、强度、塑性、耐性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性方面均到达较好水平。 Ti-6Al-4V合金运用量已占悉数钛合金的75~85%。许多其它合金能够看作是Ti-6Al-4V合金的改型。现在，国际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；用于球杆制作的有10-2-3,SP700,15-3-3-3（一般所说的β钛）,22-4,DAT51。 钛合金运用： 钛合金是一种新式结构材料，它具有优异的概括功用，如密度小（~4.5g？cm-3），比强度和比断裂耐性高，疲劳强度和抗裂纹扩展才能好，低温耐性杰出，抗蚀功用优异，某些钛合金的最高作业温度为550?C，预期可达700?C。因而它在航空、航天、化工、造船等工业部门取得日益广泛的运用，开展迅猛。轻合金、钢等的（σ0.2/密度）与温度的联系，钛合金的比强高于其他轻金属、钢和镍合金，而且这一优势能够坚持到500?C左右，因而某些钛合金适于制作燃气轮机部件。钛产值中约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%，首要用于制作机身、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 ，约占结构分量的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）公司出产的DC10飞机，钛合金用量达5500kg，占结构分量的10%以上。在化学和一般工程范畴的钛用量：美国约占其产值的15%，欧洲约占40%。因为钛及其合金的优异抗蚀功用，杰出的力学功用，以及合格的安排相容性，使它用于制作假体设备等生物材料。 |
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