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摘要:本文论述了钛合金材料的应用及研究现状,着重介绍了钛及钛合金的主要特性,加工性能及其在航空航天、军事工业和汽车制造方面的应用,并在此基础上展望了钛合金的发展方向。
　　关键词: 钛合金特性加工性能
　　钛合金以其比强度高、机械性能及抗蚀性良好而成为飞机及发动机理想的制造材料,但由于其切削加工性差,长期以来在很大程度上制约了它的应用。随着加工工艺技术的发展,近年来,钛合金已广泛应用于飞机发动机的压气机段、发动机罩、排气装置等零件的制造以及飞机的大梁隔框等结构框架件的制造。以下主要论述钛合金的特性及其加工性能。
　　一、钛及钛合金的特性
　　钛及钛合金具有许多优良特性,主要体现在以下几个方面:
　　1、强度高。钛合金具有很高的强度,其抗拉强度为686―1176MPa,而密度仅为钢的60%左右,所以比强度很高。
　　2、硬度较高。钛合金(退火态)的硬度HRC为32―38。
　　3、弹性模量低。钛合金(退火态)的弹性模量为1.078×10-1.176×10MPa,约为钢和不锈钢的一半。
　　4、高温和低温性能优良。在高温下,钛合金仍能保持良好的机械性能,其耐热性远**铝合金,且工作温度范围较宽,目前新型耐热钛合金的工作温度可达550―600℃;在低温下,钛合金的强度反而比在常温时增加,且具有良好的韧性,低温钛合金在-253℃时还能保持良好的韧性。
　　5、钛的抗腐蚀性强。钛在550℃以下的空气中,表面会迅速形成薄而致密的氧化钛膜,故在大气、海水、硝酸和硫酸等氧化性介质及强碱中,其耐蚀性优于大多数不锈钢。
　　二、钛及钛合金的加工性能
　　1、切削加工性能
　　根据钛合金的性质和切削过程中的特点,加工时应考虑以下几个方面:
　　尽可能使用硬质合金刀具,如钨钴类硬质合金与钛合金化学亲和力小、导热性好、强度也较高。低速下断续切削时可选用耐冲击的**细晶粒硬质合金,成形和复杂刀具可用高温性能好的高速钢。
　　采用较小的前角和较大的后角以增大切屑与前刀面的接触长度,减小工件与后刀面的摩擦,刀尖采用圆弧过渡刃以提高强度,避免尖角烧损和崩刃。 要保持刀刃锋利,以保证排屑流畅,避免粘屑崩刃。切削速度宜低,以免切削温度过高;进给量适中,过大易烧刀,过小则因刀刃在加工硬化层中工作而磨损过快;切削深度可较大,使刀尖在硬化层以下工作,有利于提高刀具耐用度。加工时须加冷却液充分冷却。切削钛合金时吃刀抗力较大,故工艺系统需保证有足够的刚度。由于钛合金易变形,所以切削夹紧力不能大,特别是在某些精加工工序时,必要时可使用一定的辅助支承。
　　2、磨削加工性能
　　钛合金化学性质活泼、在高温下易与磨料亲和并粘附,堵塞砂轮,导致砂轮磨损加剧,磨削性能降低,磨削精度不易保证。砂轮磨损同时也增大了砂轮与工件之间的接触面积,致使散热条件恶化,磨削区温度急剧升高,在磨削表面层形成较大的热应力,造成工件的局部烧伤,产生磨削裂纹。钛合金强度高、韧性大,使磨削时磨屑不易分离、磨削力增大、磨削功耗相应增加。钛合金热导率低、比热小、磨削时热传导慢,致使热量积聚在磨削弧区,造成磨削区温度急剧升高。
　　3、挤压加工性能
　　对钛及钛合金进行挤压加工时,要求挤压温度高,挤压速度快,以防温降过快,同时应尽量缩短高\温坯锭与模具的接触时间。因此挤压模具应选用新型耐热模具材料,坯锭由加热炉到挤压筒的输送速度也要快。鉴于在加热和挤压过程中金属易被气体污染,故还应采用适当的保护措施。挤压时应选择合适的润滑剂,以防粘结模具,如采用包套挤压和玻璃润滑挤压。因钛及钛合金的变形热效应较大,导热性较差,故在挤压变形时还要特别注意防止过热现象。钛合金的挤压过程比铝合金、铜合金、甚至钢的挤压过程更为复杂,这是由钛合金特殊物理化学性能所决定的。钛合金在常规热反挤成形时,模具温度低,与模具接触的坯料表面温度迅速下降,而坯料内部因变形热而温度升高。由于钛合金热导率低,表层温度下降后,内层坯料热量不能及时传输到表层补充,会出现表面硬化层,而使得变形难以继续进行。同时,表层与内层会产生很大的温度梯度,即使能成形,也容易造成变形和组织不均匀。
　　4、锻压加工性能
　　钛合金对锻造工艺参数非常敏感,锻造温度、变形量、变形及冷却速度的改变都会引起钛合金组织性能的变化。为更好地控制锻件的组织性能,近几年,热模锻造、等温锻造等先进的锻造技术在钛合金的锻造生产中得到了广泛应用。