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GR5鈦合金薄板
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GR5鈦合金薄板性能
鈦是20世紀50年代發(fā)展起來的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬,鈦合金因具有強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于各個領(lǐng)域。世界上許多國家都認識到鈦合金材料的重要性,相繼對其進行研究開發(fā),并得到了實際應(yīng)用。20世紀50~60年代,主要是發(fā)展航空發(fā)動機用的高溫鈦合金和機體用的結(jié)構(gòu)鈦合金,70年代開發(fā)出一批耐蝕鈦合金,80年代以來,耐蝕鈦合金和高強鈦合金得到進一步發(fā)展。鈦合金主要用于制作飛機發(fā)動機壓氣機部件,其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機的結(jié)構(gòu)件
中文名
鈦合金
外文名
titanium alloy
特 點
強度高、耐蝕性好、耐熱性高
第一個鈦合金
Ti-6Al-4V合金
研發(fā)國
美國
時 間
1954年
原理
鈦合金是以鈦為基礎(chǔ)加入其他元素組成的合金。鈦有兩種同質(zhì)異晶體:882℃以下為密排六方結(jié)構(gòu)α鈦,882℃以上為體心立方的β鈦。
合金元素根據(jù)它們對相變溫度的影響可分為三類:
①穩(wěn)定α相、提高相轉(zhuǎn)變溫度的元素為α穩(wěn)定元素,有鋁、碳、氧和氮等。其中鋁是鈦合金主要合金元素,它對提高合金的常溫和高溫強度、降低比重、增加彈性模量有明顯效果。
②穩(wěn)定β相、降低相變溫度的元素為β穩(wěn)定元素,又可分同晶型和共析型二種。前者有鉬、鈮、釩等;后者有鉻、錳、銅、鐵、硅等。
③對相變溫度影響不大的元素為中性元素,有鋯、錫等。
氧、氮、碳和氫是鈦合金的主要雜質(zhì)。氧和氮在α相中有較大的溶解度,對鈦合金有顯著強化效果,但卻使塑性下降。通常規(guī)定鈦中氧和氮的含量分別在0.15~0.2%和0.04~0.05%以下。氫在α相中溶解度很小,鈦合金中溶解過多的氫會產(chǎn)生氫化物,使合金變脆。通常鈦合金中氫含量控制在 0.015%以下。氫在鈦中的溶解是可逆的,可以用真空退火除去。
分類
鈦是同素異構(gòu)體,熔點為1668℃,在低于882℃時呈密排六方晶格結(jié)構(gòu),稱為α鈦;在882℃以上呈體心立方晶格結(jié)構(gòu),稱為β鈦。利用鈦的上述兩種結(jié)構(gòu)的不同特點,添加適當?shù)暮辖鹪?,使其相變溫度及相分含量逐漸改變而得到不同組織的鈦合金(titanium alloys)。室溫下,鈦合金有三種基體組織,鈦合金也就分為以下三類:α合金,(α+β)合金和β合金。中國分別以TA、TC、TB表示。
α鈦合金
它是α相固溶體組成的單相合金,不論是在一般溫度下還是在較高的實際應(yīng)用溫度下,均是α相,組織穩(wěn)定,耐磨性高于純鈦,抗氧化能力強。在500℃~600℃的溫度下,仍保持其強度和抗蠕變性能,但不能進行熱處理強化,室溫強度不高。
β鈦合金
它是β相固溶體組成的單相合金,未熱處理即具有較高的強度,淬火、時效后合金得到進一步強化,室溫強度可達1372~1666 MPa;但熱穩(wěn)定性較差,不宜在高溫下使用。
α+β鈦合金
它是雙相合金,具有良好的綜合性能,組織穩(wěn)定性好,有良好的韌性、塑性和高溫變形性能,能較好地進行熱壓力加工,能進行淬火、時效使合金強化。熱處理后的強度約比退火狀態(tài)提高50%~100%;高溫強度高,可在400℃~500℃的溫度下長期工作,其熱穩(wěn)定性次于α鈦合金。
三種鈦合金中最常用的是α鈦合金和α+β鈦合金;α鈦合金的切削加工性最好,α+β鈦合金次之,β鈦合金最差。α鈦合金代號為TA,β鈦合金代號為TB,α+β鈦合金代號為TC。
鈦合金按用途可分為耐熱合金、高強合金、耐蝕合金(鈦-鉬,鈦-鈀合金等)、低溫合金以及特殊功能合金(鈦-鐵貯氫材料和鈦-鎳記憶合金)等。典型合金的成分和性能見表。
熱處理 鈦合金通過調(diào)整熱處理工藝可以獲得不同的相組成和組織。一般認為細小等軸組織具有較好的塑性、熱穩(wěn)定性和疲勞強度;針狀組織具有較高的持久強度、蠕變強度和斷裂韌性;等軸和針狀混合組織具有較好的綜合性能。
性能
鈦是一種新型金屬,鈦的性能與所含碳、氮、氫、氧等雜質(zhì)含量有關(guān),最純的碘化鈦雜質(zhì)含量不超過0.1%,但其強度低、塑性高。99.5%工業(yè)純鈦的性能為:密度ρ=4.5g/立方厘米,熔點為1725℃,導(dǎo)熱系數(shù)λ=15.24W/(m.K),抗拉強度σb=539MPa,伸長率δ=25%,斷面收縮率ψ=25%,彈性模量E=1.078×105MPa,硬度HB195。
強度高
鈦合金的密度一般在4.51g/立方厘米左右,僅為鋼的60%,純鈦的密度才接近普通鋼的密度,一些高強度鈦合金超過了許多合金結(jié)構(gòu)鋼的強度。因此鈦合金的比強度(強度/密度)遠大于其他金屬結(jié)構(gòu)材料,見表7-1,可制出單位強度高、剛性好、質(zhì)輕的零部件。飛機的發(fā)動機構(gòu)件、骨架、蒙皮、緊固件及起落架等都使用鈦合金。
熱強度高
使用溫度比鋁合金高幾百度,在中等溫度下仍能保持所要求的強度,可在450~500℃的溫度下長期工作這兩類鈦合金在150℃~500℃范圍內(nèi)仍有很高的比強度,而鋁合金在150℃時比強度明顯下降。鈦合金的工作溫度可達500℃,鋁合金則在200℃以下。
抗蝕性好
鈦合金在潮濕的大氣和海水介質(zhì)中工作,其抗蝕性遠優(yōu)于不銹鋼;對點蝕、酸蝕、應(yīng)力腐蝕的抵抗力特別強;對堿、氯化物、氯的有機物品、硝酸、硫酸等有優(yōu)良的抗腐蝕能力。但鈦對具有還原性氧及鉻鹽介質(zhì)的抗蝕性差。
低溫性能好
鈦合金在低溫和超低溫下,仍能保持其力學(xué)性能。低溫性能好,間隙元素極低的鈦合金,如TA7,在-253℃下還能保持一定的塑性。因此,鈦合金也是一種重要的低溫結(jié)構(gòu)材料。
化學(xué)活性大
鈦的化學(xué)活性大,與大氣中O、N、H、CO、CO2、水蒸氣、氨氣等產(chǎn)生強烈的化學(xué)反應(yīng)。含碳量大于0.2%時,會在鈦合金中形成硬質(zhì)TiC;溫度較高時,與N作用也會形成TiN硬質(zhì)表層;在600℃以上時,鈦吸收氧形成硬度很高的硬化層;氫含量上升,也會形成脆化層。吸收氣體而產(chǎn)生的硬脆表層深度可達0.1~0.15 mm,硬化程度為20%~30%。鈦的化學(xué)親和性也大,易與摩擦表面產(chǎn)生粘附現(xiàn)象。
導(dǎo)熱彈性小
鈦的導(dǎo)熱系數(shù)λ=15.24W/(m.K)約為鎳的1/4,鐵的1/5,鋁的1/14,而各種鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)比鈦的導(dǎo)熱系數(shù)約下降50%。鈦合金的彈性模量約為鋼的1/2,故其剛性差、易變形,不宜制作細長桿和薄壁件,切削時加工表面的回彈量很大,約為不銹鋼的2~3倍,造成刀具后刀面的劇烈摩擦、粘附、粘結(jié)磨損。
用途
鈦合金具有強度高而密度又小,機械性能好,韌性和抗蝕性能很好。另外,鈦合金的工藝性能差,切削加工困難,在熱加工中,非常容易吸收氫氧氮碳等雜質(zhì)。還有抗磨性差,生產(chǎn)工藝復(fù)雜。鈦的工業(yè)化生產(chǎn)是1948年開始的。航空工業(yè)發(fā)展的需要,使鈦工業(yè)以平均每年約 8%的增長速度發(fā)展。世界鈦合金加工材年產(chǎn)量已達4萬余噸,鈦合金牌號近30種。使用最廣泛的鈦合金是Ti-6Al-4V(TC4),Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和工業(yè)純鈦(TA1、TA2和TA3)。
鈦合金主要用于制作飛機發(fā)動機壓氣機部件,其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機的結(jié)構(gòu)件。60年代中期,鈦及其合金已在一般工業(yè)中應(yīng)用,用于制作電解工業(yè)的電極,發(fā)電站的冷凝器,石油精煉和海水淡化的加熱器以及環(huán)境污染控制裝置等。鈦及其合金已成為一種耐蝕結(jié)構(gòu)材料。此外還用于生產(chǎn)貯氫材料和形狀記憶合金等。
中國于1956年開始鈦和鈦合金研究;60年代中期開始鈦材的工業(yè)化生產(chǎn)并研制成TB2合金。
鈦合金是航空航天工業(yè)中使用的一種新的重要結(jié)構(gòu)材料,比重、強度和使用溫度介于鋁和鋼之間,但比鋁、鋼強度高并具有優(yōu)異的抗海水腐蝕性能和超低溫性能。1950年美國首次在F-84戰(zhàn)斗轟炸機上用作后機身隔熱板、導(dǎo)風罩、機尾罩等非承力構(gòu)件。60年代開始鈦合金的使用部位從后機身移向中機身、部分地代替結(jié)構(gòu)鋼制造隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構(gòu)件。鈦合金在軍用飛機中的用量迅速增加,達到飛機結(jié)構(gòu)重量的20%~25%。70年代起,民用機開始大量使用鈦合金,如波音747客機用鈦量達3640公斤以上。馬赫數(shù)大于 2.5的飛機用鈦主要是為了代替鋼,以減輕結(jié)構(gòu)重量。又如,美國SR-71 高空高速偵察機(飛行馬赫數(shù)為3,飛行高度26212米),鈦占飛機結(jié)構(gòu)重量的93%,號稱“全鈦”飛機。當航空發(fā)動機的推重比從4~6提高到8~10,壓氣機出口溫度相應(yīng)地從200~300°C增加到500~600°C時,原來用鋁制造的低壓壓氣機盤和葉片就必須改用鈦合金,或用鈦合金代替不銹鋼制造高壓壓氣機盤和葉片,以減輕結(jié)構(gòu)重量。70年代,鈦合金在航空發(fā)動機中的用量一般占結(jié)構(gòu)總重量的20%~30%,主要用于制造壓氣機部件,如鍛造鈦風扇、壓氣機盤和葉片、鑄鈦壓氣機機匣、中介機匣、軸承殼體等。航天器主要利用鈦合金的高比強度,耐腐蝕和耐低溫性能來制造各種壓力容器、燃料貯箱、緊固件、儀器綁帶、構(gòu)架和火箭殼體。人造地球衛(wèi)星、登月艙、載人飛船和航天飛機 也都使用鈦合金板材焊接件。
存在問題
鈦合金具有質(zhì)量輕、比強度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點,故被廣泛應(yīng)用在汽車工業(yè)中,應(yīng)用鈦合金最多的是汽車發(fā)動機系統(tǒng)。利用鈦合金制造發(fā)動機零件有很多好處。
鈦合金的密度低,可以降低運動零件的慣性質(zhì)量,同時鈦氣門彈簧可以增加自由振動,減弱車身的振顫,提高發(fā)動機的轉(zhuǎn)速及輸出功率。
減小運動零件的慣性質(zhì)量,從而使摩擦力減小,提高發(fā)動機的燃油效率。選擇鈦合金可以減輕相關(guān)零件的負載應(yīng)力,縮小零件的尺寸,從而使發(fā)動機及整車的質(zhì)量減輕。零部件慣性質(zhì)量的降低,使得振動和噪聲減弱,改善發(fā)動機的性能。 鈦合金在其他部件上的應(yīng)用可提高人員的舒適度和汽車的美觀等。在汽車工業(yè)上的應(yīng)用,鈦合金在節(jié)能降耗方面起到了不可估量的作用。
鈦合金零部件盡管具有如此優(yōu)越的性能,但距鈦及其合金普遍應(yīng)用在汽車工業(yè)中還有很大的距離,原因包括價格昂貴、成形性不好及焊接性能差等問題。
阻礙鈦合金普遍應(yīng)用于汽車工業(yè)的最主要原因還是成本過高。
無論是金屬最初的冶煉還是后續(xù)的加工,鈦合金的價格都遠遠高于其他金屬。汽車工業(yè)能夠接受的鈦制零件成本,用連桿鈦材8~13美元/kg,氣閥用鈦材13~20美元/kg,彈簧、發(fā)動機排氣系統(tǒng)及緊固件用鈦材希望在8美元/kg以下。是鋁板材的6~15倍,鋼板材的45~83倍。
熱處理
常用的熱處理方法有退火、固溶和時效處理。退火是為了消除內(nèi)應(yīng)力、提高塑性和組織穩(wěn)定性,以獲得較好的綜合性能。通常α合金和(α+β)合金退火溫度選在(α+β)─→β相轉(zhuǎn)變點以下120~200℃;固溶和時效處理是從高溫區(qū)快冷,以得到馬氏體α′相和亞穩(wěn)定的β相,然后在中溫區(qū)保溫使這些亞穩(wěn)定相分解,得到α相或化合物等細小彌散的第二相質(zhì)點,達到使合金強化的目的。通常(α+β)合金的淬火在(α+β)─→β相轉(zhuǎn)變點以下40~100℃進行,亞穩(wěn)定β合金淬火在(α+β)─→β相轉(zhuǎn)變點以上40~80℃進行。時效處理溫度一般為450~550℃。
總結(jié),鈦合金的熱處理工藝可以歸納為:
(1)消除應(yīng)力退火:目的是為消除或減少加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。防止在一些腐蝕環(huán)境中的化學(xué)侵蝕和減少變形。
(2)完全退火:目的是為了獲得好的韌性,改善加工性能,有利于再加工以及提高尺寸和組織的穩(wěn)定性。
(3)固溶處理和時效:目的是為了提高其強度,α鈦合金和穩(wěn)定的β鈦合金不能進行強化熱處理,在生產(chǎn)中只進行退火。α+β鈦合金和含有少量α相的亞穩(wěn)β鈦合金可以通過固溶處理和時效使合金進一步強化。
此外,為了滿足工件的特殊要求,工業(yè)上還采用雙重退火、等溫退火、β熱處理、形變熱處理等金屬熱處理工藝。
切削特點
鈦合金的硬度大于HB350時切削加工特別困難,小于HB300時則容易出現(xiàn)粘刀現(xiàn)象,也難于切削。但鈦合金的硬度只是難于切削加工的一個方面,關(guān)鍵在于鈦合金本身化學(xué)、物理、力學(xué)性能間的綜合對其切削加工性的影響。鈦合金有如下切削特點:
(1)變形系數(shù)?。哼@是鈦合金切削加工的顯著特點,變形系數(shù)小于或接近于1。切屑在前刀面上滑動摩擦的路程大大增大,加速刀具磨損。
(2)切削溫度高:由于鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)很小(只相當于45號鋼的1/5~1/7),切屑與前刀面的接觸長度極短,切削時產(chǎn)生的熱不易傳出,集中在切削區(qū)和切削刃附近的較小范圍內(nèi),切削溫度很高。在相同的切削條件下,切削溫度可比切削45號鋼時高出一倍以上。
(3)單位面積上的切削力大:主切削力比切鋼時約小20%,由于切屑與前刀面的接觸長度極短,單位接觸面積上的切削力大大增加,容易造成崩刃。同時,由于鈦合金的彈性模量小,加工時在徑向力作用下容易產(chǎn)生彎曲變形,引起振動,加大刀具磨損并影響零件的精度。因此,要求工藝系統(tǒng)應(yīng)具有較好的剛性。
(4)冷硬現(xiàn)象嚴重:由于鈦的化學(xué)活性大,在高的切削溫度下,很容易吸收空氣中的氧和氮形成硬而脆的外皮;同時切削過程中的塑性變形也會造成表面硬化。冷硬現(xiàn)象不僅會降低零件的疲勞強度,而且能加劇刀具磨損,是切削鈦合金時的一個很重要特點。
(5)刀具易磨損:毛坯經(jīng)過沖壓、鍛造、熱軋等方法加工后,形成硬而脆的不均勻外皮,極易造成崩刃現(xiàn)象,使得切除硬皮成為鈦合金加工中最困難的工序。另外,由于鈦合金對刀具材料的化學(xué)親和性強,在切削溫度高和單位面積上切削力大的條件下,刀具很容易產(chǎn)生粘結(jié)磨損。車削鈦合金時,有時前刀面的磨損甚至比后刀面更為嚴重;進給量f<0.1 mm/r時,磨損主要發(fā)生在后刀面上;當f>0.2 mm/r時,前刀面將出現(xiàn)磨損;用硬質(zhì)合金刀具精車和半精車時,后刀面的磨損以VBmax<0.4 mm較合適。
在銑削加工中,由于鈦合金材料的導(dǎo)熱系數(shù)低,而且切屑與前刀面的接觸長度極短,切削時產(chǎn)生的熱不易傳出,集中在切削變形區(qū)和切削刃附近的較小范圍內(nèi),加工時切削刃刃口處會產(chǎn)生極高的切削溫度,將大大縮短刀具壽命。對于鈦合金Ti6Al4V來說,在刀具強度和機床功率允許的條件下,切削溫度的高低是影響刀具壽命的關(guān)鍵因素,而并非切削力的大小。
刀具材料
切削加工鈦合金應(yīng)從降低切削溫度和減少粘結(jié)兩方面出發(fā),選用紅硬性好、抗彎強度高、導(dǎo)熱性能好、與鈦合金親和性差的刀具材料,YG類硬質(zhì)合金比較合適。由于高速鋼的耐熱性差,因此應(yīng)盡量采用硬質(zhì)合金制作的刀具。常用的硬質(zhì)合金刀具材料有YG8、YG3、YG6X、YG6A、813、643、YS2T和YD15等。
涂層刀片和YT類硬質(zhì)合金會與鈦合金產(chǎn)生劇烈的親和作用,加劇刀具的粘結(jié)磨損,不宜用來切削鈦合金;對于復(fù)雜、多刃刀具,可選用高釩高速鋼(如W12Cr4V4Mo)、高鈷高速鋼(如W2Mo9Cr4VCo8)或鋁高速鋼(如W6Mo5Cr4V2Al、M10Mo4Cr4V3Al)等刀具材料,適于制作切削鈦合金的鉆頭、鉸刀、立銑刀、拉刀、絲錐等刀具。
采用金剛石和立方氮化硼作刀具切削鈦合金,可取得顯著效果。如用天然金剛石刀具在乳化液冷卻的條件下,切削速度可達200 m/min;若不用切削液,在同等磨損量時,允許的切削速度僅為100m/min。
注意事項
在切削鈦合金的過程中,應(yīng)注意的事項有:
(1)由于鈦合金的彈性模量小,工件在加工中的夾緊變形和受力變形大,會降低工件的加工精度;工件安裝時夾緊力不宜過大,必要時可增加輔助支承。
(2)如果使用含氫的切削液,切削過程中在高溫下將分解釋放出氫氣,被鈦吸收引起氫脆;也可能引起鈦合金高溫應(yīng)力腐蝕開裂。
(3)切削液中的氯化物使用時還可能分解或揮發(fā)有毒氣體,使用時宜采取安全防護措施,否則不應(yīng)使用;切削后應(yīng)及時用不含氯的清洗劑徹底清洗零件,清除含氯殘留物。
(4)禁止使用鉛或鋅基合金制作的工、夾具與鈦合金接觸,銅、錫、鎘及其合金也同樣禁止使用。
(5)與鈦合金接觸的所有工、夾具或其他裝置都必須潔凈;經(jīng)清洗過的鈦合金零件,要防止油脂或指印污染,否則以后可能造成鹽(氯化鈉)的應(yīng)力腐蝕。
(6)一般情況下切削加工鈦合金時,沒有發(fā)火危險,只有在微量切削時,切下的細小切屑才有發(fā)火燃燒現(xiàn)象。為了避免火災(zāi),除大量澆注切削液之外,還應(yīng)防止切屑在機床上堆積,刀具用鈍后立即進行更換,或降低切削速度,加大進給量以加大切屑厚度。若一旦著火,應(yīng)采用滑石粉、石灰石粉末、干砂等滅火器材進行撲滅,嚴禁使用四氯化碳、二氧化碳滅火器,也不能澆水,因為水能加速燃燒,甚至導(dǎo)致氫爆炸。
缺點
鈦及鈦合金主要限制是在高溫與其它材料的化學(xué)反應(yīng)性差。此性質(zhì)迫使鈦合金與一般傳統(tǒng)的精煉、熔融和鑄造技術(shù)不同,甚至經(jīng)常造成模具的損壞;結(jié)果,使的鈦合金的價格變的十分昂貴。因此它們剛開始大多用在飛機結(jié)構(gòu)、航空器,以及用在石油和化學(xué)工業(yè)等高科技工業(yè)。不過由于太空科技的發(fā)達、人民生活質(zhì)量的提升,所以鈦合金也漸漸地用來制成民生用品,造福人民的生活,只是這些產(chǎn)品價格仍然偏高,多屬于高價位的產(chǎn)品,這是鈦合金無法發(fā)揚光大的最大的致命傷。