航空钛合金材料为什么这么牛?

Mar 16 2015 点击:547

一、钛的简介

  1948年美国杜邦公司才用镁法成吨生产海绵钛——这标志着海绵钛即钛工业化生产的开始。而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。

钛在地壳中含量较丰富,含量排第九位,远高于铜、锌、锡等常见金属。钛广泛存在于许多岩石中,特别是砂石和粘土中。

二、钛的特性

      强度高:是铝合金的1.3倍,镁合金的1.6倍,不锈钢的3.5倍,金属材料中的冠军。

  热强度高:使用温度比铝合金高几百度,可在450~500℃的温度下长期工作。

  抗蚀性好:耐酸、耐碱、耐大气腐蚀,对点蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强。

  低温性能好:间隙元素极低的钛合金TA7,在-253℃下还能保持一定的塑性。

  化学活性大:高温时化学活性很高,轻易与空气中的氢、氧等气体杂质发生化学反应,生成硬化层。

  导热系数小、弹性模量小:导热系数约为镍的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。

三、钛合金的分类及用途

  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。

      尽管钛及其合金应用的历史不长,但由于它那超众的性能,已经获得了多个光荣称号。首先荣获的称号就是“空间金属”。它重量轻、强度大又耐高温,特别适于制造飞机和各种航天器。目前世界上生产的钛及钛合金,大约有四分之三都用于航空航天工业。许多原来用铝合金的部件,都改用了钛合金。

四、钛合金的航空应用

  钛合金主要用于飞机及发动机的制造材料,如锻造钛风扇、压气机盘和叶片、发动机罩、排气装置等零件以及飞机的大梁隔框等结构框架件。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。

  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。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公斤以上占机重28%。随着加工工艺技术的发展,在火箭、人造卫星和宇宙飞船上,也用了大量的钛合金。

     飞机越先进,使用的钛越多。美国F—14A战斗机使用的钛合金,约占机重的25%;F—15A战斗机为25.8%;美国第四代战斗机用钛量为41%,其F119发动机用钛量为39%,是目前用钛量最高的飞机。


五、钛合金在航空中被大量应用的原因

  现代飞机的航行最高时速已达到音速的2.7倍以上。这么快的超音速飞行,会使飞机与空气摩擦而产生大量的热。当飞行速度达到音速的2.2倍时,铝合金就经受不住了。必须采用耐高温的钛合金。

      当航空发动机的推重比从4~6提高到8~10,压气机出口温度相应地从200~300℃增加到500~600℃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。

      近年来科学家们对钛合金性能的研究工作,不断取得新的进展。原来由钛、铝、钒组成的钛合金,最高工作温度为550℃~600℃,而新研制的钛化铝(TiAl)合金,最高工作温度已提高到1040℃。

      用钛合金代替不锈钢制造高压压气机盘和叶片,可以减轻结构重量。飞机每减轻重10%,可节省燃料4%。对火箭来说,每减轻1kg的重量,就可增加15km的射程。


钛合金材料飞机起落架零件

六、钛合金机加工特性分析

  首先,钛合金导热系数低,仅是钢的1/4,铝的1/13,铜的1/25。因切削区散热慢,不利于热平衡,在切削加工过程中,散热和冷却效果很差,易于在切削区形成高温,加工后零件变形回弹大,造成切削刀具扭矩增大、刃口磨损快,耐用度降低。

    其次,钛合金的导热系数低,使切削热积于切削刀附近的小面积区域内不易散发,前刀面摩擦力加大,不易排屑,切削热不易散发,加速刀具磨损。最后,钛合金化学活性高,在高温下加工易与刀具材料起反应,形成溶敷、扩散,造成粘刀、烧刀、断刀等现象。

七、加工中心加工钛合金特点

  加工中心可以多个零件同时加工,提高生产效率。

  提高零件的加工精度,产品一致性好。加工中心有刀具补偿功能,可以获得机床本身的加工精度。

  有广泛的适应性和较大的灵活性。如本零件的圆弧加工、倒角和过渡圆角。

  可以实现一机多能。加工中心可以进行铣削、钻孔、镗孔、攻丝等一系列加工。

  可以进行精确的成本计算,控制生产进度。

  不需要专用夹具,节约大量成本经费,缩短生产周期。

  大大减轻了工人的劳动强度。

  可以与UG等加工软件进行多轴加工。

八、刀具及冷却液材料的选择

 1、刀具材料选用应满足下列要求:

  足够的硬度。刀具的硬度必须要远大于钛合金硬度。

  足够的强度和韧性。由于刀具切削钛合金时承受很大的扭矩和切削力,因此必须有足够的强度和韧性。

  足够的耐磨性。由于钛合金韧性好,加工时切削刃要锋利,因此刀具材料必须有足够的抗磨损能力,这样才能减少加工硬化。这是选择加工钛合金刀具最重要的参数。

  刀具材料与钛合金亲合能力要差。由于钛合金化学活性高,因此要避免刀具材料和钛合金形成溶敷、扩散而成合金,造成粘刀、烧刀现象。

  经过对国内常用刀具材料和国外刀具材料进行试验表明,采用高钴刀具效果理想,钴的主要作用能加强二次硬化效果,提高红硬性和热处理后的硬度,同时具有较高的韧性、耐磨性、良好的散热性。

2、铣刀的几何参数

  钛合金的加工特性决定刀具的几何参数与普通刀具存在着较大区别。

  螺旋角β选择较小的螺旋升角,排屑槽增大,排屑容易,散热快,同时也减小切削加工过程中的切削抗力。

  前角γ切削时刃口锋利,切削轻快,避免钛合金产生过多切削热,从而避免产生二次硬化。

  后角α减小刀刃的磨损速度,有利于散热,耐用度也得到很大程度的提高。

3、切削参数选择

  钛合金机加工应选择较低的切削速度,适当大的进给量,合理的切深和精加工量,冷却要充分。

  切削速度VcVc=30~50m/min

  进给量f粗加工时取较大进给量,精加工和半精加工取适中的进给量。

  切削深度apap=1/3d为宜,钛合金亲合力好,排屑困难,切削深度太大,会造成刀具粘刀、烧刀、断裂现象。

  精加工余量αc适中钛合金表面硬化层约0.1~0.15mm,余量太小,刀刃切削在硬化层上,刀具容易磨损,应该避免硬化层加工,但切削余量不宜过大。

4、冷却液

  钛合金加工最好不用含氯的冷却液,避免产生有毒物质和引起氢脆,也能防止钛合金高温应力腐蚀开裂。

  选用合成水溶性乳化液,也可自配用冷却液。

  切削加工时冷却液要保证充足,冷却液循环速度要快,切削液流量和压力要大,加工中心都配有专用冷却喷嘴,只要注意调整就能达到预期的效果。

来自《金属加工》杂志