1、鈦合金的特點、應(yīng)用與分類
航空制造業(yè)通常是衡量一個國家制造水平高低的標準，是一個國家先進制造水平和技術(shù)實力的集中體現(xiàn)。自上個世紀五十年代以來，航空航天工業(yè)在迅猛發(fā)展。為了滿足先進尖端設(shè)備能夠在極端環(huán)境下的正常運行，先進材料也在探索發(fā)展，因此金屬鈦和鈦合金應(yīng)運而生。在 1910年，美國科學家 “亨特”使用“鈉法”制造出金屬鈦。隨后的幾十年發(fā)展里，對先進的制作鈦工藝也在摸索前進。但直到 1948 年，飛躍性的金屬鈦制備技術(shù)—“鎂法制鈦”才被盧森堡科學家提出。從此時開始，世界各國才開始大規(guī)模的使用和研究金屬鈦和鈦合金。
在現(xiàn)有的地球礦產(chǎn)資源儲備中，鈦元素在金屬材料儲備排序中排在第四位，僅次于鐵（Fe）、鋁（Al）和鎂（Mg）。相比較與鐵、鋁和鎂等元素，鈦和鈦合金具有優(yōu)秀的使用性能，其中典型的材料屬性有：
（1）比強度高（強度/密度），鈦合金的比強度約在 200-300。相比較于合金鋼，鈦合金的強度區(qū)間為 980-1300MPa，略小于合金鋼的 1250-1600MPa，但是由于鈦合金（4.5g/cm3）的密度約有合金鋼（7.9 g/cm3）的一半，相同體積下鈦合金質(zhì)量更輕，性能更好。
（2）熱強度和低溫性能好，目前低溫鈦合金可以在-253°C 環(huán)境下工作，并保持良好的使用性能，高溫鈦合金可以在 350°C—650°C 環(huán)境下服役使用。相比較其他材料，鈦合金在極端溫度下具有優(yōu)秀耐受性。
（3）抗腐蝕性能優(yōu)異，鈦元素在低于 550°C 的空氣中，易于空氣中的氧元素發(fā)生化學反應(yīng)，鈦合金表面會形成一種均勻的、致密的薄膜。這個薄膜可以有效地阻礙鈦元素與強酸、強堿和復雜環(huán)境下的其他元素發(fā)生化學反應(yīng)，維持鈦合金的穩(wěn)定性。鈦合金的抗腐蝕性均優(yōu)于常規(guī)不銹鋼等材料。
無磁、超導、彈性模量小和硬度較高等也是鈦合金的優(yōu)秀特性。
從上述可以看到，鈦合金是一種性能優(yōu)異，存儲豐富且研究還未成熟的年輕金屬。
結(jié)合這些優(yōu)點，從上 20 世紀 50 年代起，世界各國在先進工業(yè)領(lǐng)域就開始給予鈦合金足夠多的重視，加大了對新型鈦合金的制備和鈦合金的研究應(yīng)用。
目前在常溫狀態(tài)下，根據(jù)鈦合金的退火組織可將鈦合金主要分為以下 3 類：
（1）α 鈦合金，α 鈦合金是鈦元素與硼、鋁等元素相容后得到的。國內(nèi)的 α 鈦合金簡稱為 TA，其退火后微觀結(jié)構(gòu)呈密排六方體結(jié)構(gòu)。α 鈦合金的特點為高溫強度好，常溫強度低，抗氧化性和抗腐蝕性優(yōu)秀。
（2）β 鈦合金，鈦元素中加入一定量的鉻、鉬、釩等元素就可形成 β 鈦合金，β 鈦合金在國內(nèi)牌號為 TB，其退火后微觀結(jié)構(gòu)呈體心立方體結(jié)構(gòu)，并可進行熱處理強化。
（3）α+β 鈦合金，也稱兩相鈦合金。國內(nèi)的 α+β 鈦合金牌號為 TC，該材料結(jié)合了 α鈦合金和β鈦合金的優(yōu)點，可以進行熱處理，但焊接性能稍差于α鈦合金，綜合性能好。
常用各類代表性的鈦合金如下表 1 所示。
在上述部分內(nèi)容中討論了鈦合金棒、鈦合金管等鈦合金的性能和分類，作為年輕的太空金屬，鈦合金自發(fā)現(xiàn)開始，就逐漸成為重要的航空材料。在航空應(yīng)用方面，鈦合金主要集中在以下兩個部分。
（1）鈦合金在飛機上的應(yīng)用
美國、俄羅斯和中國等先進國家均在軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域?qū)︹伜辖鸬膽?yīng)用進行了研究。表 1.2 為各國飛機上鈦合金的使用占比。圖 1.1 為不同類型鈦合金在 F-22 猛禽戰(zhàn)斗機上的使用情況。結(jié)合表 1.2 和圖 1.1 可以看出，先進飛機上鈦合金的使用比例均很高，鈦合金的占比和飛機的性能成正比，同時也應(yīng)用在更多的飛機零部件上。在 21 世紀，衡量一個飛機是否先進，一個重要指標即為鈦合金的使用占比。我國鈦合金工業(yè)起步較晚，在鈦合金的應(yīng)用和應(yīng)用領(lǐng)域上仍有很大的進展。
（2）鈦合金在航空發(fā)動機上的使用
航空發(fā)動機是飛機的心臟部位，航空發(fā)動機運轉(zhuǎn)環(huán)境是高溫、高壓的極端情況。發(fā)動機的大部分關(guān)鍵零部件在運作過程中要承受極高的壓力和表面高溫（如：葉片）。因此在選擇使用材料時，要求材料能夠在 550°C-700°C 時，保持良好的高溫強度、高溫蠕變性和穩(wěn)定的化學性。在傳統(tǒng)的材料中，鋁合金耐高溫性差，并且鋼和其合金密度高，重量大，因此均不是最合適的材料選擇。同時衡量一個航空發(fā)動機是否優(yōu)秀的重要指標既是推重比，在 20 世紀早期，飛機的推重比均在 5 以下，但隨著工業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)階段飛機的推重比可達到 10 左右。隨著金屬鈦的出現(xiàn)和鈦合金優(yōu)秀性能的開發(fā)，鈦合金逐漸成為了航空發(fā)動機材料的最佳選擇。目前鈦合金在航空發(fā)動機上主要應(yīng)用部件有：燃燒室、發(fā)動機葉片、壓氣機盤和防火壁等，鈦合金在航空發(fā)動機上的使用比例也在升高，在我國早期 1978 年生產(chǎn)的渦噴-13 系列發(fā)動機上，鈦合金的使用比例僅為 13%。在后來 2002年生產(chǎn)的渦噴-14（昆侖）發(fā)動機上，使用比例為 15%。美國普惠公司在 1970 年生產(chǎn)的第三代 F100 發(fā)動機，其鈦合金使用比例為 25%。而在 1994 年生產(chǎn)的第四代 F119 發(fā)動機上，鈦合金的使用比例為 40%。表 1.3 為各國航空發(fā)動機在不同溫度下鈦合金的應(yīng)用選材情況。從表 1.3 可以看到鈦合金可以滿足航空發(fā)動機不同溫度區(qū)間下的使用需求。隨著工業(yè)的發(fā)展和航空產(chǎn)品的生產(chǎn)迭代，鈦合金在飛機和航空發(fā)動機中使用占比愈發(fā)提高。在同時期我國航空用鈦合金使用比例遠遠低于美國，在材料應(yīng)用與技術(shù)擴展上，仍有很大的進步空間。
2、 鈦合金加工存在的問題
在 1.1.1 節(jié)中討論可知，鈦合金是性能優(yōu)異的材料，十分適合應(yīng)用于極端環(huán)境。但同時鈦合金也屬于難加工材料，根據(jù)相對加工性準則，鈦合金的相對加工性僅有普通 45 鋼的 20%-40%。相比較于傳統(tǒng)金屬切削加工方面，鈦合金具有不同于傳統(tǒng)金屬（鋼、鋁合金和鎂合金）的加工特點。加工鈦合金主要有以下特點。
（1）導熱性差、熱傳導率低
鈦合金的導熱系數(shù)僅為λ=15.24 W/（m·K），約為鐵的 20%，遠低于鋁的導熱系數(shù)。
切削加工是一個穩(wěn)態(tài)的、長期的過程。鈦合金導熱系數(shù)差，熱傳導率低，加工時就會導致切削熱聚集在刀具刀尖的一部分小區(qū)域面積上。切削時刀尖此部分承受了切削熱總量的 80%-90%,這些集中的切削熱加劇了刀具的磨損，促進了刀具與工件表面之間的元素擴散和金屬的高溫相變，圖 1.2 為刀具因切削熱過大導致的磨損。
（2）彈性模量小、摩擦系數(shù)大。
鈦合金的彈性模量小，TC4 和 TC11 的彈性模量分別為 110GPa 和 123GPa，約為鋼材料的一半。材料的彈性模量小容易發(fā)生彈性變形，而鈦合金不僅彈性模量小，同時屈服比大。在切削過程中，第三變形區(qū)的工件表面會發(fā)生材料回彈，回彈后的材料會與刀具的后刀面相接觸，增大刀具后刀面的磨損。對比傳統(tǒng)材料切削，在切削鈦合金時，刀具與材料接觸面的摩擦系數(shù)更大，需要克服摩擦所做的功就越多，從而刀具-切屑接觸面的溫度升高，接觸面易于發(fā)生粘結(jié)磨損，材料剝落形成月牙灣。
（3）刀具與切屑接觸長度短，切削力大
相比較于鋼材料的切削，切削鈦合金時產(chǎn)生的主切削力小于切削鋼材產(chǎn)生的，主切削力約占鋼材的 2/3-3/4。但是對比兩者切削時的刀具-切屑接觸長度發(fā)現(xiàn)，鈦合金的接觸面積
很小，切削力主要集中在前刀面和刀尖的一小面積上，切削力大刀尖材料易剝落發(fā)生崩刃現(xiàn)象，從而刀具失效。圖 1.3 是切削力過大導致的刀具破壞失效。
（4）鈦合金硬度較低、化學活性高
鈦合金的化學性質(zhì)是很活潑的，在高溫和高壓的切削環(huán)境中易與空氣中的氧元素、氫元素等發(fā)生化學反應(yīng)，從而在加工過程中形成表面硬化層。提高了鈦合金的硬度，阻礙刀具的切削，使得鈦合金的塑性降低。切削過程中化學性能活潑，刀具和工件間元素易發(fā)生置換和轉(zhuǎn)移，使得刀具表面材料發(fā)生改變，影響切削穩(wěn)定性，促進了刀具磨損。
（5）切屑問題
在加工鈦合金的過程中，鈦合金的切屑呈絮狀，類似于棉花，纏繞在刀尖和工件附近。在切削加工時需要往刀尖加工部位注入冷卻液，冷卻液可以及時帶走切削過程的產(chǎn)熱。結(jié)合鈦合金的切削特點和實際加工過程，不難可以為實際加工做出指導性建議，即切削液應(yīng)盡可能的噴在刀尖加工區(qū)域，同時在發(fā)生切屑纏繞時，應(yīng)及時的清理切屑，以免因切削熱量無法及時散出而導致刀具破壞。圖 1.4 時切削鈦合金產(chǎn)生的切屑。
3、常用鈦合金加工刀具
加工鈦合金的刀具主要分為以下幾種。
（1）高速鋼刀具
高速鋼刀具是指含有較多鎢（W）、鉻（Cr）、鉬（Mo）和釩（V）等材料元素的合金刀具，一般高速鋼刀具具有硬度較低、紅硬性較差和熱導率低的特點。只有部分高速鋼刀具牌號可以用來進行鈦合金切削，但整體應(yīng)用面窄，適用于切削的有：高釩高速鋼、鈷高速鋼和鋁高速鋼等。對高速鋼刀具組成成分功能分析，含 Co的高速鋼刀具使用壽命較長于其他刀具，主要原因為鈷元素（Co）的添加可以增加刀具的硬度、耐磨性和導熱性。盡管鈷元素可以提高高速鋼刀具的切削性能，但也難以保證長時間切削的加工精度和加工穩(wěn)定性。在高溫高壓的切削過程中，高速鋼刀具中的 W、V 等元素易于鈦合金材料中的元素發(fā)生粘結(jié)—擴散磨損。因此結(jié)合高速鋼刀具的切削性能和使用成本，高速鋼刀具通常應(yīng)用于低速加工和粗加工鈦合金階段。
（2）硬質(zhì)合金刀具
硬質(zhì)合金刀具是使用粉末冶金工藝將金屬碳化物和粘結(jié)劑燒結(jié)制成。硬質(zhì)合金刀具耐用性好、加工性能穩(wěn)定，是目前主流的加工鈦合金的刀具材料。在粉末冶金工藝中，晶粒尺寸影響著硬質(zhì)合金刀具的使用性能。常規(guī)的硬質(zhì)合金刀具，其晶粒尺寸在幾μm之間。對于精密切削用的硬質(zhì)合金刀具其晶粒尺寸可達 1μm 左右。燒結(jié)過程中減小晶粒尺寸，可以提高晶粒間的相互結(jié)合力，晶粒粘結(jié)更敦實，整體性能更均勻，耐磨性和硬度均優(yōu)于粗晶粒制備的刀具。按照組成成分可將硬質(zhì)合金刀具主要分為以下三類：鎢鈷類（YG類）、鎢鈦鈷類（YT類）和添加稀有金屬碳化物類。根據(jù)鈦合金的切削特點，常用鎢鈷類硬質(zhì)合金刀具來加工鈦合金，不常用鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金刀具。這是由于在鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金刀具中存有一定量的鈦元素（TiC），在高溫高壓的切削條件下，刀具和工件中的鈦元素易發(fā)生粘結(jié)—擴散磨損，使得刀具過早的產(chǎn)生磨損失效，并且鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金相比較于鎢鈷類硬質(zhì)合金材料較脆，在切削過程中，刀具容易發(fā)生刀尖崩壞等非正常磨損失效。鎢鈷類硬質(zhì)合金刀具的抗彎強度、韌性和硬度均優(yōu)于鎢鈦鈷類，刀具能夠承受一定量的沖擊和振動，可減少在切削過程中刀具的非正常磨損破壞，延長服役時間，降低刀具使用成本。鎢鈷類刀具導熱性好，有利于降低切削溫度，鈷含量愈高，則刀具韌性愈好，適用于精密加工。常用的鎢鈷類硬質(zhì)合金刀具牌號有：YG6X、YG8、YG3 和 YG3X。
（3）超硬刀具材料
超硬刀具是新興的應(yīng)用于鈦合金管、鈦合金板等鈦合金加工的刀具材料，在鈦合金的加工領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。超硬刀具材料種類主要包括：立方氮化硼刀具（CBN）、聚晶立方氮化硼刀具（PCBN）和金剛石刀具。目前的我國超硬刀具材料主要應(yīng)用于民用領(lǐng)域和非金屬切削領(lǐng)域，其中金剛石刀具主要用于非鐵材料的加工。金剛石主要分為：天然單晶金剛石、人造聚晶金剛石和金剛石燒結(jié)體這三種。國外學者[17]已經(jīng)使用聚晶金剛石刀具（PCD）高速切削鈦合金，優(yōu)化了切削參數(shù)，得出了最優(yōu)組。超硬刀具材料的硬度高，熱導率高散熱性能好，能夠有效的應(yīng)用于鈦合金的精加工和高速加工方面。但是受約束于超硬刀具材料的應(yīng)用成本，使得超硬刀具材料無法大范地在車間生產(chǎn)過程中使用。英國學者Farhad Nabhani[18]對比分析了 PCD 刀具、CBN 刀具和 KC850 硬質(zhì)合金刀具在切削鈦合金時的刀具壽命問題，實驗表明 PCD 刀具的使用壽命是 CBN 刀具的兩倍以上，是 KC850刀具的三倍以上，相比之下 PCD 刀具是適合鈦合金加工的。
總而言之，在選擇刀具進行鈦合金材料切削時，主要以硬質(zhì)合金刀具材料為主，部分高速鋼刀具可以用來進行毛坯加工和粗加工。在不考慮刀具使用成本的前提下，超硬刀具材料更適合應(yīng)用于精密和超精密加工。表 1.4 為各類刀具材料的力學性能。
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