马辉

摘 要：通过此次研制对材料的加工性能从理论知识和实际两个方面有了更深的了解，拓宽了解决实际问题的思路，对钛合金铸件有了一定的了解，掌握了一些加工技术，对车削、铣削、热处理、化学镀镍等工种有了进一步的认识，积累了一定的经验，对加工中出现的问题，提出了具体的有效的解决方法。在此基础上确定了合理的工艺路线，不断探索，持续发展。

关键词：研制；性能；工艺路线；改进

一 绪论

钛合金分为三类，即α钛合金、β钛合金和（α+β）钛合金。

α钛合金是α相固溶体组成的单相合金，主要加入了α稳定元素，如Al、Ca、Ce为稳定α相的置换性元素，O、C为稳定α相的间隙性元素。α钛合金的耐热性高于纯钛，抗氧化能力强，组织稳定；在500～600°C温度下，强度及抗蠕变能力高，但不能进行热处理强化，其典型牌号有TA7、TA8等，较易进行切削加工。

β钛合金是β相固溶体组成的单相合金，主要加入了β稳定元素，如V、Mo、Nb、Ta等元素溶入β相中。这类合金在加热到β相区淬火后，能保持β相同溶体组织。未经热处理即具有较高的强度。淬火、时效后使合金得到进一步强化。但其热稳定较差，切削加工性差，其典型牌号有TB1、TB2。

（α+β）钛合金由α和β双相组成，既添加有α稳定元素，也添加有β稳定元素，如Cr、Co、Fe、Ni、Mn等β共析性元素，可稳定β相。Sn、Zr两种元素在α和β相中都具有相当大的固溶性，是有效的强化剂。这类合金组织稳定，高温变形性能好，韧性、塑性好，能进行淬火、时效使合金强化，热处理后的强度比退火状态提高50%～100%，高温强度也高，可在400～500°C温度下长期工作，热稳定性仅次于α钛合金，切削加工性能优于β钛合金，其典型牌号有TC1、TC4、TC9等。

二 钛合金性能特点

钛合金性能特点如下：

1、钛合金密度小，强度高，其比强度大于超高强度钢

2、钛合金热稳定性好，高温强度高。在300～500°C温度下，其强度约比铝合金高10倍

3、钛合金在潮湿大气和海水介质中工作，其抗腐蚀性远优于不锈钢，对点湿、酸湿、应力腐蚀的抵抗力很强。对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等优越的抗腐蚀能力，但钛合金对具有还原性氧及铬盐介质的抗腐蚀能力差。

4、钛的化学活性大，与大气中的O、N、H、Co、CO2、水蒸氣、氨气等产生强烈的化学反应。含碳量（质量分数）>0.2%时，会在钛合金中形成TiC。温度较高时，与N作用，也会形成TiN硬质表层。600°C以上，钛吸收O，形成硬度很高的硬化层。H含量上升，会形成脆化层

5、钛的热导率λ低，约为Ni的1/4，Fe的1/5，Al的1/14；钛合金的热导率更低，一般约为钛的50%，如TC4的λ=0.019，TC9的λ=0.017

6、钛的弹性模量为107800MPa，约为钢的1/2

三 钛合金的切削加工

（一）钛合金的切削加工特点

1、变形系数小于1或接近于1，切削在前刀面上滑动摩擦的路程增大，加速刀具磨损，这是加工钛合金时的一个显著特点。

2、切削温度在相同的切削条件下，TC4比45号钢高出一倍以上，主要是由于钛合金的热导率低，刀具与切屑的接触长度短，使切削热积于切削刃附近的小面积内而不易散发所引起的。

3、主切削力比一般结构钢小20%左右。但由于刀具与切屑的接触长度短，使单位接触面积上的切削力大大增加，容易造成崩刃。

4、由于钛的化学活性大，易与各种气体杂质产生强烈的化学反应，如O、N、H、C等侵入钛合金的切削表层，导致表层的硬度及脆性上升。其他尚有TiC、TiN硬质表层的形成；在高温时形成表层组织α化层以及氢脆层等表面变质污染层。造成了表层组织不均，产生局部应力集中，降低了零件的疲劳强度。切削过程中也严重损伤刀具，产生缺口、崩刃、剥落等现象。

5、由于钛的亲和性大，切削温度高，刀具与切削单位接触面积上的压力大，易产生回弹等众多因素的综合影响，切削时，钛屑及被切表层易与刀具材料咬合，产生严重的粘刀现象，引起剧烈的粘结磨损。

（二）加工钛合金的刀具选择

切削加工钛合金常用刀具材料，以高速钢和硬质合金为主，高速钢宜选用含钴、含铝、含钒的高速钢；硬质合金应选用钨钴类（或含有少量其他碳化物）硬质合金。涂层刀片和钨钛钴类硬质合金不宜使用。

（三）切削参数的选择

1、钛合金车削

车削钛合金时应考虑到钛合金切削温度高，要慎重选择切削速度和进给量，力求使切削温度接近最佳切削温度。高速钢刀具切削钛合金时的最佳切削温度约为480～540°C，硬质合金约为650～750°C。此外，还应注意在钛合金车削过程中的变形、热变形和刀具磨损将影响车削加工精度。

2、钛合金的铣削

铣削钛合金时，宜采用顺铣。顺铣时，由于刀齿切出时的切屑很薄，不易粘结在切削刃上。而逆铣时正相反，容易粘屑，当刀齿二次切入时，切屑被碰断，产生刀具材料剥落崩刃。但顺铣时，由于钛合金弹性模量小，造成让刀现象，因此，要求机床和刀具具有较大的刚性。铣削时，刀具与切削接触长度小，不易卷屑，要求刀具具有较好的刀齿强度及较大的容屑空间，切屑堵塞会造成刀具剧烈磨损。

3、钛合金的钻削

钛合金钻削

1）小孔钻削（非深孔钻削）

钛合金小孔钻削宜采用四刃带麻花钻，为了加强小直径钻头的刚性，将钻头作出四条导向刃带，以加大截面惯性矩，提高刚性。四刃钻头的寿命比标准钻头高2.5～3倍，还可降低钻头折断次数。在四刃钻头上自然的形成二条辅助冷却槽。加注切削液后，切削区温度比标准钻头降低15%～20%

2）深孔钻削

钻削L/D>5以上的深孔时，一般采用焊接式硬质合金枪钻，可以取得良好的钻削效果。

四 钛合金磨削

（一）钛合金磨削特点

1、生产率低，在保证零件所要求的零件加工质量的条件下，难以获得较高的生产率。磨削时砂轮容易变钝失效，磨削比很低，在相同磨削条件下磨削TC4的磨削比只有1.53，而45号钢为71.5

2、磨削温度高

钛合金磨削时滑擦过程所占比重大，产生强烈的摩擦、急剧的弹性、塑性变形和大量的热量，致使磨削区温度很高。在相同条件下，磨削TC9的磨削温度为45号钢的1.5～2倍，最高可达1000°C

3、磨削力大

磨削钛合金时，和一般磨削规律一样，径向力大于切削力，但磨削力比45号钢大30%左右

4、砂轮磨损失效

磨削钛合金时，除粘结，扩散之外，钛合金还与磨粒起化學作用，加速砂轮的磨损过程

（二）钛合金磨削时的砂轮选择

1、磨料：绿碳化硅及铈碳化硅磨料与钛合金粘附较轻，砂轮不易堵塞，效果较好。金刚石和立方氮化硼超硬磨料对钛合金稳定性好，效果也较好

（三）磨削液选择原则

1、要求磨削液具有冷却、润滑和冲洗作用

2、要具有抑制钛与磨料的粘附作用和化学作用

3、钛合金磨削温度高，钛屑易燃，在使用油剂磨削液时，要防发生火灾。

4、建议使用亚硝酸钾溶液、亚硝酸钾和甲酸钠溶液，亚硝酸钠溶液、亚硝酸钠和甲酸钠溶液，亚硝酸氨溶液或高氯化油等

五 总结

通过此次研制对材料的加工性能从理论知识和实际两个方面有了更深的了解，拓宽了解决实际问题的思路，掌握了一些加工技术，积累了一定的经验，对加工中出现的问题，提出了具体的有效的解决方法。

参考文献

[1]胡永生编著，[机械制造工艺原理] – 北京理工大学出版社，1992

[2]吴佳常主编，[机械制造工艺学]-中国标准出版社，1992

[3]吴宗泽主编，[机械设计师手册]– 机械工业出版社，2008

（作者单位：中国航发哈尔滨东安发动机有限公司）