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鈦合金加工技術進展研究
時間:2019年01月09日信息來源:本站原創點擊: 加入收藏 】【 字體:

 由于鈦合金的強度較高,無磁,中溫性較好,具有良好的焊接性,耐腐蝕性等特點,當前已被廣泛地應用在航空領域,武器裝備,艦艇以及一些輕型的火炮等方面。我國近些年來鈦合金技術的應用已經有了很大的進步,同時也存在一些問題需要進一步的研究,希望在未來的加工技術領域會有更大的突破。

  鈦合金具有耐高溫,良好的焊接性,比強度高,易加工成型等特點,目前已廣泛地應用在航空和航天領域。另外,因其具有其他材料不可比擬的耐腐蝕性,在海洋以及工業大氣當中也得到了廣泛的應用。但是鈦合金存在一定的缺點,如切削加工時其成型性較差,在一定程度上制約了它的應用。

  一、鈦合金材料的特點

  鈦合金不僅強度如鋼,且重量較輕,抗腐蝕性好,有著良好的熱穩定性,除了普遍應用于航天和航空領域外,在生物制藥和石油化工行業也得到廣泛應用。鈦合金因合金成分及組織差異,表現出不同的特性,其用途也不相同。

  (一)鈦合金特點

  在鈦中加入一些合金元素,根據所形成的鈦合金的特性,通常把鈦合金分為以下幾種:

  (1)α相鈦合金。這種鈦合金是一種密排六方晶格結構的合金,有很強的韌性和高強度,在高溫下具有很強的抗氧化的能力。其缺點是成型性較差,只能在高溫環境下應用。

  (2)β相鈦合金。這種鈦合金是體心立方結構的合金,具有較好的成型性,但會在受到污染的情況下容易損壞,所以應用的方面不多,需要達到一定的時效后才能提高它的強度。

  (3)α+β相合金。這種鈦合金具有良好的室溫強度,易成型,但其熱強性不太理想。經熱處理強化后,適用在具有較高強度要求的部件當中,不僅用量大,且用途也較為廣泛。

  由于鈦合金在高溫與低溫的環境下其性能都較好,所以適用的工作范圍很廣。具有較小的密度和高強度,所以它的比強度值較高。同時在海水,大氣或者是酸、堿度的條件下具有良好的抗蝕性,使得鈦合金在眾多的金屬材料成為被最優選的耐蝕材料。而它的熱導率會較低,一般適用在各種的隔熱構件當中。

  鈦合金也存在一些缺點。即缺少良好的耐磨性,所以不能制作一些運動部件。彈性模量相對較低,與鎂和鋁相比較時會更低。其加工制造工藝更加復雜,生產成本也會較高。

  二、鈦合金的切削加工

  由于鈦合金含有多種合金元素,其中含有一些高激活能元素,其在合金內呈相對穩定的狀態,所以鈦合金在塑性變形方面具有很大能量,也具有一定的加工性。但是鈦合金的導熱性較差,在切削加工時,切削熱量會聚集于刀具上,不像鋁的切削加工,其切削熱被切屑帶走。因而使得鈦合金材料熱負荷較大,而損壞刀具。因此常見的通過提升單位時間范圍內的切除量來提高生產效率的方法,并不適用于鈦合金材料的加工。所以應該針對不同鈦合金材料,應選擇合適的加工方法。

  (一)鈦合金具有很高的強度,韌性大,其硬度也大,所以在切削加工時硬化問題比較嚴重,需要配合退火處理。尤其當工件表面有劃傷或存在切口時,由于它們對變形速度非常敏感,在切削加工過程中極易產生擦傷或裂紋,所以加工時必須控制加工速度,以低速進行。

  (二)一般情況下鈦合金熱穩定性較好,耐高溫,與鋁合金相比,鈦合金的強度會高出很多。在切削加工時,鈦合金的導熱系數是非常低的,相當于鐵和鋁材料的一小部分,它的熱量都集中在切削刀刃上。當溫度超出一定的標準時,就會產生高化學活性,與空氣中的氧和氫發生反應,從而降低了它的塑性,在與刀面和切屑相接觸時就會加劇對刀具的磨損。

  (三)切削加工,由于鈦合金與刀具之間存在一定的磨擦,隨著摩擦速度的增大,溫度就會越高,功率也就越大,刀具磨損加快,并且易黏結,從而大大縮短了刀具的使用壽命。所以切削加工刀具的合理選用也是很關鍵的,通常選用一些硬質合金材料如鎢鈷類硬質合金的刀具。這樣可以有效預防加工過程中不良應力的產生,保證構件的加工精度。

  鈦合金在切削加工過程中所表現出的這些特性使得其切削加工變得十分困難,導致生產效率降低,生產成本增大。因此,在鈦合金切削加工工藝中,需要不斷改進加工方案,調整合理的加工工藝參數,以提高鈦合金加工質量。

  三、鈦合金的焊接加工

  近些年來,除一些傳統的鈦合金加工技術以外,也不斷出現了一些新的加工方法,如低溫切削、激光,超聲波以及電磁切削等。特別是隨著焊接技術的發展,使得鈦合金的加工應用范圍更加廣泛。而因鈦合金物理化學特性,對其焊接時焊縫容易被氧化、氮化而發生污染現象,且接頭脆化敏感,因此對它進行焊接加工具有很大的挑戰性。

  (一)鎢極氬弧焊

  鎢極氬弧焊是鈦合金焊接中最普遍的一種方法,在氬氣的保護下,以鎢極充當電極,焊縫金屬得到良好的保護,但這種焊接方法,焊接生產效率低,焊后結構變形較大,焊接接頭組織晶粒粗大,保護不良的情況下會嚴重影響到焊縫質量。僅適用于薄板焊接或打底焊。

  (二)激光焊接是一種高能密度的焊接方法,采用該方法對鈦合金進行焊接,不僅可以減少傳統加工工藝的缺陷,還可以有效地細化焊縫的組織晶粒,提高焊縫性能。然而,這種焊接方法的功率較小,


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