TC10鈦合金薄板

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TC10鈦合金薄板性能

鈦是20世紀(jì)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(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點(diǎn)而被廣泛用于各個領(lǐng)域。世界上許多國家都認(rèn)識到鈦合金材料的重要性，相繼對其進(jìn)行研究開發(fā)，并得到了實(shí)際應(yīng)用。20世紀(jì)50～60年代，主要是發(fā)展航空發(fā)動機(jī)用的高溫鈦合金和機(jī)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(qiáng)鈦合金得到進(jìn)一步發(fā)展。鈦合金主要用于制作飛機(jī)發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)部件，其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件

中文名

鈦合金

外文名

titanium alloy

特    點(diǎn)

強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)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(diǎn)，添加適當(dāng)?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(shí)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(qiáng)。在500℃～600℃的溫度下，仍保持其強(qiáng)度和抗蠕變性能，但不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，室溫強(qiáng)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(qiáng)度，淬火、時效后合金得到進(jìn)一步強(qiáng)化，室溫強(qiáng)度可達(dá)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(jìn)行熱壓力加工，能進(jìn)行淬火、時效使合金強(qiáng)化。熱處理后的強(qiáng)度約比退火狀態(tài)提高50%～100%；高溫強(qiáng)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(qiáng)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(rèn)為細(xì)小等軸組織具有較好的塑性、熱穩(wěn)定性和疲勞強(qiáng)度；針狀組織具有較高的持久強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)為1725℃，導(dǎo)熱系數(shù)λ=15.24W/(m.K)，抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度鈦合金超過了許多合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度。因此鈦合金的比強(qiáng)度(強(qiáng)度/密度)遠(yuǎn)大于其他金屬結(jié)構(gòu)材料，見表7-1，可制出單位強(qiáng)度高、剛性好、質(zhì)輕的零部件。飛機(jī)的發(fā)動機(jī)構(gòu)件、骨架、蒙皮、緊固件及起落架等都使用鈦合金。

熱強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度，而鋁合金在150℃時比強(qiáng)度明顯下降。鈦合金的工作溫度可達(dá)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(yuǎn)優(yōu)于不銹鋼；對點(diǎn)蝕、酸蝕、應(yīng)力腐蝕的抵抗力特別強(qiáng)；對堿、氯化物、氯的有機(jī)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(qiáng)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(dá)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(xì)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(qiáng)度高而密度又小，機(jī)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(dá)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(jī)發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)部件，其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機(jī)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(qiáng)度和使用溫度介于鋁和鋼之間，但比鋁、鋼強(qiáng)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(jī)上用作后機(jī)身隔熱板、導(dǎo)風(fēng)罩、機(jī)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(jī)身移向中機(jī)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(jī)中的用量迅速增加，達(dá)到飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的20%～25%。70年代起，民用機(jī)開始大量使用鈦合金，如波音747客機(jī)用鈦量達(dá)3640公斤以上。馬赫數(shù)大于 2.5的飛機(jī)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(jī)(飛行馬赫數(shù)為3，飛行高度26212米)，鈦占飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的93%，號稱“全鈦”飛機(jī)。當(dāng)航空發(fā)動機(jī)的推重比從4～6提高到8～10，壓氣機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)部件，如鍛造鈦風(fēng)扇、壓氣機(jī)盤和葉片、鑄鈦壓氣機(jī)機(jī)匣、中介機(jī)匣、軸承殼體等。航天器主要利用鈦合金的高比強(qiáng)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(jī) 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(qiáng)度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，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(jī)系統(tǒng)。利用鈦合金制造發(fā)動機(jī)零件有很多好處。 

鈦合金的密度低，可以降低運(yùn)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(jī)的轉(zhuǎn)速及輸出功率。

減小運(yùn)動零件的慣性質(zhì)量，從而使摩擦力減小，提高發(fā)動機(jī)的燃油效率。選擇鈦合金可以減輕相關(guān)零件的負(fù)載應(yīng)力，縮小零件的尺寸，從而使發(fā)動機(jī)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(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)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(diǎn)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(xì)小彌散的第二相質(zhì)點(diǎn)，達(dá)到使合金強(qiáng)化的目的。通常(α+β)合金的淬火在(α+β)─→β相轉(zhuǎn)變點(diǎn)以下40～100℃進(jìn)行，亞穩(wěn)定β合金淬火在(α+β)─→β相轉(zhuǎn)變點(diǎn)以上40～80℃進(jìn)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(qiáng)度，α鈦合金和穩(wěn)定的β鈦合金不能進(jìn)行強(qiáng)化熱處理，在生產(chǎn)中只進(jìn)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(jìn)一步強(qiáng)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(diǎn)

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(diǎn)：

(1)變形系數(shù)?。哼@是鈦合金切削加工的顯著特點(diǎn)，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(dāng)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(yán)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(qiáng)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(diǎn)。

(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(qiáng)，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(yán)重；進(jìn)給量f<0.1 mm/r時，磨損主要發(fā)生在后刀面上；當(dāng)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(qiáng)度和機(jī)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(qiáng)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(dá)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(xiàng)

在切削鈦合金的過程中，應(yīng)注意的事項(xiàng)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(hù)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(xì)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(jī)床上堆積，刀具用鈍后立即進(jìn)行更換，或降低切削速度，加大進(jìn)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(jìn)行撲滅，嚴(yán)禁使用四氯化碳、二氧化碳滅火器，也不能澆水，因?yàn)樗芗铀偃紵?，甚至?dǎo)致氫爆炸。

缺點(diǎn)