钛铝合金

钛铝合金（共12篇）

钛铝合金 篇1

钛铝合金密度低、比强度高、比刚度高、耐热性好,具有高的抗高温蠕变性能和抗氧化能力,是综合性能最好的轻质高温合金,是超高音速飞行器和下一代先进航空发动机的首选材料[1],因此成为轻质合金中研究的重点[2,3]。

钛铝合金主要可分为3种,即Ti3-Al、Ti-Al和Ti-Al3。其中Ti3-Al的抗高温氧化性能较差,使用温度较低(≤650℃)[4];Ti-Al3的密度最低,抗高温氧化性能也最好,但由于固溶范围太窄,所以室温延展性差,机械加工困难。

钛铝合金室温下呈脆性,缺乏足够的延展性,变形加工性、耐磨性能较差,高温(>800℃)抗氧化能力低等。为了克服上述缺点,应研究开发新的钛铝合金及其制备技术。

1 钛铝合金研发与应用现状

1.1 国外研究开发情况

世界各国都对钛铝化合物产生了很大兴趣并做了大量深入的研究工作。前苏联率先开展研究,美国在近20年来一直在研制以Ti3-Al、Ti-Al为基的高温合金,并已取得了一定的成果。Ti3-Al基合金的典型性能为σb=1000MPa,σs=800MPa,δ=4%~5%,ψ=7%,强度可保持到800℃;Ti-Al基合金的典型性能为σb =600MPa,σs=500MPa,δ=2%(其中σb为屈服极限强度,σs为强度极限,δ为延伸率,ψ为截面收缩率),其强度可保持到800℃。

钛铝化合物的弹性模量(E)较高,Ti3-Al基合金的E=125GPa,Ti-Al合金的E=165GPa。基于高铝含量,钛铝化合物具有极其有利的密度,对航空用合金非常有利。例如,Ti3-Al(α2)相、Ti-Al(γ)相的密度分别为4.2g/cm3和3.8g/cm3,比常用钛合金的密度(4.4~4.8g/cm3)低,相当于Ni基超合金密度(8.0~8.5g/cm3)的1/2,因而可以取代这些合金。

1952年美国加州工学院喷气推进实验室的P.Duwez等首次报导钛铝二元系中存在Ti-Al相,并测定出该相具有LI0(CuAu)型有序结构,以及其固溶范围、晶格常数与Ti/Al比的关系。1956年美国Mcandrew报道,钛铝合金在950℃时具有良好的抗蠕变和抗氧化能力。20世纪70年代初,美国的Pratt and Whitneg公司和Wright-Patterson空军基地航空航天材料研究室对钛铝合金的各种力学性能、微观结构及制备技术进行了研究。与此同时,前苏联也报道了一些研究成果[5]。

1984年美国国家材料咨询局(NMAB)向美国政府递交了一份长达109页的报告[6],详细阐述了钛铝合金的性质、研究现状及国防应用潜力。该报告公布后,引起了世界各国的普遍关注。美国宇航局、能源部及许多大公司对钛铝合金的研究给予了大力支持和资助。与此同时,其它一些主要工业国家也相继加强了钛铝合金的研究工作。

2006年美国波音公司宣布,其787民用客机使用的GE公司发动机低压涡轮后两级叶片将采用钛合金,这将减轻航空发动机自重,推动全球钛合金的应用热潮[7]。欧洲的发动机公司也迅速跟进。我国也开始了大量的研究工作。

1.2 国内研究开发情况

近年来,为了推动高温高性能高铌钛铝合金技术工程化和产业化进程,北京科技大学新金属国家重点实验室与上海宝钢股份有限公司特殊钢分公司等单位共同建设钛铝合金工程化和应用研发基地[7],开发出具有我国独立知识产权的新一代航空航天用发动机材料——高温高性能高铌钛铝合金材料,即将步入产业化阶段,这一技术将使我国航空航天发动机材料居世界领先水平。

高铌钛铝合金是我国创新的研究方向,拥有世界上最早的高温合金专利,带动了世界范围内该领域的研究开发,在钛铝合金发展中具有“里程碑”意义,标志着我国钛铝金属间化合物研究领域处于国际领先地位[7]。

我国已将钛铝合金的研究列入国家863高技术新材料发展计划。经过多年的努力,在合金的微观结构、变形特性、添加元素的影响及合金制备技术等方面进行了卓有成效的工作,已有多篇有关钛铝合金的研究论文在国内外期刊及学术会议上发表[8]。

1.3 钛铝合金的应用情况

由于钛铝合金具有密度小、高温强度高等特点,所以γ-Ti-Al合金在汽车用材上的应用也已引起人们的关注。γ-Ti-Al合金排气阀已成功通过了苛刻的长周期发动机试验。1997年底,用单相γ-Ti-Al合金制成的涡轮机叶轮复盖盘和空气密封圈通过了工程论证[7]。钛铝合金在先进的喷气涡轮发动机中的主要应用有:

(1)钛铝合金的比刚度较常用发动机材料高50%左右,可用来制作框架、密封支撑、机匣、隔板、涡轮叶片以及喷口区域的零件。

(2)钛铝合金在600~750℃内有良好的抗蠕变性,可以部分替代高密度的镍基合金。

(3)良好的抗燃烧性能使钛铝合金有可能替代密度较大、价格昂贵的钛基阻燃合金[9]。

美国已试制了一些喷气式发动机的零件,如框架、密封支架、叶轮片和隔如框架、密封支架、叶轮片和隔板等。新一代航天飞机 (x-30) 已将钛铝合金作为发动机部件、支架和蒙皮的候选材料[10];美国国家航空航天局 (NASA)将建造一个超音速单机轨道运输飞行器,钛铝合金是其中的重要材料。据预测,钛铝合金未来将应用于高速飞行运输机 (HSCT)、单级入轨 (SSTO)太空船 (RLV),γ-Ti-Al合金板材在热结构及热保护系统中的应用已纳入未来欧洲航空运输研究计划(FESTIP)[11]。

除了在航空航天及汽车产业中的应用外,钛铝合金在化学工业、生物医用材料(如人体植入髋关节替代品)、近海工业、能源工业中的应用也逐渐增加。

此外,钛铝合金在体育用品和日常消费品领域(如高尔夫球棒、自行车或珠宝饰物等)中的需求量也越来越大,已经成为人们日常生活中的一部分[12]。总之,由于钛铝合金的优良性能,其应用和发展前景广阔。

2 钛铝合金制备加工技术

钛铝合金的制备加工技术主要有如下几种:(1)铸锭冶金技术;(2)粉末冶金技术;(3)快速冷凝技术;(4)复合材料技术[13]。钛铝合金铸锭冶金技术存在铸锭成分偏析和组织不均匀等问题[14,15];快速冷凝技术制备的钛铝合金粉末,化学成分稳定,工艺性能良好,但随着热处理温度的变化,粉末的显微结构和显微硬度会发生相应变化[16];复合材料技术制备的钛铝合金显示出良好的强化性能,但横向性能、环境抗力等问题仍有待解决[17];粉末冶金法可制备组织均匀、细小的制件,且可实现制件的近净成形,可有效解决Ti-Al金属间化合物合金难于加工成形问题[15]。目前主要制粉方法有两种:元素粉末法和钛铝预合金粉法。目前国内学者多采用元素粉末法制备钛铝合金[18,19]。

2.1 粉末冶金技术

2.1.1 喷射成型技术

Ti-Al合金喷射成型技术工艺流程如图1所示。

刘星星等[20]应用金属喷射成型技术制备钛铝合金。金属喷射主要包括金属熔化、雾化和沉积三个环节,即用高压惰性气体将熔化后的金属液流雾化成细小液滴,并使其沿喷嘴的轴线方向飞行,在这些液滴尚未凝固之前,将其沉积到具有一定形状的接收体上,从而获得理论密度为99%的金属实体,以液态金属直接制备出具有快速凝固组织特征、整体致密、不同形状的半成品坯件。

尽管金属喷射成型技术在许多合金方面得到了应用,如铝硅合金、铝锂合金、2000系列及7000系列铝合金、各种铜合金、不锈钢和特种合金等,但在制备钛铝合金方面报道的很少,主要是因为钛铝合金熔点高,且伴随着合金的熔化其化学活性非常高,容易与坩埚、塞棒及导液管发生反应,影响合金坯件的纯度。

目前,钛铝合金喷射成型主要应用在γ-Ti-Al基合金上[21,22],即主要通过喷射成型向γ-Ti-Al中添加塑性增强相TiC、NbC、TiN、TiB2、Ti2AlN、Ti5Si3、Al2Ti4C2、TiNb、Al2O3、SiC等,制备出γ-Ti-Al基复合材料,使γ-Ti-Al基合金的塑性韧性增强。如添加10%(体积分数)TiNb增强颗粒,可使γ-Ti-Al基合金的室温韧性达到约16MPa,几乎是相同温度下片状γ-Ti-Al基合金的2倍;在800℃高温下其韧性高达约40MPa,远远高于片状γ-Ti-Al基合金的12MPa。

喷射成型技术的优点:

(1)液滴在圆锥形区域内冷却、凝固的速度非常快,在喷射成形过程中增强颗粒直接注入到喷射圆锥范围内,从而减少了合金在高温下的热暴露时间。

(2)增强颗粒易渗透到喷射液滴中,因此与传统粉末冶金技术制备复合材料相比,基体中均匀分布的陶瓷颗粒尺寸不再受基体粉末尺寸的限制。

(3)增强相TiB2与钛铝合金充分结合,其微观组织为等轴和全片层状,平均粒径为40μm,TiB2体积分数为35%,与传统方法制备的钛铝合金相比,具有更高的蠕变抗性。

(4)钛铝合金的塑性韧性增强。

但喷射成型技术也存在一些需要解决的问题:

(1)喷射过程中颗粒相两维模型尚未建立。

(2)防止高温下陶瓷颗粒相熔于溅射液滴中的动力学影响尚待研究。

(3)喷射成型过程中气流性质(密度、速度、热量转变因素)模型尚未建立。

(4)沉积材料对沉积微观组织演变的影响模型尚未建立。

2.1.2 激光气体合金化技术

钛铝合金激光气体合金化工艺流程如图2所示。王华明等[23]研究了激光气体合金化制备钛铝合金工艺,即在高纯氮气气氛条件下对钛铝合金进行激光表面熔化,借助于氮气与熔池中高温钛铝合金液之间的化学反应及随后的快速凝固,制得以高硬度、高耐磨TiN为增强相的新型陶瓷/金属耐磨复合材料表面改性层。

表面改性层的显微组织从熔池底部向表面方向,组织中TiN所占体积分数越来越高,其显微硬度从熔池底部向自由表面方向也呈梯度增加,其硬度等性能的梯度特点由激光气体合金化及其快速凝固过程所决定。因为表面熔池金属液凝固时凝固界面从熔池底部逐渐向熔池表面方向推进,越接近熔池表面合金液与氮气的交互作用时间越长,溶入合金液的氮原子及在熔池中直接化学反应形成的TiN数量越多,因而快速凝固后组织中TiN的体积分数越高。

通过对钛铝合金进行激光气体合金化表面改性处理,成功地制得了以硬质耐磨TiN为增强相的新型快速凝固“原位”耐磨复合材料表面改性层,克服了钛铝合金耐磨性差的缺点。

该技术由于设备要求较高,生产成本昂贵,大规模工业生产困难,基本上用于航空航天或军工等领域,很难转为民用,故限制了该技术的应用和推广。

2.1.3 粉末注射成型烧结技术

粉末注射成型烧结技术的工艺流程如图3所示。

赵丽明等[24]研究了钛铝合金粉末注射成型烧结技术,首先将钛铝粉末与石蜡基粘结剂在混炼机上混炼,然后在注塑机上注射成型,最后将成型坯分别称重后放入三氯乙烯溶剂中进行脱脂。将注射坯中可溶性粘结剂脱除后,利用真空热脱脂方法脱除残余粘结剂,再进行预烧结,最后将脱脂坯在高真空钼丝炉中烧结。粉末注射成型技术对原料粉末的要求见表1。

研究表明:在1300~1400℃下,随着片层团的增加,烧结体组织由双态组织逐渐转变为全片层组织;在超固相液相区,随着γ相的减少,烧结体组织由近片层组织逐渐转变为全片层组织;在1450℃、保温30min时,烧结体的相对密度达到95%,抗压强度为2105MPa,压缩率达到30.9%,接近铸态合金力学性能;烧结体在α+γ相区和α相区保温1h时,相对密度分别为73%和85%;烧结体在超固相液相区烧结后密度最高。

粉末注射成型工艺作为一种新型粉末冶金近净成型技术,在制备几何形状复杂产品方面具有明显的优势,特别是对于降低机械加工硬质合金加工成本、减少贵重金属加工损失具有重要意义。

该方法适合较小尺寸制品的成型,如果制品厚度大于5mm,则脱脂需要更长的时间。

钛铝合金粉末注射成型技术研究的主要趋势:应用不同的金属粉末获得力学性能更好的制品;改进材料性能表征方法;提高成型制品质量;采用有限元模拟注射成型过程,为获得最佳工艺参数提供参考。

几种制备钛铝合金的粉末冶金技术的优缺点比较列于表2。

其它粉末冶金技术还包括自蔓延高温合成钛铝合金粉末技术、渗透燃烧合成技术[25]、水冷控制球磨技术等。

2.2 快速冷凝技术

快速冷凝技术的工艺流程如图4所示。

Lipsitt等[26]采用自耗炉熔制的钛铝母合金为原料,通过旋转电极雾化成粉,然后用Ti-6Al-4V合金包套热挤成材。

近年来,快速冷凝技术在钛铝合金研究中的应用有了很大发展,特别是快速凝固对钛铝合金的晶格常数有序度、相区变化、晶粒影响的研究已有很多报道。采用快速冷凝方法制备的钛铝合金,其延伸率已经达到3.5%。

快速冷凝技术的优点是:快凝技术与粉末冶金成型技术相结合,得到微细的合金组织,可以较大范围地调整合金成分和组织结构,还可以实现近终形成型,从而可从根本上解决钛铝合金难加工成型的问题。快速冷凝技术被认为是最有希望解决钛铝合金实际应用问题的新技术之一。

2.3 铸锭冶金技术

铸锭冶金法工艺流程如图5所示。先进行熔炼制造出Ti-Al合金锭,随后采用热等静压和均匀化退火处理消除铸锭中微观孔洞、疏松和成分偏析等组织缺陷,然后在一定温度区间(α+γ两相区)和一定应变速率(<10-2 s -1)条件下,采用1次或多次锻造来细化铸态组织,并进行热处理,最后锻造成型。

Ti-Al合金可以采用真空自耗电弧炉、非自耗电弧炉、电极氩弧炉、电子束熔炼炉、等离子弧电炉、高频感应炉及真空凝壳炉等熔炼。目前,双电极氩弧熔炼法、电子束熔炼法及等离子弧熔炼法已经用于Ti-Al合金生产。

采用高能输入熔化电极将热量全部引入金属中,可解决真空自耗熔炼工艺熔铸的大直径Ti-Al合金铸坯由于熔炼炉温度分布不均匀、热应力增加、合金塑性低易产生裂纹和缩孔等问题[27]。

无坩埚晶体生长技术在Ti-Al合金研究中也取得了令人兴奋的成效[28],但此Ti-Al合金的高温性能有待提高。

Ti-Al合金铸锭开坯一般采用等温锻造、包套叠轧和包套挤压3种途径。采有包套锻造技术可得到均匀、细小显微组织及良好表观质量的锻坯。包套材料的种类、几何形状和加工工艺的选择均影响挤压后的显微组织。可控保压挤压和等异型槽角挤压工艺已经成功地应用于Ti-Al合金开坯。可控保压挤压解决了硬质材料和包套材料在挤压时的不匹配问题。

铸锭冶金技术的优点是Ti-Al合金具有超塑性,但不遵循超塑性理论,由位错运动协调的晶界滑移是基本的变形模式。使用铸锭冶金技术对于加工形状复杂的零件极为有利。该技术的缺点主要是Ti-Al合金铸锭成分偏析和组织不均匀[14,15]。

2.4 复合材料技术

复合材料技术工艺流程如图6所示。

Ti-Al合金复合材料包括双相合金、弥散强化型合金和纤维增强型合金等。双相合金主要是利用软相加Ag或Ti来阻止裂纹扩展,增加材料的非基体宏观变形,但这种合金的高温性能较差。弥散强化型合金主要是通过加入弥散强化离子来改变基体金属的显微组织、亚结构及位错等,以达到改善材料综合性能的目的。

美国通用公司利用快速凝固等离子沉积工艺制备纤维增强型Ti-Al基复合材料[28]。此方法主要是将纤维缠绕在直径很大的转鼓上,基体合金粉末在真空中经等离子弧熔化后,沉积到绕在转鼓上的纤维表面而快速凝固,然后经热轧等工艺成型,形成纤维复合材料。

2.5 热机械处理技术

热机械处理工艺流程如图7所示。Ti-Al合金表现出很低的室温延展性,这主要是因为其金相组织晶粒粗大,而细化晶粒能显著提高其室温延展性。在等温锻造过程中,合金试样变形不均匀,总存在一些合金变形量很小的晶粒。在两相间进行常规热处理,不能消除合金中的粗大晶团,由此造成显微组织尺寸不均匀现象,致使合金表现出低的室温延性。适当的双温热处理能减少和消除等温锻造Ti-Al合金因变形不均匀而遗留下来的粗大组织,细化晶粒尺寸,从而提高合金的室温力学性能。

Ti-Al合金中细小晶粒一般是通过热压缩塑性变形及随后的再结晶退火工艺获得的,这一过程通常称为热机械处理。大量研究表明,通过热机械处理可有效控制Ti-Al合金的显微组织,实现其晶粒均匀、细小。

复合机械热处理新工艺不但可处理常规热变形工艺中存在的、不能由热处理消除的粗大层片状晶团,而且能在整个试样上得到细小、均匀的显微组织,其中双态组织的晶粒尺寸小于10μm、全片层尺寸约为14μm。

快速锻造变形及热处理工艺可使Ti-Al合金绝大多数粗大晶粒细化,但仍残留少量粗大晶粒,再继续对其施以第二次快速锻造及热处理,可使残留的粗大晶粒得到全部细化,得到理想的力学性能。

热机械处理工艺技术可细化晶粒,得到的合金力学性能比较理想。

2.6 机械合金化技术

机械合金化技术工艺流程如图8所示。

机械合金化不同于传统的球磨,机械合金化使用高能量球磨,在室温极高破碎能量条件下,可制备及控制理想微观结构的新合金。采用机械合金化制备Ti-Al合金,首先将合金固溶进钛,在初始阶段晶格尺寸急剧减小,大约l0h后非晶产物出现,但非晶产物不稳定,逐渐转化成纳米尺度的亚稳定的fcc晶体,其晶格参数为0.442。

Suryanarayana等[29]采用此工艺用Al3Ti和TiH2合成Ti-Al中间复合物,再进行热化学工艺制备Ti-Al合金。

可采用热等静压 ( HIP )、动态固结和Ceracon固结工艺等来压实机械合金化工艺制备的钛铝合金粉末。

机械合金化技术的优点是打破了熔铸和粉末烧结工艺制备合金的传统方法。传统方法的缺点在于合金制备过程中各组元不能任意选择,受到各组元之间能否互溶和能否形成化合物等条件的限制。而机械合金化技术属强制反应,从外界加入高能量,消除应变、缺陷以及纳米级微观结构,使得合金过程的热力学和动力学不同于普通的固态反应,可合成常规法难以合成的新合金,使许多固态下溶解度较小甚至在液态下几乎不互溶的体系形成固溶体。

3 铝热还原法制备钛铝合金

钛合金的生产来源于海绵钛的熔化冶炼。目前采用镁热还原法生产海绵钛,首先处理钛铁矿得到TiO2含量高的高钛渣,然后将高钛渣和石油焦送入流态化沸腾炉,氯化后得到粗制TiCl4。采用化学法和精馏法净化除杂质得到精制TiCl4,再用镁热还原TiCl4得到海绵钛,最后采用合金化技术制成钛合金。

尽管国内外对镁热还原法进行了改进和完善,但该工艺仍存在流程长、工序多、成本高、生产率低等问题,限制了钛合金的使用范围。为了降低钛生产成本,开发研究了新的钛生产工艺(如TiCl4熔盐电解法、TiO2直接电解法、流动式气相连续法等),但仍无法取代现有镁热还原法,且多数方法仍处于实验室研究阶段,许多工业生产的技术难题并未解决,还有较长的路要走。

因此,笔者结合多年科研工作实际及四川攀枝花-西昌地区丰富钛资源的实际情况,提出了一种新的制备钛铝合金思路,即以高钛渣或金红石为原料通过铝热还原法制备钛铝(中间)合金。

3.1 铝热还原反应原理

铝热还原反应的方程式为:

undefinedundefined

其标准吉布斯(Gibbs)自由能为:

undefined

反应平衡常数为:

undefined

由式(2)计算可知,该反应在室温时吉布斯自由能为负值,平衡常数很大,因此式(1)中钛氧化物与铝液能够自发地进行铝热还原反应,使钛析出[30]。生成的金属钛又与过剩的铝反应生成钛铝合金(中间合金)。

3.2 铝热还原技术工艺流程

铝热还原反应制备钛铝合金工艺流程如图9所示。以高钛渣(TiO2:92%~99% )或金红石(TiO2:95%~99%)为原料,以电解铝为还原剂进行铝热还原反应,还原二氧化钛得到固溶体钛铝合金母液;将钛铝合金母液在真空电弧炉中进行真空精炼,加入铝等调整成分,得到钛铝中间合金制品;生成的氧化铝形成高铝渣,可制成铝质耐火材料。

与传统工艺相比,新工艺具有工艺周期短、生产成本低、环境污染小等突出优点。由于铝还原二氧化钛发生铝热反应,产生大量的热,每吨钛铝合金的电耗可控制在2500~8000kWh(传统工艺每吨钛铝合金的电耗为16000kWh),所需能耗大大降低,从而可以降低生产成本,市场竞争力较强。

铝热还原技术预计可突破传统的“先提炼纯金属钛、再熔化进行合金化”的制备钛铝合金思路,不经过纯钛提炼工序而直接冶炼钛铝合金,且立足攀枝花特有的钛资源条件,对攀枝花钒钛资源综合利用具有重大的现实意义。

4 结语

经过多年的研究,已经开发出了铸造冶金材料、粉末冶金材料和钛铝基复合材料等多种类型的合金材料。钛铝合金制备与加工技术的发展趋势是:

(1)开发无污染熔炼、制粉工艺,降低氧、氮等杂质元素的有害作用。

(2)研究钛铝合金领域热等静压的条件、方式对压块的影响,确定合理的热处理工艺参数,改善合金微观组织,解决其室温脆性问题。

(3)应结合钛资源和钛原料条件,开发新的低成本、市场竞争力强的钛铝合金制备新工艺,如铝热还原法等。

钛铝合金 篇2

1.零件结构特点

TB6钛合金不仅是制造飞机、导弹和火箭等航天器的重要结构材料，而且在惯性导航领域中也逐步开始使用。但由于该材料价格昂贵、难加工以及加工费用高，制约了它的应用。目前我们所承接的导航部件，军方为了提升其强度和寿命，决定淘汰传统的结构钢30CrNi4MoA，使用TB6钛合金材料，这就意味着原来的加工工艺要推倒重来，重新研究TB6钛合金的加工工艺方法。我们对TB6钛合金材料的性能、加工工艺方法及刀具选用等进行了探索和研究，通过各种试验，积累了许多TB6钛合金加工的经验，特别是切削加工用量及刀具的选择，在加工研制过程中得到了验证。本文重点对TB6钛合金精密加工和刀具选用方面的工艺创新作一次全面的阐述，也为今后进一步开展其他钛合金切削加工的研究提供参考与借鉴。TB6钛合金轴向铰轴颈零件如附图所示，其外型复杂，技术要求高，加工难度大。

2.TB6钛合金材料特性分析

钛合金是一种强度高而密度小、机械性能好且韧性和抗蚀性能也很好的不锈钢材料。TB6不锈钢材料加工工艺性差，切削加工困难，特别是在热加工中，非常容易吸收氢、氧、氮和碳等杂质。其加工工艺性主要表现在：(1)摩擦系数大。该材料导热系数低，刀尖切削温度高，切削时产生的切削热都集中在刀尖上，使刀尖温度很高，易使刀尖很快熔化或粘结磨损而变钝。(2)弹性模量小。切削时易产生弹性变形和振动，不仅影响零件的尺寸精度和表面质量，而且还影响刀具的使用寿命。(3)钛合金化学亲和力较强，极易与其他金属亲和结合，在加工中切屑与刀具的粘结现象严重，使刀具的粘结和扩散磨损加大。

3.精加工工艺试验

(1)工艺方法。考虑到该钛合金零件的加工余量比较大，有的部位很薄，只有2～3mm，主要配合表面的尺寸精度、形位公差要求高，在零件的加工工艺方法及工艺流程安排时，按粗加工→半精加工→精加工的顺序分阶段安排加工，同时在每个工序阶段安排热处理工艺，消除加工应力，稳定加工尺寸。这种工艺方法特点主要是通过分阶段的反复加工，减少表面残余应力，防止变形，最后达到设计图样的要求。其主要的加工方法有铣削、车削、磨削、钻削、铰削以及攻螺纹等。

(2)铣削加工及刀具试验方案。钛合金轴向铰轴颈零件加工中，有大量的铣削余量，为了做好铣削加工，我们做了一些试验，特别是在刀具和切削液的选择方面：①刀具材质选择了高硬度、高抗弯强度、韧性和耐磨性好且散热性好的高速W6Mo5Cr4V2Al、W2Mo9Cr4VCo5(M42)和硬质合金YG8、K30、Y330。②铣削时采用水溶性油质切削液来降低刀具和工件的温度，以延长刀具的使用寿命。为了提高铣削加工效率，在加工中心机床上进行了高效铣削试验，结果效率提升了2～3倍，零件表面质量也得到较大的提高。表1、表2所示分别为通过试验总结的切削用量和刀具参数。

(3)孔的精车加工及刀具试验方案。钛合金轴向铰轴颈零件加工中，由于热处理后的表面氧化皮给工艺加工增加了较大困难，为此在加工前用酸洗方法去掉表面薄层氧化皮，然后通过加大走刀量，降低切削速度来车削剩余的氧化皮。在刀具材质的选择、切削用量和切削液的选择方面：①刀具材质选用YG类硬质合金材料。②刀具的几何参数选择前角γ0=4°～8°，后角α0=12°～18°，主偏角j=45°～75°，刃倾角λ=0°，刀尖圆弧半径=0.5～1.5mm。③切削用量按主轴转速n≥230r/min，进给量f≥0.10～0.15mm/r。在同样刀具和切削参数的情况下，选择不同切削液进行切削试验，检查表面粗糙度情况;选定切削液后，使用乳化液冷却，提高了刀具寿度。固定切削参数，选择不同刀具材料进行切削试验，检查表面粗糙度和尺寸控制情况，确定刀具牌号为YG6X、YG10HT;切削液和刀具固定后，选择不同切削参数，对尺寸控制能力进行研究和对目标表面粗糙度实现能力进行验证。

(4)内螺纹加工试验方案。由于内螺纹不便在放大镜下观察，也不便进行尺寸精确测量，选择外螺纹进行替代试车观察表面粗糙度，选好参数后进行内螺纹试车验证，并用粗糙度仪检测验证;选择内螺纹车削加工工艺参数试验，验证上述试验确定的切削液工艺要素和刀具材料要素的适应性，螺纹车削的切削接触刃长，功率需求大，切削参数要进行单独的试验验证。

(5)孔的磨削加工试验方案。磨削加工阶段，由于TB6钛合金的特质，导致了钛合金磨削非常困难，磨削时砂轮磨损严重，轻易会变钝，同时易在表面产生拉应力及烧伤现象。为此在磨削过程中，通过使用切削液和润滑油，使零件充分冷却，保证了精磨质量。磨削砂轮的材料选用绿碳化硅(TL)、黑碳化硅(TH)两种磨料，选择软砂轮R3、ZR1和ZR2，粒度为46、60。磨削用量的`选择如表3所示。

(6)铰削加工试验方案。钛合金的钻削加工也比较困难，常在加工过程中出现烧刀和断钻现象，其主要原因是钻头刃磨不良、排屑不及时、冷却不佳以及工艺系统刚性差等。铰孔是最后一道精加工工序，采用钻孔→扩孔(粗铰)→精铰的加工工艺方法。在刀具和切削液的选择方面：①刀具材料选用M42高速钢或硬质合金K30;刀具的几何参数选择前角γ0=3°～7°，后角α0=12°～18°，主偏角j=5°～18°。校准部分刃带宽度b=0.05～0.15mm，过宽会轻易同钛合金加工表面粘结，过窄会轻易在铰削时产生振动。铰刀齿数为z=4(铰刀直径为12mm)。②铰削时应不断地注入冷却润滑液以获得较好的表面质量，同时应勤排屑，及时清除铰刀刃上的切屑末，铰削时要匀速地进退刀。通过上述几个步骤的试验分析，得出TB6钛合金的各种加工工艺特点，以此为基础，形成TB6钛合金切削工艺方法，并将关键技术点总结出来，拟定了TB6轴向铰轴颈加工的工艺方案。

4.结语

谱写航空钛合金的绚丽人生 篇3

好奇心成了求知欲的动力

1934年8月6日，在浙江上虞县曹家堡的曹氏家族呱呱坠地了一个小生命，是个男孩，父亲给他取了个富有诗意的名字，曹春晓。曹春晓的父亲曹荫培小时念过几年私塾，有些文化，写得一手好字，在当地算是个识文断字的小知识分子。他不甘平淡，胸有宏志，对外面的世界充满幻想，在从日本留学回乡的文学家夏丐尊的启发下，18岁就从家乡到上海闯荡。上海是个能包容万物的大舞台，曹荫培靠着吃苦耐劳，勤学多思，很快就学了不少本事，几年后用积蓄创建了自己的旅社和绸店，完成了从当学徒到业主的转变。

曹春晓3岁随母亲和哥哥来到上海父亲处，在上海黄陂南路123弄1号的住房开始了童年生活。1940年，6岁的曹春晓上了学。第一学期，父母管得很紧，一放学回家就要问这问那，作业得多少分啦，挨老师批评了没，和同学吵架了吗？每天督促着小春晓回家先完成作业。渐渐地他们发现，其实这个孩子不用去操心，他自己有足够的学习动力。他有一种与生俱来的强烈好奇心、求知欲，只要遇到没有见过、没有听过的新鲜东西，“精神头”一下就提了起来。由于对书爱不释手，几近痴迷，9岁小春晓眼睛就近视了。1946年，曹春晓考入离家较近的崇实中学。进入初中的他仍和小学一样保持着学业的领先地位，加之爱看课外书，不久就在班上得了个雅号——小博士。

1949年上海解放，同年9月，曹春晓考入上海南洋模范中学读高中。在此之前，父亲的生意已逐渐下滑，家庭经济每况愈下，父亲对上海的纺织业情有独钟，竭力主张曹春晓报考带有职业学校特点的上海纺织专科学校。为了实现科技强国的理想，曹春晓非常希望先上南模中学，然后再考入与该校历史上有着天然联系的上海交通大学。为了不和父亲的意见正面冲突，他同时报考了这两个学校，最终收到了两份录取通知书。最后他说服父亲如愿进入南模中学。1952年曹春晓如愿以偿考入上海交通大学机械制造系，学习金属压力加工专业。

通过上南模中学的经历，使曹春晓增进了对共产党的感情，新旧社会的鲜明对比，使他对党由衷热爱。1951年10月，在高中他加入了共青团。大学的党支部了解到曹春晓在南模中学的表现后，便将他作为入党重点发展对象加以培养，1954年6月，曹春晓光荣加入中国共产党。由于在大学他学习一直优秀，毕业前系主任周志宏告诉他，系里研究决定，准备将他留校从事教学工作。留校既可以免除求职之扰，又能就近接济已很困难的家庭。但曹春晓想到小时候看到的“法国公园”门口“华人与狗不得入内”的侮辱性标牌，想到幼年日本飞机在上海上空对居民区的疯狂轰炸扫射，想到从初中就立下的科技强国的志向，经过一整天考虑，他决定还是到国防科研单位去，为国防科技奉献终身。很快他被分配到了一个新成立的国防科研单位——北京航空材料研究所。

在科研战场上成长

1956年8月，曹春晓走上工作岗位。北京航空材料研究所是抗美援朝战争后，国家建设强大国防在基础科研领域布下的第一批棋子。在入朝作战中，我军初创了自己的空军，并在恢复工厂的修理工作后，国家相继提出了飞机试制计划，工厂改造计划以及组织建设航空工业研究院的任务，1956年4月中苏两国政府签订了关于苏联援助的补充协议书，将航空材料研究所列为苏联援建的156个项目之一。

1951年，在美国耶鲁大学获得冶金工学博士学位并在纽约大学从事过钛合金实验室的建立和钛合金相图与加工织构研究工作的颜鸣皋回国，于1956年调至北京航空材料研究所创建钛合金实验室。曹春晓工作初始，被所里分配作颜鸣皋的助手，担任科技资料组组长，广泛收集国内外资料，为即将展开的钛合金研究做基础性工作。

在工作逐步走上正轨后，曹春晓的个人问题开始受到组织的关心，其实他的爱情在大学就绽放了花蕾，未婚妻是同班同学张琲联。1956年曹春晓到北京报到，张琲联依依不舍到火车站相送。她因报考了赴苏留学生，在上海等候考试结果，后来留苏愿望未能实现，经曹春晓和所里及上海交通大学沟通，两边领导同意，张琲联不久也被分配到了北京航空材料研究所，在锻压实验室工作。1958年2月7日，曹春晓与张琲联喜结连理。

1957年元月，设在航空材料研究所的我国第一个钛合金实验室成立，颜鸣皋任实验室主任。为了让实验室成员得到理论武装，颜鸣皋首先开设了《钛及钛合金》系列讲座。曹春晓每一次都去听，并做了详细的记录。在科研中，曹春晓勤学善思、作风细致的特点得到领导的认可，1959年被任命为研究室有色金属压力加工专业组组长，并受命主持了为大跃进中提出的超声速歼击机“东风113”的61号发动机开展“T-8钛合金叶片试制及其模锻工艺研究”的工作；1960年，又赴鞍钢与该公司共同研制T-4钛合金薄板，为“东风113”轧制减速板整流罩。但随着这种不切实际的飞机设计项目的下马，试制出来的钛合金零件却失去了用武之地。

在摸透苏联米格-21飞机科研会战中，根据空军和六院的部署，航空材料所承担了提前研制出新机种设计和生产所需材料的任务。作为项目负责人，曹春晓担负了这一任务的T-15钛合金板材轧制工艺的研究，在短短的时间内完成了这项科研任务。1962年，他发表了自己的第一篇学术论文《热塑性变形条件对α+β型钛合金显微组织与机械性能的影响》。

1964年，室主任向曹春晓交代任务：要求他这个专业组长考虑一下怎样打开钛合金在我国航空工业应用的局面。经过反复思考，他决定以航空发动机为突破口，在发动机的转子叶片和盘上开展“以钛代钢”的研究。经过与领导和专业组其他同志交换意见，初步确定在涡喷6发动机及其改型机上开展置换。这一大胆想法很快得到时任航空工业部副部长兼六院院长刘鼎的大力支持，批拨105万元课题费为此立项。曹春晓在这项科研项目中担任了研制Ti-6A1-4V合金（我国牌号为TC4） 压气机叶片的课题目负责人，作为专业组长，并兼顾另一个项目盘的沟通协调工作。1965年，曹春晓几乎把全部精力都投入到课题之中。在室里拿到熔炼出的性能合格的棒材后，他和同事们又风风火火到达成都420厂研制首批涡喷6发动机第一级和第六级压气机转子叶 片。1966年春节前夕，420厂完成了试车前的钛合金叶片发动机装机工作。钛合金叶片经受住了严峻考验，先期试车取得成功。经过长达244小时的长期试车，发动机圆满达标。1969年两台装有钛合金叶片和盘的发动机同时装到了同一架飞机上，从1970年10月到1972年8月，顺利完成了我国首架以钛合金盘和叶片的发动机为动力装置的飞机长期试车任务。之后，五六种航空发动机先后装上多级TC4钛合金叶片和压气机盘，取代了原来笨重的钢叶片和钢盘，显著提高了发动机的推重比，经鉴定，其性能达到了美国宇航材料标准。

TC4钛合金在涡喷6及其改型机上的应用，实现了我国航空发动机用钛史上零的突破，为航空发动机掀开了新的一页。这一技术创新当时只比美国晚10年，只是“文革”动乱，这个差距又拉大了。

在创造中闪烁光芒

文化大革命中，造反派将所里的总工程师颜鸣皋关进牛棚，打成美国特务。有人让曹春晓准备一下批判颜鸣皋的发言，曹春晓是颜鸣皋的入党介绍人，对他的历史和入党后的表现比较了解。他回答说：“没什么可揭发的。”后来，有人贴出巨幅大字报，批判“资产阶级学术权威——曹春晓”。1970年，妻子张琲联又被下放到“五七”干校劳动。面对单位沉重的政治压力和家庭又当爹又当妈的负担，他没有卷入“造反派”和“保皇派”的斗争漩涡中，从容地坚持科研工作。有时为了出差，只好将孩子委托邻居和专业组的同志照看。

1973年，国家启动大型干线客机运10的涡扇发动机研制，北京航空材料研究所派出曹春晓等参加“钛合金在长寿命航空发动机上的应用研究”课题组，1977年与上钢五厂等组成“TC4大锻件质量攻关组”，经过几年协同作战，紧张攻关，研制出了10多台涡扇8发动机，通过了150小时的适航性试车。涡扇8的研制，使我国航空工业的钛用量和冶金工业的钛产量都达到了前所未有的规模。1982年它又被装在波音707飞机上，通过21小时46分、8个起落的试飞考核。不过运10和涡扇8最终没有逃脱下马的命运，但是曹春晓等人10多年呕心沥血的成果——“TC4钛合金在航空发动机上的应用研究”，在科学春天到来的时候，得到了国家认可，获得了全国科学大会奖。

运10飞机及其涡扇8发动机下马，随着中央军委决定用歼8Ⅱ等新型歼击机装备空军，涡喷13发动机便“高调”上马。涡喷13钛合金用量占总结构重量的13%，材料需要耐热温度比TC4合金高100℃、拉伸强度比TC4高100MPa的TC11钛合金。考虑到该合金特别是盘模锻件研制难度大，为了保证发动机研制进度，冶金部和航空部联合打报告拟向国外订购相应的盘模锻件及其材料，国家计委为此批下500万美元。这一计划激起了航空工业内部有人提出挖掘专业锻造厂潜力联合研制TC11钛合金盘的建议，作为钛合金专业组组长的曹春晓知道后，向有关领导表示了全力支持这一建议的态度。

1980年TC11钛合金材料、盘模锻件研制联合课题组成立并正式启动，曹春晓担任总课题负责人。为了降低风险，他决定在上钢五厂投料进行大炉研制前，先搞一个先锋批（首批）盘模锻件研制。课题组齐心协力，日夜拼搏，按着预定工艺路线锻制出坯料。两个先锋批坯料又很快在贵州安大锻造厂10吨锤上模锻成第三和第六级压气机盘。最终检验结果金相组织细小均匀，力学性能完全符合技术标准。事实证明，高低温交替热变形工艺可以“移花接木”到TC11钛合金上。先锋批的研制，很快突破了“模锻成形关”和“组织性能关”。

紧接着，按照先锋批试制的工艺路线，曹春晓细密制定了具体操作规范，启动了大炉研制。并及时完成了5台份涡喷13发动机第三至第八级压气机盘模锻件的研制。当420厂正在为TC11钛盘紧急缺料，涡喷13发动机总计划进度眼看就要延误的关键时刻，联合课题组夜以继日研制出来的5台份钛盘锻件像及时雨送到他们面前。由于关键部件及时安装到发动机上，使该发动机按计划顺利通过长期试车，为不久的歼8Ⅱ和另一架新型歼击机首飞成功做出了重要贡献。以后TC11又大批量地应用到“秦岭”、“昆仑”发动机上，成为我国军工系统用量最大的一种钛合金。

由于课题组解决涡喷13发动机急需盘模锻件及时，国家用于购买国外同类产品的500万美元被节省下来，原来用于准备新建一条生产线的621万国内投资，由于挖掘了现有工厂的设备潜能也不再需要，1981～1985年航空部内锻造厂钛件产值增加了3000万元，新创利税240多万元。高低温交替热变形工艺创新成果所带来的这些重大的社会效益和经济效益，使该课题获得了1987年国家科技进步一等奖，曹春晓为第一完成人。

永不停歇地科研探索

随着更先进航空发动机的发展，高压压气机的工作温度越来越高，而TC4和TC11钛合金只能分别满足400℃ 和500℃以下工作零部件的要求。后段高压压气机的工作温度已超过500℃，不得不选用耐热钢或镍基合金制造叶片、盘和鼓筒等零件，而它们的比重要比钛合金高一倍。为进一步减轻发动机重量、提高飞机发动机推重比，迫切需要研制能耐更高温度的新型钛合金。这时，中国科学院金属研究所针对沈阳航空发动机研究所设计的“昆仑”发动机提出的要求，初步成功研制出了能耐550℃高温的钛合金（Ti-55），并主动提出与北京航空材料研究所曹春晓等联合开展Ti-55合金研制及应用。从1986年开始，曹春晓作为“550℃高温钛合金的应用研究”课题负责人和材料研制的参加人，又投入新的战斗。

Ti-55合金不同于国外同类合金的最主要特点是在Ti-A1-Sn-Zr-Mo-Si系合金中添加了稀土元素钕，钕在合金中起着细化晶粒、净化晶界、稳定组织、提高抗氧化性等良好作用。Ti-55高温钛合金研制及应用的首要技术难题是解决550℃下蠕变抗力与热稳定性之间的矛盾。课题组经过8年攻关，突破8大关键技术，使550℃高温钛合金叶片、盘和鼓筒等零件通过装机评审，并在“昆仑”发动机上经受住了长期试车的考验。1996年，Ti-55高温钛合金研制通过了以师昌绪院士为主任的鉴定委员会的鉴定。被评价为“以电子浓度为热稳定性判据的合金设计理论及加稀土钕的合金体系的建立具有独创性，属国际领先水平。其实物优于国外同类合金IMI829”。鉴于曹春晓在Ti-55课题中的突出贡献，1997年他受到中国航空工业总公司嘉奖，荣立二等功。课题获得国家科技进步二等奖。中国科学院金属研究所的李东为第一完成人，曹春晓为第二完成人。

钛合金虽已在航空航天器上得到广泛应用，但它的最高使用温度还只限于600 ℃，超过此限的零部件就属于镍合金的“领地”了。始终关注和跟踪钛合金领域国际动态的曹春晓，获悉国外有人正在研制使用温度可达650～700℃的金属间化合物，马上瞄准这一具有世界先进水平的目标，向国家“863”新材料领域专家委员会提出Ti3A1基合金的立项申请报告。课题经答辩很快立了项。这时的曹春晓已50多岁，他用毛笔写下了“热障未破，岂能停蹄”8个大字，压于办公桌玻璃板下，表达了不畏艰险，攻关克难的信心。

1990年，北京航空材料研究所与安大厂、黎阳机械公司合作，选用涡喷13发动机涡轮导风板和二级涡轮结合环两个典型零件作应用研究对象，采用TD2合金取代原来的GH4033镍基高温合金，减重效果接近50%，为提高涡轮13AⅡ发动机推重比作出了贡献。曹春晓因此荣获国家863计划重要贡献奖。

传授知识和传递科研接力棒

如今已是航空材料研究所钛合金研究室主任的黄旭，始终难以抹去与钛合金结缘的一段记忆。那是他在西工大硕士研究生毕业时，试着写了一封信给曹春晓，希望能到航空材料研究所钛合金研究室做博士论文的研究工作。很快他就收到了钛合金研究室高扬的回信。告诉他，“曹春晓由于连续工作疲劳过度突然病倒，正在医院接受治疗。他怕你着急，特委托我回复你，同意你来做博士论文的申请，欢迎你来为航空钛合金出一份力量。”曹春晓在病中仍不忘回应仅有一面之交的年轻学子的求学之情，足见其对事业的热爱与执着。

1982～1997年，曹春晓先后指导了3名硕士生、2名博士生和1名博士后，他们均以优秀成绩毕业。1997年当选为中国科学院院士之后，他先后又指导了12名博士生、2名博士后和2名硕士生。他给自己订出了要力争使所带学生均以优秀成绩按时毕业的目标。在培养后人上，他不计名利，重在传递科研接力棒。几次提出由年轻人担任项目首席专家，在项目验收时，又极力推荐年轻人代表他作项目验收汇报。当选院士后，曹春晓在科普活动中花费了更多精力。他和同行为“院士科普书系”潜心编著了《材料世界的天之骄子——航空材料》一书。在国务院组织的大飞机研制重大科技专项论证中，曹春晓作为论证委员会中唯一从事航空材料研究的委员，与其他委员互相配合、协调共事，起到了独当一面的重要作用，做出了自己应有的贡献。大型飞机上马后，他又成为大型飞机重大专项专家咨询委员会成员。

如果用一句话来概括曹春晓的一生历程的话，他最喜欢的是“耕耘钛业，献身航空，报效祖国”。由于给航空发动机“减肥瘦身”，使祖国的战鹰更加轻捷矫健，祖国的空防力量日益强大。曹春晓的生命已经绚丽多彩，然而他没有停步，他仍在不停的耕耘、创造，他要使生命之花绽放得更加美丽。

钛铝合金 篇4

关键词：TiH2,粉末冶金,钛及钛合金

钛及钛合金密度小、比强度高、耐蚀性好, 然而钛化学活性高, 冶炼难度大、能耗高;钛极易受氢、氧、氮的污染, 加工过程需要真空或气氛保护, 导致其压力加工周期长、设备投入高;同时, 钛合金的切削加工性较差, 切削效率低, 仅为铝合金加工效率的15%, 且尺寸控制难、刀具寿命短[1]。目前航空航天工业是钛合金的主要消费领域, 而开辟钛及钛合金的民用市场的关键在于降低其价格。近几年, 研究人员在降低钛矿冶炼成本、减少钛材加工环节、扩大钛材应用范围等方面开展工作, 以期降低钛及钛合金的价格。因此, 有研究者指出, 降低钛合金加工成本比改善钛合金的性能更具研究空间[2]。

粉末冶金技术减少了钛材加工环节及设备投入, 提高了生产效率, 其近净成形的特点使制作复杂形状零部件成本降低。传统粉末冶金方法是在加热加压条件下使钛合金粉末成形, 利用微塑性变形和原子扩散实现烧结致密化。但钛在高温下流动应力高、原子扩散能力低, 需要1400℃的烧结温度才能获得理论密度超过90%的钛材。钛合金在此高温下会形成有害的过热组织β相, 材料孔隙度较高, 尺寸大且分布不均匀[3], 致密度仅能达到95%左右[4,5]。

采用以TiH2粉为原料的粉末冶金工艺制造钛产品是近年国际研究热点。TiH2具有脆性, 容易破碎获得细粉, 满足工艺需求并可降低其原料成本[6]。该工艺利用氢的可逆合金化作用, 将钛合金的粉末成形与氢处理技术相结合, 在烧结工序中一并将氢脱除, 降低烧结温度、缩短烧结时间, 不使用热等静压工艺也可获得较高的致密度。简单的工艺流程减少了杂质对产品的污染并可改善制件力学性能。因此, 采用TiH2为原料可以制得成本低且杂质少的钛产品, 直接降低了钛的制造及使用门槛。

1 钛-氢可逆反应在钛粉末冶金中的作用

根据钛-氢相图 (图1) , 氢是β相稳定元素, 氢的合金化作用增加了合金中的β相含量, 导致合金热变形时流动应力降低;氢在钛中的自扩散和溶质扩散能力较强, 尤其是在β相内的扩散能力更强, 合金元素的加速扩散降低了原子结合能, 减小了扩散激活能, 提高了扩散协调变形能力;氢的扩散解析作用使钛中的空位浓度和位错增加, 增大了钛的表面活性, 降低了烧结过程的自由能。同时, 含氢的β固溶体在共析点会发生共析转变βH→αH (α) +TiHx (γ) , 形成α和γ面心立方氢化物。在应力作用下, 含氢钛合金还会诱发α体心立方的氢化物, 即在真空烧结等过程中又会发生TiHx→α+H2等相变。这些相变的发生有利于破碎钛合金晶粒, 改善微观组织。以氢作为临时合金元素加入钛中, 可在很大程度上改善烧结工艺及烧结件性能[7]。

2 以渗氢钛粉为原料的成形工艺的提出

Yolton等的早期研究工作表明, 氢化的钛粉在热等静压过程中, 氢无明显损失, 真空除氢后可得到等轴细化的显微组织。Kolachov等指出, 由于加氢钛合金粉末粘着能力和塑性的增强, 钛粉可在标准工艺的固结压力、比标准工艺低100~150℃的温度下, 或以标准工艺的固结温度、标准工艺的50%~70%固结压力获得高质量的制件, 且过程时间缩短。Apgar等则在6GPa氢分压下对Ti-24Al-11Nb预合金粉末进行加氢处理, 然后进行热等静压试验。氢的加入使热等静压温度降低36.6℃, 在650~850℃真空除氢后可获得微米级的细晶组织, 其晶粒比快速凝固的粉末粒子更为细小。Greenspan等指出钛粉加氢固结可以降低钛粉固结温度和固结压力。田亚强等研究了置氢TC4钛合金粉末模压成形-烧结后的组织性能, 结果表明当置氢量达到0.42%时, 置氢TC4合金粉末模压成形温度可降低100℃左右, 烧结体致密效果好、力学性能高[8,9]。以渗氢钛粉为原料的成形工艺的提出改进了传统的粉末冶金工艺, 提高了制品性能, 验证了利用氢的可逆合金化作用可以获得细小的烧结组织。但该工艺仍需要热等静压成形, 并未从实质上简化工艺、降低原料成本。

3 以氢化钛粉为原料制备钛合金的工艺

结合氢化-脱氢 (HDH) 的制粉工艺, Fores等[10]提出了改进的氢合金化制备钛合金的粉末成形工艺, 实现了由制粉到制件成形一步完成的工艺路线。Fazevedo等[11]分别用两种工艺制备了Ti-6Al-4V合金试样, 并比较研究了两者的微观组织和孔隙率。乌克兰的O.M.Ivasishin教授等[12]用氢化钛粉代替普通钛粉, 研究了3种成分的合金Ti-2.5Fe、Ti-5Al-2.5Fe和Ti-5Mn, 经过冷压成形和真空烧结后, 粉末冶金制品的密度达到了理论密度的93%~99%。该工艺不需要热等静压进一步提高致密度, 工艺步骤少, 原料成本低, 设备投入小, 便于灵活开展生产。目前欧美一些公司大力推广该工艺 (如图2所示) , 利用其制造的各种钛材已得到了应用。美国ADMA公司与美国陆军、海军、RTI国际金属公司、Plymouth Engineered Shape公司及Dynamic Flowform公司合作利用这种新技术制造出各种各样的钛材, 开始为美国陆军、海军及波音、空客和其他一些公司提供各种钛材零部件。

4 国内外研究现状

由于国内钛粉末冶金技术还处于起步阶段, 对于以氢化钛粉为原料制备钛合金的工艺研究不多, 该工艺为我国钛粉末冶金技术发展指出了新的方向。但该工艺仍需要开展系统研究, 特别是大尺寸成型件的脱氢研究目前仍然是空白。

4.1 以TiH2粉末制备钛及钛合金的工艺研究

(1) 改进TiH2粉末压制烧结工艺

TiH2粉末质硬、脆, 粉体颗粒形状极不规则, 流动性差, 成形性差。戴坤良等研究了TiH2粉末的模压性能, 发现成形剂以润滑粉体的方式加入时, 十八醇与金刚烷的混合物在添加量小于0.4%时压制性能较好;成形剂以润滑模具的方式加入时, 硬脂酸效果较好。但润滑剂十八胺与金刚烷成本高, 不利于工业化生产。因此, 粉体形貌整形、开发新TiH2粉末成形剂体系应是下一步着重考虑的方向[13,14]。TiH2粉含氢量高, 脱氢烧结后, 坯料体积收缩, 尺寸精度难以控制, 容易产生烧结缺陷。有学者提出采用不饱和氢化钛粉生产粉末冶金钛合金, 以避免脱氢过程带来的高能耗, 同时利用粉体中的少量氢进行活化烧结。试验证明不饱和氢化钛粉代替饱和氢化钛粉, 极大地降低了粉末冶金制品在烧结过程中产生裂纹的几率[15,16]。但不饱和氢化钛粉的性能评估体系尚未建立, 如何准确控制及评估其不饱和度, 仍需进一步研究。表1为钛的几种粉末冶金制备技术的特点。

(2) 以TiH2粉末为原料的粉末注射成形工艺

国内外的Ti-MIM研究中也有使用TiH2粉末来改善工艺性能或者力学性能的报道, 烧结过程中TiH2脱氢引起钛粉物化性能和能态变化, H能减弱Ti-Ti键, 提高原子扩散速率, 新生钛的高活性有利于改善钛的烧结活性, 促进全致密化烧结[17,18,19,20]。在此基础上, 国内研究者对TiH2粉末注射成形用粘结剂体系、脱脂工艺和烧结技术进行了研究。喻岚等[21]以TiH2粉末和Al-V合金粉为原料, 对钛合金的金属注射成形 (MIM) 工艺进行了探索。在制备钛合金的过程中实现了脱氢-脱脂/烧结一体化, 烧结样氢含量仅为0.014% (质量分数) 。该工艺制备的Ti-6Al-4V合金微观组织致密、均匀。该试验证明了TiH2粉末可作为MIM钛合金的原料, 其工艺路线可行, 但脱脂、脱氢/烧结等关键环节仍然需要进一步优化。刘素红等[22]制备的MIM纯钛制品相对密度达98.96%, C含量仅比原料增加0.07%, O含量降低0.06%, N含量为0.0005%, H含量为0.0001% (均为质量分数) 。TiH2可有效改善烧结活性, 促进全致密化烧结, 有利于通过MIM工艺获得高品质钛制品, 这一结论与Shinohara等的研究结果相符[23]。

(3) 高能球磨法制备钛合金

集成电路布线技术的扩散阻挡层的性能依赖于靶材的密度、晶粒度和相组成。采用热压法、热等静压法等制备的W-Ti靶材晶粒粗大、致密度低, 很难得到单一相, 影响了W-Ti薄膜的阻挡性能。因此, 寻找新的途径制备细晶粒、高致密度W-Ti合金是目前研究的热点。王庆相等[24,25]采用机械球磨方法制备W-10%Ti、W-10%TiH2 (均为质量分数) 纳米晶粉末, 经压制后在1550℃保温烧结80min得到W-Ti合金, 用W-TiH2球磨粉制备的W-Ti合金密度较高且晶粒细小, 减少了氧化, 避免了烧结过程中液相的产生。

以钛为基体的Ti-W合金强度高, 延展性好;并且无磁性的W固溶于Ti基体能够降低Ti的弹性模量, 可用于医学领域。以Ti粉为原料制备的Ti-W合金, 由于Ti粉表面形成的致密氧化膜阻碍了烧结过程中W与Ti之间的互扩散, 并形成第二相粒子TixWyOz, 导致晶界脆化, 强度降低;而以TiH2粉为原料, 采用固相烧结制备的Ti-20%W合金成分均一, 抗压弹性模量能够满足作为骨替代材料使用的要求[26]。

4.2 以TiH2粉末为原料制备医用钛及钛合金

昆明冶金研究院 (云南冶金集团股份有限公司技术中心) 从2007年开始与美国犹他大学共同开展了国家科技部国际合作项目“新型医用钛材的粉末冶金制备工艺研究”。项目以TiH2粉末为原料制备了纯钛、Ti-6Al-4V合金, 并采用该工艺制备了医用钛及钛合金产品, 具有流程短、能耗低、成材率高等优点, 特别适用于制造批量小、品种规格多的医用钛产品。

目前, 该项目已顺利通过国家科技部、云南省科技厅的验收, 完成了实验室小型试验和中试规模的扩大试验, 化学成分及力学性能 (如表2、表3所示) 均达到了ASTM标准。

注:CPTi (锻) 、TC4 (ELI锻) 、TC4 (锻) 为某公司的CPTi锻棒、TC4ELI锻棒、TC4锻棒;σb、σ0.2、δ、ψ分别代表抗拉强度、屈服强度、延伸率和断面收缩率

项目充分发挥了粉末冶金技术低成本、近净成形的特点, 制备了髋关节、膝关节以及人工骨骼, 如图3、图4所示。按照相关标准和规范采用挤压、旋锻等压力加工工艺, 制备出骨针、矫形棒、椎弓钉等植入物, 同时申请了1项发明专利和1项实用性专利。

F.A.Müller等以TiH2粉末、NbH粉末、ZrH2粉末为原料, 在300MPa压力下冷等静压成形, 并于1500℃烧结2h, 制成理论密度达到93%的Ti-13Nb-13Zr合金, 并成功在其表面合成了人工HCA层。M.C.Bottino等也用TiH2粉末、NbH粉末、ZrH2粉末为原料制备了Ti-13Nb-13Zr合金, 考察了烧结温度、保温时间对材料密度及微观组织的影响, 通过将种植体植入兔子体内, 评估了种植体与骨的结合性能, 结合荧光标记评估以及甲苯胺蓝染色评价结果, 表明以氢化物粉末作为原料的粉末冶金工艺路线可用于生产Ti-13Nb-13Zr合金, 并且产品可用于制作植入物[27,28]。

5 结语

(1) 以廉价的TiH2粉末为原料, 使用最简单的压烧共混元素粉末冶金法即可得到钛及钛合金, 且无需高温热变形。与传统的铸锭冶金方法相比, 所制得的合金的结构与性能可达到较好的平衡。在降低成本的同时还能保持钛合金独特的性能, 降低了制备钛及钛合金的门槛, 因而将进一步扩大钛合金的使用范围。

(2) 由于在烧结TiH2粉坯料的过程中, 脱氢过程受到氢内扩散控制, 与其零件尺寸有密切关系, 国内外的研究者对TiH2的脱氢动力学行为进行了很多分析, 但探讨零件尺寸大小与脱氢行为之间关系的研究还未见报道, 不能确定TiH2压坯脱氢所需时间与温度和压坯尺寸的关系, 脱氢工艺得不到优化, 这将影响钛及钛合金烧结零件的性能。

高强钛合金TIG焊接工艺研究 篇5

进行了高强钛合金Ti17 TIG焊接接头力学性能测试.结果表明,Ti17焊缝为针状组织,硬度低于母材;HAZ组织明显长大,硬度高于母材.接头拉伸时为韧性断裂,接头延伸率比母材高,接头拉伸强度达到母材的75%.

作 者：周世明 Zhou Shiming  作者单位：中国人民解放军第四八零八工厂 刊 名：航空制造技术  ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY 年，卷(期)： “”(3) 分类号：V2 关键词：Ti17合金   TIG焊   接头性能  

钛及钛合金的发展与应用研究 篇6

关键词:钛及其合金性能特点发展应用

中图分类号:TG146文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)03(a)-0071-01

一个国家有色金属的消费量和生产量是衡量该国家综合实力的重要标志之一。我国已发展成为居世界第二位的有色金属生产大国和消费大国,钛、钨、铜、锌等有色金属及其合金是我国重要的战略金属材料。我国的人均战略有色金属资源占有量大大低于世界平均水平,加强战略金属新材料的开发应用,促进其资源保护具有重要的战略意义。钛及钛合金由于具有重量轻、强度大、耐热性强、耐腐蚀、生物相容性好、无磁性、无毒性、工作温度区宽、加工成形性好等许多优良特性,被誉为未来金属、空间金属和海洋金属,其应用已遍及现代新技术的各个领域,在国民经济中占有重要地位。

1 钛及钛合金的性能特点

钛的体积质量为4.51g/cm3,比强度高,与高强度钢相比,相同强度水平可降低重量40%以上。钛的熔点为1678℃,比铁的熔点高,是轻金属中的高熔点金属,沸点3287℃。纯钛材容易加工,钛的塑性主要依赖于纯度。钛越纯,塑性越大。常温下钛为α相,呈密排六方结构,在882℃转变为体心立方结构的β相。纯钛的电阻率和导热率与奥氏体不锈钢大致相当。钛的比容与奥氏体不锈钢相当,但由于密度小,则热容小,容易加热,也容易冷却。纯钛具有良好的抗腐蚀性能,不受大气和海水的影响。在常温下,不会被稀盐酸、稀硫酸、硝酸或稀碱溶液所腐蚀;只有氢氟酸、热的浓盐酸、浓硫酸等才可对它作用。在大多数水溶液中,都能在表面生成钝化氧化膜。因此,钛在酸性、碱性、中性盐水溶液中和氧化性介质中具有很好的稳定性,比现有的不锈钢和其它有色金属的耐腐蚀性都好。可以用钛代替不锈钢、镍基合金和其它稀有金属,制作各种热交换器、反应器、高压容器和蒸馏塔等设备。钛及钛合金对提高耐蚀产品质量、延长设备使用寿命、减少消耗、降低能耗、降低成本、防止污染、改善劳动条件和提高生产率等方面都有十分重要的意义。

2 钛及钛合金的发展

钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属。1954年美国研制成功的Ti-6Al-4V合金,由于它具有良好的耐热性、成形性、耐蚀性和生物相容性,成为钛工业中的王牌合金,该合金使用量已占全部钛合金的75％～85％,其他许多钛合金都可以看作是Ti-6Al-4V合金的改型钛合金。20世纪60年代,主要发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金。20世纪70年代,耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展,还出现了Ti-Ni、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni-Nb等形状记忆合金,并在工程上获得日益广泛的应用。20世纪80年代,耐热钛合金的使用温度已从原来的的400℃提高到600～650℃,A2(Ti3Al)和γ(TiAl)基合金的出现,使钛在发动机的使用部位正由发动机的冷端(风扇和压气机)向发动机的热端(涡轮)方向推进;结构钛合金向高强高塑、高强高韧、高模量和高损伤容限方向发展。20世纪80～90年代,新型高强高韧β型钛合金也得到了广泛的研发与应用,近几年国外把采用快速凝固与粉末冶金技术、纤维或颗粒增强复合材料研制钛合金作为高温钛合金的发展方向,使钛合金的使用温度可提高到650℃以上。同时开发出一系列具有优良生物相容性的α+β钛合金,例如Ti-15Zr-4Nb-4Ta-0.2Pd、Ti-15Zr-4Nb-2Ta-0.2Pd-0.20-0.05、Ti-15Sn-4Nb-2Ta-0.2Pd和Ti-15Sn-4Nb -2Ta-0.2Pd-0.20等钛合金。

3 钛及钛合金的应用

3.1 钛及钛合金在汽车工业中的应用

汽车工业在我国国民经济中占有相当的比重,汽车的质量每降低10%,燃料消耗可节省8%～10%,废气排放可减少10%。用钛合金制造发动机连杆,车辆在全速行驶时,连杆质量减轻后,大大提高了燃料的利用率,减少了排气量,提高了发动机的驱动温度。应用钛合金制造连杆,其重心贴近曲轴方向,可大幅度地降低噪声、振动,提高了发动机性能。钛合金制汽车造齿轮,具有优良的抗氧化性和抗蠕变性优点。

3.2 钛及钛合金在舰船工业中的应

钛及钛合金对海水具有良好的耐蚀性,钛是继木、铁、铝、玻璃纤维及加强塑料之第5代船体用材料。核潜艇、深潜器、原子能破冰船、气垫船和扫雷艇等使用了钛材制造螺旋桨推进器、潜艇鞭状天线、海水管路、冷凝器和热交换器声学装置等。

3.3 钛及钛合金在电力工业中的应

钛合金在火力、原子能发电厂的汽轮机动叶片及凝汽器和管板使用。为了提高原子能发电站的运转率和安全性,现正在研究使用钛制冷凝器。1100MW的最新原子能发电站需用钛材150t;火力发电站的用钛量也很可观,一座容量600MW的发电站,需用钛60t。因此,电力工业能够成为钛材的主要应用领域。

3.4 钛及钛合金在石油化学工业中的应用

钛及钛合金在化工和石化工业中主要用作电解槽、反应器、浓缩器、分离器、热交换器、冷却器、吸收塔、泵和阀等。在年产35万t规模的对苯二甲酸设备中大约要用200t钛,在用钛的各种化工设备中,换热器占钛材用量的52%。

3.5 钛及钛合金在航空航天工业中的应用

钛合金在现代飞机上的应用越来越广泛,尤其是在高性能战斗机的风扇叶片、压气机叶片、盘、轴、机匣、骨架、蒙皮、机身隔框和起落架大都需要钛合金。在航天工业中,使用钛及其合金制造燃料储箱、火箭发动机壳体、火箭喷嘴导管、人造卫星外壳等。所以,现代航空航天工业中钛被称为不可缺少的太空金属。

参考文献

[1]刘业翔.有色金属冶金基础研究的现状及对今后的建议[J].中国有色金属学报,2004,14(S1):21～24.

[2]李春月,解念锁,王艳.SiCp/Cu复合材料高温抗氧化性能研究[J].陕西理工学院学报(自然科学版),2009,25(4):1～4.

[3]王艳,解念锁.原位自生Sip/ZA40复合材料的组织及性能研究[J].陕西理工学院学报(自然科学版),2011,27(1):1～4.

[4]王瑾.基于材料的绿色产品设计与管理研究[J].科技创新导报,2009(32):7.

[5]王瑾,何亚银.绿色设计与制造理念下的先进加工技术研究[J].高等教育与学术研究,2009,4(10):22～24.

[6]罗国珍.钛的研究发展评述[J].稀有金属材料与工程,1993,22(5):19～28.

[7]王以华,林健,吴振清.钛合金的应用前景及其锻压技术[J].金属加工(热加工),2009(21):12～15.

浅析钛合金孔加工技术 篇7

钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金。钛有两种同质异晶体:882℃以下为密排六方结构α钛, 882℃以上为体心立方的β钛。钛合金元素根据它们对相变温度的影响可分为三类:α钛合金, β钛合金和α+β钛合金。由于合金组织稳定, 高温变形性能、韧性、塑性较好, 是航空业重要的原材料。钛合金特点主要表现在:

1.1 强度高、热强度高、耐蚀性好

钛合金的密度一般在4.5g/cm3左右, 仅为钢的60%, 但钛合金的比强度 (强度/密度) 远大于其他金属结构材料。其次, 钛合金热稳定性好, 在中等温度下仍能保持所要求的强度, 在300℃~500℃条性下, 仍有很高的比强度, 约为铝合金的3~4倍。钛合金对应力腐蚀的抵抗力特别强, 且表面形成的致密的氧化膜对酸、碱、氯化物、氯的有机物品具有优良的抗蚀能力。因此在飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等方面都有对钛合金使用。

1.2 导热性能差

钛的导热系数λ=15.24W/ (m.K) 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%, 因而散热慢, 不利于热均衡, 特别是在钻削加工过程中, 散热和冷却效果更差, 在切削区易形成高温。

1.3 钛及其合金化学活性高

钛及其合金能与空气中的0、N、H、C0、CO2、水蒸气等产生化学反应, 在钛合金表面形成Ti C及Ti N硬化层, 使得脆性加大, 塑性下降;在高温高压下加工, 与刀具材料起反应, 形成溶敷, 扩散而成合金, 不利于切削加工。

2 在钛合金孔加工过程中出现的问题

影响钛合金孔加工质量的因素有很多。通过了解钛合金性能特点, 分析其加工特性, 结合在加工中出现的问题, 钛合金加工的难度主要体现在以下几点。

(1) 在钻削加工过程中, 在钻削区易形成高温;再加上钻头与前刀面接触面积小, 刀尖应力大, 切屑不易排出, 钻削用量不易控制, 易造成零件变形和烧刀现象。

(2) 钛合金弹性模量小, 在钻孔时钛合金在钻削力作用下产生较大的变形;在完成加工起钻时, 使已加工表面产生较大的回弹, 引起加工的零件超差, 加工面粗糙。

(3) 由于钛及钛合金化学活性高, 钛合金亲和力大, 加之高温高压作用, 在钻削时易产生粘刀现象, 切屑挤在钻头沟槽中不易排出, 造成刀具粘接产生积屑瘤, 甚至出现扭断钻头等现象。

鉴于钛合金孔在加工中易山现上述等问题, 在钛合金加工中需要改进加工方法, 通过改进工具来提高钛合金加工孔的质量和加工效率。

3 提高钛合金孔加工质量的措施

由于钛合金在孔加工时易出现高温区、烧蚀刀具, 产生积屑瘤, 零件超差, 加工面粗糙等现象, 在孔的加工中可以从以下几个方面来提高孔的质量和加工效率。

3.1 选择合适的钻头和工具

(1) 经不同材料的钻头试验分析, 超细品粒硬质合金钻头加工钛合金时刃口锋利、磨损小, 效率有了显著的提高, 是比较理想的刃具材料, 如果没有条件可以选择高速钢M42, B201或硬质合金钻头。

(2) 在钻头上设计四条导向刃, 可以增加钻头的截面惯性矩, 提高刚性, 其耐用度比标准钻头高3倍左右。同时由于导向稳定减小了孔扩张量, 如Ф3mm的四条导向刃钻头孔扩张量仅为0.03mm, 而标准钻头为0.06 mm。

(3) 采用“S”形或“X”形修磨钻头横刃, 横刃长度为0.08~0.1钻头直径, 同时保证横刃的对称度小于0.05mm。两种形式的横刃均可形成第二切削刃, 起到分屑作用和减小在钻孔时的轴向力。

(4) 选择适宜的枪钻:在钻钛合金长径比大于5的深孔时, 当孔径小于等于30mm时, 一般采用硬质合金枪钻;当孔径大于30mm时, 采用硬质合金钻头或喷吸钻等。

3.2 选择正确的切削液

选用适合钛合金加工的冷却方式, 进行有效的冷却, 可延长切削刀具的寿命, 提高加工效率。

(1) 在钻浅孔时可选用电解切削液, 其成分为三乙醇胺, 癸二酸, 硼酸, 亚硝酸钠, 甘油和水。

(2) 在钻深孔时, 因为水在高温下可能在切削刃上形成蒸汽气泡, 易产生积屑瘤, 使钻孔不稳定, 不宜选用水基切削液。一般采用豆油, 必要时可加入钻孔攻丝专用油和添加剂为切削液, 经高压空气油雾器雾化后, 通孔道直接将冷却气雾送至切削区域, 进行冷却和润滑, 且切屑易排出钻头, 获得更佳的冷却润滑效果。

3.3 采用合理的加工方式

钛合金的性能特点要求钻削在加工时钛合金需采用合适的方式。一般采用低转速, 适中的进给量;在加工深孔时要勤退刀并及时清除切屑, 注意切屑的形状和颜色。如在钻削过程中切屑出羽状或颜色变化时, 表明钻头已钝, 应及时换磨刀刃。

为了提高工艺系统刚性, 钻模应固定在工作台上, 钻模引导宜贴近加工表面, 尽量使用短钻头;当采取手动进给时, 钻头不得在孔中不进不退, 否则钻刃摩擦加工表面, 造成加工硬化, 使钻头变钝, 影响孔的质量和加工效率。

4 结束语

钛合金材料在航空、航天领域中被广泛应用。但其较差的加工性能, 制约着钛合金零件加工质量和生产效率, 尤其在钻孔和攻丝方面表现较突出。因此在孔加工方面提出合理的加工方式, 加工方法, 加工工具可以改善孔的加工质量, 提高加工效率。

参考文献

[1]李富长, 宋祖铭, 杨典军.钛合金加工工艺技术研究[J].南京机电液压工程研究中心.

[2]张利军, 申伟.钛合金材料的钻孔技术分析[J].西安北方光电科技防务有限公司.

钛合金磨削温度实验研究 篇8

在航空, 航天, 航海以及能源电力化工领域的各种管道, 越来越多地使用钛合金。钛合金具有比强度高, 热强性好, 耐腐蚀, 资源丰富等一系列优点, 为了提高钛合金的磨削加工效率和磨削质量, 工业生产中迫切需要改善其磨削加工性。磨削钛合金时, 产生的热量较多, 又由于这种材料的热导性较差, 因而易使磨削区的温度升高。磨削表面的高温及其沿工件层的分布对磨削烧伤, 变质层及残余应力等有很大影响。

2 磨削测温实验

钛合金试件:TA1, 成分为工业纯钛, a型;TC11, 成分为Ti-6.5Al-3.5Mo-2Zr-0.3Si, a+β型试件本体上钻出一个或几个台阶孔, 孔径应尽量小, 特别是顶部的小孔, 如图1所示。

磨削系统中砂轮为绿色碳化硅GC60J, 树脂结合剂金刚石60粒度, MM7132A型磨床, 切削液用乳化液。

3 实验结果

图3是GC60J磨削TA1和TC11得到的表面温度。可以看出:由于实验条件限制, 除磨削宽度TA1为15mm, TC11为20mm, 其他磨削参数相同条件下, TA1表面温度高于TC11。分析:TA1虽然导热率较高, 但是比较粘刀, 比较软, 磨削温度较高。

下面是两种砂轮GC60J和60粒度的树脂结合剂金刚石砂轮 (DSZ60) 磨削TA1的测温实验, 磨削参数以及砂轮型号如图。由图4可以看出:绿色碳化硅比金刚石磨削钛合金的温度低。分析:磨削钛合金时砂轮磨粒除有较严重的磨耗磨损外, 砂轮还有较严重的堵塞, 因为金刚石砂轮堵塞较为严重因此温度较高。

4 结论

通过以上分析我们得到如下结论:

(1) 绿色碳化硅GC60J磨削钛合金TA1与TC11比较, TA1较软, 较粘, 磨削后有非常明显的飞边, 磨削温度较高。

(2) 采用绿色碳化硅和树脂结合剂金刚石砂轮磨削钛合金, 绿色碳化硅砂轮的磨削温度低, 金刚石砂轮磨削效率较高。

(3) 进给速度20m/min以下, 切削深度0.022mm以下, 两种钛合金温度低于400℃。

参考文献

[1]张喜燕, 赵永庆, 白晨光.钛合金及应用[M].北京:化学工业出版社, 2005-04.

[2] (德) C莱茵斯, M皮特尔斯编.钛与钛合金[M].北京:化学工业出版社, 2005-03.

[3]S.马尔金著.蔡光起译.磨削技术的理论与应用[M].大连:东北大学出版社, 2002.

钛合金轴零件的磨削加工 篇9

关键词：钛合金,转轴零件,磨削加工

1 引言

随着全球航天、航空业的蓬勃发展,钛合金材料凭借其特有的突出性能,如比强度高、耐高温、抗腐蚀性能强、密度低等优点,得到了广泛的关注。各国针对钛合金材料因导热性能低等导致难以加工的缺点进行大量的研究,也使得其应用领域扩展到化学工业,核工业、航天、船舶等各个方面。

通常,钛合金材料作为主要结构材料多用于外壳零件,但在某些特殊情况下,如航天电机等小型驱动元件中,也要求轴类零件采用钛合金材料。轴类零件因其特性,为保证尺寸、形位公差精度要求,则多采用磨削加工。而钛合金材料的导热系数仅为钢的1/4,铝合金的1/13,铜的1/25[1],因此作为转轴的使用材料在磨削加工过程中,磨削加工区域散热慢,不利于热平衡,极易在加工区域形成高温,从而导致砂轮加速磨损,加工零件尺寸超差,甚至造成零件表面烧伤,致使加工零件报废。因此对钛合金轴类零件的磨削加工进行研究分析成为必然。

2 钛合金的磨削性能

衡量磨削性能的主要标准有砂轮的耐用度(即砂轮使用寿命)、磨削比(即磨削去除的材料体积与砂轮损耗体积之比)。

磨削钛合金时砂轮的耐用度较低,原因是钛合金具有较高的化学亲和性和较低的导热系数,使得磨削加工区域容易形成高温,砂轮不但受到正常的磨削损耗,还受到较严重的化学腐蚀,加速了砂轮的磨损,减少了砂轮的使用寿命。钛合金的磨削比较差,钛合金在磨削过程中砂轮磨损剧烈,容易变钝失效。例如在同样条件下磨削钛合金TC4和45钢,前者的磨削比只有1.53,而后者的磨削比为71.5。

此外,在磨削加工的表面完整性(表面及表层状态)和磨削功率或磨削力等方面,钛合金的表现也很一般。

鉴于上述原因,钛合金应尽量避免作为需要磨削加工的轴类零件的使用材料,但是由于钛合金材料的高强度(强度约为铁的2倍、铝的6倍),密度小(位于铝合金和钢之间),钛合金的工作温度范围广,在-253℃~500℃均可正常使用,钛合金的抗腐蚀性优良,特别是在海水和海洋火气中抗腐蚀性极高。以上这些优越的特性就决定了钛合金作为结构材料能在对体积、重量、强度、抗腐蚀性能要求都较高的航天、航空飞行器上大量应用,所以有时航天器上的微型电动机转轴也使用钛合金材料。

3 钛合金磨削加工的参数选择

根据钛合金的特性以及磨削性能,可以预见加工钛合金轴类零件最大的困难是在磨削过程中,加工区域因砂轮与零件相互摩擦切削产生大量热量,又因为钛合金导热性差等原因,使得这些热量无法快速有效地散发出去,致使磨削加工区域产生高温,出现粘屑造成砂轮堵塞以及零件表面烧伤。钛合金零件表面的正常加工颜色为银灰色,烧伤后为蓝色。

为避免上述现象的发生,首先应采用小余量磨削加工的方法。在磨削工序前,应安排必要的粗车、热处理和精车等加工工序,在需要磨削的转轴外圆处,精车时留有少量的磨削余量。一般情况下,钢材料转轴要求留有0.2~0.3mm磨削等量,钛合金则要更小,约为0.1mm。且加工时,分为粗磨加工和精磨加工,其具体加工参数见表1[2]。

此外需注意,无论在磨削加工还是在之前的粗、精车加工工序中,一般转轴类零件都选择转轴两端的中心孔作为加工定位基准,尽管转轴中心孔与机床顶针相对运动较少,但由于该处空间较小,且磨削液基本无法达到,致使转轴中心孔在加工时由于摩擦产生的高温而形变,导致定位基准失效,零件加工尺寸超差,甚至导致零件报废。解决该问题的方法是,可使用钢材料加工两个接头,通过螺纹或胶黏结的方法固定在转轴两端,在粗车工序时一同加工,这样中心孔可以加工在钢接头上,既避免了中心孔高温变形的问题,也保证了零件的加工精度,在零、部件全部加工完毕后,再采用铝制软三爪装夹转轴外圆的定位方式,将两端接头去除。

此外,根据具体的加工情况,除采用小余量磨削加工的方法外,钛合金磨削还可以采用低应力磨削或缓进磨削等加工方法来提高磨削质量或生产率。

4 砂轮的选择

由于钛合金具有化学亲和力强、摩擦系数大、导热系数低等特点,在磨削加工中,不同于结构钢的地方是:除粘结、扩散外,钛合金同磨料还起化学作用,从而改变了砂轮的磨损性质。磨削钛合金时,钛合金磨屑很快便粘结在磨粒顶端,并与之发生化学反应,从而加速了砂轮的磨损,所以砂轮的选择尤为重要,常用的磨削钛合金的砂轮磨料有以下几种:

(1)锆刚玉。

强度和韧性都高,耐磨性也不错,磨削钛合金时,砂轮不能阻塞。

(2)绿碳化硅。

具有较好的导热性与半导体特性。与钛合金粘附较轻,砂轮不易阻塞。碳化硅易破碎形成新刀口,刀口锋利,降低了砂轮的磨损率。

(3)铈碳化硅。

其外观和绿碳化硅相似,与绿碳化硅磨料相比,其铈碳化硅的显微硬度、单颗粒抗压强度、韧性等均比绿碳化硅高。由于铈碳化硅的物理性能有所改变,其磨削效果也得到了一定的改善。试验证明磨钛合金时,铈碳化硅与绿碳化硅相比,切削效率提高近一倍,并且火花较小。

(4)混合磨料。

绿碳化硅和微晶刚玉的混合磨料,其自锐性好,砂轮阻塞性低,磨削比虽稍低于绿碳化硅和铈碳化硅砂轮,但磨削的表面粗糙度最低,且在较大的金属去除量范围内,磨削的表面粗糙度也十分稳定。

(5)超硬磨料。

人造金刚石和立方氮化硼是两种人造超硬磨料,它们具有极高的硬度和优良的切削性能,同时对钛合金的化学稳定性也很好。所以用这两种磨料的砂轮磨削钛合金时,由于化学作用而造成的砂轮磨损就显得不那么突出。因此人造金刚石和立方氮化硼砂轮磨削钛合金的效果较好,缺点是价格昂贵。

砂轮的粒度是指磨粒尺寸的大小,用粒度号来表示。粒度号越大,磨粒的尺寸越小。粗磨钛合金时,以要求生产率高为主,可选用粗粒度的砂轮。精磨时则选用细粒度的砂轮,便于降低工件表面粗糙度。若使用过细粒度的砂轮时,易出现磨削温度过高从而烧伤工件表面的现象。

5 钛合金磨削用磨削液

钛合金磨削加工时,砂轮磨粒切削工件表面产生大量的磨削热量,这些热量必须使用磨削液将其带走,以降低磨削区的温度。对钛合金来说,理想的磨削液除象磨削一般材料那样要起冷却、润滑和冲洗作用外,更重要的是要能有效地抑制钛合金与磨料的粘附作用和化学作用,并且还要不发泡、消泡快。由于钛合金磨削温度高,钛屑易燃,当使用油溶性磨削液时可能发生火灾。所以建议使用合成水溶性乳化液,也可自配磨削液。需要注意的是钛合金磨削最好不使用含氯的磨削液,既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[3]。

由于钛合金相对其他材料磨削时加工区域温度高,使用磨削液时要求喷嘴尽量靠近磨削区,磨削液流量要大,对于每毫米砂轮宽度的流量一般不小于0.5L/min。除此之外,磨削液的水箱容量也要足够大,以防止磨削液温升过高,并应装有过滤装置,保证磨削液的清洁。

6 加工实例

某型号步进电机作为航天器太阳帆板展开驱动元件,其转子结构为在钛合金转轴上压装硅钢铁芯。该步进电机定、转子间隙仅为0.016mm,所以对转子加工精度要求比较高,转子各外圆同心度不大于0.006mm,尺寸公差要求4级精度,表面粗糙度Ra0.8。

实际加工中,转轴经过粗车、精车和必要的去氢热处理等工序后压装铁芯,再在进口内外圆磨床上进行整体磨削,采用小余量磨削加工方法。转轴车削加工仅留0.1mm的磨削余量,然后一次装夹,进行粗磨、半精磨和精磨加工,粗磨进给量0.02mm,半精磨进给量0.01mm,精磨时进给量0.005mm。采用46#粒度的铈碳化硅砂轮,水溶性乳化液,磨削液流量大于35L/min。同批次转子加工后未出现尺寸超差现象,合格率达到100%。

7 结语

钛合金材料的磨削性能特点决定了钛合金轴类零件在磨削加工中难度较大,只有正确选择磨削参数,砂轮以及磨削液,配合合理的工序安排,才能延长砂轮使用寿命、提高零部件的加工精度和生产效率。

参考文献

[1]王彩霞.B型钛合金细长轴套的加工工艺分析[J].装备制造技术,2010(7):99-101.

[2]傅勇宗,明辉,刘应萝.TA15、TB6钛合金切削加工用量和刀具的选择[J].航空制造技术,2006(7):59-61.

高温钛合金的发展与应用 篇10

钛合金是一种以钛元素为基础, 通过多种元素进行组合的一种合金材料。由于钛具有两种同质异晶体, 所以在化学性质上具有两种不同的特性, 因此人们通过对钛元素的特殊性加以利用, 通过掺杂其他元素, 再通过钛的相变温度以及其所具有组成含量的改变就能够获得全新的具有不同组织特性的钛合金。其实钛合金的存在所利用的正是合金元素对相变温度的反映变化, 譬如铝作为钛合金中最为主要的一种元素, 它能够提高合金的常温和高温强度, 并且在增加合金弹性上也有非常好的效果。而随着钛合金越来越多的特性被挖掘出来并实现应用, 所以近几十年来高温钛合金始终处于科学研究的最前端。特别是相关科研人员将钛合金的拉抗强度从300 ~ 400MPa直接提升到了1 100 MPa, 这也让高温钛合金正式进入航空航天工业领域, 当前钛合金已经是航空工业领域内具有标志性的材料之一。

从高温钛合金的发展进程来看, 它是随着航空工业的发展而发展起来的, 传统工业领域虽然同样对高温钛合金有着非常深刻的研究, 但是从实际应用的角度出发来讲, 钛合金的应用程度并不高。但是航空航天工业不同, 由于大气压强等因素的强影响力, 所以导致航空航天工业的发展必须要建立在许多特殊的建材之上, 而高温钛合金正好能够满足航空航天工业发展所需要的材料特性, 所以从根本上来讲, 高温钛合金应该是在航工航天工业领域内正式有了高速发展的平台。高温钛合金最早的研制是起于二十世纪的五十年代初, 当时最早被研制出来的高温钛合金名为Ti - 6Al - 4V, 这是在300℃ ~ 350℃ 的温度下研制出来的一种高温钛合金, 随着钛合金鼻祖的出现, 又有许多高温钛合金相继出世, IMI679、IMI685 等钛合金的出现标志着相关工业研究人员开始对高温钛合金产生高度重视, 并深挖高温钛合金所具有工业价值。美国作为研制出世界范围内首个高温钛合金的国家, 可以说其在高温钛合金的研究领域有着非常强的理论和实践基础, 其他国家的高温钛合金研究也是建立在美国这一首例高温钛合金的基础之上的。而且美国的“阿波罗”飞船、“艾伯星”火箭等都实现了高温钛合金的应用, 并且事实证明钛合金在航空航天工业领域内确实能够起到其应用的效果, 因其是首个高温钛合金, 必然会出现其局限性, 所以随着美国人对高温钛合金表现出高度的兴趣之后, 美国始终都在领跑世界范围内对高温钛合金的研究和应用。面对这种具有独特性质的金属材料, 我国紧跟世界潮流, 所以我国在高温钛合金的研究上也有卓有成效。在世界上主要的研究生产工艺的基础上, 我国突出了自己的特色, 且国内许多相关的研究院始终都在致力于高温钛合金工业的创新和研发, 这对我国高温钛合金未来的发展起到积极的作用。

2 高温钛合金的应用分析

不同品质的高温钛合金在应用的范围上也不尽相同, 这也标明了高温钛合金具有相当强的可塑性。譬如我国自主研发的TC11 钛合金就是一种综合性能良好的钛合金, 其主要被应用在航空发动机压气盘、叶片等零件的制造商。而Ti - 55 钛合金也是我国自主设计的一种近 α 型耐热钛合金, 这种钛合金由于加入了适量的稀土元素Nd, 所以增加量合金所具有的抗氧化性, 这种合金能够在使用温度下具有相当良好的热强性和热稳定性, 因此也被广泛的应用在航空发动机高压段的压气机盘、鼓筒等零件上。其实我们说, 高温钛合金所具有的诸多特性是能够对航空航天领域产生非常强大的推动作用的, 特别是对于我国的整体发展来讲, 无论是Ti - 53311S钛合金还是Ti60 等, 都已经能够自主支撑起我国航空航天领域的发展需要, 这对我国是有着积极意义的。而当我们看到高温钛合金在当今时代所具有的功能的同时也必须清楚高温钛合金未来的发展空间也必然是广阔的, 所以我国相关科研机构必须要牢牢把握世界范围内对高温钛合金的研究方向, 积极培育相关专业人才, 为我国高温钛合金研制领域未来的发展奠定良好的人才基础。并且对于我国来讲, 要想实现高温钛合金的真正发展就必须摆脱对世界工业的模仿, 真正打造具有我国特色的高性能高温钛合金, 这样我们才能够真正在未来的世界资源竞争中占据主动地位。

参考文献

[1]蔡建明, 马济民, 黄旭, 等.高温钛合金中杂质元素Fe的扩散行为及其对蠕变抗力的损害作用[J].材料工程, 2009 (8) .

[2]黄旭, 李臻熙, 黄浩.高推重比航空发动机用新型高温钛合金研究进展[J].中国材料进展, 2011 (6) .

钛铝合金 篇11

【关键词】钛合金;微弧氧化;机理;技术特点

1、前言

鈦及其合金具有密度小、强度大、耐海水腐蚀性能好、与生物体相容性好等优点，是在航空、航天等工业部门有着重要应用的新型结构材料。但是，钛及其合金具有容易与氧发生反应，硬度较低等缺点[1]。为了提高金属钛及钛合金的使用性能，扩展钛及钛合金的应用领域，对其进行表面改性处理，进一步扩大金属钛使用范围的有效途径。钛及其合金的微弧氧化技术处理效率高、成本低、对环境无污染等优点，可以有效地提高金属钛的抗磨损性能、抗腐蚀性能和抗高温氧化性能[2]。

2、钛合金微弧氧化机理分析

2.1钛合金微弧氧化装置系统的构成

钛合金微弧氧化工艺机理是选用一定的微弧氧化电解液，将钛及其合金置于该电解液中，在一定的电参数作用下，利用电解液与钛及其合金之间的电化学作用，在钛及钛合金材料表面产生微弧氧化的小弧光，发生微区弧光放电现象。微区弧光放电过程中电解液与钛及其合金之间的热化学作用、等离子体化学作用和电化学的作用，在高温条件下，使得钛及其合金表面原位生长微弧氧化膜层，对钛及其合金表面进行改性的新技术。

钛合金微弧氧化装置系统是由微弧氧化电源系统、电解槽系统（金属一氧化物一电解液系统）、搅拌与测温系统、冷却系统等四部分组成。微弧氧化电源系统中可采用不同电源模式的电源，通常有直流电源，交流电源，单向脉冲电源，不对称交流电源，单极性直流脉冲电源，多功能微弧氧化电源等。从电源功能性分析，多功能微弧氧化电源可提供不同的微弧氧化工作方式，例如恒定电压工作方式以及恒定电流工作方式。应用多功能微弧氧化电源常设有三种波形可供实验中选择，微弧氧化过程中电解槽阴极和阳极之间的电压幅值在0-1000V可调，脉冲频率在20Hz-10KHz调节，占空比可在10%-90%范围内进行调节。多功能微弧氧化电源使得钛微弧氧化的工作电压、电流、脉宽、频率等微弧氧化电参数可实时显示。

在钛合金微弧氧化电解槽系统中，钛合金样品作阳极，电解槽作阴极，一般由不锈钢制成。不同的微弧氧化电解液，通过一定的工艺参数，获得相应的膜层。微弧氧化的电解液通常选用硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐等，主要是含有一定金属或非金属氧化物的碱性盐溶液。微弧氧化溶液的酸碱度对微弧氧化膜的形成及性能有一定的影响。搅拌系统可提高微弧氧化电解液的温度和溶液体系组分的均匀，通常采用电解槽中插入叶片搅拌法，或电解槽底部压缩空气对电解液进行搅拌法。测温系统通常采用温度计或者温度传感器。冷却系统通常采用循环冷却水冷却，循环冷却水冷却使得微弧氧化过程中电解液温度不超过相应温度，一般保持在循环冷却水温度至40℃。因为，在钛合金微弧氧化过程中，电解槽中电解液的温度允许范围较宽，电解液的温度较低时，微弧氧化过程中散失的热量很快，微弧氧化膜层容易烧结，从而加快了氧化膜在钛合金表面的生长速度，提高了氧化膜的致密性;如果微弧氧化过程中电解液的温度较高，容易蒸发微弧氧化电解液，使得电解液的浓度变化较大，氧化膜的溶解速度加快，通过搅拌系统和冷却系统，微弧氧化电解液的温度一般控制在20-60℃之间。

2.2钛合金微弧氧化机理分析

钛合金的微弧氧化过程是热化学、等离子体化学和电化学的复杂综合作用过程，目前人们常用电击穿理论的热作用机理、机械作用机理以及电子雪崩理论来分析钛合金微弧氧化现象。热作用机理认为，钛合金微弧氧化的界面膜层的形成需要一临界温度，只有当局部温度超过相应临界温度时，界面膜层才会产生电击穿。钛合金的微弧氧化的热作用机理只能定性解释大电流密度时微弧氧化的电击穿现象，没有提出相应的定量分析模型。钛合金的微弧氧化的机械作用机理认为，在一定的氧化膜与电解液界面性质条件下，微弧氧化的电击穿现象才能产生，微弧氧化时过程中基体钛合金具有金属材料的性能特点，膜层具有陶瓷的性能特点，在膜层中形成压应力，容易形成裂纹，在一定得电参数作用下，局部微裂纹中产生的大电流密度将导致相应的电击穿现象。机械作用机理没有提出定量的理论模型，不能完全解释的钛合金的微弧氧化过程的一些象。钛合金微弧氧化的电子雪崩机理认为，微弧氧化过程中电子从溶液中注入氧化膜后，在一定的电压作用下，被电场加速，并与其它原子发生碰撞，电离出电子，这些电子以同样的方式促使更多的电子产生，形成电子雪崩。由于雪崩使得溶液中的阴离子也有可能因高电场作用被捕获进入氧化膜。

3、钛合金微弧氧化技术特点分析

钛合金微弧氧化技术具有显著的特点，一是钛合金微弧氧化技术把阳极处理电压提高到几百伏，突破了传统的阳极氧化处理技术中电压法拉第区域的限制;氧化电流发展到大电流，突破了传统的阳极氧化处理技术中电流法拉第区域的限制。由于火花放电的电压较高，形成微弧氧化膜层组织就均匀，膜层孔隙度也就较小。有利于提高金属钛及钛合金的使用性能，扩展钛及钛合金的应用领域。二是由于钛合金微弧氧化技术是大电流、高电压形成的微等离子体的高温、高压作用，使钛合金表面的氧化膜具有更好的物理化学特性，所以，在钛合金微弧氧化过程中，样品表面会出现电晕、辉光、微弧放电，甚至火花斑的现象，使样品表面的氧化层处在微等离子体的高温高压作用下发生组成相和相结构的变化。有利于提高金属钛的抗磨损性能、抗腐蚀性能和抗高温氧化性能[3]。三是由于钛合金微弧氧化工艺过程中电解液具有流动性，流体能在形状复杂及空心部件表面接触，从而形成均匀微弧氧化膜层，并能够层均匀生长。四是是钛合金微弧氧化技术所制备的氧化膜具有内层结构致密、外层结构粗糙、多孔的特征，形成明显的三部分组成结构，即结构疏松层、结构致密层与界面层。三部分组成结构的外层空隙较大，比较疏松，表面粗糙。内层是钛合金微弧氧化的主体，孔隙小，结构致密，硬度高且耐磨。致密层下面是微弧氧化膜层与基体合金的界面层，致密层的尺寸小，厚度比较薄，表面形状特点是凹凸不平的;致密层与基体钛合金相互渗透，原位形成而相互契合，所以致密层与钛合金形成冶金结合，与基体结合强度很高。五是钛合金微弧氧化工艺过程中电解液的组分非常重要，不同的电解液的组分，形成不同的微弧氧化膜层的成分和结构，膜层具有相应的性能。采用不同的电解液组分，能够获得均匀的钛合金表面装饰性膜层、绝缘性膜层、隔热性膜层、光学特点膜层以及在化工催化、医药制备、生物工程中应用的具有特定功能性的膜层。

参考文献

[1]吴向清，谢发勤.钛合金表面微弧氧化技术的研究[J].材料导报，2005，19（6）：85-87.

[2]解念锁，武立志.钛合金表面微弧氧化的影响因素及其应用[J].热加工工艺，2011，40（12）：130-133.

[3]武立志，解念锁.Ti6Al4V钛合金微弧氧化工艺研究.陕西理工学院学报（自然科学版）[J].2011，27（2）：1-4.

作者简介

钛合金弯曲振动疲劳性能试验 篇12

众所周知, 航空涡轮发动机的关键部件———发动机叶片的劣势为:工作环境复杂、数量多、叶片故障占比例大。在研制新型发动机中, 为提高叶片性能常需要投入大量的人力、物力、财力。在航空涡轮发动机中, 叶片容易产生振动。国内外大量数据统计数据表明, 叶片故障大部分是振动引起的。而对于发动机的核心技术中国长期受到外国技术的控制, 中国能借鉴的技术资料少之又少, 我国现在是孤军奋战。在中国为了发展航空领域发展, 对于叶片相关研究, 不仅仅需要现有的资料, 还需要有大量的试验支撑。钛合金具有强度高、耐腐蚀好、耐热性高等特点。自上世纪中期开始钛合金逐步被世界发达国家重视[1]。近年来, 钛合金成为航空航天领域的重要材料, 在涡轮发动机中压气机盘与叶片广泛采用。本实验是针对钛合金的振动疲劳试验, 这是为了在今后设计、制造和使用中为确定其可靠性水平进行的试验研究, 为飞机发动机可靠性设计、故障分析提供技术数据。

1 叶片疲劳试验目的

在发动机工作过程中叶片如同一个个悬臂梁, 在受到气体产生的振动后, 叶片将受到更多的振动载荷。叶片在实践工作中受到众多形式的振动影响, 其中以弯曲疲劳断裂失效最为常见, 并且危害最大。通过表1统计资料可以看出叶片振动疲劳是导致叶片的故障原因, 振动疲劳断裂甚至将造成发动机及其危险的重点事故。

叶片断裂是从裂纹产生、裂纹发展直至断裂几个过程逐步发展产生的。通过对振动疲劳断裂的研究可以看出断裂正是遵循疲劳断裂的规律, 在振动循环力与叶片内里相互影响来实现的。当内力超过裂纹产生的振动力时叶片将不会出现振动疲劳断裂, 反之则会出现。因此, 本实验采用弯曲疲劳加载试验获得数据[2]。

2 弯曲疲劳试验系统

弯曲疲劳试验是利用振动试验系统完成的, 该系统主要由振动台、专用夹具、传感器、测量放大器、频率计、动态应变检测系统、功率放大系统和振荡器等组成, 如图1所示。振动发生系统产生振动并传至振动台;通过调整频率, 被夹具固定在振动台上的工件类似悬臂梁, 将处弯曲谐振下, 通过功率放大器的作用加载使叶片振动振幅增大;并产生一阶弯曲, 利用传感器及检查系统得到数据;通过应力幅, 叶片位移, 与系数的关系来处理数据。

3 试样要求及数据分析

标准试样采用某Ti AL合金材料, 试样尺寸为:L1=10 mm, L2=10 mm, L3=5 mm, L4=3.2 mm, R1=3 mm, R2=1 mm, h=3 mm, b=10 mm, 试样去注意消除表面加工缺陷同时保证光洁度达。在振动台终端对试样进行牢固固定。

试验结果分析:通过钛合金弯曲振动疲劳试验的疲劳寿命曲线分析 (图2) 可以看出。在改系统钛合金试验加载方式下, 曲线是一个连续下降型曲线, 当在106循环周期内, 曲线图形的下降趋势近似平缓。当到循环2×106次时应力迅速下降, 因此对于发动机转子叶片在该区域要注重可靠性研究。

4 结语

模拟钛合金叶片材料的工作环境下的振动失效, 具有工程应用指导意义。通过分析可以看出对叶片分析失效在循环2×106~2×107次也会产生失效, 而对于高周试验研究较少, 应加大研究。

参考文献

[1]李重河, 朱明, 王宁, 等.钛合金在飞机上的应用[J].稀有金属, 2009, 33 (1) :84-91.