鈦合金材料特性及其磨削特點

肖鵬

摘 要：本文就鈦合金的各種類型進行了說明，并介紹了各類鈦合金的加工工藝特性，同時，也總結分析了磨削特性和加工難點，針對磨削難點如燒傷、砂輪粘附等的解決方法以及一種高效磨削的可能。

關鍵詞：鈦合金；特性；加工工藝

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.24.023

1 鈦合金的分類

麥克格維倫在1956年，以退火態(tài)的差異對鈦合金進行了嚴格的區(qū)分，劃定了不同的類型，主要劃分為三類：α、β和α+β等三類鈦合金。

TC4（Ti-6Al-4V）屬于α+β相結構，屬于用量最大的鈦合金，也是性能數據最全的鈦合金，鋁和釩元素是TC4（Ti-6Al-4V）所含的主要合金元素，鋁是α穩(wěn)定化元素，釩是β穩(wěn)定化元素。

2 加工工藝特性

TC4鈦合金加工難度非常大，鈦及鈦合金的綜合工藝在結晶組織、物理特性和化學特性等方面，與鋼、鋁合金以及很多重金屬有很大的不同，以下三個方面的因素決定了鈦合金是一種不好加工的金屬。

（1）由于其化學成分的不穩(wěn)定。TC4鈦合金在熱變形下就會與氧氣和氮氣發(fā)生化學反應，甚至還會與一些含氧氣體發(fā)生化學反應，反應就會產生氧化皮附在工件表面上，如果溫度更高一些，達到900℃以上時，附在工件表面的氧化皮就會產生鱗片，這樣氧元素和氮元素就很有可能向金屬內部進行滲透擴散，最終就會形成表面吸氣層。硬度較高、塑性較低是這種吸氣層的特點。

（2）滲碳體在金相組織中的表現屬于一種復雜的Fe-C化合物，維氏硬度最高可以達到 HV1100的樣子，而沖擊韌度幾乎沒有。

（3）導熱性不高：鈦合金的導熱率如果和鋁合金等其他合金來比較的話只有鋁合金導的大概1/15，鋼的大概1/5。鈦合金的導溫率和導熱率相比于鋁合金、鋼來說，低很多，都只有鋁合金的大概1/15，鋼的大概2/7，對一些鈦合金零件表面加工質量的影響是比較大的。

3 磨削特性

因為鈦合金具有強度高、熱穩(wěn)定性好、高溫強度高、化學活性大、熱導率低、彈性模量低等材料特性，所以磨削起來非常困難，屬于最難加工材料之一，也因為這樣，它的推廣應用范圍非常受限，就是因為鈦合金的磨削加工性能表現很差，磨削加工的時候存在這樣那樣的難題。

TC4鈦合金主要磨削特征如下：

（1）砂輪的粘結問題嚴重。砂輪表面粘附有鈦合金，粘結表層像煙霧一樣，主要原因是粘附物在磨削過程中脫落，這樣一來就導致磨粒也跟著破碎而脫落，最終會嚴重損害砂輪。

（2）磨削力較大，磨削溫度較高。做單顆磨粒磨削試驗時發(fā)現，在磨削鈦合金時，占比重較大的是滑擦過程，并且磨粒和工件的接觸時間非常短暫，在此非常短暫的時間里面產生劇烈摩擦以及劇烈的彈性和塑性變形，然后鈦合金才被磨去成為切屑，從而產生很大的磨削熱，這時磨削溫度最高可達差不多1500℃的樣子。

（3）磨削會產生層疊狀擠裂切屑，主要原因是變形復雜。多形成帶狀切屑的是用白剛玉砂輪（WA60KV）磨削45鋼時，多形成層疊狀擠裂切屑的則是用綠色碳化硅砂輪（GC46KV）磨削鈦合金時。

（4）在高溫條件下，TC4鈦合金化學活性表現得相當活躍，易與空氣中的氧、氮、氫等元素結合發(fā)生劇烈的反應，形成二氧化鈦、氮化鈦、氫化鈦等這樣的脆硬變質層，從而導致TC4的塑性降低。

（5）在鈦合金磨削過程中，受難以解決的問題影響，主要是因為傳入工件中的磨削熱很難導出來，容易讓工件變形、燒傷，甚至出現一些裂紋，因此，工件表面就會出現不同程度的粗糙。

4 磨削技術革新

4.1 抑制措施解決磨削燒傷和裂紋

在用砂輪來加工TC4鈦合金的時候存在一些問題，比較嚴重的是粘附現象，由于速度較高，磨削力和溫度都是比較高的，這樣就會燒傷表面以及產生裂紋。任敬心等人做了一些實驗研究來降低加工過程中出現的這種燒傷和裂紋現象，他們覺得可以用軟一些的砂輪，比如不采用剛玉砂輪，而采用碳化硅或鈰碳化硅砂輪，剛玉砂輪用樹脂粘連，而前者采用陶瓷粘連。并且加工參數也要注意，譬如砂輪的速度不宜過快，實驗分析不要超過20米每秒，磨削深度也不能太多，不要超過0.02個毫米，工件的移動速度也有要求，大概在12-16米沒分鐘之內，磨削液不僅僅要很好的散熱，還要強調他的潤滑效果，這樣能有效抑制粘結現象的出現，如果是干磨的話，那潤滑劑可以采用固態(tài)潤滑劑浸滲的砂輪。

4.2 鈦合金磨削中砂輪粘結現象及其抑制措施

由于在鈦合金在磨削過程中，一般會存在較高的磨削溫度和較大的法向力，這樣劇烈塑性變形就會在磨削區(qū)的鈦合金中出現，磨料和金屬之間經過物理的或者化學的吸附作用產生粘結效應；造成被磨金屬向磨粒的轉移的原因是剪切力的影響，從而導致砂輪粘結。最后導致磨粒破碎，當磨削力超過磨粒間結合力的大小時，磨粒和粘結物就會從砂輪上剝離。

4.3 高速高效磨削

湖南大學國家高效磨削工程技術研究中心設計制造的超高速磨削機床上有學者對TC4鈦合金材料進行了高速高效磨削。研究中分析了單位面積磨削力及比磨削能受磨削用量的影響規(guī)律。砂輪線速度vs如果增大則單位面積磨削力出現明顯的下降，但工作臺速度vw和磨削深度ap的增大的話單位面積磨削力則上升。砂輪線速度vs如果增則比磨削能上升，但是如果工作臺速度vw以及磨削深度ap增大則比磨削能下降。

參考文獻：

[1]高英杰.鈦及鈦合金平面磨削加工工藝研究[J].稀有金屬快報，2006.

[2]任敬心，康仁科，史興寬.難加工材料的磨削[M].北京：國防工業(yè)出版社，1999.endprint