鈦及鈦合金的性質及表面處理技術探討

2019-09-10 14:15:45姚有興

E動時尚·科學工程技術 2019年7期

關鍵詞：性質

姚有興

摘要：由于鈦合金材料具有非常強的耐熱性、抗腐蝕性及優良的導熱性，因而被廣泛應用在各個領域里。文章對鈦及鈦合金的性質及表面處理技術進行了研究分析，以供參考。

關鍵詞：鈦及鈦合金；性質；表面處理技術

1 前言

鈦合金由于高的比強度，良好的耐熱性與耐蝕性，而在航空航天、兵器、汽車工業等領域得到廣泛應用，近年來，世界各國都在積極研究開發各種高效低耗能的鈦合金制備工藝，作為鈦合金型材加工的起始環節，熔煉工藝的合理與否對材料的綜合力學性能起重要作用，其研究意義是重大的。鈦及鈦合金是一種高化學活性金屬，它極易與空氣中的氧與氮等元素結合生成化合物而使材料變脆，因此，對于鈦合金的熔煉一般是在真空或惰性氣氛中進行。目前，鈦及鈦合金熔煉工藝工藝主要分為兩類：真空自耗和真空非自耗熔煉。

2 機械加工技術分析

2.1 刀具材料

在對鈦合金材質進行機械加工的時候，刀具的品性也能夠直接影響加工效率及產品質量。通常狀況下，會選擇耐磨性高、硬度強的材質。刀具相關材質一般分為硬質合金、立方氮化硼、高速鋼、涂層型以及聚晶金剛石等。硬質合金型刀具加工方式為粗加工和細加工兩類。立方氮化硼型刀具具有耐熱高、硬度強等特性，被很多企業所使用。高速鋼可分為高鈷及高鋁兩類。涂層型刀具具有很強的發展潛力，這種類型的刀具能夠極大提升抗粘連性和抗氧化性，可以在苛刻的條件下進行工作。而聚晶金剛石刀具可以較好地適應鈦合金材料機械加工時所產生的高熱、高速環境，具有較好的穩定性能，這種刀具被大多數企業所采用。

2.2 刀具的幾何參數

機械加工所使用的刀具的組成部分為鉆頭、車刀、絲錐、銑刀及鉸刀。在機械加工過程中，粗加工時車刀需滿足前后角尺度在合理范圍內。在精加工的時候，刀刃需要保證沒有倒棱。而鉆頭則在旋轉角度合理設計的基礎上，必須保障加工過程中的冷卻及去屑，此外鉆頭還必須有較好的定性及強度。絲錐前角定成6～9°，錐角定成5～7°，而切削錐后角是5～11°，這樣設定可以預防出現扭斷及崩齒現象的出現。

2.3 加工工藝的參數

對帶有硬皮的鈦合金材質使用車削模式的時候，需要滿足：15

mm/r

3 鈦及鈦合金表面處理技術

3.1 激光加工工藝參數

激光加工工藝參數的選擇極大地影響著涂層質量。激光加工工藝參數包括激光功率、掃描速度、光斑大小、熔道重疊率、光斑形狀等。激光功率過高、掃描速度過慢會使熔池深度增加，熔池內的有效成分被燒蝕，從而使形成的熔覆層稀釋率過大，涂層內的強化相減少，導致涂層性能降低；激光功率過低且掃描速度過快，會使鈦合金表面基體與粉末來不及融化，不能形成良好的冶金結合，或者熔池中的氣體或殘渣來不及上浮排出，致使形成的熔覆層與基體結合不夠緊密，熔覆層內部有氣孔或夾渣，影響了熔覆層的質量。為了使涂層具有良好的性能，需要通過試驗或者計算機模擬出合適的激光功率及掃描速度的數值。合適的激光功率和掃描速度，會使涂層的稀釋率低，熔覆層中晶粒細化，涂層與基體有良好的冶金結合。

3.2 粉末添加方式

3.2.1預置法

預置法是直接將粉末放置于基體表面。常用的放置方法有直接放置、用粘結劑粘結放置、用噴涂的方式放置。直接放置常用于實驗室，方法簡單靈活，熔覆時不會引入其它雜質，但是放置上的粉末在熔覆前容易掉落。用粘結劑粘結放置的方法比直接放置容易操作，但是在激光熔覆時粘結劑受熱分解會產生一些雜質，可能會影響涂層的質量。所以需要選擇合適的粘結劑，使其對涂層的影響最小。常用的噴涂方法有等離子噴涂、火焰噴涂等。噴涂的方法不會對熔覆材料造成污染，而且預置粉末與基體結合緊密。但是這種方法需要額外設備，增加了工藝成本。

3.2.2同步送粉法

同步送粉法是用送粉管將粉末定量地送入激光的照射區，方法比較靈活，適用于工業大量的生產作業，易于實現自動化加工。同步送粉法需要考慮送粉速率、粉末顆粒大小、送粉氣體等因素。用數值模擬的技術對同步送粉激光熔覆過程中的空氣動力學、粉末傳送、激光功率和基材的熱處理進行建模，研究了參數變化對熔覆層的影響。

3.3 其它影響因素

基材的熱處理對激光熔覆層的質量也有很深的影響。由于激光熔覆熔化和凝固速率都很快的特點，使得熔覆層內產生較大的內應力。特別是在用激光熔覆陶瓷材料時，極易因為熔覆層快速冷卻時產生內應力而使涂層表面或內部產生裂紋。為了減少熔覆過程產生的內應力，可以對基材進行預熱處理，在熔覆后控制冷卻速率或進行熱處理。也有學者為了使涂層中晶粒更加細化，在激光熔覆時提高熔覆層冷卻速率。激光熔覆層質量的好壞還與熔覆過程中是否有保護氣體及保護氣體的種類、流速有關，常用于激光熔覆的保護氣體有氬氣、氮氣等。有些研究者在激光熔覆過程中采用超聲波輔助熔覆的方法制備晶粒更細的熔覆層。超聲波輔助熔覆過程可以阻止熔覆層裂紋和孔隙的產生，細化了晶粒，提高了熔覆層組織的均勻性，提高了熔覆層的質量。

4 結論

綜上所述，針對鈦合金零件進行加工，還要結合零件加工難度采取措施對傳統車削工藝流程進行改進，通過合理選擇刀具材料、角度、冷卻液和實現工藝參數調整提高零件加工質量和效率，從而推動車削加工技術的發展。

參考文獻

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