钛合金锻件钛合金棒加工方法的多样性

1、引言

钛合金被认为是“质轻、高强、耐热”材料的典型 代表，它的强度高于钢，密度仅为其60%,并可长期 服役于300 °C〜350 °C的温度环境，加之不同型号钛合金展现出的在成形和焊接等方面的特点，使钛合金 广泛应用于工程领域，最具代表的是航天航空领域。

2、钛合金切削、磨削加工存在的主要问题

钛合金材料主要有下列几个磨削特点：

(1)磨削比低，砂轮粘附严重。观察单颗磨粒磨 削钛合金的磨粒顶端或磨削钛合金的砂轮表面，钛呈 云雾状遍布粘附于磨粒顶部，几乎看不到磨粒。由于 粘附物与钛合金磨削表面还要再接触，在磨削力作用 下，导致砂轮磨损严重，磨耗比下降。

(2)磨削力大，磨削温度高。通过对单颗磨粒磨 削实验分析发现，钛合金磨削时，滑擦过程所占的比 重较大，而磨粒与工件的接触时间极短，在此极短的 时间内产生强烈摩擦和急剧的弹、塑性变形，最后钛 合金才被切去而成为磨屑，产生大量的磨热，磨削温 度高达1000C〜1500C。另外磨削钛合金粘附严 重，变形剧烈，钛合金钢的导热性又很差。因此，磨削 力大，磨削温度高，法向磨削分力比磨削45号钢大数倍，切向磨削分力大近一倍,磨削温度也高近一倍。

(3)磨削过程中变形复杂形成层叠状挤裂切屑。

(4)化学活性高，表面易生成硬脆性变质层。钛 及钛合金高温时化学活性很高，生成TO、TiN、TiH 等脆硬层，降低了塑性。这样，一方面使得切削呈现 挤裂屑，另一方面使得加工表面层产生局部应力集 中，降低了疲劳强度。

(5)磨削质量不易控制。磨削钛合金时，产生的 拉应力和表面污染层，以及磨削区70% ~80%的磨 削热传入工件不易导出，使工件产生变形、烧伤和裂 纹，表面粗糙度也难保证。

(6)装夹变形。钛合金属于有色金属，不能磁化。 采用机械装卡会使板状型工件产生较大装卡变形，磨 削时可使用真空吸盘进行装卡，工件变形较小。

3、金刚石砂带磨削法

钛合金的密度小、强度高，拥有良好的耐热性和 耐腐蚀性，是制造航空发动机叶片、整体叶盘的重要材料之一。由于钛合金具有导热系数低、弹性模量 小、化学亲和性大等特点，是一种典型的难加工材 料［-3］。航空发动机叶片刚性差，精密磨削难度极大。 砂带磨削适应性强、工艺灵活性好，现在已经逐渐成 为航发钛合金叶片精密磨削及抛光有效手段［45］。但 是，在航空发动机叶片磨削过程中的砂带磨损使得叶 片的磨削质量和产品一致性难以保证，严重影响航空 发动机的服役性能。

金刚石砂带是一种新型超硬材料涂附磨具，耐磨 性好，在航空航天领域具有广阔的应用前，已经开始 用于航空发动机叶片的精密磨削加工中。 但目前关 于航空发动机钛合金叶片磨削过程中的金刚石砂带 磨损的研究非常少，因此研究钛合金金刚石砂带磨削 磨粒磨损具有十分重要的意义。针对金刚石工具的 磨损原因，部分学者指出：在黑色金属、钛合金和镍基 高温合金的加工中，金刚石工具中的碳元素和工件材 料中的铁、钛、镍等元素在加工过程的高温作用下，容 易发生物理化学反应，从而导致金刚石工具的磨损。 Li等［6］指出在加工过程中的高温作用下，工件材料 中游离的钛原子在金刚石的石墨化磨损过程中起到 金属催化剂的作用。Zuo等口指出加工过程中金刚 石产生的石墨化转变、氧化反应等物理化学反应随着 温度的升高更容易发生且更加剧烈，同时在铁原子催 化作用下，在较低的温度(500K)下即可发生氧化还 原反应。梁巧云等［1］开展单颗金刚石磨粒磨削钛合 金过程仿真，进行航发钛合金叶片磨削试验，并使用 扫描电镜、超景深显微镜等对磨削后的叶片及砂带进 行检测，分析磨削过程中金刚石砂带的磨损。得出结 论如下：(1)金刚石砂带在磨削速度为10m/s时，摩 擦接触点的平均温度可达到700K以上，且温度随磨 削速度的增大而升高；(2)在航发钛合金叶片的磨削 中，砂带磨损程度随磨削速度增大而升高，与仿真中 磨削速度对摩擦接触点温度的影响规律类似，表明温 度是影响金刚石砂带磨损的重要因素；(3) Ml0/20 金刚石砂带的磨损形式为磨粒损耗和磨粒脱落，同时 磨削过程的磨屑粘连加剧了金刚石砂带的磨损；(4) 经M10/20金刚石砂带磨削后的航发钛合金叶片型 面精度高，进排气边被磨削为良好的圆弧过渡并 且处于±0.05mm的公差带内,型面粗糙度Ra在 0.4μm以下。

4、球形固结磨料磨头研磨

作为航空发动机涡轮叶片的主要材料之一, TiG钛合金具有优良的综合力学性能，同时密度低、耐高温腐蚀。但是TiC4钛合金难切削、导热系数 低、弹性模量低，在传统加工中，容易出现加工变形、 刀具损耗快、工件表面烧伤等问题［10］。

目前,TiC,钛合金材料加工的主要方式是磨削、 铳削等［11］,固结磨料研磨通过磨粒漏出结合剂层的 部位与工件产生机械作用，对工件材料产生塑性或类 塑性去除，可以显著降低材料表面及亚表面损伤，同 时，由于加工中磨粒硬度高，切削应力小，可有效解决 TiC,,钛合金难切削、工件表面易烧伤问题。针对 TiG钛合金难切削、表面易烧伤的问题，王健杰等8 提出球形固结磨料磨头研磨的加工方法，通过一系列 试验研究，得到以下结论：（1）研磨时的材料去除率以 及工件表面粗糙度Ra值都随磨料粒径的增大而增 大，采用20〜30“m碳化硅作为球形磨头磨料，可以 获得最佳的材料去除率以及较好的表面质量，此时材 料去除率为6. 7mg/min,表面粗糙度Ra值为0. 876“m。（2）随着磨头转速增大，材料去除率及工件 表面粗糙度值增大；随着研磨夹角增大，材料去除率 及工件表面粗糙度值逐渐减小；随着研磨时间的延 长，材料去除率先增大后减小，工件表面粗糙度值逐 渐减小。（3）单点固结磨料研磨时优化后的参数组合 为：磨头转速200（）r/min,研磨夹角30。，研磨时间 10s,在此工艺参数下，研磨时的材料去除率达到22.2mg/min,工件表面粗糙度Ra值达到0. 700μm。

5、磨削砂轮

不同于切削，磨削依靠众多磨刃的微切削作用去除材料，工件材料在磨粒的挤压和切削等作用下变形 较为剧烈，导致磨削表面往往存在较为严重的鱼鳞状 涂覆等现象。提高磨削速度可通过降低单颗粒切厚 显著改善这一问题。在普通磨削条件下，由于磨削温 度较高，磨削后工件表层多为残余拉应力。

在普通磨料中，SiC磨料与钛合金的亲和性较 低，因此其磨削效果优于刚玉磨料。若采用刚玉磨料 磨削钛合金，为避免砂轮表面产生大规模的材料粘 附，需将磨削速度控制在约10m/s。在现有磨具技术水平下，普通砂轮磨削钛合金时砂轮磨损速度较快, 例如采用SiC砂轮在普通磨削条件下加工钛合金的 磨削比仅约为1,选用超硬材料砂轮时则提升几十甚 至上百倍。

此外，相对于普通磨料，超硬材料的导热能力显 著增强，因此可以获得较高的材料去除率。另一方 面，采用超硬材料砂轮磨削钛合金时可以避免频繁地 修整砂轮，进一步提高磨削加工效率。即便如此，在工程实践中仍多采用普通砂轮加工钛合金，制约超硬 材料砂轮广泛应用的原因主要有：（1）砂轮价格昂贵, 导致加工成本显著高于用普通磨料砂轮磨削的成本；（2）砂轮修整难度大。因此，后续研究可重点关注超 硬砂轮的制备与修整技术。

磨削高温是抑制体钛合金磨削加工效率的重要 原因。对此研究人员在开发新型磨具和改善冷却方 式等方面进行了一系列研究，例如：超硬磨料钎焊技 术与磨粒有序排布技术结合，开发出磨粒有序排布cBN砂轮。该砂轮磨粒出露高，可提供充足的容屑 空间，从而减少磨削过去中砂轮与工件之间的摩擦。 在改善冷却方面，主要有热管砂轮技术、低温冷风技 术和径向水射流技术等。

6、不同cBN砂轮加工技术

PTMCs是一种向钛合金材料内添加了 TiC和 （或）TB硬质增强相的复合材料，这些增强相具有更 好和更稳定的热力学性能，成为比普通钛合金性能更 加优异的高强、耐热、轻质材料［1214］。此外，PTMCs 因其更低的密度和优异的力学性能，有望替代部分在 500 C〜850 C环境中使用的镍基的高温合金零部 件，并使其减重25%〜30%。因此,PTMCs有望成 为高推重比发动机的候选材料，在航空航天领域的应 用前景广阔。

与切削加工相比，现代磨削正朝着高精度、高效 率的方向发展［15］,以高速磨削为代表的高效精密磨 削技术在航空航天零部件制造过程中的应用也越来 越广泛。为了能够更好地发挥高速磨削在PTMCs 高效、精密加工方面的优势，李征等［6］采用3种CBN 砂轮进行高速磨削试验,CBN砂轮分别为钎焊砂轮、 电镀砂轮和陶瓷砂轮。试验结果表明：（1）钎焊砂轮 可以获得最低表面粗糙度的磨削表面，表面粗糙度为 0. 60-0. 77 “m,磨削表面纹理连续且光滑，相对陶 瓷和电镀砂轮，钎焊砂轮在PTMCs高速磨削方面更 具优势。（2）研究磨削速度对磨削力的影响时发现, 无论是法向磨削力，还是切向磨削力，都随着磨削速 度的升高而减小。（3）在20 “m的条件下，对不同磨 削深度的影响，3种砂轮磨削PTMCs时，在磨削深 度增大的过程中，磨削力都增大。（4）在磨削速度 120 m/s、磨削深度20 “m条件下，3种砂轮磨削PTMCs 的磨削力都随工件进给速度的升高而逐渐增 大。（5）随着磨削用量的增大，3种砂轮磨削PTMCs 的磨削温度显著增高。（6）加大磨削速度，使钎焊砂轮 和电镀砂轮磨削PTMCs的表面粗糙度减小。陶瓷砂

轮磨削表面粗糙度则是先降低后升高。总的来说，3 种砂轮磨削PTMCs时，钎焊砂轮可以获得表面粗糙度 最低的，磨削表面表面粗糙度为0. 60〜0. 77 “m。

7、切削刀具

钛基复合材料是以钛合金为基体，并在其中添加 碳化钛、硼化钛、氧化铝、氮化铝等颗粒或者连续纤维 增强相的金属基复合材料[17],与钛合金基体相比，钛 基复合材料具有重量轻、比强度高、抗氧化性好、耐高 温、耐磨、抗蠕变、抗辐射等突出优点。相比传统钛合 金，钛基复合材料能够满足复杂环境下的特殊要求, 在航空航天、电子信息、半导体照明和交通运输等领 域具有良好的发展前景。

钛基复合材料是一种典型的难加工材料，切削高 温等引起的刀具快速磨损是钛合金切削过程存在的 一个主要问题，加工钛合金时，涂层硬质合金刀具和 PCD刀具显示出优异的切削性能，尤以PCD刀具为 最佳，PcBN次之，TiC基硬质合金刀具和陶瓷刀具 因耐用度低等原因被认为不适用于钛合金切削加工。 PCD刀具与钛合金切削的高匹配性主要源自其良好 的导热性和极高的硬度。金刚石的导热系数为硬质合 金的数倍，更多切削热可通过刀具传出切削区，极高的 硬度则保证了刀具的耐磨性。采用PCD刀具切削低 钛合金刀具的耐用度可达硬质合金刀具的数十倍。

其次，钛合金其中的增强相具有超高的硬度、强 度以及良好的高温性能，在切削加工时，增强颗粒会 对刀具产生严重的犁耕、刻划等作用，不仅会大大降 低刀具的使用寿命，而且会影响工件的表面加工质 量，导致加工成本明显提高。因此，实现钛基复合材 料的高速、高质量加工成为此类金属基复合材料应用 的关键。

针对此问题，国内外学者开展了一系列的研究, ARMESH等使用PCD刀具对添加增强相体积分 数为10%~12% TiC进行不同切削用量的刀具磨损 研究表明，当切削速度为80 m/min,进给速度为0. 35 mm/r,切深为0.2 mm时,PCD刀具的耐久度仅 为2 min；当切削速度为60 m/min,进给速度为0. 26 mm/r,切深为0. 2 mm时,PCD刀具的耐久度为 8min。GE等却采用硬质合金刀具和PCD刀具在切 削速度为1 00 m/s,进给速度为0. 08 mm/r,切深为 0. 5 mm时，对增强颗粒体积分数为10%的(TiCp + TiBw)/TiC,颗粒增强钛基复合材料进行高速车削 加工研究，结果表明，由于切削温度较高，硬质合金刀 具中的WC与工件中的Ti元素剧烈反应导致硬质合金刀具使用寿命不足1 min,而PCD刀具的使用寿 命仅有2 min。濮建飞等⑵•对不同颗粒含量不同的 钛基复合材料开展高速切削试验，对比2种不同增强 相体积分数的钛基复合材料在不同切削速度下的刀 具磨损情况，结果表明，增强相体积分数对PCD刀具 耐用度有显著影响，体积分数越高，刀具磨损越严重, 刀具耐用度越低；增强相种类对刀具的耐用度也有明 显影响，增强相TiBw对刀具耐用度的影响要大于增 强相TiCp。PCD刀具在切削不同钛基复合材料时 的刀具磨损形态相似，主要为前刀面和后刀面的磨 损，且伴有崩刃及微裂纹现象发生，其主要磨损机理 是磨粒磨损以及黏结磨损，且增强相的体积分数越高，刀具黏结磨损越明显。

鉴于以上问题，未来可从开发钛合金切削专用的 高性能刀具、刀具制备(焊接、切割和刃磨等)和切削工艺优选(切削用量的选择和切削液的供给等)等方 面入手，降低PCD刀具切削钛合金的成本，进一步扩 大其应用范围。

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