航空航天钛合金零件的加工

在许多航空航天应用中，钛及其合金正在取代传统的铝合金。如今，航空航天业消耗的钛材料约占全球生产总量的42%，并且从现在到2010年，预计对 钛材料的需求将继续以两位数的速度增长。新一代飞机需要充分利用钛合金提供的性能，无论是商用机还是军用机市场，都正在推动对钛合金的需求。波音787、 空客A380、F-22猛禽战斗机、F-35联合攻击战斗机(也称为闪电Ⅱ)等新机型都采用了大量钛合金材料。钛合金材料的优势 钛合金具有高强度、高断裂韧性以及良好的抗腐蚀性和可焊接性。随着飞机机身越来越多地采用复合材料结构，钛基材料用于机身的比例也将日益增大，因为钛与复合材料的结合性能远远优于铝合金。例如：与铝合金相比，钛合金可使机身结构的寿命提高60%。 钛合金极高的强度/密度比(达20∶1，即重量可减轻20%)为减轻大型构件的重量(这是对飞机设计师的主要挑战)提供了解决方案。此外，钛合金固有的高耐蚀性(与钢材相比)可以节省飞机日常运行和维护保养的成本。需要更大加工能力 由于比普通合金钢的加工更为困难，因此通常认为钛合金属于难加工材料。典型钛合金的金属去除率仅为大多数普通钢或不锈钢的25%左右，因此加工一个 钛合金工件需要花费的时间约为加工钢件的4倍。为了满足航空制造业对钛合金加工日益增长的需求，制造商需要增加生产能力，因此需要更好地理解钛合金加工策 略的有效性。典型的钛合金工件的加工是从锻造开始的，直到80%的材料被去除而获得最终的工件外形。随着航空零部件市场的快速增长，制造商们已经感到力不 从心，加上因钛合金工件加工效率较低而增加的加工需求，导致钛合金加工能力明显处于紧张状态。一些航空制造业的领军企业甚至公开质疑现有的机械加工能力能 否完成全部新型钛合金工件的加工任务。由于这些工件通常是由新型合金制成，因此需要改变加工方式和刀具材料。钛合金Ti-6Al-4V 钛合金有三种不同的结构形式：α钛合金、α-β钛合金和β钛合金。商用纯钛和α钛合金不能进行热处理，但通常具有良好的可焊接性；α-β钛合金可进行热处理，大多数也具有可焊接性；β和准β钛合金完全能进行热处理，且一般也具有可焊接性。 用于涡轮发动机和机身构件的大部分普通α-β钛合金为Ti-6Al-4V(AllvacTi-6-4，简称Ti-6-4)，本文用Ti-6-4代表 ATIAllvac公司生产的钛合金，该公司是钛合金的主要供应商(最近与波音公司签订了一项25亿美元的钛合金长期供货合同)。另外，与 ATIAllvac公司合作开发加工解决方案的ATI Stellram公司也采用这些钛合金代号来描述加工要求。 Ti-6-4具有优异的强度、断裂韧性和抗疲劳综合性能，可制成各种产品形态。退火态的Ti-6-4可广泛应用于结构件。通过化学成分的微小变化以及不同的热机械处理工艺，用Ti-6-4可生产出各种不同用途的零部件。钛合金Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr(简称Ti-5-5-5-3)是一种颇具市场影响力的新型钛合金。与β钛合金和α-β钛合金相比，这种准β钛合金可以提供在要求更高抗张强度的飞机构件应用中所需的疲劳断裂韧性。 与传统钛合金(如Ti-6-4和Ti-10-2-3)相比，Ti-5-5-5-3具有的可锻造成复杂形状、热处理后最终抗张强度可达180ksi(每平方英寸数千磅)等性能使其成为制造飞机高级构件和起落装置最有前途的材料。 通过在β转变温度以下进行溶解热处理或在β转变温度以上进行退火处理，同时适当控制显微结构中的晶粒尺寸和沉淀，Ti-5-5-5-3可获得优异的机械性能。β转变温度是合成物的特定温度，在此温度下合金从α-β显微结构转变为全β显微结构。 化学性能与微观结构的变化使钛合金可获得宽范围的性能组合，并因此在航空构件中获得广泛应用。Ti-5-5-5-3的加工难度与Ti-6-4相比大约增加了30%，因此应用这种新型合金的零件制造商正致力于开发能够不缩短刀具寿命、不延长生产周期的相应的加工工艺。 加工钛合金时，材料硬度是一个关键因素。如果硬度值太低(＜38HRC，钛合金会发粘，切削刃容易产生积屑瘤。而硬度值较高(＞38HRC)的钛合金会对刀具材料产生磨蚀作用并使切削刃磨损。因此，正确选择加工速度、进给量和切削刀具至关重要。 随着我国航空航天技术的快速发展，钛合金的使用也越来越多，苏州长风机电科技有限公司作为中航集团的成员，在钛合金加工技术领域做了深入的研究，开发出了一系列针对钛合金加工的机床设备，为我国的航空航天事业作出了巨大的贡献。

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