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作者: 发布时间:2012-08-25 来源: 繁体版
钛合金在航空航天工业和其他工业部门有着广泛的应用前景。随着科学技术的不断进步和我国国民经济的快速发展,作为“崛起的第三代金属”钛工业必将大有作为。

航空航天用钛合金的特点及应用

作为航空航天领域
钛合金在航空航天工业和其他工业部门有着广泛的应用前景。随着科学技术的不断进步和我国国民经济的快速发展,作为“崛起的第三代金属”钛工业必将大有作为。wtU自动化在线网
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航空航天用钛合金的特点及应用wtU自动化在线网
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作为航空航天领域不断兴起的材料,钛合金有以下优势[1-3]:wtU自动化在线网
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(1)比强度高。钛合金具有很高的强度,其抗拉强度为686~1176MPa,而密度仅为钢的60%左右,所以比强度很高。wtU自动化在线网
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(2)高温性能优良。钛合金在高温下仍能保持良好的机械性能,其耐热性远高于铝合金,且工作温度范围较宽。wtU自动化在线网
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(3)抗腐蚀性强。在550℃以下的空气中,钛表面会迅速形成薄而致密的氧化钛膜,其耐蚀性优于大多数不锈钢。wtU自动化在线网
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在航空工业领域,钛合金主要用于制造喷气发动机的压气机盘、涡轮盘、叶片、机匣等,以及诸如大型主起落架支撑梁、机身后段及转向梁等结构件[4]。因钛合金具有比强度高和耐高温特点,用于制造飞机发动机和机体能够有效地提高发动机推重比和机体机构效率,有利于缓解热障现象[5]。近年来军用飞机上所用钛合金材料的比例正在不断增加[6],钛合金材料的应用水平已成为衡量飞机先进性的重要标志之一。美国第四代战斗机的F-22 的机体主要承力材料大量采用钛64(Ti-6Al-4V),约占机身总质量的36%,钛62222 主要用于发动机周围蒙皮机构及发动机框架,约占机身总质量的3%[7]。在民用飞机方面,钛合金的应用也较为广泛。在波音777 上大约采用了11%的钛结构,其平面钛箔的用量将达到12247kg[8]。在航天工业领域,钛合金主要用于制造耐高温和低温零件[9]。如上海钢铁研究所的7715D 用于DFH-3 卫星的FY-25 型远地点发动机喷注器;俄罗斯的BT37 合金广泛应用于宇航工业形状复杂的低温管路系统。wtU自动化在线网
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航空航天用钛合金的切削加工现状wtU自动化在线网
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航空航天用钛合金零部件主要有两类。一类是复杂曲面,如叶轮、涡轮盘和叶片等,实际生产中采用多轴数控加工。图1 中采用多轴铣削加工的钛合金涡轮即为复杂曲面。另一类是薄壁框型件,如大型框、梁和壁板等多采用铣削加工。图2 中采用立铣加工的钛合金壁板是典型的薄壁框型件。上述两种工件的加工都必须从整块坯料中去除大量的材料,而钛合金的切削加工性较差,其工件的加工成本占工件总成本的比重很大。切削加工困难是导致钛合金零件价格高昂的重要因素。

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1 钛合金的切削加工性wtU自动化在线网
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钛合金是典型的难加工材料,其加工特性表现如下[10-11]:wtU自动化在线网
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(1)钛合金的导热性差,是不良导热体金属材料。切削加工时,切屑与前刀面的接触面积很小,特别容易引起薄壁件的热变形。wtU自动化在线网
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(2)钛合金弹性模量低,弹性变形大。切削时接近后刀面处工件的回弹量大,导致已加工表面与后刀面的接触面积特别大,造成加工件几何形状和精度差、表面粗糙度增大、刀具磨损增加。wtU自动化在线网
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(3)钛合金的亲和性大、切削温度高。切削时,钛屑及被切表层与刀具材料咬合,产生严重的粘刀现象,容易引起刀具强烈的粘结磨损。钛合金的高温化学活性强,在600℃以上时,与氧、氮产生间隙固溶。吸收气体后钛合金表面的硬度明显上升,对刀具有强烈的磨损作用。wtU自动化在线网
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目前,我国的钛合金切削加工效率还比较低,生产中应用最多的硬质合金刀具推荐的切削速度在30~50m/min,与国外相比还存在很大差距。wtU自动化在线网
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2 目前的钛合金切削加工工艺wtU自动化在线网
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现有的钛合金切削加工方式主要是车削和铣削。钛合金车削加工时易获得较好的表面粗糙度,加工硬化不严重,但切削温度高,刀具磨损快。钛合金的铣削加工比车削加工困难。因为铣削是断续切削,并且切屑易与刀刃发生粘结,当粘屑的刀齿再次切入工件时,粘屑被碰掉并带走一小块刀具材料,形成崩刃,极大地降低了刀具的耐用度。wtU自动化在线网
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在加工钛合金时,通常选择较小的前角,以增大切屑与前刀面的长度;选择较大的后角,以减小后刀面与加工表面之间的摩擦。为了降低切削温度,通常选用较小的切削速度和较大的切深,并使用切削液。切削速度过小导致材料去除率低下,增加了钛合金加工成本;较大的切深导致切削力增大,影响钛合金工件尤其是薄壁件的质量;切削液的使用增加了加工成本,造成环境污染,不符合绿色切削的要求。wtU自动化在线网
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目前,我国的钛合金加工缺乏有效的工艺数据库支持。在具体工艺安排和切削用量选择上,往往凭经验和“试切”来确定工艺参数。此外,我国刀具和切削液的国产化程度还比较低,制约了钛合金切削加工水平的提高。wtU自动化在线网
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钛合金切削加工的发展趋势wtU自动化在线网
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随着航空工业的发展,钛合金将逐步取代铝合金,成为航空工业的主要材料。未来的钛合金切削加工将主要面向3 个方向:wtU自动化在线网
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(1)大幅提高单位时间内的材料去除量,实现高效加工;wtU自动化在线网
(2)研发新型刀具,延长刀具使用寿命;wtU自动化在线网
(3)减少切削液的使用,达到绿色切削。wtU自动化在线网
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1 钛合金高速切削wtU自动化在线网
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高速切削能大幅提高钛合金加工效率,并保证零件加工质量。钛合金的高速槽铣和周铣实践证明,高速切削不仅能提高加工效率,还能有效提高被加工表面的质量[12-14]。

航空航天用钛合金的切削加工现状及发展趋势
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