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钛合金锻件钛合金棒加工方法的多样性

发布时间: 2022-09-07 22:22:56    浏览次数:

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。

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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。

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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。

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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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