Ti-5553合金車削加工性能研究

賈 亮，湯慧萍，石 英，汪強兵，楊廣宇，劉 楠

(西北有色金屬研究院 金屬多孔材料國家重點實驗室，陜西 西安 710016)

0 引言

鈦合金具有比強度高、耐蝕性好等特點，被廣泛應用于航空航天、醫(yī)藥化工以及核工業(yè)領域［1］。目前，50%以上的鈦合金工件均由TC4(Ti-6Al-4V)鈦合金制備，是應用最為廣泛的鈦合金［2］。然而，隨著航空領域對工件的減重需求，越來越多的鈦合金被設計與研制［3］。其中，Ti-5553(Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-0.5Fe)合金作為一種新型β鈦合金，抗拉強度高達1250 MPa，斷后延伸率為12%，綜合力學性能優(yōu)于TC4鈦合金［4］。然而，Ti-5553合金的機械加工效率低，一定程度上限制了其大規(guī)模應用。為此，研究Ti-5553合金的機械加工性能并優(yōu)化其加工參數(shù)，可以控制工件的制備成本，延長使用壽命，提高航空類工件的安全系數(shù)，擴大Ti-5553合金的應用范圍。

本研究從對比Ti-5553合金及TC4鈦合金兩種合金機械加工難易的角度出發(fā)，研究了這兩種合金的車削加工性能及車削參數(shù)對刀具磨損的影響，并通過EDS能譜分析研究了刀刃粘結層的元素分布，旨在為后期優(yōu)化Ti-5553合金的車削參數(shù)，提高其加工效率奠定基礎。

1 實驗

1.1 實驗材料

由于合金的車削加工性能與合金的力學性能密切相關，其力學性能又取決于組織形態(tài)，而工件的車削加工常在工件經全部熱處理之后進行，因此實驗以服役狀態(tài)的TC4鈦合金和Ti-5553合金為研究對象，其組織形態(tài)如圖1所示。

圖1 兩種鈦合金的顯微組織Fig.1 Microstructures of TC4 titanium alloy and Ti-5553 alloy

圖1a為TC4鈦合金的顯微組織，其中α相呈等軸狀，體積分數(shù)約為90%;β相分布在等軸α相的晶界上，體積分數(shù)約為10%。圖1b為Ti-5553合金的顯微組織，其中初生α相呈球狀，分布在原始β晶界上，體積分數(shù)約為10%;β相呈等軸狀，且在β晶粒內部分布著次生針狀α相。雖然TC4鈦合金和Ti-5553合金中的Al元素和V元素的質量分數(shù)較為接近，但Ti-5553合金在TC4鈦合金的基礎上添加了β穩(wěn)定元素Mo、Cr和Fe，這三種合金元素的加入改變了鈦合金的組織和相組成，提高了合金的強度［5］。

實驗所選用的TC4鈦合金及Ti-5553合金試棒的室溫及450℃下的力學性能見表1。從表1可以看出，Ti-5553合金的室溫屈服強度和抗拉強度均高出TC4鈦合金200 MPa左右，但Ti-5553合金的塑性劣于TC4鈦合金;450℃時，兩種合金的抗拉強度均低于其室溫抗拉強度，但Ti-5553合金的抗拉強度比TC4鈦合金的抗拉強度高出300 MPa左右。

表1 TC4鈦合金與Ti-5553合金的力學性能Table 1 Mechanical properties of TC4 alloy and Ti-5553 alloy

綜合考慮TC4鈦合金及Ti-5553合金的組織和力學性能實驗測試結果，Ti-5553合金的綜合力學性能明顯優(yōu)于TC4鈦合金。

1.2 車削加工實驗

選擇規(guī)格均為φ150 mm×400 mm的TC4鈦合金及Ti-5553合金圓棒作為實驗試樣，刀具選擇鈦合金機加時常用的YG8車刀，其詳細的幾何參數(shù)如表2所示。

表2 YG8車刀的幾何參數(shù)Table 2 Geometrical parameters of YG8 cutter

實驗中刀具進給量(f)均為0.1 mm/r，切削深度(ap)均為2 mm。對于TC4鈦合金，切削速度分別選擇50、60、70、80、90 m/min;對于 Ti-5553合金，切削速度分別選擇40、50、60 m/min。

利用壓電陶瓷傳感器測量切削力、JSM-6460掃描電子顯微鏡觀察刀具的磨損情況、掃描電子顯微鏡中的EDS附件分析刀具切削刃處的局部元素分布。

2 結果與討論

2.1 切削速度對切削力的影響

切削速度對TC4鈦合金和Ti-5553合金的主切削力(Kc)和吃刀抗力(Kk)的影響如圖2所示。

圖2 切削速度對切削力的影響Fig.2 The impact of cutting speed imposed to the cutting force

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，在對TC4鈦合金和Ti-5553合金的切削過程中，主切削力和吃刀抗力均隨切削速度的增加而降低，這是由于隨著切削速度的增加，刀具與合金之間的溫度增加，而合金的強度隨溫度的提高而降低(見表1)，因此，提高切削速度可以降低主切削力和吃刀抗力。此外，在相同的切削速度下，Ti-5553合金的主切削力和吃刀抗力均高于TC4鈦合金，這是由于Ti-5553合金的高溫強度高于TC4鈦合金。

2.2 切削速度對刀具磨損的影響

在連續(xù)車削15 min的條件下，切削速度對刀具磨損的影響如圖3所示。對于TC4鈦合金，當切削速度分別在50、60、70、80 m/min時，刀具的磨損量隨著切削速度的增加而緩慢增加，當切削速度增加至90 m/min時，刀具的磨損量激增。Ti-5553合金在車削過程中對刀具的磨損量也隨切削速度的增加而增加，在相同切削速度下對刀具的磨損程度要高于TC4鈦合金，當切削速度為50 m/min時，刀具的磨損量已經達到臨界值;當切削速度為60 m/min時，切削過程中刀具的磨損量激增，遠高于刀具磨損量的臨界值。

圖3 切削速度對刀具磨損的影響Fig.3 Impact of cutting speed on abrasion of cutter

2.3 刀刃處的反應擴散層及其對刀具磨損的影響

以80 m/min和50 m/min的切削速度分別連續(xù)車削TC4鈦合金和Ti-5553合金15 min后，車刀表面粘連的合金的顯微組織如圖4所示。

圖4 車刀表面粘連的合金的顯微組織Fig.4 Microstructures of alloy attached to the surface of cutter

由圖4可以看出，對于用于車削TC4鈦合金的車刀，其刀刃處合金層(圖4a)的厚度約為200 μm，粘接層分為黑色和灰色兩部分;對于用于車削Ti-5553合金的車刀其刀刃處(圖4b)粘接層的厚度約為120 μm，同樣出現(xiàn)了黑色和灰色兩部分。

通過對刀刃處粘接層進行EDS能譜分析，得到如圖5所示的結果。從EDS譜圖中均可以發(fā)現(xiàn)Ti、C、O、V、Al元素的特征峰，說明在車削過程中TC4鈦合金和Ti-5553合金均與刀具發(fā)生了反應擴散，粘接層與刀具的結合為冶金結合。而在粘接層中的黑色區(qū)域內，Ti原子和C原子的原子分數(shù)接近1∶1，證明黑色區(qū)域為TiC。由于反應擴散層的強度遠低于刀具的強度，在切削過程中反應擴散層被不斷剝離，同時TiC為反應擴散層中的硬脆相，該相的出現(xiàn)加劇了反應擴散層的剝離，更進一步加劇了刀具的磨損。

圖5 刀刃處粘結層的EDS譜圖Fig.5 EDS spectrogram of the cutting edge

對于TC4鈦合金，在較低的切削速度下刀具與合金之間的溫度較低，低溫有利于降低刀具與合金的反應速率，隨著切削速度的提高，合金與刀具之間的摩擦力增大，溫度也隨之升高，導致反應擴散速率增高，增加了刀具的磨損。而對于Ti-5553合金，其室溫和高溫強度均高于TC4鈦合金，切削力大，在較低的切削速度下合金與刀具的摩擦力就比較大，促使刀具和合金之間的溫度增高。因此，在切削Ti-5553合金過程中，在較低的切削速度下，依然會產生較多的反應擴散層，對刀具的磨損更為嚴重。

3 結論

(1)由于Ti-5553合金的強度高于TC4鈦合金，在相同的切削速度下，Ti-5553合金的主切削力和吃刀抗力均高于TC4鈦合金。

(2)Ti-5553合金最高切削速度約為50 m/min，低于TC4鈦合金的最高切削速度(約為80 m/min)。

(3)兩種合金在車削過程中均與車刀發(fā)生了反應擴散，并在切削刃處生成了TiC，導致刀刃部的強度降低。切削Ti-5553合金過程中，較低的切削速度下就會產生反應擴散層，刀具的磨損大于TC4鈦合金。

［1］萊茵斯 C，皮特爾斯 M.鈦與鈦合金［M］.陳振華，等譯.北京:化學工業(yè)出版社，2005:32－36.

［2］張喜燕，趙永慶，白晨光.鈦合金及應用［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2005:35－37.

［3］郭建軍，何瑜.鈦的新應用及展望［J］.世界有色金屬，2010(1):66－69.

［4］錢九紅.航空航天用新型鈦合金的研究發(fā)展及應用［J］.稀有金屬，2000，24(3):218－220.

［5］婁貫濤.鈦合金的研究應用現(xiàn)狀及發(fā)展方向［J］.鈦工業(yè)進展，2003，20(2):9－13.