鈦合金加工技術(shù)進展研究

李灼華+張磊+陳陽+陳詠華

摘 要：由于鈦合金的強度較高，無磁，中溫性較好，具有良好的焊接性，耐腐蝕性等特點，當(dāng)前已被廣泛地應(yīng)用在航空領(lǐng)域，武器裝備，艦艇以及一些輕型的火炮等方面。我國近些年來鈦合金技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)有了很大的進步，同時也存在一些問題需要進一步的研究，希望在未來的加工技術(shù)領(lǐng)域會有更大的突破。

關(guān)鍵詞：鈦合金；加工技術(shù)；未來發(fā)展

中圖分類號：TQ146 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

鈦合金具有耐高溫，良好的焊接性，比強度高，易加工成型等特點，目前已廣泛地應(yīng)用在航空和航天領(lǐng)域。另外，因其具有其他材料不可比擬的耐腐蝕性，在海洋以及工業(yè)大氣當(dāng)中也得到了廣泛的應(yīng)用。但是鈦合金存在一定的缺點，如切削加工時其成型性較差，在一定程度上制約了它的應(yīng)用。

一、鈦合金材料的特點

鈦合金不僅強度如鋼，且重量較輕，抗腐蝕性好，有著良好的熱穩(wěn)定性，除了普遍應(yīng)用于航天和航空領(lǐng)域外，在生物制藥和石油化工行業(yè)也得到廣泛應(yīng)用。鈦合金因合金成分及組織差異，表現(xiàn)出不同的特性，其用途也不相同。

（一）鈦合金特點

在鈦中加入一些合金元素，根據(jù)所形成的鈦合金的特性，通常把鈦合金分為以下幾種：

（1）α相鈦合金。這種鈦合金是一種密排六方晶格結(jié)構(gòu)的合金，有很強的韌性和高強度，在高溫下具有很強的抗氧化的能力。其缺點是成型性較差，只能在高溫環(huán)境下應(yīng)用。

（2）β相鈦合金。這種鈦合金是體心立方結(jié)構(gòu)的合金，具有較好的成型性，但會在受到污染的情況下容易損壞，所以應(yīng)用的方面不多，需要達(dá)到一定的時效后才能提高它的強度。

（3）α+β相合金。這種鈦合金具有良好的室溫強度，易成型，但其熱強性不太理想。經(jīng)熱處理強化后，適用在具有較高強度要求的部件當(dāng)中，不僅用量大，且用途也較為廣泛。

由于鈦合金在高溫與低溫的環(huán)境下其性能都較好，所以適用的工作范圍很廣。具有較小的密度和高強度，所以它的比強度值較高。同時在海水，大氣或者是酸、堿度的條件下具有良好的抗蝕性，使得鈦合金在眾多的金屬材料成為被最優(yōu)選的耐蝕材料。而它的熱導(dǎo)率會較低，一般適用在各種的隔熱構(gòu)件當(dāng)中。

鈦合金也存在一些缺點。即缺少良好的耐磨性，所以不能制作一些運動部件。彈性模量相對較低，與鎂和鋁相比較時會更低。其加工制造工藝更加復(fù)雜，生產(chǎn)成本也會較高。

二、鈦合金的切削加工

由于鈦合金含有多種合金元素，其中含有一些高激活能元素，其在合金內(nèi)呈相對穩(wěn)定的狀態(tài)，所以鈦合金在塑性變形方面具有很大能量，也具有一定的加工性。但是鈦合金的導(dǎo)熱性較差，在切削加工時，切削熱量會聚集于刀具上，不像鋁的切削加工，其切削熱被切屑帶走。因而使得鈦合金材料熱負(fù)荷較大，而損壞刀具。因此常見的通過提升單位時間范圍內(nèi)的切除量來提高生產(chǎn)效率的方法，并不適用于鈦合金材料的加工。所以應(yīng)該針對不同鈦合金材料，應(yīng)選擇合適的加工方法。

（一）鈦合金具有很高的強度，韌性大，其硬度也大，所以在切削加工時硬化問題比較嚴(yán)重，需要配合退火處理。尤其當(dāng)工件表面有劃傷或存在切口時，由于它們對變形速度非常敏感，在切削加工過程中極易產(chǎn)生擦傷或裂紋，所以加工時必須控制加工速度，以低速進行。

（二）一般情況下鈦合金熱穩(wěn)定性較好，耐高溫，與鋁合金相比，鈦合金的強度會高出很多。在切削加工時，鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)是非常低的，相當(dāng)于鐵和鋁材料的一小部分，它的熱量都集中在切削刀刃上。當(dāng)溫度超出一定的標(biāo)準(zhǔn)時，就會產(chǎn)生高化學(xué)活性，與空氣中的氧和氫發(fā)生反應(yīng)，從而降低了它的塑性，在與刀面和切屑相接觸時就會加劇對刀具的磨損。

（三）切削加工時，由于鈦合金與刀具之間存在一定的磨擦，隨著摩擦速度的增大，溫度就會越高，功率也就越大，刀具磨損加快，并且易黏結(jié)，從而大大縮短了刀具的使用壽命。所以切削加工刀具的合理選用也是很關(guān)鍵的，通常選用一些硬質(zhì)合金材料如鎢鈷類硬質(zhì)合金的刀具。這樣可以有效預(yù)防加工過程中不良應(yīng)力的產(chǎn)生，保證構(gòu)件的加工精度。

鈦合金在切削加工過程中所表現(xiàn)出的這些特性使得其切削加工變得十分困難，導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低，生產(chǎn)成本增大。因此，在鈦合金切削加工工藝中，需要不斷改進加工方案，調(diào)整合理的加工工藝參數(shù)，以提高鈦合金加工質(zhì)量。

三、鈦合金的焊接加工

近些年來，除一些傳統(tǒng)的鈦合金加工技術(shù)以外，也不斷出現(xiàn)了一些新的加工方法，如低溫切削、激光，超聲波以及電磁切削等。特別是隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，使得鈦合金的加工應(yīng)用范圍更加廣泛。而因鈦合金物理化學(xué)特性，對其焊接時焊縫容易被氧化、氮化而發(fā)生污染現(xiàn)象，且接頭脆化敏感，因此對它進行焊接加工具有很大的挑戰(zhàn)性。

（一）鎢極氬弧焊

鎢極氬弧焊是鈦合金焊接中最普遍的一種方法，在氬氣的保護下，以鎢極充當(dāng)電極，焊縫金屬得到良好的保護，但這種焊接方法，焊接生產(chǎn)效率低，焊后結(jié)構(gòu)變形較大，焊接接頭組織晶粒粗大，保護不良的情況下會嚴(yán)重影響到焊縫質(zhì)量。僅適用于薄板焊接或打底焊。

（二）激光焊接是一種高能密度的焊接方法，采用該方法對鈦合金進行焊接，不僅可以減少傳統(tǒng)加工工藝的缺陷，還可以有效地細(xì)化焊縫的組織晶粒，提高焊縫性能。然而，這種焊接方法的功率較小，被焊工件表面所吸收的激光束是非常低的，存在一些閾值的問題。僅適用于特殊材料或者對加工結(jié)構(gòu)有特殊要求的場合，且限于微小型精密零件的加工，所以較傳統(tǒng)加工工藝更加有難度。

（三）攪拌摩擦焊，是眾多的新型塑性連接工藝當(dāng)中較好的一種工藝方法。采用攪拌摩擦焊時因焊接加熱溫度低，其焊縫區(qū)域的缺陷最少，并且接頭組織性能良好，可以實現(xiàn)鈦合金的有效焊接。然而，這種方法對攪拌頭及其材質(zhì)的要求高，且沒有良好的適應(yīng)性，工藝不成熟，所以只能應(yīng)用在簡單構(gòu)件的焊接加工中。

（四）電子束焊，焊接能量大，穿透性強，焊縫深寬比大，隔絕了大氣的污染，焊接接頭性能良好，可實現(xiàn)鈦合金厚板的焊接。但是這種方法要求在真空的條件下進行，受到所加工的零件大小和形狀的限制，不能批量化生產(chǎn)，而且對設(shè)備的要求也是很高的，生產(chǎn)成本高，從而也就限制了它的應(yīng)用范圍。

（五）激光-電弧復(fù)合焊，對于鈦合金來說是一種良好的焊接工藝，結(jié)合了激光焊和電弧焊的優(yōu)點，能量密度集中，電弧穩(wěn)定，焊縫性能良好。但是它的焊接工藝參數(shù)較多，不能有效地進行控制，操作過程也較為復(fù)雜，所以目前只是處于研究階段。

對于鈦合金的焊接加工而言，無論是哪種新技術(shù)，新方法，在某種程度上都存在一定的優(yōu)點和不足。隨著鈦合金材料的多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，需要不斷研究新的焊接工藝及方法，以提高焊縫質(zhì)量和焊接生產(chǎn)效率，保證鈦合金結(jié)構(gòu)件的焊接質(zhì)量和滿足使用要求。

結(jié)語

在現(xiàn)如今，鈦合金以其獨特的優(yōu)異性能得到廣泛的應(yīng)用，因此鈦合金的加工技術(shù)也就成了研究的熱點問題。在鈦合金材料及其加工工藝方面我國同一些先進的國家相比仍存在一定的差距，隨著現(xiàn)代化的技術(shù)的迅速發(fā)展，鈦合金的應(yīng)用領(lǐng)域也在逐年拓寬，這就需要我們必須要加強在加工技術(shù)方面的優(yōu)化和創(chuàng)新，不斷積累技術(shù)經(jīng)驗，提高產(chǎn)品質(zhì)量，從而來滿足各個領(lǐng)域的使用要求，這對于我國充分利用鈦合金材料具有重要意義。

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