鈦合金加工方法的多樣性

王光祖，張相法，位 星，王永凱，王大鵬

(1.鄭州磨料磨具磨削研究所，鄭州 450001；2.鄭州中南杰特超硬材料有限公司，鄭州 450001)

1 引言

鈦合金被認(rèn)為是“質(zhì)輕、高強(qiáng)、耐熱”材料的典型代表，它的強(qiáng)度高于鋼，密度僅為其60%，并可長(zhǎng)期服役于300 ℃～350 ℃的溫度環(huán)境，加之不同型號(hào)鈦合金展現(xiàn)出的在成形和焊接等方面的特點(diǎn)，使鈦合金廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域，最具代表的是航天航空領(lǐng)域。

2 鈦合金切削、磨削加工存在的主要問(wèn)題

鈦合金材料主要有下列幾個(gè)磨削特點(diǎn)：

(1)磨削比低，砂輪粘附嚴(yán)重。觀察單顆磨粒磨削鈦合金的磨粒頂端或磨削鈦合金的砂輪表面，鈦呈云霧狀遍布粘附于磨粒頂部，幾乎看不到磨粒。由于粘附物與鈦合金磨削表面還要再接觸，在磨削力作用下，導(dǎo)致砂輪磨損嚴(yán)重，磨耗比下降。

(2)磨削力大，磨削溫度高。通過(guò)對(duì)單顆磨粒磨削實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，鈦合金磨削時(shí)，滑擦過(guò)程所占的比重較大，而磨粒與工件的接觸時(shí)間極短，在此極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈摩擦和急劇的彈、塑性變形，最后鈦合金才被切去而成為磨屑，產(chǎn)生大量的磨熱，磨削溫度高達(dá)1000℃～1500℃。另外磨削鈦合金粘附嚴(yán)重，變形劇烈，鈦合金鋼的導(dǎo)熱性又很差。因此，磨削力大，磨削溫度高，法向磨削分力比磨削45號(hào)鋼大數(shù)倍，切向磨削分力大近一倍，磨削溫度也高近一倍。

(3)磨削過(guò)程中變形復(fù)雜形成層疊狀擠裂切屑。

(4)化學(xué)活性高，表面易生成硬脆性變質(zhì)層。鈦及鈦合金高溫時(shí)化學(xué)活性很高，生成TiO2、TiN、TiH等脆硬層，降低了塑性。這樣，一方面使得切削呈現(xiàn)擠裂屑，另一方面使得加工表面層產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，降低了疲勞強(qiáng)度。

(5)磨削質(zhì)量不易控制。磨削鈦合金時(shí)，產(chǎn)生的拉應(yīng)力和表面污染層，以及磨削區(qū)70%～80%的磨削熱傳入工件不易導(dǎo)出，使工件產(chǎn)生變形、燒傷和裂紋，表面粗糙度也難保證。

(6)裝夾變形。鈦合金屬于有色金屬，不能磁化。采用機(jī)械裝卡會(huì)使板狀型工件產(chǎn)生較大裝卡變形，磨削時(shí)可使用真空吸盤進(jìn)行裝卡，工件變形較小。

3 金剛石砂帶磨削法

鈦合金的密度小、強(qiáng)度高，擁有良好的耐熱性和耐腐蝕性，是制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、整體葉盤的重要材料之一。由于鈦合金具有導(dǎo)熱系數(shù)低、彈性模量小、化學(xué)親和性大等特點(diǎn)，是一種典型的難加工材料[1-3]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片剛性差，精密磨削難度極大。砂帶磨削適應(yīng)性強(qiáng)、工藝靈活性好，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸成為航發(fā)鈦合金葉片精密磨削及拋光有效手段[4-5]。但是，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片磨削過(guò)程中的砂帶磨損使得葉片的磨削質(zhì)量和產(chǎn)品一致性難以保證，嚴(yán)重影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)的服役性能。

金剛石砂帶是一種新型超硬材料涂附磨具，耐磨性好，在航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前，已經(jīng)開始用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的精密磨削加工中。但目前關(guān)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金葉片磨削過(guò)程中的金剛石砂帶磨損的研究非常少，因此研究鈦合金金剛石砂帶磨削磨粒磨損具有十分重要的意義。針對(duì)金剛石工具的磨損原因，部分學(xué)者指出：在黑色金屬、鈦合金和鎳基高溫合金的加工中，金剛石工具中的碳元素和工件材料中的鐵、鈦、鎳等元素在加工過(guò)程的高溫作用下，容易發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致金剛石工具的磨損。Li等[6]指出在加工過(guò)程中的高溫作用下，工件材料中游離的鈦原子在金剛石的石墨化磨損過(guò)程中起到金屬催化劑的作用。Zuo等[7]指出加工過(guò)程中金剛石產(chǎn)生的石墨化轉(zhuǎn)變、氧化反應(yīng)等物理化學(xué)反應(yīng)隨著溫度的升高更容易發(fā)生且更加劇烈，同時(shí)在鐵原子催化作用下，在較低的溫度(500K)下即可發(fā)生氧化還原反應(yīng)。梁巧云等[1]開展單顆金剛石磨粒磨削鈦合金過(guò)程仿真，進(jìn)行航發(fā)鈦合金葉片磨削試驗(yàn)，并使用掃描電鏡、超景深顯微鏡等對(duì)磨削后的葉片及砂帶進(jìn)行檢測(cè)，分析磨削過(guò)程中金剛石砂帶的磨損。得出結(jié)論如下：(1)金剛石砂帶在磨削速度為10m/s時(shí)，摩擦接觸點(diǎn)的平均溫度可達(dá)到700K以上，且溫度隨磨削速度的增大而升高；(2)在航發(fā)鈦合金葉片的磨削中，砂帶磨損程度隨磨削速度增大而升高，與仿真中磨削速度對(duì)摩擦接觸點(diǎn)溫度的影響規(guī)律類似，表明溫度是影響金剛石砂帶磨損的重要因素；(3)M10/20金剛石砂帶的磨損形式為磨粒損耗和磨粒脫落，同時(shí)磨削過(guò)程的磨屑粘連加劇了金剛石砂帶的磨損；(4)經(jīng)M10/20金剛石砂帶磨削后的航發(fā)鈦合金葉片型面精度高，進(jìn)排氣邊被磨削為良好的圓弧過(guò)渡并且處于±0.05mm的公差帶內(nèi)，型面粗糙度Ra在0.4μm以下。

4 球形固結(jié)磨料磨頭研磨

作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的主要材料之一，TiC4鈦合金具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，同時(shí)密度低、耐高溫腐蝕。但是TiC4鈦合金難切削、導(dǎo)熱系數(shù)低、彈性模量低，在傳統(tǒng)加工中，容易出現(xiàn)加工變形、刀具損耗快、工件表面燒傷等問(wèn)題[8-10]。

目前，TiC4鈦合金材料加工的主要方式是磨削、銑削等[11]，固結(jié)磨料研磨通過(guò)磨粒漏出結(jié)合劑層的部位與工件產(chǎn)生機(jī)械作用，對(duì)工件材料產(chǎn)生塑性或類塑性去除，可以顯著降低材料表面及亞表面損傷，同時(shí)，由于加工中磨粒硬度高，切削應(yīng)力小，可有效解決TiC4鈦合金難切削、工件表面易燒傷問(wèn)題。針對(duì)TiC4鈦合金難切削、表面易燒傷的問(wèn)題，王健杰等[8]提出球形固結(jié)磨料磨頭研磨的加工方法，通過(guò)一系列試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：(1)研磨時(shí)的材料去除率以及工件表面粗糙度Ra值都隨磨料粒徑的增大而增大，采用20～30μm碳化硅作為球形磨頭磨料，可以獲得最佳的材料去除率以及較好的表面質(zhì)量，此時(shí)材料去除率為6.7mg/min，表面粗糙度Ra值為0.876μm。(2)隨著磨頭轉(zhuǎn)速增大，材料去除率及工件表面粗糙度值增大；隨著研磨夾角增大，材料去除率及工件表面粗糙度值逐漸減??；隨著研磨時(shí)間的延長(zhǎng)，材料去除率先增大后減小，工件表面粗糙度值逐漸減小。(3)單點(diǎn)固結(jié)磨料研磨時(shí)優(yōu)化后的參數(shù)組合為：磨頭轉(zhuǎn)速2000r/min，研磨夾角30°，研磨時(shí)間10s，在此工藝參數(shù)下，研磨時(shí)的材料去除率達(dá)到22.2mg/min，工件表面粗糙度Ra值達(dá)到0.700μm。

5 磨削砂輪

不同于切削，磨削依靠眾多磨刃的微切削作用去除材料，工件材料在磨粒的擠壓和切削等作用下變形較為劇烈，導(dǎo)致磨削表面往往存在較為嚴(yán)重的魚鱗狀涂覆等現(xiàn)象。提高磨削速度可通過(guò)降低單顆粒切厚顯著改善這一問(wèn)題。在普通磨削條件下，由于磨削溫度較高，磨削后工件表層多為殘余拉應(yīng)力。

在普通磨料中，SiC磨料與鈦合金的親和性較低，因此其磨削效果優(yōu)于剛玉磨料。若采用剛玉磨料磨削鈦合金，為避免砂輪表面產(chǎn)生大規(guī)模的材料粘附，需將磨削速度控制在約10m/s。在現(xiàn)有磨具技術(shù)水平下，普通砂輪磨削鈦合金時(shí)砂輪磨損速度較快，例如采用SiC砂輪在普通磨削條件下加工鈦合金的磨削比僅約為1，選用超硬材料砂輪時(shí)則提升幾十甚至上百倍。

此外，相對(duì)于普通磨料，超硬材料的導(dǎo)熱能力顯著增強(qiáng)，因此可以獲得較高的材料去除率。另一方面，采用超硬材料砂輪磨削鈦合金時(shí)可以避免頻繁地修整砂輪，進(jìn)一步提高磨削加工效率。即便如此，在工程實(shí)踐中仍多采用普通砂輪加工鈦合金，制約超硬材料砂輪廣泛應(yīng)用的原因主要有：(1)砂輪價(jià)格昂貴，導(dǎo)致加工成本顯著高于用普通磨料砂輪磨削的成本；(2)砂輪修整難度大。因此，后續(xù)研究可重點(diǎn)關(guān)注超硬砂輪的制備與修整技術(shù)。

磨削高溫是抑制體鈦合金磨削加工效率的重要原因。對(duì)此研究人員在開發(fā)新型磨具和改善冷卻方式等方面進(jìn)行了一系列研究，例如：超硬磨料釬焊技術(shù)與磨粒有序排布技術(shù)結(jié)合，開發(fā)出磨粒有序排布cBN砂輪。該砂輪磨粒出露高，可提供充足的容屑空間，從而減少磨削過(guò)去中砂輪與工件之間的摩擦。在改善冷卻方面，主要有熱管砂輪技術(shù)、低溫冷風(fēng)技術(shù)和徑向水射流技術(shù)等。

6 不同cBN砂輪加工技術(shù)

PTMCs是一種向鈦合金材料內(nèi)添加了TiC和(或)TiB硬質(zhì)增強(qiáng)相的復(fù)合材料，這些增強(qiáng)相具有更好和更穩(wěn)定的熱力學(xué)性能，成為比普通鈦合金性能更加優(yōu)異的高強(qiáng)、耐熱、輕質(zhì)材料[12-14]。此外，PTMCs因其更低的密度和優(yōu)異的力學(xué)性能，有望替代部分在500 ℃～850 ℃環(huán)境中使用的鎳基的高溫合金零部件，并使其減重25%～30%。因此，PTMCs有望成為高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)的候選材料，在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。

與切削加工相比，現(xiàn)代磨削正朝著高精度、高效率的方向發(fā)展[15]，以高速磨削為代表的高效精密磨削技術(shù)在航空航天零部件制造過(guò)程中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。為了能夠更好地發(fā)揮高速磨削在PTMCs高效、精密加工方面的優(yōu)勢(shì)，李征等[16]采用3種CBN砂輪進(jìn)行高速磨削試驗(yàn)，CBN砂輪分別為釬焊砂輪、電鍍砂輪和陶瓷砂輪。試驗(yàn)結(jié)果表明：(1)釬焊砂輪可以獲得最低表面粗糙度的磨削表面，表面粗糙度為0.60～0.77 μm，磨削表面紋理連續(xù)且光滑，相對(duì)陶瓷和電鍍砂輪，釬焊砂輪在PTMCs高速磨削方面更具優(yōu)勢(shì)。(2)研究磨削速度對(duì)磨削力的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是法向磨削力，還是切向磨削力，都隨著磨削速度的升高而減小。(3)在20 μm的條件下，對(duì)不同磨削深度的影響，3種砂輪磨削PTMCs時(shí)，在磨削深度增大的過(guò)程中，磨削力都增大。(4)在磨削速度120 m/s、磨削深度20 μm條件下，3種砂輪磨削PTMCs的磨削力都隨工件進(jìn)給速度的升高而逐漸增大。(5)隨著磨削用量的增大，3種砂輪磨削PTMCs的磨削溫度顯著增高。(6)加大磨削速度，使釬焊砂輪和電鍍砂輪磨削PTMCs的表面粗糙度減小。陶瓷砂輪磨削表面粗糙度則是先降低后升高。總的來(lái)說(shuō)，3種砂輪磨削PTMCs時(shí)，釬焊砂輪可以獲得表面粗糙度最低的，磨削表面表面粗糙度為0.60～0.77 μm。

7 切削刀具

鈦基復(fù)合材料是以鈦合金為基體，并在其中添加碳化鈦、硼化鈦、氧化鋁、氮化鋁等顆?；蛘哌B續(xù)纖維增強(qiáng)相的金屬基復(fù)合材料[17]，與鈦合金基體相比，鈦基復(fù)合材料具有重量輕、比強(qiáng)度高、抗氧化性好、耐高溫、耐磨、抗蠕變、抗輻射等突出優(yōu)點(diǎn)。相比傳統(tǒng)鈦合金，鈦基復(fù)合材料能夠滿足復(fù)雜環(huán)境下的特殊要求，在航空航天、電子信息、半導(dǎo)體照明和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景[18]。

鈦基復(fù)合材料是一種典型的難加工材料，切削高溫等引起的刀具快速磨損是鈦合金切削過(guò)程存在的一個(gè)主要問(wèn)題，加工鈦合金時(shí)，涂層硬質(zhì)合金刀具和PCD刀具顯示出優(yōu)異的切削性能，尤以PCD刀具為最佳，PcBN次之，TiC基硬質(zhì)合金刀具和陶瓷刀具因耐用度低等原因被認(rèn)為不適用于鈦合金切削加工。PCD刀具與鈦合金切削的高匹配性主要源自其良好的導(dǎo)熱性和極高的硬度。金剛石的導(dǎo)熱系數(shù)為硬質(zhì)合金的數(shù)倍，更多切削熱可通過(guò)刀具傳出切削區(qū)，極高的硬度則保證了刀具的耐磨性。采用PCD刀具切削低鈦合金刀具的耐用度可達(dá)硬質(zhì)合金刀具的數(shù)十倍。

其次，鈦合金其中的增強(qiáng)相具有超高的硬度、強(qiáng)度以及良好的高溫性能，在切削加工時(shí)，增強(qiáng)顆粒會(huì)對(duì)刀具產(chǎn)生嚴(yán)重的犁耕、刻劃等作用，不僅會(huì)大大降低刀具的使用壽命，而且會(huì)影響工件的表面加工質(zhì)量，導(dǎo)致加工成本明顯提高。因此，實(shí)現(xiàn)鈦基復(fù)合材料的高速、高質(zhì)量加工成為此類金屬基復(fù)合材料應(yīng)用的關(guān)鍵。

針對(duì)此問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了一系列的研究，ARMESH等[19]使用PCD刀具對(duì)添加增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)為10%～12% TiC進(jìn)行不同切削用量的刀具磨損研究表明，當(dāng)切削速度為80 m/min，進(jìn)給速度為0.35 mm/r，切深為0.2 mm時(shí)，PCD刀具的耐久度僅為2 min;當(dāng)切削速度為60 m/min，進(jìn)給速度為0.26 mm/r，切深為0.2 mm時(shí)，PCD刀具的耐久度為8min。GE等[20]采用硬質(zhì)合金刀具和PCD刀具在切削速度為100 m/s，進(jìn)給速度為0.08 mm/r，切深為0.5 mm時(shí)，對(duì)增強(qiáng)顆粒體積分?jǐn)?shù)為10%的(TiCp+TiBw)/TiC4顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料進(jìn)行高速車削加工研究，結(jié)果表明，由于切削溫度較高，硬質(zhì)合金刀具中的WC與工件中的Ti元素劇烈反應(yīng)導(dǎo)致硬質(zhì)合金刀具使用壽命不足1 min，而PCD刀具的使用壽命僅有2 min。濮建飛等[21]對(duì)不同顆粒含量不同的鈦基復(fù)合材料開展高速切削試驗(yàn)，對(duì)比2種不同增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)的鈦基復(fù)合材料在不同切削速度下的刀具磨損情況，結(jié)果表明，增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)對(duì)PCD刀具耐用度有顯著影響，體積分?jǐn)?shù)越高，刀具磨損越嚴(yán)重，刀具耐用度越低;增強(qiáng)相種類對(duì)刀具的耐用度也有明顯影響，增強(qiáng)相TiBw對(duì)刀具耐用度的影響要大于增強(qiáng)相TiCp。PCD刀具在切削不同鈦基復(fù)合材料時(shí)的刀具磨損形態(tài)相似，主要為前刀面和后刀面的磨損，且伴有崩刃及微裂紋現(xiàn)象發(fā)生，其主要磨損機(jī)理是磨粒磨損以及黏結(jié)磨損，且增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)越高，刀具黏結(jié)磨損越明顯。

鑒于以上問(wèn)題，未來(lái)可從開發(fā)鈦合金切削專用的高性能刀具、刀具制備(焊接、切割和刃磨等)和切削工藝優(yōu)選(切削用量的選擇和切削液的供給等)等方面入手，降低PCD刀具切削鈦合金的成本，進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。