钛合金材料的介绍

本文就钛合金的各种类型进行了说明，并介绍了各类钛合金的加工工艺特性，同时，也总结分析了磨削特性和加工难点，针对磨削难点如烧伤、砂轮粘附等的解决方法以及一种高效磨削的可能。

▇ 1 钛合金的分类

麦克格维伦在1956年，以退火态的差异对钛合金进行了严格的区分，划定了不同的类型，主要划分为三类：α、β和α+β等三类钛合金。

TC4（Ti-6Al-4V）属于α+β相结构，属于用量最大的钛合金，也是性能数据最全的钛合金，铝和钒元素是TC4（Ti-6Al-4V）所含的主要合金元素，铝是α稳定化元素，钒是β稳定化元素。

砂布丝轮,花碟叶轮,煅烧刚玉千叶轮,棕刚玉千叶轮,带柄页轮,锆刚玉千叶轮

▇ 2 加工工艺特性

TC4钛合金加工难度非常大，钛及钛合金的综合工艺在结晶组织、物理特性和化学特性等方面，与钢、铝合金以及很多重金属有很大的不同，以下三个方面的因素决定了钛合金是一种不好加工的金属。

（1）由于其化学成分的不稳定。TC4钛合金在热变形下就会与氧气和氮气发生化学反应，甚至还会与一些含氧气体发生化学反应，反应就会产生氧化皮附在工件表面上，如果温度更高一些，达到900℃以上时，附在工件表面的氧化皮就会产生鳞片，这样氧元素和氮元素就很有可能向金属内部进行渗透扩散，最终就会形成表面吸气层。硬度较高、塑性较低是这种吸气层的特点。

（2）渗碳体在金相组织中的表现属于一种复杂的Fe-C化合物，维氏硬度最高可以达到 HV1100的样子，而冲击韧度几乎没有。

（3）导热性不高：钛合金的导热率如果和铝合金等其他合金来比较的话只有铝合金导的大概1/15，钢的大概1/5。钛合金的导温率和导热率相比于铝合金、钢来说，低很多，都只有铝合金的大概1/15，钢的大概2/7，对一些钛合金零件表面加工质量的影响是比较大的。

▇ 3 磨削特性

因为钛合金具有强度高、热稳定性好、高温强度高、化学活性大、热导率低、弹性模量低等材料特性，所以磨削起来非常困难，属于最难加工材料之一，也因为这样，它的推广应用范围非常受限，就是因为钛合金的磨削加工性能表现很差，磨削加工的时候存在这样那样的难题。

TC4钛合金主要磨削特征如下：

砂布丝轮,花碟叶轮,煅烧刚玉千叶轮,棕刚玉千叶轮,带柄页轮,锆刚玉千叶轮

（1）砂轮的粘结问题严重。砂轮表面粘附有钛合金，粘结表层像烟雾一样，主要原因是粘附物在磨削过程中脱落，这样一来就导致磨粒也跟着破碎而脱落，最终会严重损害砂轮。

（2）磨削力较大，磨削温度较高。做单颗磨粒磨削试验时发现，在磨削钛合金时，占比重较大的是滑擦过程，并且磨粒和工件的接触时间非常短暂，在此非常短暂的时间里面产生剧烈摩擦以及剧烈的弹性和塑性变形，然后钛合金才被磨去成为切屑，从而产生很大的磨削热，这时磨削温度最高可达差不多1500℃的样子。

（3）磨削会产生层叠状挤裂切屑，主要原因是变形复杂。多形成带状切屑的是用白刚玉砂轮（WA60KV）磨削45钢时，多形成层叠状挤裂切屑的则是用绿色碳化硅砂轮（GC46KV）磨削钛合金时。

（4）在高温条件下，TC4钛合金化学活性表现得相当活跃，易与空气中的氧、氮、氢等元素结合发生剧烈的反应，形成二氧化钛、氮化钛、氢化钛等这样的脆硬变质层，从而导致TC4的塑性降低。

（5）在钛合金磨削过程中，受难以解决的问题影响，主要是因为传入工件中的磨削热很难导出来，容易让工件变形、烧伤，甚至出现一些裂纹，因此，工件表面就会出现不同程度的粗糙。

▇ 4 磨削技术革新

> 4.1 抑制措施解决磨削烧伤和裂纹

在用砂轮来加工TC4钛合金的时候存在一些问题，比较严重的是粘附现象，由于速度较高，磨削力和温度都是比较高的，这样就会烧伤表面以及产生裂纹。任敬心等人做了一些实验研究来降低加工过程中出现的这种烧伤和裂纹现象，他们觉得可以用软一些的砂轮，比如不采用刚玉砂轮，而采用碳化硅或铈碳化硅砂轮，刚玉砂轮用树脂粘连，而前者采用陶瓷粘连。并且加工参数也要注意，譬如砂轮的速度不宜过快，实验分析不要超过20米每秒，磨削深度也不能太多，不要超过0.02个毫米，工件的移动速度也有要求，大概在12-16米没分钟之内，磨削液不仅仅要很好的散热，还要强调他的润滑效果，这样能有效抑制粘结现象的出现，如果是干磨的话，那润滑剂可以采用固态润滑剂浸渗的砂轮。

> 4.2 钛合金磨削中砂轮粘结现象及其抑制措施

由于在钛合金在磨削过程中，一般会存在较高的磨削温度和较大的法向力，这样剧烈塑性变形就会在磨削区的钛合金中出现，磨料和金属之间经过物理的或者化学的吸附作用产生粘结效应；造成被磨金属向磨粒的转移的原因是剪切力的影响，从而导致砂轮粘结。最后导致磨粒破碎，当磨削力超过磨粒间结合力的大小时，磨粒和粘结物就会从砂轮上剥离。

砂布丝轮,花碟叶轮,煅烧刚玉千叶轮,棕刚玉千叶轮,带柄页轮,锆刚玉千叶轮

> 4.3 高速高效磨削

湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心设计制造的超高速磨削机床上有学者对TC4钛合金材料进行了高速高效磨削。研究中分析了单位面积磨削力及比磨削能受磨削用量的影响规律。砂轮线速度vs如果增大则单位面积磨削力出现明显的下降，但工作台速度vw和磨削深度ap的增大的话单位面积磨削力则上升。砂轮线速度vs如果增则比磨削能上升，但是如果工作台速度vw以及磨削深度ap增大则比磨削能下降。