鈦及鈦合金材料的特點(diǎn)及切削、焊接加工技術(shù)應(yīng)用
由于鈦合金的強(qiáng)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(diǎn)，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(jìn)步，同時(shí)也存在一些問題需要進(jìn)一步的研究，希望在未來的加工技術(shù)領(lǐng)域會(huì)有更大的突破。
鈦合金具有耐高溫，良好的焊接性，比強(qiáng)度高，易加工成型等特點(diǎn)，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(diǎn)，如切削加工時(shí)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(diǎn)
鈦合金不僅強(qiáng)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(diǎn)
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(qiáng)的韌性和高強(qiáng)度，在高溫下具有很強(qiáng)的抗氧化的能力。其缺點(diǎn)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(huì)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(shí)效后才能提高它的強(qiáng)度。
(3)α+β相合金。這種鈦合金具有良好的室溫強(qiáng)度，易成型，但其熱強(qiáng)性不太理想。經(jīng)熱處理強(qiáng)化后，適用在具有較高強(qiáng)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(qiáng)度，所以它的比強(qiáng)度值較高。同時(shí)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(huì)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(diǎn)。即缺少良好的耐磨性，所以不能制作一些運(yùn)動(dòng)部件。彈性模量相對較低，與鎂和鋁相比較時(shí)會(huì)更低。其加工制造工藝更加復(fù)雜，生產(chǎn)成本也會(huì)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(shí)，切削熱量會(huì)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(shí)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(qiáng)度，韌性大，其硬度也大，所以在切削加工時(shí)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(shí)，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(shí)必須控制加工速度，以低速進(jìn)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(qiáng)度會(huì)高出很多。在切削加工時(shí)，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(shí)，就會(huì)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(shí)就會(huì)加劇對刀具的磨損。
(三)切削加工，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(huì)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(jìn)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(shí)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(jìn)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(hù)下，以鎢極充當(dāng)電極，焊縫金屬得到良好的保護(hù)，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(hù)不良的情況下會(huì)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(jìn)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(shí)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(shí)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(qiáng)，焊縫深寬比大，隔絕了大氣的污染，焊接接頭性能良好，可實(shí)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(jìn)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(diǎn)，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(jìn)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(diǎn)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(dú)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(diǎn)問題。在鈦合金材料及其加工工藝方面我國同一些先進(jìn)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(qiáng)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(yàn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，從而來滿足各個(gè)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。
