航空鈦合金加工方法及表面完整性控制技術(shù)
發(fā)布時(shí)間：2021年07月12日 閱讀次數(shù)：492
編者按：從航空鈦合金的加工特點(diǎn)、加工用刀具、工裝夾具和切削參數(shù)等方面，分析討論鈦合金的加工工藝方法，并對(duì)其表面完整性控制技術(shù)進(jìn)行介紹。
高級(jí)工程師 黃強(qiáng)
1、序言
近年來(lái)，航空制造業(yè)對(duì)鈦合金的需求大幅提升，大型飛機(jī)中鈦合金的使用范圍非常廣泛 。作為飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)良制造材料，鈦合金具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、質(zhì)量輕及耐蝕性良好等特點(diǎn)。鈦合金材料的切削性能決定了其加工后工件表面完整性較差。下面從鈦合金的加 工特性、加工刀具、工裝選用和切削參數(shù)等方面，介紹航空鈦合金的加工方法及表面完 整性控制技術(shù)。
2、鈦合金的特點(diǎn)及應(yīng)用
在航空工業(yè)領(lǐng)域，鈦合金主要用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤、中空風(fēng)扇葉片、渦輪盤和機(jī)匣殼體等零部件，以及大飛機(jī)起落架、外翼段、機(jī)身外殼、艙門、液壓系統(tǒng)和機(jī)身后段等結(jié)構(gòu)件。目前，鈦合金在航空工業(yè)中的使用比例已由6%提高至15%以上。波音777使用了7%～9%的鈦合金零件；為達(dá)到降低燃油消耗20%的目標(biāo)，波音787在研發(fā)過(guò)程中投入約20億元，專項(xiàng)研究鈦合金在飛機(jī)某些部位替代鋁合金，使波音787機(jī)體鈦合金用量達(dá)15%；國(guó)內(nèi)大飛機(jī)項(xiàng)目中，鈦合金的用量已從支線客機(jī)ARJ21的4.8%，逐步增長(zhǎng)到干線客機(jī)C919的9%以上。
航空領(lǐng)域結(jié)構(gòu)輕量化、高強(qiáng)度等需求，使其越來(lái)越離不開(kāi)鈦合金。根據(jù)強(qiáng)度和耐高溫性能，鈦合金可分為α鈦合金、β鈦合金、α+β鈦合金和鈦鋁合金，其中以α+β鈦合金（Ti6Al4V）應(yīng)用最為廣泛。α鈦合金熱焊接性能好，抗氧化性強(qiáng)，但韌性一般；β鈦合金可鍛性較好，冷成形性及熱處理強(qiáng)化性強(qiáng)；α+β鈦合金韌性好，可焊接及熱處理強(qiáng)化，抗疲勞性能較好。
Ti6Al4V的材料成分主要包括Ti、Al、V、Fe、 O、C、S i、C u及少量的N、H、B和Y 。鈦合金綜合力學(xué)性能優(yōu)異，密度低，耐腐蝕性能良好，作為一種高強(qiáng)度合金材料，在 航空發(fā)動(dòng)機(jī)及航空工業(yè)領(lǐng)域一直被推廣使用。但是，鈦合金切削過(guò)程中的高溫、高抗力，使其加工后表面冷作硬化現(xiàn)象嚴(yán)重，加劇了刀具的磨損，導(dǎo)致其切削性較差，這些都不利于獲得好的表面質(zhì)量，影響鈦合金零件的使用壽命及發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能。下面以Ti6Al4V為研究對(duì)象，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐中積累的經(jīng)驗(yàn)方法，對(duì)鈦合金零件的切削性能、加工方法及表面檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行介紹。
3、鐵合金加工方法
3.1 刀具的選擇
加工鈦合金的刀具材料應(yīng)具有韌性好、熱硬性好、散熱性及耐磨性好等特點(diǎn)，除此之外 ，刀具還應(yīng)滿足刃口鋒利、表面光潔等要求。加工鈦合金材料時(shí)，首選導(dǎo)熱性較好、強(qiáng)度較高的硬質(zhì)合金刀具，且前角較小、后角較大。為避免刀尖崩刃及裂碎，刀尖刃部應(yīng)做圓弧過(guò)渡處理；加工時(shí)應(yīng)保持刃口鋒利，有利于及時(shí)排屑，避免切屑粘刀。
加工鈦合金時(shí)，為防止刀具本體及涂層與鈦合金產(chǎn)生親和反應(yīng)，使刀具磨損加劇，通常避免選擇含鈦類硬質(zhì)合金及含鈦涂層刀具。多年的生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，含鈦類硬質(zhì)合金刀具雖然容易發(fā)生黏結(jié)、磨損，但其具有優(yōu)異的抗擴(kuò)散磨損能力，尤其是高速切削時(shí)，含鈦類硬質(zhì)合金刀具的抗擴(kuò)散磨損能力明顯優(yōu)于YG類硬質(zhì)合金刀具。
世界各大刀具廠商均推出了針對(duì)鈦合金零件加工的切削刀片。刀具材質(zhì)及涂層材料的不斷改良，提高了鈦合金材料的切削效率，推動(dòng)了鈦合金工業(yè)的發(fā)展。伊斯卡（ISCAR）公司的IC20刀片切削鈦合金，刀具刃口鋒利，適合鈦合金工件的精加工。其IC907刀片有效提高了刀片的耐磨性，適合應(yīng)用于粗加工及半精加工中；山高（SECO）公司用于加工鈦合金的CP200及CP500，采用物理氣相沉積技術(shù)，是一種高硬度超細(xì)顆粒的刀片材質(zhì)；瓦爾特（Walter）公司的WSM30、WSM20及WAM20，采用TiCN、TiAlN、TiN與Al2O3涂層，刀具的抗變形、抗磨損能力較強(qiáng)。常用的鈦合金加工刀具及涂層見(jiàn)表
1。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，航空制造領(lǐng)域大部分需使用進(jìn)口刀具，而鈦合金等難加工材料對(duì)于進(jìn)口刀具的依賴程度更高。因此，推動(dòng)國(guó)產(chǎn)刀具及涂層材料的研發(fā)及應(yīng)用，是徹底解決國(guó)內(nèi)鈦合金加工問(wèn)題的有效途徑。
3.2 刀具的磨損及解決辦法
鈦合金材料切削時(shí)，在切削速度較高、吃刀量較大的情況下，刀具前刀面切削溫度最高處會(huì)磨出一個(gè)月牙洼，刀片的切削刃與月牙之間有明顯的棱邊。月牙洼的寬度及深度隨著切削磨損的加重逐漸擴(kuò)展，使切削刃的剛性降低，繼續(xù)使用刀具會(huì)出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象。刀片磨損的電子顯微圖像如圖1所示。
a）前刀面磨損出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象 b）后刀面磨損
c）積屑瘤
圖1 刀片磨損的電子顯微圖像
鈦合金材料加工時(shí)，刀片與工件劇烈摩擦，刀片后刀面與切削刃交界的部位磨出后角為零的小棱面，形成后刀面磨損。除此之外，由于鈦合金的加工硬化，副切削刃的刀尖部位切削厚度逐漸減小，導(dǎo)致切削刃打滑，后刀面也會(huì)出現(xiàn)較大磨損。
刀片磨損后，可通過(guò)觀察切屑形態(tài)、顏色，機(jī)床的受力、聲音和振動(dòng)等，調(diào)整切削線速度及進(jìn)給量，控制刀片前刀面異常磨損。采用正前角槽型刀片，選用耐磨的刀片材料或涂層，提高刀具壽命。
鈦合金加工過(guò)程中容易形成積屑瘤。當(dāng)積屑瘤處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，可代替切削刃進(jìn)行切削，起到保護(hù)刀具的效果；當(dāng)積屑瘤累積到一定程度后，積屑瘤的頂端會(huì)伸出切削刃之外，刀具的實(shí)際工作前角增大，積屑瘤的累積和剝離，直接影響零件加工的精度。積屑瘤碎片粘附在鈦合金已加工表面上后，形成硬點(diǎn)和毛刺，影響表面質(zhì)量。積屑瘤無(wú)規(guī)律的脫落和生成導(dǎo)致切削力產(chǎn)生波動(dòng)，進(jìn)而引起切削振動(dòng)，影響刀具使用壽命。為減小或避免鈦合金切削過(guò)程中積屑瘤的產(chǎn)生，生產(chǎn)實(shí)踐中常用的方法有：提高切削速度，逐步增加切削深度至最佳；采用PVD物理涂層的刀片材料；采用高壓冷卻系統(tǒng)等。
在切削加工中，由于鈦合金的塑性較低，切屑與前刀面的接觸面積小，刀具磨損主要發(fā)生在車刀的前刀面上，因此切削刀片應(yīng)該選用較小前角，合適的前角為0°～5°。小前角可有效增大切屑與前刀面的接觸面積，有利于分散集中在刃口附近的切削熱；選擇5°～10°后角可以減少刀具與零件的摩擦。刀片底面和刀桿之間選擇V形接觸面組合，這種強(qiáng)固夾持結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可有效提高刀桿夾持的剛性，消除刀具振動(dòng)，提高鈦合金工件加工后的表面質(zhì)量。
3.3 工裝的選擇
鈦合金工件在定位裝夾時(shí)，夾具壓緊力與工件支承力相互作用，在自由狀態(tài)下會(huì)引起應(yīng)力變形；鈦合金切削時(shí)吃刀抗力較大，故工藝系統(tǒng)需保證有足夠的剛度，需對(duì)工件的定位結(jié)構(gòu)及定位尺寸進(jìn)行分析，選擇穩(wěn)定可靠的定位基準(zhǔn)，必要時(shí)增加輔助支撐，或通過(guò)過(guò)定位以提高零件剛性。由于鈦合金易變形，所以?shī)A緊力不能大，必要時(shí)可使用扭矩扳手，確保壓緊力穩(wěn)定。此外，在使用夾具定位裝夾鈦合金零件時(shí)，還應(yīng)保證夾具的定位面與鈦合金工件的定位面配合良好，夾具的壓緊力與工件的支承力相互平衡；對(duì)于比較大的壓緊面，應(yīng)盡量采用分散壓緊的方式，避免壓力集中導(dǎo)致工件變形。夾具壓板的壓緊點(diǎn)應(yīng)盡量靠近工件被加工表面，以減少鈦合金切削時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)。
鈦合金加工嚴(yán)禁使用含鉛、鋅、銅、錫、鎘及低熔點(diǎn)金屬的夾具、測(cè)具或各種臨時(shí)工裝，加工鈦合金的設(shè)備、夾具及工裝應(yīng)保持清潔無(wú)污染，鈦合金工件加工后應(yīng)及時(shí)清洗，鈦合金表面不允許出現(xiàn)鉛、鋅、銅、錫、鎘及低熔點(diǎn)金屬等殘留物。轉(zhuǎn)移及搬運(yùn)鈦合金工件時(shí)，應(yīng)使用專用周轉(zhuǎn)箱，避免與其他材料的工件混用和混放。對(duì)精加工后的鈦合金表面進(jìn)行檢查及清洗時(shí)，應(yīng)戴上干凈手套，防止油污及指紋污染鈦合金表面，以避免發(fā)生鹽應(yīng)力腐蝕，影響鈦合金工件的服役性能。
3.4 切削參數(shù)
鈦合金的切削參數(shù)主要包括切削速度、進(jìn)給量和切削深度，其中切削速度是影響其切削性能的主要因素。通過(guò)將鈦合金工件恒轉(zhuǎn)速切削及恒線速度切削進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，認(rèn)為恒轉(zhuǎn)速切削狀態(tài)要差于恒線速度切削。當(dāng)鈦合金的切削線速度vc=60m/min、進(jìn)給量f=0.127mm/r、切削深度ap=0.05～0.1mm時(shí)，鈦合金表面很少發(fā)現(xiàn)硬化層。
由于硬化層主要出現(xiàn)在精加工后的工件表面上，所以精車時(shí)切削深度不宜過(guò)大，否則會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱，切削熱聚集會(huì)導(dǎo)致鈦合金表面金相組織出現(xiàn)變化，零件表面易產(chǎn)生硬化層；切削深度過(guò)小會(huì)導(dǎo)致工件表面摩擦擠壓，出現(xiàn)加工硬化。因此，鈦合金工件在加工時(shí)，精車的切削深度必須大于刀具倒鈍的尺寸。
鈦合金進(jìn)給量選擇應(yīng)適中，若進(jìn)給量過(guò)小，加工時(shí)刀具在硬化層中切削，則磨損較快。進(jìn)給量可根據(jù)不同的刀具R進(jìn)行選擇，精加工一般選擇較小的進(jìn)給量，這是因?yàn)榇筮M(jìn)給量切削會(huì)使刀具抗力增加，使刀具受熱彎曲或崩刃。表2為不同類型及材質(zhì)的刀具切削鈦合金時(shí)的常用參數(shù)。
表2 不同類型及材質(zhì)的刀具切削鈦合金時(shí)的常用參數(shù)
3.5 冷卻系統(tǒng)
鈦合金切削對(duì)切削液的要求是霧化程度低。鈦合金加工時(shí)應(yīng)選擇高壓冷卻刀具，配合機(jī)床的高壓泵，冷卻壓力可達(dá)60×105～150×105Pa。采用高壓冷卻刀具加工鈦合金，可提高切削速度2～3倍，延長(zhǎng)刀具使用壽命，改善鈦合金切屑形態(tài)。切削鈦合金工件時(shí)澆注切削液，切削力比干切鈦合金減小5%～15%，徑向力減小10%～15%，切削溫度降低5%～10%，切削后鈦合金表面形貌較好，塊狀黏結(jié)物較少，有利于獲得較高的表面質(zhì)量。
目前使用的Trim E206化合乳液，由8%的原液與92%的純凈水混合而成，濃度為7%～9%，在鈦合金材料加工中能達(dá)到較好的加工效果，在車削、銑削和磨削加工中均可使用。Trim E206中含有特效添加劑，可有效控制積屑瘤的產(chǎn)生。切削液中添加有微小乳化分子，提高了切削液的穩(wěn)定性，降低了加工過(guò)程中切削液的帶走量，切削液更容易進(jìn)入工件切削部位。除此之外，Trim E206有較強(qiáng)的抗油污能力，切削液殘留物易溶于水及工作液，有利于維持設(shè)備及加工零件表面的整潔性。
4、鐵合金表面完整性
4.1 鈦合金鍛件顯微組織檢測(cè)
鈦合金顯微組織檢測(cè)是指對(duì)侵蝕處理后的鈦合金零件表面用電子顯微鏡進(jìn)行檢測(cè)，觀察鈦合金材料具有的組織形貌特征、分布等，用以檢測(cè)鈦合金的金相組織是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及圖樣規(guī)范。鈦合金鍛件的顯微組織檢測(cè)步驟：鍛件粗加工→表面拋光→表面侵蝕→清洗→吹干→顯微檢測(cè)。Ti6Al4V鈦合金的顯微檢測(cè)如圖2所示。
a）表面拋光 b）表面侵蝕
c）清水沖洗 d）顯微檢測(cè)
圖2 Ti6Al4V鈦合金的顯微檢測(cè)
鍛件粗加工的目的是將α層完全去除。鈦合金表面使用粒度400#～800#的氧化鋁砂紙拋光，表面粗糙度值需達(dá)到Ra=0.025μm或更高等級(jí)要求。侵蝕使用Kroll試劑，按2%HF、4%HNO3及水溶液配成，將適量的Kroll試劑涂抹在拋光處理后的鈦合金表面上，直至獲得所需要的清晰組織后，在水中進(jìn)行清洗并吹干，使用手持式電子顯微鏡對(duì)鈦合金表面進(jìn)行檢測(cè)，組織中應(yīng)含有10%～50%的初生α。圖3所示Ti6Al4V鈦合金顯微組織形貌為合格的金相組織。
a）β轉(zhuǎn)變基體中初生α b）β晶界不連續(xù)α
c）β晶粒片狀α
圖3 Ti6Al4V鈦合金顯微組織形貌
4.2 鈦合金藍(lán)色陽(yáng)極化腐蝕檢測(cè)
鈦合金加工時(shí)，當(dāng)?shù)镀瑐?cè)刃擠壓磨損后，刀片抗沖擊性能逐漸降低，導(dǎo)致鈦合金已加工表面因擠壓過(guò)熱而產(chǎn)生加工硬化。通常采用藍(lán)色陽(yáng)極化腐蝕的方法對(duì)硬化等缺陷進(jìn)行檢測(cè)。鈦合金工件藍(lán)色陽(yáng)極化腐蝕后的表面如圖4所示。氧化后的鈦合金工件經(jīng)后處理溶解后，合格氧化膜的顏色應(yīng)為均勻的淺藍(lán)色（見(jiàn)圖4a）。出現(xiàn)加工硬化的鈦合金工件在腐蝕檢測(cè)后，工件表面呈現(xiàn)出深藍(lán)色（見(jiàn)圖4b）或局部顏色較深（見(jiàn)圖4c），且各部位的顏色不均勻。
a）均勻淺藍(lán)色 b）深藍(lán)色 c）局部深藍(lán)色
圖4 鈦合金工件藍(lán)色陽(yáng)極化腐蝕后的表面
藍(lán)色陽(yáng)極化腐蝕后，對(duì)于出現(xiàn)加工硬化的零件，可通過(guò)調(diào)整加工鈦合金的切削刀具材質(zhì)、涂層及切削角度，優(yōu)化走刀路徑及切削參數(shù)等方法，控制并消除加工硬化。
4.3 鈦合金表面光飾加工
為了去除鈦合金壓氣機(jī)盤、輪轂、葉輪、軸和轉(zhuǎn)子隔圈的表面缺陷，提高零件的工作壽命，在對(duì)鈦合金工件完成所有的機(jī)械加工工序后，可采用手動(dòng)蝶式光飾的方法，對(duì)工件表面進(jìn)行光飾加工。蝶式光飾需使用圖5所示光飾加工工具：旋轉(zhuǎn)氣槍（轉(zhuǎn)速18000r/min）、拋光桿、氧化鋁或碳化硅砂布（規(guī)格10mm×20mm、粒度120#）。
a）旋轉(zhuǎn)氣槍 b）拋光桿 c）砂布
圖5 光飾加工工具
鈦合金工件內(nèi)槽光飾加工如圖6所示。為達(dá)到較好的光飾效果，可使用以下方法。
1）用氧化鋁砂布沿其長(zhǎng)度方向折疊，牢固地插入拋光桿前端夾持槽內(nèi)，并按照與旋桿旋轉(zhuǎn)方向相反的方向擰緊，每光飾一處工件表面后換一次新砂布（見(jiàn)圖6a）。
2）旋轉(zhuǎn)的砂布應(yīng)在鈦合金表面往復(fù)運(yùn)動(dòng)一個(gè)或兩個(gè)周期，每個(gè)周期運(yùn)動(dòng)10～30s，往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度約為1.57mm/s（見(jiàn)圖6b）。
3）當(dāng)對(duì)鈦合金工件不同的表面進(jìn)行光飾時(shí)，應(yīng)在周期間更換砂布。使用手動(dòng)光飾時(shí)，應(yīng)使用適當(dāng)?shù)闹箘?dòng)扳手或機(jī)械深度止動(dòng)裝置，來(lái)控制旋轉(zhuǎn)砂布的穿過(guò)。
a）砂布安裝 b）旋轉(zhuǎn)拋光
圖6 鈦合金工件內(nèi)槽光飾加工
5、結(jié)束語(yǔ)
鈦合金屬于典型的難加工材料，加工時(shí)由于切削抗力大、切削溫度高且刀具磨損嚴(yán)重，所以選擇合理的刀具材料及刀片角度是鈦合金加工面臨的首要問(wèn)題。含Ti硬質(zhì)合金刀具抗擴(kuò)散磨損性能較好，切削時(shí)刀具表面形成穩(wěn)定的鈦合金黏結(jié)層，可以起到抑制磨損的作用。隨著國(guó)產(chǎn)刀具的發(fā)展，鈦合金的加工效率逐漸提高，節(jié)約了加工成本，對(duì)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)整體國(guó)產(chǎn)化起到了積極作用。在生產(chǎn)實(shí)踐中，鈦合金加工應(yīng)基于企業(yè)現(xiàn)有技術(shù)、設(shè)備、管理和成本等條件，選擇合理的定位工裝，利用企業(yè)信息化數(shù)據(jù)平臺(tái)優(yōu)選切削參數(shù)，逐漸摒棄只憑經(jīng)驗(yàn)、類比選擇參數(shù)的粗放型加工理念。
通過(guò)對(duì)鈦合金鍛件進(jìn)行顯微組織檢測(cè)，對(duì)粗加工后鈦合金的金相組織進(jìn)行了對(duì)比評(píng)定；光飾加工可有效去除鈦合金表面的加工及材料缺陷，提高工件使用壽命；藍(lán)色陽(yáng)極化腐蝕檢測(cè)可以有效識(shí)別鈦合金在加工過(guò)程中出現(xiàn)的加工硬化等缺陷；有效控制鈦合金加工表面完整性，對(duì)穩(wěn)定鈦合金加工質(zhì)量，提高鈦合金工件使用壽命有重要意義。
本文發(fā)表于《金屬加工（冷加工）》2021年第7期1~55頁(yè)，作者：中國(guó)航發(fā)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司黃強(qiáng)，原標(biāo)題：《航空鈦合金加工方法及表面完整性控制技術(shù)》。
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