Ti-6Al-4V屬于國(guó)標(biāo)鈦合金 TC4執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)2965
一、TC4材料介紹
TC4合金組成為Ti-6Al-4V，其含有6% α 穩(wěn)定元素AI和4% β 穩(wěn)定元素V，是 α-β 型兩相鈦合金的一種。TC4合金材料由于物理和力學(xué)機(jī)械性能優(yōu)秀，成功應(yīng)用在航空航天、醫(yī)療、化工石油、船舶制造等多個(gè)領(lǐng)域。
Ti-6Al-4V（TC4）兼有α及β兩類鈦合金的優(yōu)點(diǎn)，即塑性好、熱強(qiáng)性好（可400℃在長(zhǎng)期工作）、抗海水腐蝕能力很強(qiáng)，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，可以焊接、冷熱成型，并可通過淬火和時(shí)效處理進(jìn)行強(qiáng)化。主要應(yīng)用于飛機(jī)壓氣機(jī)盤和葉片、艦艇耐壓殼體、大尺寸鍛件、模鍛件等。
二、TC4的化學(xué)成分
TC4含鈦(Ti)余量
鋁(Al)5.5~6.8
釩(V)3.5~4.5
鐵(Fe)≤0.30
氧(O)≤0.20
碳(C)≤0.10
氮(N)≤0.05
氫(H)≤0.015
三、TC4熱處理制度
1）退火
板材：700-850℃，0.5-2h，空冷；棒材和鍛件：700-800℃，1-2h，空冷。
2）真空退火
700-800℃，0.5-2h，爐冷至200°C以下允許出爐空冷。爐內(nèi)絕對(duì)壓強(qiáng)應(yīng)不大于0.09Pa。
3）固溶處理
910-940℃，0.5-2h，水淬。
4）時(shí)效
520-550°C，2-4h，空冷。
5）去應(yīng)力退火
完全去應(yīng)力退火：600-650℃，1-4h,空冷；不完全去應(yīng)力退火：500-600℃，0.5-3h，空冷。去應(yīng)力退火可以在空氣爐或真空爐中進(jìn)行。
TC4熔煉與鑄造工藝
鑄錠應(yīng)該經(jīng)過兩次以上真空自耗電極電弧爐熔煉。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子零件用料應(yīng)經(jīng)過三次熔煉。合金元素V以A1-V中間合金方式加入。自耗電極的焊接嚴(yán)禁使用鎢極氬弧焊，采用氬氣保護(hù)等離子焊接方法。
TC4應(yīng)用概況
TC4鈦合金在國(guó)內(nèi)是20世紀(jì)60年代初期開始研制生產(chǎn)的，現(xiàn)已廣泛用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇和壓氣機(jī)的盤與葉片，以及飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的各種承力梁、框、接頭和緊固件等。
TC4特殊要求
1）初生α相數(shù)量
TC4合金的力學(xué)性能與初生 α 相數(shù)量和形態(tài)有密切關(guān)系，一般講，初生 α 相含量越多，室溫拉伸塑性和疲勞性能越好；初生 α 相數(shù)量越少，則高溫持久、蠕變和斷裂韌度越好。為了獲得優(yōu)異的綜合性能，初生 α 相含量通常希望控制在15%-50%范圍內(nèi)。如果初生 α 相含量超過這個(gè)范圍，允許在正常退火之前增加一次高溫固溶處理，即在 β 轉(zhuǎn)變溫度以下30-60℃保溫lh，隨后空冷或水冷。當(dāng)初生 α 相含量過少時(shí)，只能通過在兩相區(qū)的重新熱變形來(lái)提高初生 α 相含量。
2）氧含量影響
隨著氧含量的增加，TC4合金的抗拉強(qiáng)度明顯提高，拉伸塑性和斷裂韌度急劇下降。氧含量過高還會(huì)導(dǎo)至焊接性能變差。因此，在保證強(qiáng)度水平的前提下，應(yīng)將氧含量控制在較低的范圍內(nèi)。特別是用于低溫下工作的各種容器，應(yīng)該選用w(o)≤0.13%的TC4合金材料。
3）接觸腐蝕
當(dāng)TC4鈦合金零件與鋁合金和結(jié)構(gòu)鋼零件接觸時(shí)，特別是在一定的腐蝕介質(zhì)條件下，鋁合金和結(jié)構(gòu)鋼零件由于電極電位較負(fù)，作為接觸偶的陽(yáng)極，會(huì)遭受加速腐蝕和破壞。因此，在TC4鈦合金零件與鋁合金或結(jié)構(gòu)鋼零件之間，應(yīng)采取加墊防接觸腐蝕膠布等防護(hù)措施。TC4合金零件嚴(yán)禁與鉛、鋅、鎘、錫、銀、鉍等金屬的零件或工具接觸。
4）微動(dòng)腐蝕破壞
TC4合金由于耐磨性較差，當(dāng)零件發(fā)生微動(dòng)磨蝕時(shí)，會(huì)引起疲勞強(qiáng)度的 迅速下降。為減少微動(dòng)磨蝕，在TC4合金零件與其他金屬零件的配合面之間，應(yīng)涂潤(rùn)滑脂、油漆，或?qū)?TC4合金零件表面進(jìn)行陽(yáng)極化處理。
為確保TC4合金零件在使用過程中的可靠性，對(duì)于制造壓氣機(jī)盤、葉片和飛機(jī)結(jié)構(gòu)件用的棒材、鍛坯、自由鍛件和模鍛件，必須進(jìn)行超聲探傷。航空發(fā)動(dòng)機(jī)用模鍛件探傷，一般采用平底孔直徑為0.8mm的標(biāo)準(zhǔn)樣塊；飛機(jī)結(jié)構(gòu)用模鍛件探傷，一般采用平底孔直徑為1.2mm的標(biāo)準(zhǔn)樣塊。
TC4抗氧化性能
TC4鈦合金在430℃以下長(zhǎng)時(shí)間加熱，形成很薄而且具有保護(hù)性的氧化膜。隨著加熱溫度的升高，氧化膜增厚，同時(shí)其保護(hù)性變差。合金在700°C加熱2h后，氧化膜厚度達(dá)到 25μrn。在800℃以上的溫度加熱形成疏的氧化層。在1000℃加熱1h后，氧化層的厚度達(dá)到0.65mm。
TC4焊接性能
1）TC4合金可用氬弧焊、點(diǎn)焊、釬焊、電子束焊和等離子焊等多種方式進(jìn)行焊接。焊接接頭的強(qiáng)度與基體金屬基本相當(dāng)。
2）TC4合金焊接后在550-650℃進(jìn)行去應(yīng)力退火，可以消除70%-80%的焊接應(yīng)力。板材零件焊接后的去應(yīng)力退火，好在真空爐或保護(hù)氣氛爐中進(jìn)行。
3）TC4合金具有良好的擴(kuò)散連接特性。連接過程全部在真空中完成。典型的擴(kuò)散連接工藝參數(shù)：加熱溫度為820-1040℃，加壓壓力為35-70MPa，保持時(shí)間為0.5-6h。
零件熱處理工藝
1）半成品或零件退火時(shí)，保溫時(shí)間取決于截面厚度。截面厚度小于或等于10mm時(shí)，保溫時(shí)間不超過30min;11-50mm時(shí)為30-60min;大于50mm時(shí)為1-2h。
2）零件熱處理選用各種型式的電爐，處理前必須徹底清掃爐膛。采用煤氣或油爐加熱時(shí)，必須對(duì)爐內(nèi)氣氛進(jìn)行嚴(yán)格控制，使其保持微氧化氣氛，還要注意勿使燃燒噴嘴直接噴向零件。
3）真空退火前應(yīng)清除零件表面的氧化皮和富氧層，入爐前還要認(rèn)真除油。復(fù)雜形狀的零件真空退火時(shí)必須采用夾具固定，以減少零件變形。入爐零件好用預(yù)先除氣的無(wú)氧化鈦屑填滿，以防止零件氧化。
表面處理工藝
1）為提高鈦合金零件的疲勞強(qiáng)度可進(jìn)行表面噴丸處理。一般采用直徑為2-5mm的鋼丸，能產(chǎn)生大約785MPa的表面壓應(yīng)力，表面強(qiáng)化深度約為200μm。噴丸強(qiáng)化可顯著提高TC4合金的疲勞強(qiáng)度。
2）為改善TC4鈦合金的耐磨性能，在零件的易磨損部位，例如風(fēng)扇葉片的阻尼臺(tái)側(cè)面，采用等離子或爆炸噴涂方法噴涂碳化鎢、碳化鉻等難熔質(zhì)點(diǎn)涂層。這種方法還可用于鈦合金零件已磨損部位的修補(bǔ)。
3）為避免鈦合金零件在工作中發(fā)生擦傷和粘結(jié)，在有磨擦接觸和螺紋組合的零件上，應(yīng)進(jìn)行陽(yáng)極化、鍍鉻、化學(xué)鍍鎳或滲氮處理。
切削加工與磨削性能
1） TC4合金由于導(dǎo)熱性差、化學(xué)活性高，切削加工時(shí)刀尖處溫度升高較快，容易造成刀具磨損，應(yīng)注意合理選擇刀具材料和加工工藝參數(shù)。采用氯化冷卻液可延長(zhǎng)刀具壽命，改善加工表面質(zhì)量。
2）銑削加工推薦采用高速鋼和硬質(zhì)合金螺旋立銑刀。硬質(zhì)合金刀具材料應(yīng)選用碳化鎢類，不要選用碳化鈦類。TC4合金鈷深孔時(shí)難度較大，應(yīng)針對(duì)被加工零件設(shè)計(jì)專用鉆頭，選擇較大的頂角。當(dāng)鉆頭直徑大于6mm時(shí)，為便于排屑，應(yīng)在切削刃部開分肩槽。
3） TC4合金磨削時(shí)容易產(chǎn)生燒傷、波紋及變形。建議選用綠色碳化硅磨輪，這種磨料與剛玉及其混合磨料比較，磨削性能好、金屬去除量大、功率消耗小。采用中等疏松磨輪，有利于降低磨削區(qū)溫度。磨削液好選用水劑切削液。
TC4使用建議
建議選用TC4鈦合金制造飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼結(jié)構(gòu)中的各種梁、接頭、隔框和航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇及壓氣機(jī)中的盤件、葉片。用TC4鈦合金代替30CrMnSiA等結(jié)構(gòu)鋼，可以實(shí)現(xiàn)減輕零件重量約30%。
四、TC4鈦合金的應(yīng)用
TC4材料密度小、比強(qiáng)度大、耐腐蝕、工藝塑性和焊接性能良好，工作溫度在-100~550℃之間，被廣泛應(yīng)用在航空工業(yè)中的發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇、葉片和壓氣機(jī)盤，還有飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的各種承力梁、接頭、隔框等多種重要的承力構(gòu)件。還被用來(lái)代替一些結(jié)構(gòu)鋼，如30CrMnSiA等，大約可減輕百分之三十的零件重量。
