Titanlegering refererer til en rekke legeringsmetaller laget av titan og andre metaller. Titan er et viktig strukturelt metall utviklet på 1950-tallet. Titanlegering har høy styrke, god korrosjonsbestandighet og høy varmebestandighet. På 1950- og 1960-tallet var hovedfokuset på utvikling av høytemperatur titanlegeringer for flymotorer og strukturelle titanlegeringer for flykropper.
På 1970-tallet ble det utviklet et parti med korrosjonsbestandige titanlegeringer. Siden 1980-tallet har korrosjonsbestandige titanlegeringer og høyfaste titanlegeringer blitt videreutviklet. Titanlegeringer brukes hovedsakelig til å lage kompressordeler til flymotorer, etterfulgt av raketter, missiler og høyhastighets flystrukturdeler.
Titan er et viktig strukturelt metall utviklet på 1950-tallet. Titanlegeringer er mye brukt i forskjellige felt på grunn av deres høye styrke, gode korrosjonsbestandighet og høye varmebestandighet. Mange land i verden har anerkjent viktigheten av titanlegeringsmaterialer, og har suksessivt utført forskning og utvikling på dem, og har oppnådd praktiske anvendelser.
Den første praktiske titanlegeringen var Ti-6Al-4V-legeringen utviklet med suksess i USA i 1954. På grunn av sin gode varmebestandighet, styrke, plastisitet, seighet, formbarhet, sveisbarhet, korrosjonsbestandighet og biokompatibilitet, den har blitt esslegeringen i titanlegeringsindustrien. Bruken av denne legeringen har utgjort 75 % til 85 % av alle titanlegeringer. Mange andre titanlegeringer kan betraktes som modifikasjoner av Ti-6Al-4V-legeringen.
På 1950- og 1960-tallet var utviklingen av høytemperatur titanlegeringer for flymotorer og strukturelle titanlegeringer for flykropper hovedfokus. På 1970-tallet ble det utviklet en rekke korrosjonsbestandige titanlegeringer. Siden 1980-tallet har korrosjonsbestandige titanlegeringer og høyfaste titanlegeringer blitt videreutviklet. Brukstemperaturen for varmebestandige titanlegeringer har økt fra 400 grader på 1950-tallet til 600-650 grader på 1990-tallet. Fremveksten av A2 (Ti3Al) og r (TiAl)-baserte legeringer har presset bruken av titan i motoren fra den kalde enden (vifte og kompressor) av motoren til den varme enden (turbinen) av motoren. Strukturelle titanlegeringer utvikler seg mot høy styrke, høy plastisitet, høy styrke og seighet, høy modul og høy skadetoleranse.
I tillegg, siden 1970-tallet, har formminnelegeringer som Ti-Ni, Ti-Ni-Fe og Ti-Ni-Nb også dukket opp og blitt stadig mer brukt i ingeniørfag.
Det er hundrevis av titanlegeringer utviklet i verden, og de mest kjente legeringene er 20 til 30, for eksempel Ti-6Al-4V, Ti-5Al-2. 5Sn, Ti-2Al-2.5Zr, Ti-32Mo, Ti-Mo-Ni, Ti-Pd, SP-700, Ti-6242, Ti -10-5-3, Ti-1023, BT9, BT20, IMI829, IMI834 osv. [2,4].
I følge relevant statistikk nådde mengden titan som ble brukt i mitt lands kjemiske industri 25,000 tonn i 2012, som var en nedgang fra 2011. Dette er første gang det kjemiske titanmarkedet i mitt land har opplevd negativ vekst siden 2009. De siste årene har kjemisk industri vært den største brukeren av titanbearbeidingsmaterialer, og bruken har alltid utgjort mer enn 50 % av den totale titanbruken, og i 2011 utgjorde den hele 55 %. Etter hvert som økonomien har falt i en nedgangskonjunktur, har imidlertid den kjemiske industrien ikke bare sett en betydelig reduksjon i nye prosjekter, men vil også stå overfor industrielle restruktureringer, med ny produksjonskapasitet for enkelte produkter kontrollert og utdatert produksjonskapasitet gradvis eliminert. Berørt av dette har den krympende bruken av titanbehandlingsmaterialer blitt en selvfølge. Før dette hadde industriinnsidere spådd at bruken av titan i den kjemiske industrien ville toppe seg mellom 2013 og 2015. Bedømt ut fra dagens markedsresultater, kan den generelle økonomiske svakheten i 2012 føre til nedgangen i titanbruken i den kjemiske industrien.
Titan er en ny type metall. Ytelsen til titan er relatert til innholdet av urenheter som karbon, nitrogen, hydrogen og oksygen. Det reneste titanjodidet har et urenhetsinnhold på ikke mer enn 0,1 %, men det har lav styrke og høy plastisitet. Egenskapene til 99,5 % industriell rent titan er: tetthet ρ=4.5g/cm3, smeltepunkt 1725 grader, termisk ledningsevne λ=15.24W/(mK), strekkfasthet σb=539 MPa, forlengelse δ=25%, tverrsnittskrymping ψ=25%, elastisitetsmodul E=1.078×105MPa, hardhet HB195.
Høy styrke: Tettheten til titanlegering er generelt rundt 4,51 g/cm3, som bare er 60 % av stål. Noen høyfaste titanlegeringer overskrider styrken til mange legerte konstruksjonsstål. Derfor er den spesifikke styrken (styrken/densiteten) til titanlegering mye større enn for andre metallkonstruksjonsmaterialer, og deler med høy enhetsstyrke, god stivhet og lett vekt kan produseres. Flymotorkomponenter, skjeletter, skinn, festemidler og landingsutstyr bruker alle titanlegeringer.
Høy termisk styrke
Driftstemperaturen er flere hundre grader høyere enn for aluminiumslegering. Den kan fortsatt opprettholde den nødvendige styrken ved middels temperatur og kan fungere lenge ved 450-500 grader. Disse to typene titanlegeringer har fortsatt høy spesifikk styrke i området 150 grader -500 grader, mens den spesifikke styrken til aluminiumslegering reduseres betydelig ved 150 grader. Arbeidstemperaturen til titanlegering kan nå 500 grader, mens den for aluminiumslegering er under 200 grader.
God korrosjonsbestandighet
Titanlegering fungerer i fuktig atmosfære og sjøvannsmedium, og dens korrosjonsmotstand er langt bedre enn rustfritt stål; den har spesielt sterk motstand mot pitting, syrekorrosjon og spenningskorrosjon; den har utmerket korrosjonsbestandighet mot alkali, klorid, klororganiske stoffer, salpetersyre, svovelsyre, etc. Imidlertid har titan dårlig korrosjonsbestandighet mot reduserende oksygen og kromsaltmedier.
God ytelse ved lav temperatur
Titanlegering kan fortsatt opprettholde sine mekaniske egenskaper ved lave og ultralave temperaturer. Titanlegeringer med god lavtemperaturytelse og ekstremt lave interstitielle elementer, som TA7, kan fortsatt opprettholde en viss plastisitet ved -253 grad . Derfor er titanlegering også et viktig lavtemperatur-strukturmateriale.
Høy kjemisk aktivitet
Titan har høy kjemisk aktivitet og reagerer sterkt med O2, N2, H2, CO, CO2, vanndamp, ammoniakk osv. i atmosfæren. Når karboninnholdet er større enn 0.2 %, vil det dannes hard TiC i titanlegeringen; når temperaturen er høy, vil den også danne et hardt TiN overflatelag når den reagerer med N; over 600 grader absorberer titan oksygen for å danne et herdet lag med høy hardhet; når hydrogeninnholdet stiger, vil det også dannes et sprøtt lag. Dybden på det harde og sprø overflatelaget som produseres av absorberende gass kan nå 0,1-0,15 mm, og herdegraden er 20 %-30%. Titan har også høy kjemisk affinitet og er utsatt for vedheft med friksjonsoverflaten.
Lav termisk ledningsevne elastisitet
Den termiske ledningsevnen til titan er λ=15.24W/(m·K), som er omtrent 1/4 av nikkel, 1/5 av jern og 1/14 av aluminium, mens den termiske ledningsevnen til forskjellige titan legeringer er omtrent 50 % lavere enn for titan. Elastikkmodulen til titanlegering er omtrent 1/2 av stålets, så den har dårlig stivhet og er lett å deformere. Den egner seg ikke til å lage slanke stenger og tynnveggede deler. Tilbakeslaget til den bearbeidede overflaten under skjæring er veldig stor, omtrent 2 til 3 ganger den for rustfritt stål, noe som forårsaker alvorlig friksjon, adhesjon og bindingsslitasje på baksiden av verktøyet.
Titanlegering har høy styrke og lav tetthet, gode mekaniske egenskaper og god seighet og korrosjonsbestandighet. I tillegg har titanlegering dårlig prosessytelse og er vanskelig å kutte. Under varmbehandling er det veldig lett å absorbere urenheter som hydrogen, oksygen, nitrogen og karbon. Den har også dårlig slitestyrke og komplekse produksjonsprosesser. Industriell produksjon av titan startet i 1948. Behovene til utviklingen av luftfartsindustrien har ført til utviklingen av titanindustrien med en gjennomsnittlig årlig vekst på ca. 8%. Den årlige produksjonen av titanlegeringsmaterialer i verden har nådd mer enn 40,000 tonn, og det er nesten 30 titanlegeringskvaliteter. De mest brukte titanlegeringene er Ti-6Al-4V (TC4), Ti-5Al-2.5Sn (TA7) og industriell rent titan (TA1, TA2 og TA3).
Titanlegeringer brukes hovedsakelig til å lage kompressordeler til flymotorer, etterfulgt av raketter, missiler og høyhastighets flystrukturdeler. På midten av-1960årene ble titan og dets legeringer brukt i generell industri for å lage elektroder for elektrolyseindustrien, kondensatorer for kraftverk, varmeovner for oljeraffinering og avsalting av sjøvann, og utstyr for kontroll av miljøforurensning. Titan og dets legeringer har blitt et korrosjonsbestandig konstruksjonsmateriale. I tillegg brukes de også til å produsere hydrogenlagringsmaterialer og formminnelegeringer.
Kina begynte forskning på titan og titanlegeringer i 1956; i midten-1960 begynte industriell produksjon av titanmaterialer og TB2-legeringer ble utviklet.
Titanlegering er et nytt viktig strukturelt materiale som brukes i romfartsindustrien. Dens egenvekt, styrke og driftstemperatur er mellom aluminium og stål, men den er sterkere enn aluminium og stål og har utmerket sjøvannskorrosjonsbestandighet og ytelse ved ultralav temperatur. I 1950 brukte USA den for første gang på F-84 jagerbombefly som ikke-bærende komponenter som varmeskjold til bakkroppen, vindlederdeksler og haledeksler. Siden 1960-tallet har bruken av titanlegeringer flyttet seg fra den bakre flykroppen til den midtre flykroppen, og delvis erstattet konstruksjonsstål for å produsere viktige bærende komponenter som skott, bjelker og klaffskinner. Bruken av titanlegeringer i militære fly har økt raskt, og nådde 20% til 25% av flyets strukturvekt. Siden 1970-tallet har sivile fly begynt å bruke titanlegeringer i store mengder. For eksempel bruker Boeing 747 passasjerflyet mer enn 3640 kilo titan. Fly med Mach-tall større enn 2,5 bruker titan hovedsakelig for å erstatte stål for å redusere strukturell vekt. For eksempel, US SR-71 høyhøyde og høyhastighets rekognoseringsfly (flyging Mach nummer 3, flyhøyde på 26 212 meter), titan står for 93 % av flyets strukturvekt, kjent som en "alle -titanium" fly. Når skyvekraft-til-vekt-forholdet til en flymotor øker fra 4-6 til 8-10, og kompressorens utløpstemperatur øker fra 200-300 grad til 500-600 grad, vil lav- trykkkompressorskiver og blader som opprinnelig er laget av aluminium må erstattes med titanlegeringer, eller titanlegeringer må brukes i stedet for rustfritt stål for å lage høytrykkskompressorskiver og -blader for å redusere vekten av strukturen. På 1970-tallet utgjorde mengden titanlegering brukt i flymotorer generelt 20 % til 30 % av den totale vekten av strukturen, og ble hovedsakelig brukt til å produsere kompressordeler, som smidde titanvifter, kompressorskiver og -blader, støpte. titan kompressorhus, mellomhus, lagerhus, etc. Romfartøy bruker hovedsakelig den høye spesifikke styrken, korrosjonsmotstanden og lavtemperaturmotstanden til titanlegeringer til å produsere ulike trykkbeholdere, drivstofftanker, festemidler, instrumentstropper, rammer og raketthus. Kunstige jordsatellitter, månemoduler, bemannede romfartøy og romferger bruker også sveisede deler av titanlegering.
Kutting, boring og tapping av titanlegering har spesielt høye krav til skjæreverktøy, hullbehandlingsbor og gjengeboringskraner: Når hardheten til titanlegeringen er større enn HB350, er kutting spesielt vanskelig. Når det er mindre enn HB300, er det lett å holde seg til verktøyet og er også vanskelig å kutte. Imidlertid er hardheten til titanlegering bare ett aspekt av vanskeligheten med å kutte. Nøkkelen ligger i den omfattende innflytelsen av de kjemiske, fysiske og mekaniske egenskapene til titanlegeringen i seg selv på dens bearbeidbarhet. Titanlegering har følgende skjæreegenskaper:
(1) Liten deformasjonskoeffisient: Dette er et viktig trekk ved skjæring av titanlegering. Deformasjonskoeffisienten er mindre enn eller nær 1. Glidefriksjonsavstanden til sponen på den fremre skjærekanten økes kraftig, noe som fremskynder verktøyslitasjen.
(2) Høy skjæretemperatur: Siden den termiske ledningsevnen til titanlegering er svært liten (bare tilsvarende 1/5 til 1/7 av 45 stål), er kontaktlengden mellom brikken og den fremre skjærekanten ekstremt kort. Varmen som genereres under skjæring er ikke lett å overføre og konsentreres i et lite område nær skjæreområdet og skjærekanten. Kuttetemperaturen er veldig høy. Under de samme skjæreforholdene kan skjæretemperaturen være mer enn det dobbelte av å skjære 45 stål.
(3) Stor skjærekraft per arealenhet: Hovedskjærekraften er ca. 20 % mindre enn ved skjæring av stål. Siden kontaktlengden mellom sponen og den fremre skjærekanten er ekstremt kort, økes skjærekraften per enhet kontaktflate kraftig, noe som er lett å forårsake flis. Samtidig, på grunn av den lille elastisitetsmodulen til titanlegering, er det lett å produsere bøyedeformasjon under påvirkning av radiell kraft under bearbeiding, forårsaker vibrasjoner, øker verktøyslitasjen og påvirker nøyaktigheten til delene. Derfor bør prosesssystemet ha god stivhet.
(4) Alvorlig kuldeherdingsfenomen: På grunn av den høye kjemiske aktiviteten til titan, er det lett å absorbere oksygen og nitrogen i luften for å danne en hard og sprø ytre hud ved høy skjæretemperatur; samtidig vil plastisk deformasjon under skjæring også forårsake overflateherding. Kaldherdingsfenomen reduserer ikke bare utmattelsesstyrken til deler, men forverrer også verktøyslitasje. Det er en veldig viktig funksjon når du skjærer titanlegering.
(5) Verktøyet er lett å ha på seg: Etter at emnet er behandlet ved stempling, smiing, varmvalsing og andre metoder, dannes en hard og sprø ujevn ytre hud, som er veldig lett å forårsake flising, noe som gjør fjerning av hard hud den vanskeligste prosessen i titanlegeringsbehandling. I tillegg, på grunn av den sterke kjemiske affiniteten til titanlegering til verktøymaterialer, under forholdene med høy skjæretemperatur og stor skjærekraft per arealenhet, er verktøyet utsatt for limslitasje. Når du dreier titanlegering, er slitasjen på den fremre skjærekanten noen ganger enda mer alvorlig enn den på den bakre skjærekanten; når matehastigheten f<0.1 mm/r, the wear mainly occurs on the back cutting edge; when f>{{0}}.2 mm/r, den fremre skjærekanten vil være slitt; ved bruk av karbidverktøy til finsving og halvsliping er slitasjen på bakskjæret mer egnet når VBmax er mindre enn 0,4 mm.
Ved fresing, på grunn av den lave termiske ledningsevnen til titanlegeringsmaterialer og den ekstremt korte kontaktlengden mellom sponene og den fremre skjærekanten, er varmen som genereres under skjæringen ikke lett å overføre, og er konsentrert i et lite område nær skjæret. deformasjonssonen og skjærekanten. Under bearbeiding vil skjærekanten generere ekstremt høye skjæretemperaturer, noe som vil forkorte verktøyets levetid betraktelig. For titanlegering Ti6Al4V, under forholdene som verktøystyrken og maskinkraften tillater, er nivået på skjæretemperaturen nøkkelfaktoren som påvirker verktøyets levetid, ikke størrelsen på skjærekraften.
Verktøy materialer
Kutting av titanlegeringer bør starte med å redusere skjæretemperaturen og redusere vedheft. Verktøymaterialer med god rød hardhet, høy bøyestyrke, god varmeledningsevne og dårlig affinitet med titanlegeringer bør velges. YG-sementert karbid er mer egnet. Siden høyhastighetsstål har dårlig varmebestandighet, bør verktøy laget av hardmetall brukes så mye som mulig. Vanlig brukte hardmetallverktøy inkluderer YG8, YG3, YG6X, YG6A, 813, 643, YS2T og YD15.
Belagte blader og YT-type sementerte karbider vil ha en sterk affinitet med titanlegeringer, noe som forverrer limslitasjen til verktøyet, og er ikke egnet for kutting av titanlegeringer; for komplekse, flerkantede verktøy, høyhastighetsstål med høy vanadium (som W12Cr4V4Mo), høyhastighetsstål med høy kobolt (som W2Mo9Cr4VCo8) eller høyhastighetsstål i aluminium (som W6Mo5Cr4V2Al, M10Mo4Cr4V3Al) og andre verktøymaterialer kan velges, som er egnet for å lage bor, rømmer, endefreser, brosjer, kraner og andre verktøy for kutting av titanlegeringer.
Å bruke diamant og kubisk bornitrid som verktøy for å kutte titanlegeringer kan oppnå betydelige resultater. For eksempel, ved bruk av naturlige diamantverktøy under emulsjonskjølingsforhold, kan skjærehastigheten nå 200 m/min; hvis det ikke brukes skjærevæske, er tillatt skjærehastighet kun 100m/min ved samme slitasje.
Forholdsregler
Under kutteprosessen av titanlegering, bør følgende forhold bemerkes:
(1) På grunn av den lille elastisitetsmodulen til titanlegering, er klemdeformasjonen og spenningsdeformasjonen av arbeidsstykket under bearbeiding store, noe som vil redusere bearbeidingsnøyaktigheten til arbeidsstykket; klemkraften bør ikke være for stor ved montering av arbeidsstykket, og ekstra støtte kan legges til om nødvendig.
(2) Hvis hydrogenholdig skjærevæske brukes, vil den spaltes og frigjøre hydrogen ved høy temperatur under skjæreprosessen, som vil bli absorbert av titan og forårsake hydrogensprøhet; det kan også forårsake høytemperaturspenningskorrosjonssprekker av titanlegering.
(3) Klorider i skjærevæsken kan også bryte ned eller fordampe giftige gasser under bruk. Sikkerhetstiltak bør tas når du bruker den, ellers bør den ikke brukes; etter kutting bør delene rengjøres grundig med et klorfritt rengjøringsmiddel i tide for å fjerne klorholdige rester.
(4) Det er forbudt å bruke verktøy og inventar laget av bly eller sinkbaserte legeringer for å komme i kontakt med titanlegeringer. Kobber, tinn, kadmium og deres legeringer er også forbudt.
(5) Alle verktøy, inventar eller andre enheter som kommer i kontakt med titanlegeringer må være rene; rengjorte titanlegeringsdeler må forhindres fra å bli forurenset av fett eller fingeravtrykk, ellers kan de forårsake spenningskorrosjon av salt (natriumklorid) i fremtiden.
(6) Under normale omstendigheter er det ingen fare for antennelse ved skjæring av titanlegeringer. Bare når du skjærer en liten mengde titanlegeringer, kuttes
Bare de fine sponene under maskinen kan ta fyr og brenne. For å unngå brann, i tillegg til å helle en stor mengde skjærevæske, er det også nødvendig å forhindre at spon samler seg på verktøymaskinen, erstatte verktøyet umiddelbart etter at det har blitt sløvt, eller redusere skjærehastigheten og øke matingen hastighet for å øke spontykkelsen. Hvis det oppstår brann, bør talkum, kalksteinspulver, tørr sand og annet brannslokkingsutstyr brukes for å slukke den. Det er strengt forbudt å bruke karbontetraklorid og karbondioksid brannslukningsapparater, og vann bør ikke helles, fordi vann kan akselerere forbrenningen og til og med forårsake hydrogeneksplosjoner.
