钛合金加工方法的多样性

王光祖，张相法，位 星，王永凯，王大鹏

(1.郑州磨料磨具磨削研究所，郑州 450001；2.郑州中南杰特超硬材料有限公司，郑州 450001)

1 引言

钛合金被认为是“质轻、高强、耐热”材料的典型代表，它的强度高于钢，密度仅为其60%，并可长期服役于300 ℃～350 ℃的温度环境，加之不同型号钛合金展现出的在成形和焊接等方面的特点，使钛合金广泛应用于工程领域，最具代表的是航天航空领域。

2 钛合金切削、磨削加工存在的主要问题

钛合金材料主要有下列几个磨削特点：

(1)磨削比低，砂轮粘附严重。观察单颗磨粒磨削钛合金的磨粒顶端或磨削钛合金的砂轮表面，钛呈云雾状遍布粘附于磨粒顶部，几乎看不到磨粒。由于粘附物与钛合金磨削表面还要再接触，在磨削力作用下，导致砂轮磨损严重，磨耗比下降。

(2)磨削力大，磨削温度高。通过对单颗磨粒磨削实验分析发现，钛合金磨削时，滑擦过程所占的比重较大，而磨粒与工件的接触时间极短，在此极短的时间内产生强烈摩擦和急剧的弹、塑性变形，最后钛合金才被切去而成为磨屑，产生大量的磨热，磨削温度高达1000℃～1500℃。另外磨削钛合金粘附严重，变形剧烈，钛合金钢的导热性又很差。因此，磨削力大，磨削温度高，法向磨削分力比磨削45号钢大数倍，切向磨削分力大近一倍，磨削温度也高近一倍。

(3)磨削过程中变形复杂形成层叠状挤裂切屑。

(4)化学活性高，表面易生成硬脆性变质层。钛及钛合金高温时化学活性很高，生成TiO2、TiN、TiH等脆硬层，降低了塑性。这样，一方面使得切削呈现挤裂屑，另一方面使得加工表面层产生局部应力集中，降低了疲劳强度。

(5)磨削质量不易控制。磨削钛合金时，产生的拉应力和表面污染层，以及磨削区70%～80%的磨削热传入工件不易导出，使工件产生变形、烧伤和裂纹，表面粗糙度也难保证。

(6)装夹变形。钛合金属于有色金属，不能磁化。采用机械装卡会使板状型工件产生较大装卡变形，磨削时可使用真空吸盘进行装卡，工件变形较小。

3 金刚石砂带磨削法

钛合金的密度小、强度高，拥有良好的耐热性和耐腐蚀性，是制造航空发动机叶片、整体叶盘的重要材料之一。由于钛合金具有导热系数低、弹性模量小、化学亲和性大等特点，是一种典型的难加工材料[1-3]。航空发动机叶片刚性差，精密磨削难度极大。砂带磨削适应性强、工艺灵活性好，现在已经逐渐成为航发钛合金叶片精密磨削及抛光有效手段[4-5]。但是，在航空发动机叶片磨削过程中的砂带磨损使得叶片的磨削质量和产品一致性难以保证，严重影响航空发动机的服役性能。

金刚石砂带是一种新型超硬材料涂附磨具，耐磨性好，在航空航天领域具有广阔的应用前，已经开始用于航空发动机叶片的精密磨削加工中。但目前关于航空发动机钛合金叶片磨削过程中的金刚石砂带磨损的研究非常少，因此研究钛合金金刚石砂带磨削磨粒磨损具有十分重要的意义。针对金刚石工具的磨损原因，部分学者指出：在黑色金属、钛合金和镍基高温合金的加工中，金刚石工具中的碳元素和工件材料中的铁、钛、镍等元素在加工过程的高温作用下，容易发生物理化学反应，从而导致金刚石工具的磨损。Li等[6]指出在加工过程中的高温作用下，工件材料中游离的钛原子在金刚石的石墨化磨损过程中起到金属催化剂的作用。Zuo等[7]指出加工过程中金刚石产生的石墨化转变、氧化反应等物理化学反应随着温度的升高更容易发生且更加剧烈，同时在铁原子催化作用下，在较低的温度(500K)下即可发生氧化还原反应。梁巧云等[1]开展单颗金刚石磨粒磨削钛合金过程仿真，进行航发钛合金叶片磨削试验，并使用扫描电镜、超景深显微镜等对磨削后的叶片及砂带进行检测，分析磨削过程中金刚石砂带的磨损。得出结论如下：(1)金刚石砂带在磨削速度为10m/s时，摩擦接触点的平均温度可达到700K以上，且温度随磨削速度的增大而升高；(2)在航发钛合金叶片的磨削中，砂带磨损程度随磨削速度增大而升高，与仿真中磨削速度对摩擦接触点温度的影响规律类似，表明温度是影响金刚石砂带磨损的重要因素；(3)M10/20金刚石砂带的磨损形式为磨粒损耗和磨粒脱落，同时磨削过程的磨屑粘连加剧了金刚石砂带的磨损；(4)经M10/20金刚石砂带磨削后的航发钛合金叶片型面精度高，进排气边被磨削为良好的圆弧过渡并且处于±0.05mm的公差带内，型面粗糙度Ra在0.4μm以下。

4 球形固结磨料磨头研磨

作为航空发动机涡轮叶片的主要材料之一，TiC4钛合金具有优良的综合力学性能，同时密度低、耐高温腐蚀。但是TiC4钛合金难切削、导热系数低、弹性模量低，在传统加工中，容易出现加工变形、刀具损耗快、工件表面烧伤等问题[8-10]。

目前，TiC4钛合金材料加工的主要方式是磨削、铣削等[11]，固结磨料研磨通过磨粒漏出结合剂层的部位与工件产生机械作用，对工件材料产生塑性或类塑性去除，可以显著降低材料表面及亚表面损伤，同时，由于加工中磨粒硬度高，切削应力小，可有效解决TiC4钛合金难切削、工件表面易烧伤问题。针对TiC4钛合金难切削、表面易烧伤的问题，王健杰等[8]提出球形固结磨料磨头研磨的加工方法，通过一系列试验研究，得到以下结论：(1)研磨时的材料去除率以及工件表面粗糙度Ra值都随磨料粒径的增大而增大，采用20～30μm碳化硅作为球形磨头磨料，可以获得最佳的材料去除率以及较好的表面质量，此时材料去除率为6.7mg/min，表面粗糙度Ra值为0.876μm。(2)随着磨头转速增大，材料去除率及工件表面粗糙度值增大；随着研磨夹角增大，材料去除率及工件表面粗糙度值逐渐减小；随着研磨时间的延长，材料去除率先增大后减小，工件表面粗糙度值逐渐减小。(3)单点固结磨料研磨时优化后的参数组合为：磨头转速2000r/min，研磨夹角30°，研磨时间10s，在此工艺参数下，研磨时的材料去除率达到22.2mg/min，工件表面粗糙度Ra值达到0.700μm。

5 磨削砂轮

不同于切削，磨削依靠众多磨刃的微切削作用去除材料，工件材料在磨粒的挤压和切削等作用下变形较为剧烈，导致磨削表面往往存在较为严重的鱼鳞状涂覆等现象。提高磨削速度可通过降低单颗粒切厚显著改善这一问题。在普通磨削条件下，由于磨削温度较高，磨削后工件表层多为残余拉应力。

在普通磨料中，SiC磨料与钛合金的亲和性较低，因此其磨削效果优于刚玉磨料。若采用刚玉磨料磨削钛合金，为避免砂轮表面产生大规模的材料粘附，需将磨削速度控制在约10m/s。在现有磨具技术水平下，普通砂轮磨削钛合金时砂轮磨损速度较快，例如采用SiC砂轮在普通磨削条件下加工钛合金的磨削比仅约为1，选用超硬材料砂轮时则提升几十甚至上百倍。

此外，相对于普通磨料，超硬材料的导热能力显著增强，因此可以获得较高的材料去除率。另一方面，采用超硬材料砂轮磨削钛合金时可以避免频繁地修整砂轮，进一步提高磨削加工效率。即便如此，在工程实践中仍多采用普通砂轮加工钛合金，制约超硬材料砂轮广泛应用的原因主要有：(1)砂轮价格昂贵，导致加工成本显著高于用普通磨料砂轮磨削的成本；(2)砂轮修整难度大。因此，后续研究可重点关注超硬砂轮的制备与修整技术。

磨削高温是抑制体钛合金磨削加工效率的重要原因。对此研究人员在开发新型磨具和改善冷却方式等方面进行了一系列研究，例如：超硬磨料钎焊技术与磨粒有序排布技术结合，开发出磨粒有序排布cBN砂轮。该砂轮磨粒出露高，可提供充足的容屑空间，从而减少磨削过去中砂轮与工件之间的摩擦。在改善冷却方面，主要有热管砂轮技术、低温冷风技术和径向水射流技术等。

6 不同cBN砂轮加工技术

PTMCs是一种向钛合金材料内添加了TiC和(或)TiB硬质增强相的复合材料，这些增强相具有更好和更稳定的热力学性能，成为比普通钛合金性能更加优异的高强、耐热、轻质材料[12-14]。此外，PTMCs因其更低的密度和优异的力学性能，有望替代部分在500 ℃～850 ℃环境中使用的镍基的高温合金零部件，并使其减重25%～30%。因此，PTMCs有望成为高推重比发动机的候选材料，在航空航天领域的应用前景广阔。

与切削加工相比，现代磨削正朝着高精度、高效率的方向发展[15]，以高速磨削为代表的高效精密磨削技术在航空航天零部件制造过程中的应用也越来越广泛。为了能够更好地发挥高速磨削在PTMCs高效、精密加工方面的优势，李征等[16]采用3种CBN砂轮进行高速磨削试验，CBN砂轮分别为钎焊砂轮、电镀砂轮和陶瓷砂轮。试验结果表明：(1)钎焊砂轮可以获得最低表面粗糙度的磨削表面，表面粗糙度为0.60～0.77 μm，磨削表面纹理连续且光滑，相对陶瓷和电镀砂轮，钎焊砂轮在PTMCs高速磨削方面更具优势。(2)研究磨削速度对磨削力的影响时发现，无论是法向磨削力，还是切向磨削力，都随着磨削速度的升高而减小。(3)在20 μm的条件下，对不同磨削深度的影响，3种砂轮磨削PTMCs时，在磨削深度增大的过程中，磨削力都增大。(4)在磨削速度120 m/s、磨削深度20 μm条件下，3种砂轮磨削PTMCs的磨削力都随工件进给速度的升高而逐渐增大。(5)随着磨削用量的增大，3种砂轮磨削PTMCs的磨削温度显著增高。(6)加大磨削速度，使钎焊砂轮和电镀砂轮磨削PTMCs的表面粗糙度减小。陶瓷砂轮磨削表面粗糙度则是先降低后升高。总的来说，3种砂轮磨削PTMCs时，钎焊砂轮可以获得表面粗糙度最低的，磨削表面表面粗糙度为0.60～0.77 μm。

7 切削刀具

钛基复合材料是以钛合金为基体，并在其中添加碳化钛、硼化钛、氧化铝、氮化铝等颗粒或者连续纤维增强相的金属基复合材料[17]，与钛合金基体相比，钛基复合材料具有重量轻、比强度高、抗氧化性好、耐高温、耐磨、抗蠕变、抗辐射等突出优点。相比传统钛合金，钛基复合材料能够满足复杂环境下的特殊要求，在航空航天、电子信息、半导体照明和交通运输等领域具有良好的发展前景[18]。

钛基复合材料是一种典型的难加工材料，切削高温等引起的刀具快速磨损是钛合金切削过程存在的一个主要问题，加工钛合金时，涂层硬质合金刀具和PCD刀具显示出优异的切削性能，尤以PCD刀具为最佳，PcBN次之，TiC基硬质合金刀具和陶瓷刀具因耐用度低等原因被认为不适用于钛合金切削加工。PCD刀具与钛合金切削的高匹配性主要源自其良好的导热性和极高的硬度。金刚石的导热系数为硬质合金的数倍，更多切削热可通过刀具传出切削区，极高的硬度则保证了刀具的耐磨性。采用PCD刀具切削低钛合金刀具的耐用度可达硬质合金刀具的数十倍。

其次，钛合金其中的增强相具有超高的硬度、强度以及良好的高温性能，在切削加工时，增强颗粒会对刀具产生严重的犁耕、刻划等作用，不仅会大大降低刀具的使用寿命，而且会影响工件的表面加工质量，导致加工成本明显提高。因此，实现钛基复合材料的高速、高质量加工成为此类金属基复合材料应用的关键。

针对此问题，国内外学者开展了一系列的研究，ARMESH等[19]使用PCD刀具对添加增强相体积分数为10%～12% TiC进行不同切削用量的刀具磨损研究表明，当切削速度为80 m/min，进给速度为0.35 mm/r，切深为0.2 mm时，PCD刀具的耐久度仅为2 min;当切削速度为60 m/min，进给速度为0.26 mm/r，切深为0.2 mm时，PCD刀具的耐久度为8min。GE等[20]采用硬质合金刀具和PCD刀具在切削速度为100 m/s，进给速度为0.08 mm/r，切深为0.5 mm时，对增强颗粒体积分数为10%的(TiCp+TiBw)/TiC4颗粒增强钛基复合材料进行高速车削加工研究，结果表明，由于切削温度较高，硬质合金刀具中的WC与工件中的Ti元素剧烈反应导致硬质合金刀具使用寿命不足1 min，而PCD刀具的使用寿命仅有2 min。濮建飞等[21]对不同颗粒含量不同的钛基复合材料开展高速切削试验，对比2种不同增强相体积分数的钛基复合材料在不同切削速度下的刀具磨损情况，结果表明，增强相体积分数对PCD刀具耐用度有显著影响，体积分数越高，刀具磨损越严重，刀具耐用度越低;增强相种类对刀具的耐用度也有明显影响，增强相TiBw对刀具耐用度的影响要大于增强相TiCp。PCD刀具在切削不同钛基复合材料时的刀具磨损形态相似，主要为前刀面和后刀面的磨损，且伴有崩刃及微裂纹现象发生，其主要磨损机理是磨粒磨损以及黏结磨损，且增强相的体积分数越高，刀具黏结磨损越明显。

鉴于以上问题，未来可从开发钛合金切削专用的高性能刀具、刀具制备(焊接、切割和刃磨等)和切削工艺优选(切削用量的选择和切削液的供给等)等方面入手，降低PCD刀具切削钛合金的成本，进一步扩大其应用范围。