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鈦合金為何航空材料、手機(jī)領(lǐng)域備受歡迎?

世界先進(jìn)制造技術(shù)論壇 ? 來源:世界先進(jìn)制造技術(shù)論壇 ? 2023-11-20 17:28 ? 次閱讀

1948年美國(guó)杜邦公司用鎂法成噸生產(chǎn)海綿鈦——這標(biāo)志著海綿鈦即鈦工業(yè)化生產(chǎn)的開始,而鈦合金因具有比強(qiáng)度高、耐蝕性好和耐熱性高等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。鈦合金在航空業(yè)上已應(yīng)用了半個(gè)多世紀(jì);在3C領(lǐng)域,華為、蘋果、小米、榮耀等多款手機(jī)均已導(dǎo)入該材料,越來越多的3C廠商有望采用鈦合金。那么鈦合金為何如此廣受青睞呢?

鈦的特性

比強(qiáng)度高:是鋁合金的1.3倍,鎂合金的1.6倍,不銹鋼的3.5倍,金屬材料中的冠軍。

熱強(qiáng)度高:使用溫度比鋁合金高幾百度,可在450~500℃的溫度下長(zhǎng)期工作。

抗蝕性好:耐酸、耐堿、耐大氣腐蝕,對(duì)點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕的抵抗力特別強(qiáng)。

低溫性能好:間隙元素極低的鈦合金TA7,在-253℃下還能保持一定的塑性。

化學(xué)活性大:高溫時(shí)化學(xué)活性很高,輕易與空氣中的氫、氧等氣體雜質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成硬化層。

導(dǎo)熱系數(shù)小、彈性模量小:導(dǎo)熱系數(shù)約為鎳的1/4,鐵的1/5,鋁的1/14,而各種鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)比鈦的導(dǎo)熱系數(shù)約下降50%。鈦合金的彈性模量約為鋼的1/2。

鈦合金的分類及用途

鈦合金按用途可分為:耐熱合金、高強(qiáng)合金、耐蝕合金(鈦-鉬、鈦-鈀合金等)、低溫合金以及特殊功能合金(鈦-鐵貯氫材料、鈦-鎳記憶合金)等。盡管鈦及其合金應(yīng)用的歷史不長(zhǎng),但由于它那超眾的性能,已經(jīng)獲得了多個(gè)光榮稱號(hào)。首先榮獲的稱號(hào)就是“空間金屬”,它重量輕、比強(qiáng)度大又耐高溫,特別適于制造飛機(jī)和各種航天器。目前世界上生產(chǎn)的鈦及鈦合金,大約有3/4都用于航空航天工業(yè)。許多原來用鋁合金的部件,都改用了鈦合金。

鈦合金的航空應(yīng)用

鈦合金主要用于飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)的制造材料,如鍛造鈦風(fēng)扇、壓氣機(jī)盤和葉片、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、排氣裝置等零件以及飛機(jī)的大梁隔框等結(jié)構(gòu)框架件。航天器主要利用鈦合金的高比強(qiáng)度,耐腐蝕和耐低溫性能來制造各種壓力容器、燃料貯箱、緊固件、儀器綁帶、構(gòu)架和火箭殼體。人造地球衛(wèi)星、登月艙、載人飛船和航天飛機(jī)也都使用鈦合金板材焊接件。

1950年美國(guó)首次在F-84戰(zhàn)斗轟炸機(jī)上用作后機(jī)身隔熱板、導(dǎo)風(fēng)罩和機(jī)尾罩等非承力構(gòu)件。20世紀(jì)60年代開始鈦合金的使用部位從后機(jī)身移向中機(jī)身、部分地代替結(jié)構(gòu)鋼制造隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構(gòu)件。20世紀(jì)70年代起,民用機(jī)開始大量使用鈦合金,如波音747客機(jī)用鈦量達(dá)3640公斤以上占機(jī)重28%。隨著加工工藝技術(shù)的發(fā)展,在火箭、人造衛(wèi)星和宇宙飛船上,也用了大量的鈦合金。飛機(jī)越先進(jìn),使用的鈦越多。美國(guó)F—14A戰(zhàn)斗機(jī)使用的鈦合金,約占機(jī)重的25%;F—15A戰(zhàn)斗機(jī)為25.8%;美國(guó)第四代戰(zhàn)斗機(jī)用鈦量為41%,其F119發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦量為39%,是目前用鈦量最高的飛機(jī)。

鈦合金大量應(yīng)用航空的原因

航空運(yùn)輸飛機(jī)的材料為什么非得要用鈦合金?

現(xiàn)代飛機(jī)的航行最高時(shí)速已達(dá)到音速的2.7倍以上。這么快的超音速飛行,會(huì)使飛機(jī)與空氣摩擦而產(chǎn)生大量的熱。當(dāng)飛行速度達(dá)到音速的2.2倍時(shí),鋁合金就經(jīng)受不住了,必須采用耐高溫的鈦合金。當(dāng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比從4~6提高到8~10,壓氣機(jī)出口溫度相應(yīng)地從200~300℃增加到500~600℃時(shí),原來用鋁制造的低壓壓氣機(jī)盤和葉片就必須改用鈦合金。

近年來科學(xué)家們對(duì)鈦合金性能的研究工作,不斷取得新的進(jìn)展。原來由鈦、鋁、釩組成的鈦合金,最高工作溫度為550℃~600℃,而新研制的鈦化鋁(TiAl)合金,最高工作溫度已提高到1040℃。用鈦合金代替不銹鋼制造高壓壓氣機(jī)盤和葉片,可以減輕結(jié)構(gòu)重量。飛機(jī)每減輕重10%,可節(jié)省燃料4%。對(duì)火箭來說,每減輕1kg的重量,就可增加15km的射程。

鈦合金的3C應(yīng)用

當(dāng)下,手機(jī)為代表的消費(fèi)電子行業(yè)十分“內(nèi)卷”,頭部廠商均希望借鈦合金提高產(chǎn)品的溢價(jià)能力。

華為、蘋果、小米、榮耀等多款手機(jī)均已導(dǎo)入該材料。蘋果從Ultra系列手表開始標(biāo)配鈦合金表殼,其最新發(fā)布的iPhone15,其中Pro版本采用全新鈦金屬機(jī)身,成為蘋果首款采用航空級(jí)鈦金屬的手機(jī);華為在2022年發(fā)布的折疊屏手機(jī)MateXs2結(jié)構(gòu)件中采用鈦合金材料,并在Watch4Pro中使用了鈦合金邊框;榮耀于10月12日發(fā)布輕薄大內(nèi)折旗艦手機(jī)榮耀MagicVs2,采用魯班鈦金鉸鏈等創(chuàng)新材料;小米14新機(jī)中,定價(jià)最高的是14Pro鈦金屬版本。

據(jù)悉,三星將會(huì)在GalaxyS24Ultra上采用鈦合金中框,中框部分與iPhone15Pro的原色鈦配色類似。

總體來說,鈦合金兼具高比強(qiáng)度和輕量化的優(yōu)勢(shì)成為備受推廣的重要原因,其可以讓消費(fèi)電子產(chǎn)品更加輕盈,消費(fèi)者體驗(yàn)感也會(huì)更加舒適。

鈦合金加工特性分析

首先,鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低,僅是鋼的1/4,鋁的1/13,銅的1/25。因切削區(qū)散熱慢,不利于熱平衡,在切削加工過程中,散熱和冷卻效果很差,易于在切削區(qū)形成高溫,加工后零件變形回彈大,造成切削刀具扭矩增大、刃口磨損快,耐用度降低。

其次,鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)低,使切削熱積于切削刀附近的小面積區(qū)域內(nèi)不易散發(fā),前刀面摩擦力加大,不易排屑,切削熱不易散發(fā),加速刀具磨損。最后,鈦合金化學(xué)活性高,在高溫下加工易與刀具材料起反應(yīng),形成溶敷、擴(kuò)散,造成粘刀、燒刀、斷刀等現(xiàn)象。

加工中心加工鈦合金的特點(diǎn)

加工中心可以將多個(gè)零件同時(shí)加工,提高生產(chǎn)效率。提高零件的加工精度,產(chǎn)品一致性好。加工中心有刀具補(bǔ)償功能,可以獲得機(jī)床本身的加工精度。有廣泛的適應(yīng)性和較大的靈活性,如本零件的圓弧加工、倒角和過渡圓角,可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多能。加工中心可以進(jìn)行銑削、鉆孔、鏜孔、攻絲等一系列加工??梢赃M(jìn)行精確的成本計(jì)算,控制生產(chǎn)進(jìn)度。不需要專用夾具,節(jié)約大量成本經(jīng)費(fèi),縮短生產(chǎn)周期。大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度??梢耘cUG等加工軟件進(jìn)行多軸加工。

刀具及冷卻液材料的選擇

1.刀具材料選用應(yīng)滿足下列要求

足夠的硬度,刀具的硬度必須要遠(yuǎn)大于鈦合金硬度。

足夠的強(qiáng)度和韌性,由于刀具切削鈦合金時(shí)承受很大的扭矩和切削力,因此必須有足夠的強(qiáng)度和韌性。

足夠的耐磨性,由于鈦合金韌性好,加工時(shí)切削刃要鋒利,因此刀具材料必須有足夠的抗磨損能力,這樣才能減少加工硬化。這是選擇加工鈦合金刀具最重要的參數(shù)。

刀具材料與鈦合金親合能力要差,由于鈦合金化學(xué)活性高,因此要避免刀具材料和鈦合金形成溶敷、擴(kuò)散而成合金,造成粘刀、燒刀現(xiàn)象。經(jīng)過對(duì)國(guó)內(nèi)常用刀具材料和國(guó)外刀具材料進(jìn)行試驗(yàn)表明,采用高鈷刀具效果理想,鈷的主要作用能加強(qiáng)二次硬化效果,提高紅硬性和熱處理后的硬度,同時(shí)具有較高的韌性、耐磨性、良好的散熱性。

2.銑刀的幾何參數(shù)

鈦合金的加工特性決定刀具的幾何參數(shù)與普通刀具存在著較大區(qū)別。螺旋角β選擇較小的螺旋升角,排屑槽增大,排屑容易,散熱快,同時(shí)也減小切削加工過程中的切削抗力。前角γ切削時(shí)刃口鋒利,切削輕快,避免鈦合金產(chǎn)生過多切削熱,從而避免產(chǎn)生二次硬化。后角α減小刀刃的磨損速度,有利于散熱,耐用度也得到很大程度的提高。

3.切削參數(shù)選擇

鈦合金機(jī)加工應(yīng)選擇較低的切削速度,適當(dāng)大的進(jìn)給量,合理的切深和精加工量,冷卻要充分。切削速度vc=30~50m/min,進(jìn)給量f粗加工時(shí)取較大進(jìn)給量,精加工和半精加工取適中的進(jìn)給量。切削深度ap=1/3d為宜,鈦合金親合力好,排屑困難,切削深度太大,會(huì)造成刀具粘刀、燒刀、斷裂現(xiàn)象。精加工余量適中鈦合金表面硬化層約0.1~0.15mm,余量太小,刀刃切削在硬化層上,刀具容易磨損,應(yīng)該避免硬化層加工,但切削余量不宜過大。

4.冷卻液

鈦合金加工最好不用含氯的冷卻液,避免產(chǎn)生有毒物質(zhì)和引起氫脆,也能防止鈦合金高溫應(yīng)力腐蝕開裂。選用合成水溶性乳化液,也可自配用冷卻液。切削加工時(shí)冷卻液要保證充足,冷卻液循環(huán)速度要快,切削液流量和壓力要大,加工中心都配有專用冷卻噴嘴,只要注意調(diào)整就能達(dá)到預(yù)期的效果。

編輯:黃飛

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原文標(biāo)題:航空材料、手機(jī)為何紛紛選用鈦合金?

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