飞机制造业中钛合金材料的应用 - 文章

飞机制造业中钛合金材料的应用

作者：大连组合机床研究所李如松译

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在燃油价格提高的同时，航空交通量却呈现着高的增长率。高燃油价促使减轻飞机的重量，由此导致了钛合金材料的持续增长。因此，应寻找钛合金材料的高效加工工艺。

目前，在航空工业，主要是通过减轻飞机重量来进一步降低燃油的消耗。因为空气动力学和驱动设计方面的潜力已挖掘得差不多了。通过空中客车集团公司在80年代投放市场的A320系列飞机同A350-XWB系列飞机进行比较，表明了材料使用构成的变化有利于飞机重量的减轻（图1）。进一步开发复合材料使得例如空客A350-XWB系列客机和波音787梦幻客机能够制造轻颖的机身。尤其是以重量轻得多的CFK(碳纤维增强塑料)用来替代铝合金材料。

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图1. 以空中客车为例，下一代飞机材料的使用构成

随着碳纤维复合材料应用的增多，钛和钛合金的使用也随之不断的增加。应用于飞机机身的钛合金，90%是Ti-6Al-4V合金。在这个行业里变得越来越常用的钛合金以其密度（4.43/cm3）对强度的理想比例而著称。

铝合金在材料使用构成中所占的份额随着新飞机的每一次开发而降低。如果可能的话，是由明显轻得多的碳纤维复合材料制成的部件来替代铝合金部件。

在使用碳纤维复合材料同铝合金进行连接时，鉴于相互不同的热膨胀系数、不同的强度值和电化学的电位差，应考虑接触部位的腐蚀，因此，对于这样的连接需要敷设绝缘层。对于钛和钛合金来说，由于其同碳纤维复合材料在导热和导电性能方面的一致性、高的强度和0.2V的电位，从而不会出现上述这样的问题（图2）.

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图2. 作为材料组合，碳纤维复合材料（CFK）和铝合金同碳纤维复合材料（CFK）和钛合金的比较

挑战传统的钛加工

根据既耗能又过程复杂的钛和钛合金制造，典型的钛材料加工工艺（铸造、锻造和切削加工）为轧制品、园棒料或自由锻件提供进一步的加工。这些工艺的不同之处有材料的加工温度、可达到的加工表面质量、构件的大小和工件毛坯重量对工件成品重量的比率（Buy-to-Fly-Verhältnis---原料重量除以构件重量）。在铸造钛时，例如，根据设备在铸造过程中的状态应提前采取特别的预防措施。钛在熔融状态下和氢、氧和氮具有亲和力，因此提高了反应能力。熔炼和铸造纯钛和钛合金，只有在惰性气体或真空的条件下才能进行，况且约1700℃的高熔点也使钛的铸造增加了难度。较低的热导率使浇注大型构件变得具有挑战性。而低的冷却速度使制造精细、无缺陷的结构增加了困难。因此，可用于进行装配的钛材料铸造构件或者是半成品铸件，在当前生产这样的构件其可能性是有限的。目前，重量达300公斤、边最长达1.5米的钛合金构件，采用精铸工艺可按照飞机制造厂家的质量要求进行制造。对于生产大型和复杂的构件，精密铸造尽管具有很好的材料利用率，但仍然是无法替代切削加工。况且，即使是构件的轮廓接近成品，通过精细铸造的钛材料构件必须要进行切削精加工。在铸造时所产生的反应区旁边的其他材料必须要切除掉，以便获得功能表面所要求的品质。

为了进行锻造（另一种钛加工工艺），利用了较高温度情况下材料较好的变形性能。但是，即使是变形温度较高的情况，按照工件材料的性能，只要是中等的变形速度是可以的。此外，在正常大气压情况下进行锻造时，应考虑氢脆化和考虑由于材料的氧扩散使边缘层硬度的提高。接着锻造工序之后，对工件进行退火以消除应力和对工件表面进行认真清洗。接着锻造之后往往要对锻件进行进一步的车削或铣削加工。因此，锻造，也包括铸造，钛材料的切削加工是不能被替代的。钛材料构件在切削加工之前的毛坯主要有块状坯件、园棒料或板料。

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门框，工件毛坯重量对工件成品重量之比率为22，相当于材料切除率达到95%。
1是重量达550kg的锻件。 2 是预加工 3是粗加工 4是精加工，构件重25kg。

最后的工件轮廓是通过切削加工来实现。在切削加工钛和钛合金时，挑战首先是其较低的弹性模量、较高的强度值和较低的热导率。因此，只能以较大的切削力和在较低的进给量和较低切削速度（与切削铝合金相比）的情况下对钛进行切削加工。这就导致特别小的单位时间材料切除量，这与加工铝合金相比较要小15倍之多。较小的单位时间材料切除量，又加上较工件毛坯量对工件成品重量较高的比率导致了太长的工艺过程时间（图3）。由于较低的热导率，因此在切削区和切削刀刃上产生的温度高达850℃（图4）。

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图4. 加工钛合金时，在切削刀刃上的热积聚，和Ti-6AL-4V及其他材料的性能

这个性能特点，促进了刀具材料的扩散过程（如扩散磨损—译注）和粘结，使刀具产生较大的磨损，也使钛材料加工费用高昂。而在切削铝合金时，75%的过程热是通过切屑带走的，在切削钛合金时，不能产生本身的温度调控。在这里，只有25%的过程热由切屑排出。为了避免目前所采用的涂层硬质合金刀具材料在切削刀刃上产生过热，冷却调控就成为中心任务。采用水基乳化液对切削进行冷却和润滑。冷却液以较高的流量和较高的压力通过刀具内部的冷却通道直接喷射到切削刀刃上。

Darmstadt工业大学生产工程与机床研究所（PTW）所进行的研究表明，纯粹的酯-油是水基乳化液很好的替代品。纯粹的酯-油虽然冷却能力较低，但是，对切削刀刃的润滑效果相当的好，由此在切削过程中可避免临界温度。此外，使用酯油还使刀具提高了耐用度和允许采用为了能提高单位时间材料切除量这样的较高工艺参数。在设计切削钛合金用的机床时，必须要考虑合适的高压容积泵。

此外，由于较大的切削力，对主轴有特殊的要求，因为主轴必须随时可调用高的转矩，这为完善机床应具有高的刚度的同时还要有很好的阻尼性能，以便可以抑制有害的切削振动。例如洛克希得·马丁公司（Lockheed Martin Corporation）在铣削钛材料时其工件毛坯重量对工件成品重量的比率为11。这就意味着，构件的毛坯其90 %多的材料在切削时要被切除掉。如果1公斤的Ti-6AL-4V钛合金的价格约为45欧元，表明了对实现成本较低的加工过程方面还有着巨大潜力。

钛合金加工的新途径

成本是优化钛加工的推动力，主要在于按传统加工时刀具较低的刀具寿命、切削加工时单位时间较低的材料切除量和表面质量以及在铸造和锻造过程中较难确定的工艺参数。采用具有成本效益的工艺来替代传统加工工艺，这些工艺可以是借助于使用激光或者是电磁感应以及钛合金构件的堆积成型生产工艺。激光辅助和电磁感应辅助的铣削加工可以归入热切削或高温切削概念的范畴，是属于混合加工工艺的范围（图5）。两种混合加工工艺通过将热能导入靠近切削区的范围对工件进行局部加热，而使材料性能产生有益的变化。由于温度的提高，Ti-6AL-4V钛合金的强度、弹性模量和应变硬化倾向下降，当材料温度达到500℃时下降的数值达50%。

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图5. 利用激光束和电磁感应辅助的钛合金混合加工

对于切削过程来说，这意味着，获得一个同样的单位时间的材料切除量，必须要产生较小的切削力。而且，可以采用较高的工艺参数。可实现比常规切削高3倍的单位时间材料切除量。同样地，采用激光辅助的切削工艺可以实现较高的进给速度，并由此获得单位时间较高的材料切除量和较长的刀具寿命。在粗加工时，费用可节省80%，切削力下降40%，刀具寿命可以明显得到提高。

对于借助激光进行热切削时，其面临的挑战是除了要调节激光焦距和功率外，还存在着激光束在工件表面上的反射和通过热传导对工件周围区域较难可控的加热。电磁感应辅助切削与激光辅助变型方案的不同之处在于获得热能的方式。在激光辅助铣削时，热能只能达到工件的表面。加热位于工件材料表面下的范围只可以依靠热传导来达到，这使铣削加工在轴向限制在约1mm的深度。由Darmstadt工业大学工程与机床研究所（PTW）所密切关注的电磁感应辅助切削工艺方案，同激光辅助切削不同，其通过感应器频率的变化，可以改变热渗透的深度。降低交流电压的频率，意味着提高了热渗透深度。对于一个60kW的电磁感应装置，通过采用16kHz的频率，热的渗透深度可以达到15 mm。这个加热的容积约可达到500℃的温度，然后就可直接进行切削。采用这种工艺，恰恰在粗加工时可以显著地提高单位时间材料的切除量。

译者评述：开发创新工艺，提高钛合金的切削效率

作者：大连组合机床研究所李如松

钛合金具有良好的强度/密度比和较高的耐腐蚀性，因而，备受航空业者的青睐。随着碳纤维复合材料在现代飞机上的大量采用，也就促使钛合金应用的大幅度增加。然而，由于钛合金原料价格较高（目前，至少比铝合金贵25倍），又难于加工，单位时间的材料切除量很低，加工费用和刀具费用很高，由此大大地增加了钛构件的成本，例如，一个Ti6AL4V材质的涡轮增压压缩机叶轮其切削加工费用就占到单件成本的50%。降低钛合金构件的成本已成为加工业领域里人们关注的重点。

在1996-2000年的这11年间，铝合金的单位时间材料切除量提高了3倍，2000年达到7000cm3/min。目前差不多达到了12000cm3/min。然而，在这期间钛合金的单位时间材料切除量却停留在约50cm3/min很低的水平上，前些年，通过高压冷却也只达到450cm3/min这样的水平。如在“飞机制造业中钛合金材料的应用”一文中，图3所示A350空中客车钛合金结构件的例子，要从550kg重的锻件加工到仅仅25kg的成品，其材料切除率高达95,4%，其加工时间之长是可想而知了。

钛合金之所以难于切削主要是钛合金很高的强度和特别差的热导率。切削时会产生较大的切削力，大部分的切削热（约75%）传给了切削刀刃，使刀具承受很高的机械负载和热负载，刀具由此产生剧烈磨损。加工时只得采用较低的切削速度和进给速度，降低了加工效率; 其次是很高的切削热致使切削刀刃与钛合金材料发生粘结，形成积屑瘤，影响加工质量; 另外是，钛合金比较低的弹性模量，在切削力作用下构件会产生变形，后又发生回弹，引起震动。从而影响到构件的加工精度和加工的正常进行。这样，就给传统切削造成极大的困难，带来严峻的挑战。

针对钛合金难加工的其体情况和结合大流量润滑的经验，在80年代，人们开发了高压冷却润滑技术，在目前，该技术还仍然是钛合金加工所采用的主要辅助技术。高压冷却润滑技术是通过很高的冷却润滑液压力、足够的流量和形成精确对准切削刀刃和切屑之间接触区的高能量射流，以对切削刀刃进行有效冷却并有效控制断屑。并与刀具材料、几何角度和涂层以及刀夹、机床和润滑液等系统技术的优化相结合，由此提高了刀具耐用度（约50%），改善加工质量和生产效率。然而，高压冷却润滑在极短的时间里很难阻止热引起的刀具磨损。为进一步提高钛合金的切削效率和减少刀具磨损，开发新的高效加工工艺是切削技术领域的一个重要任务。

在这样的背景下，开发钛合金的高效加工技术就成为工业大学、科研单位、刀具和机床等行业的重要研究课题。近年来，亚琛工业大学的机床试验室则对不同的低温辅助切削开展了研究，采用液态氮（-1960 C）和液态二氧化碳（-820C）进行辅助切削，极低温度的液态氮喷向切削区，有效降低了刀具的温度，并使切屑脆化。这不仅减少了由热负载引起的磨损，而且也有利于断屑。因此可允许采用更高的切削参数，提高了切削效率。

在“飞机制造业中钛合金材料的应用”这篇译文中，介绍了Darmstadt工业大学生产工程与机床研究所（PTW）在这方面所进行的研究工作，文中介绍了激光和电磁感应辅助热切削两种混合加工工艺的特点。其中的激光辅助切削工艺则是由慕尼黑工业大学的机床和企业管理研究所与Pokolm铣削技术公司领导下的临时性企业联合组织合作开展的，一项由德国教育和研究部资助的钛合金激光辅助铣削混合加工工艺的研究项目，这两种工艺是通过给工件切削区附近进行局部加热，促使工件材料产生软化，然后工件在软化状态下进行切削，由此降低切削力和减少了刀具的机械负载和热负载，从而达到提高刀具的使用寿命和切削效率的目的。在这两种混合加工工艺中，电磁感应辅助同激光辅助切削不同，通过其感应器频率的变化，可以改变热渗透的深度，并且可使加热深度达到15 mm. 这样的加热深度，恰恰在粗加工时可以有助于显著提高单位时间材料的切除量。

在目前，不论是加热辅助还是低温辅助的切削方法，还是处在切削辅助过程的试验研究阶段，今后还需为这种工艺方法开发必要的系统技术。而高压冷却已是一种成熟的技术。为了能采用高的切削速度和进给速度，进一步提高钛加工的生产率，则通过高压大流量冷却润滑液（如极高的压力，达35 Mpa，流量达65 L/min），结合刀具材料、刀具几何角度和涂层以及机床和刀夹等相关技术的进一步优化还是具有重要的意义。

然而，为了进一步提高切削参数，提高单位时间材料切除量，仍需要通过创新的切削工艺，才能提高钛合金的加工效率。没有现代的钛合金切削技术，就没有现代的飞机制造。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/16/2013)


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