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航空材料、手机为何纷纷选用钛合金？

时间：2023-11-11 来源： 浏览：

航空材料、手机为何纷纷选用钛合金？

金属加工
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编者按

1948年美国杜邦公司用镁法成吨生产海绵钛——这标志着海绵钛即钛工业化生产的开始，而钛合金因具有比强度高、耐蚀性好和耐热性高等特点而被广泛应用于各个领域。 钛 合 金在航空业上已应用了半个多世纪；在3C领域，华为、苹果、小米、荣耀等多款手机均已导入该材料，越来越多的3C厂商有望采用钛合金 。 那么钛合金 为何 如此广受青睐呢？

钛的特性

强度高： 是铝合金的1.3倍，镁合金的1.6倍，不锈钢的3.5倍，金属材料中的冠军。 热强 度高： 使用温度比铝合金高几百度，可在450～500℃的温度下长期工作。 抗蚀性好： 耐酸、耐碱、耐大气腐蚀，对点蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强。 低温性能好： 间隙元素极低的钛合金TA7，在-253℃下还能保持一定的塑性。 化学活性大： 高温时化学活性很高，轻易与空气中的氢、氧等气体杂质发生化学反应，生成硬化层。 导热系数小、弹性模量小： 导热系数约为镍的1/4，铁的1/5，铝的1/14，而各种钛合金的导热系 数比钛的导热系数约下降50％。钛合金的弹性模量约为钢的1/2。

钛合金的分类及用途

钛合金按用途可分为：耐热合金、高强合金、耐蚀合金（钛-钼、 钛-钯合金等 ） 、低温合金以及特殊功能合金（ 钛-铁贮氢材料、钛-镍记忆合金 ） 等。尽管钛及其合金应用的历史不长，但由于它那超众的性能，已经获得了多个光荣称号。首先荣获的称号就是“空间金属”，它重量轻、强度大又耐高温， 特别适于制造飞机和各种航天器。 目前世界上生产的钛及钛合金，大约有3/4都用于航空航天工业 。许多原来用铝合金的部件，都改用了钛合金。

钛合金的航空应用

钛合金主要用于飞机及发动机的制造材料，如锻造钛风扇、压气机盘和叶片、发动机罩、排气装置等零件以及飞机的大梁隔框等结构框架件。航天器主要利用钛合金的高比强度，耐腐蚀和耐低温性能来制造各种压力容器、燃料贮箱、紧固件、仪器绑带、构架和火箭壳体。人造地球卫星、登月舱、载人飞船和航天飞机也都使用钛合金板材焊接件。 1950年美国首次在F-84战斗轰炸机上用作后机身隔热板、导风罩和机尾罩等非承力构件。20世纪60年代开始钛合金的使用部位从后机身移向中机身、部分地代替结构钢制造隔框、梁、襟翼滑轨等重要承力构件。 20世纪 70年代起，民用机开始大量使用钛合金，如波音747客机用钛量达3640公斤以上占机重28%。随着加工工艺技术的发展，在火箭、人造卫星和宇宙飞船上，也用了大量的钛合金。飞机越先进，使用的钛越多。美国F—14A战斗机使用的钛合金，约占机重的25%；F—15A战斗机为25.8%；美国第四代战斗机用钛量为41%，其F119发动机用钛量为39%，是目前用钛量最高的飞机。

钛合金大量应用航空的原因

航空运输飞机的材料为什么非得要用钛合金？ 现代飞机的航行最高时速已达到音速的2.7倍以上。这么快的超音速飞行，会使飞机与空气摩擦而产生大量的热。当飞行速度达到音速的2.2倍时，铝合金就经受不住了，必须采用耐高温的钛合金。当航空发动机的推重比从4～6提高到8～10，压气机出口温度相应地从200～300℃增加到500～600℃时，原来用铝制造的低压压气机盘和叶片就必须改用钛合金。 近年来科学家们对钛合金性能的研究工作，不断取得新的进展。原来由钛、铝、钒组成的钛合金，最高工作温度为550℃～600℃，而新研制的钛化铝（TiAl）合金，最高工作温度已提高到1040℃。用钛合金代替不锈钢制造高压压气机盘和叶片，可以减轻结构重量。飞机每减轻重10%，可节省燃料4%。对火箭来说，每减轻1kg的重量，就可增加15km的射程。

钛合金的3C应用

当下，手机为代表的消费电子行业十分“内卷”，头部厂商均希望借钛合金提高产品的溢价能力。 华为、苹果、小米、荣耀等 多款手机均已导入该材料。苹果从Ultra系列手表开始标配钛合金表壳，其最新发布的iPhone15，其中Pro版本采用全新钛金属机身，成为苹果首款采用航空级钛金属的手机；华为在2022年发布的折叠屏手机MateXs2结构件中采用钛合金材料，并在Watch4Pro中使用了钛合金边框；荣耀于10月12日发布轻薄大内折旗 舰手机荣耀MagicVs2，采用鲁班钛金铰链等创新材料；小米14新机中，定价最高的是14Pro钛金属版本。 据悉，三星将会在GalaxyS24Ultra上采用钛合金中框，中框部分与iPhone15Pro的原色钛配色类似。 总体来说， 钛合金兼具高强度和轻量化的优势成为备受推广的重要原因 ，其可以让消费电子产品更加轻盈，消费者体验感也会更加舒适。
钛合金加工特性分析

首先，钛合金导热系数低，仅是钢的1/4，铝的1/13，铜的1/25。因切削区散热慢，不利于热平衡，在切削加工过程中，散热和冷却效果很差，易于在切削区形成高温，加工后零件变形回弹大，造成切削刀具扭矩增大、刃口磨损快，耐用度降低。

其次，钛合金的导热系数低，使切削热积于切削刀附近的小面积区域内不易散发，前刀面摩擦力加大，不易排屑，切削热不易散发，加速刀具磨损。最后，钛合金化学活性高，在高温下加工易与刀具材料起反应，形成溶敷、扩散，造成粘刀、烧刀、断刀等现象。

加工中心加工钛合金的特点

加工中心可以将多个零件同时加工，提高生产效率。 提高零件的加工精度，产品一致性好。加工中心有刀具补偿功能，可以获得机床本身的加工精度。有广泛的适应性和较大的灵活性，如本零件的圆弧加工、倒角和过渡圆角，可以实现一机多能。加工中心可以进行铣削、钻孔、镗孔、攻丝等一系列加工。可以进行精确的成本计算，控制生产进度。不需要专用夹具，节约大量成本经费，缩短生产周期。大大减轻了工人的劳动强度。可以与UG等加工软件进行多轴加工。

刀具及冷却液材料的选择

1.刀具材料选用应满足下列要求

足够的硬度 ，刀具的硬度必须要远大于钛合金硬度。 足够的强度和韧性 ，由于刀具切削钛合金时承受很大的扭矩和切削力，因此必须有足够的强度和韧性。 足够的耐磨性 ，由于钛合金韧性好，加工时切削刃要锋利，因此刀具材料必须有足够的抗磨损能力，这样才能减少加工硬化。 这是选择加工钛合金刀具最重要的参数。 刀具材料与钛合金亲合能力要差 ，由于钛合金化学活性高，因此要避免刀具材料和钛合金形成溶敷、扩散而成合金，造成粘刀、烧刀现象。 经过对国内常用刀具材料和国外刀具材料进行试验表明，采用高钴刀具效果理想，钴的主要作用能加强二次硬化效果，提高红硬性和热处理后的硬度，同时具有较高的韧性、耐磨性、良好的散热性。

2.铣刀的几何参数

钛合金的加工特性决定刀具的几何参数与普通刀具存在着较大区别。 螺旋角 β 选择较小的螺旋升角，排屑槽增大，排屑容易，散热快，同时也减小切削加工过程中的切削抗力。前角 γ 切削时刃口锋利，切削轻快，避免钛合金产生过多切削热，从而避免产生二次硬化。后角 α 减小刀刃的磨损速度，有利于散热，耐用度也得到很大程度的提高。

3. 切削参数选择

钛合金机加工应选择较低的切削速度，适当大的进给量，合理的切深和精加工量，冷却要充分。 切削速度 v c = 30～50m/min，进给量 f 粗加工时取较大进给量，精加工和半精加工取适中的进给量。 切削深度 a p =1/3 d 为宜，钛合金亲合力好，排屑困难，切削深度太大， 会造成刀具粘刀、烧刀、断裂现 象。 精加工余量 适中钛合金表面硬化层约0.1~0.15mm，余量太小，刀刃切削在硬化层上，刀具容易磨损，应该避免硬化层加工，但切削余量不宜过大。

4.冷却液

钛合金加工最好不用含氯的冷却液，避免产生有毒物质和引起氢脆，也能防止钛合金高温应力腐蚀开裂。 选用合成水溶性乳化液，也可自配用冷却液。切削加工时冷却液要保证充足，冷却液循环速度要快，切削液流量和压力要大，加工中心都配有专用冷却喷嘴，只要注意调整就能达到预期的效果。

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