在機(jī)械加工過(guò)程中，切削參數(shù)選擇、刀具材料、幾何形狀設(shè)計(jì)、冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)應(yīng)用等因素，都會(huì)對(duì)鈦合金的加工性能產(chǎn)生顯著影響。例如：不當(dāng)?shù)那邢魉俣群瓦M(jìn)給量會(huì)降低鈦合金表面質(zhì)量，甚至產(chǎn)生裂紋；刀具磨損會(huì)加劇切削力波動(dòng)，影響加工精度；缺乏有效的冷卻潤(rùn)滑，則易引起工件過(guò)熱，損害材料的微觀結(jié)構(gòu)。基于此，探討不同機(jī)械加工條件下鈦合金的性能變化規(guī)律，為實(shí)際生產(chǎn)中的工藝改進(jìn)和技術(shù)創(chuàng)新提供理論支持。

1、 試件制備

在試件制備時(shí)，選用 Ti-3Al-8V-4Mo-4Cr-4Zr-2Fe-2Nb 鈦合金成分。這種合金具有良好的強(qiáng)度和韌性，適用于制造高要求的結(jié)構(gòu)件。工作人員利用真空自耗電弧熔煉技術(shù)制備所需的鈦合金鑄錠，有效去除雜質(zhì)，提高合金的純凈度，為后續(xù)鍛造提供高質(zhì)量的原材料。此外，將鑄錠放在大型水壓機(jī)上進(jìn)行鍛壓，細(xì)化鍛壓過(guò)程為幾個(gè)階段。每個(gè)階段的溫度和保溫時(shí)間均有所不同，以有效提高合金的晶粒細(xì)化程度，幫助其達(dá)到所需的力學(xué)性能。初始鍛時(shí)，溫度設(shè)定為 1100℃，保溫 60min；中間鍛壓階段，溫度逐漸降低，每次鍛壓后保溫 60min；最終鍛壓階段，溫度降至 860℃，保溫 60min。通過(guò)上述階段的鍛壓操作，鑄錠逐漸變形，最終形成直徑為 30mm 的棒材。測(cè)試鈦合金熔煉后的化學(xué)成分，結(jié)果如表 1 所示。

表 1 鈦合金鑄錠熔煉化學(xué)成分（單位：%）

化學(xué)成分	上部含量	下部含量
Al	3.06	3.02
V	8.19	8.05
Mo	4.12	3.95
Cr	4.08	4.01
Zr	3.92	3.45
Fe	1.95	1.90
Nb	1.95	1.97

從表 1 可以看出，鈦合金鑄錠的上部和下部在化學(xué)成分上存在一定差異。上部和下部的鋁含量非常接近，分別為 3.06% 和 3.02%，表明鋁的分布較為均勻；上部釩含量為 8.19%，略高于下部的 8.05%，可能影響合金硬度和強(qiáng)度；上部鉬含量為 4.12%，略高于下部的 3.95%，可能會(huì)對(duì)合金的耐腐蝕性產(chǎn)生影響；上部和下部的鉻含量幾乎相同，分別為 4.08% 和 4.01%，表明鉻的分布較為均勻；上部的鋯含量為 3.92%，顯著高于下部的 3.45%，會(huì)給合金耐高溫性能帶來(lái)各種影響；上部和下部的鐵含量非常接近，分別為 1.95% 和 1.90%，表明鐵的分布較為均勻；上部和下部的鈮含量非常接近，分別為 1.95% 和 1.97%，表明鈮的分布較為均勻。

2、試驗(yàn)方法

研究人員從鍛壓后的鈦合金上選擇一塊圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試樣，直徑為 5mm，標(biāo)距 25mm。嚴(yán)格遵循《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》（GB/T228 一 2002），保證靜載拉伸試驗(yàn)的順利進(jìn)行。試驗(yàn)過(guò)程中，工作人員要科學(xué)控制其試驗(yàn)溫度，保證其與室溫相同。利用 Instron5885 電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)速度為 1mm・min⁻¹。

硬度 H 的計(jì)算公式為：

式中：P 為外加載荷值；d 為壓痕對(duì)角線平均值。

選用 β 鈦合金作為試驗(yàn)材料，從鑄造和鍛壓后的 β 鈦合金中切取試樣，尺寸為 10mm×10mm×10mm。使用不同粒度的砂紙對(duì)試樣進(jìn)行逐級(jí)研磨，直至表面光滑無(wú)劃痕。隨后進(jìn)行機(jī)械拋光，使用氧化鋁拋光膏在拋光機(jī)上完成。采用 HF、HNO₃、H₂O 體積比為 1:3:5 的腐蝕液對(duì)拋光后的試樣進(jìn)行腐蝕，在 30~60s 清晰顯示晶粒邊界。使用 OLYMPUS 金相顯微鏡觀察腐蝕后的試樣，記錄晶粒的形貌、尺寸和組織分布。通過(guò)金相顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，鑄造后的 β 鈦合金晶粒較為粗大，晶界清晰可見(jiàn) [2]。

3 、試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 力學(xué)性能

在進(jìn)行鍛壓后的鈦合金棒材硬度測(cè)試時(shí)，外緣硬度值為 350HV，中部硬度值為 320HV，中心硬度值為 300HV，可見(jiàn)硬度值從外緣到中心逐漸降低。試驗(yàn)結(jié)果表明，鈦合金棒材在鍛壓過(guò)程中外緣的形變比中部大，導(dǎo)致外緣的硬度值較高。究其原因，主要在于鍛壓過(guò)程中外緣受到的壓力和溫度梯度較大，使得外緣的晶粒細(xì)化程度更高，從而使硬度增加。為了獲得更加均勻的硬度分布，建議優(yōu)化鍛壓工藝，如采用多道次鍛壓、控制鍛壓速度和溫度梯度等方法，減少形變不均勻性。此外，考慮熱處理對(duì)鈦合金硬度分布的影響，利用合適的熱處理工藝，如退火、固溶處理、時(shí)效處理，改善鈦合金的組織結(jié)構(gòu)，從而提高其力學(xué)性能。

鈦合金拉伸性能測(cè)試數(shù)據(jù)如表 2 所示。通過(guò)統(tǒng)計(jì)鈦合金經(jīng)過(guò)鍛壓后室溫拉伸測(cè)試數(shù)據(jù)可知，測(cè)試號(hào) 1 和測(cè)試號(hào) 3 的屈服強(qiáng)度均為 823MPa，測(cè)試號(hào) 2 的屈服強(qiáng)度略低，為 791MPa，表明測(cè)試號(hào) 1 和測(cè)試號(hào) 3 材料在承受應(yīng)力時(shí)更早進(jìn)入塑性變形階段。測(cè)試號(hào) 1 抗拉強(qiáng)度最高，達(dá)到 867MPa，其次是測(cè)試號(hào) 3（抗拉強(qiáng)度為 856MPa），最后是測(cè)試號(hào) 2（抗拉強(qiáng)度為 827MPa），說(shuō)明測(cè)試號(hào) 1 的材料在拉伸過(guò)程中具有較高的承載能力。測(cè)試號(hào) 1 伸長(zhǎng)率為 20.0%，顯示出較好的塑性變形能力。測(cè)試號(hào) 2 和測(cè)試號(hào) 3 伸長(zhǎng)率分別為 17.5% 和 17.9%，略低于測(cè)試號(hào) 1 [3]。

表 2 鈦合金拉伸性能測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)試號(hào)	直徑 /mm	標(biāo)距長(zhǎng)度 /mm	斷裂后標(biāo)距長(zhǎng)度 /mm	屈服強(qiáng)度 / MPa	抗拉強(qiáng)度 / MPa	伸長(zhǎng)率 /%
1	4.92	25	29.94	823	867	20.0
2	4.92	25	29.34	791	827	17.5
3	4.92	25	29.42	823	856	17.9

3.2 金相微觀顯微組織觀察

通過(guò)金相顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)鈦合金鑄造后的金相組織具有多樣化特點(diǎn)。鈦合金內(nèi)部晶界清晰可見(jiàn)，呈現(xiàn)出明顯的分界線。在晶界附近觀察到一些無(wú)規(guī)則的線條，可能是鑄造過(guò)程中的應(yīng)力集中或雜質(zhì)元素的分布不均所致；晶粒平均尺寸為 1500μm，表明鑄造組織較為粗大。在合金內(nèi)部發(fā)現(xiàn)氣孔缺陷，這些缺陷是在鑄造過(guò)程中氣體未能完全排出所致 [4]。

鈦合金微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其機(jī)械性能有著重要影響，有助于提高材料的使用強(qiáng)度，但也可能增加其脆性，如圖 1 所示。

觀察鈦合金經(jīng)鍛壓后外緣部和中部的金相顯微組織情況，并與鈦合金鑄造金相顯微組織情況進(jìn)行對(duì)比。經(jīng)過(guò)鍛壓處理后，鈦合金內(nèi)部的原始?xì)饪兹毕莼�本消失。金相顯微鏡下的觀察顯示，鍛壓后的鈦合金組織均勻，未見(jiàn)明顯氣孔，表明鍛壓過(guò)程有效改善了材料的致密性，消除了鑄造過(guò)程中產(chǎn)生的氣孔缺陷。鍛壓后的鈦合金晶粒平均尺寸為 450μm，相較于鍛壓前的粗大晶粒，晶粒尺寸明顯細(xì)化，如圖 2 所示 [5]。

4 、提高鈦合金材料機(jī)械加工質(zhì)量的有效路徑

為了提高鈦合金材料的機(jī)械加工質(zhì)量，工作人員積極采用先進(jìn)的數(shù)控加工技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)程序精確控制刀具路徑和加工參數(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀的高精度加工。對(duì)于鈦合金材料，采用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床可有效減少裝夾次數(shù)，提高加工效率。數(shù)控系統(tǒng)的高速響應(yīng)特性可減少切削過(guò)程中的振動(dòng)，提高加工表面的光潔度 [6]。同時(shí)，切削參數(shù)選擇直接影響加工質(zhì)量，如較低的切削速度和較高的進(jìn)給量都會(huì)減少切削熱，減少加工硬化層的形成，因此加工鈦合金材料應(yīng)選擇合適的切削速度、進(jìn)給量、切削深度 [7]。采用高壓冷卻液可有效降低切削溫度，減少刀具磨損，提高加工質(zhì)量。硬質(zhì)合金、陶瓷、立方氮化硼等高性能刀具材料，具有良好的耐磨性和熱穩(wěn)定性，適用于鈦合金的加工，有助于提高刀具的耐磨性和抗黏結(jié)性，有效延長(zhǎng)刀具壽命 [8]。

5、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì) Ti-3Al-8V-4Mo-4Cr-4Zr-2Fe-2Nb 鈦合金的制備、力學(xué)性能測(cè)試、金相顯微組織觀察，揭示不同機(jī)械加工條件下鈦合金的性能變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，優(yōu)化鍛壓工藝和熱處理工藝，可顯著提高鈦合金的力學(xué)性能。此外，采用先進(jìn)的數(shù)控加工技術(shù)、高性能刀具材料，是提高鈦合金機(jī)械加工質(zhì)量的有效途徑。未來(lái)研究應(yīng)進(jìn)一步探討熱處理工藝對(duì)鈦合金性能的影響，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求，優(yōu)化加工工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)鈦合金材料的高質(zhì)量加工。

參考文獻(xiàn)

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