我們都經(jīng)常有接觸到航空運輸,比如發(fā)過航空貨運了,比如坐過飛機(jī)了。大家看到飛機(jī)的時候可能都有個疑問:飛機(jī)到底是什么做的呢?為什么可以裝載那么多那么重的貨物還可以飛那么高?我們帶著疑問往下看。
一、鈦的簡介
1948年美國杜邦公司才用鎂法成噸生產(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、耐熱性高等特點而被廣泛用于各個領(lǐng)域。
鈦在地殼中含量較豐富,含量排第九位,遠(yuǎn)高于銅、鋅、錫等常見金屬。鈦廣泛存在于許多巖石中,特別是砂石和粘土中。
二、鈦的特性
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℃的溫度下長期工作。
抗蝕性好:耐酸、耐堿、耐大氣腐蝕,對點蝕、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。
三、鈦合金的分類及用途
盡管鈦及其合金應(yīng)用的歷史不長,但由于它那超眾的性能,已經(jīng)獲得了多個光榮稱號。首先榮獲的稱號就是“空間金屬”。它重量輕、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,大約有四分之三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。
四、鈦合金的航空應(yīng)用
鈦合金主要用于飛機(jī)及發(fā)動機(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。
航空運輸飛機(jī)的材料為什么非得要用鈦合金???
1950年美國首次在F-84戰(zhàn)斗轟炸機(jī)上用作后機(jī)身隔熱板、導(dǎo)風(fēng)罩、機(jī)尾罩等非承力構(gòu)件。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。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%;美國第四代戰(zhàn)斗機(jī)用鈦量為41%,其F119發(fā)動機(jī)用鈦量為39%,是
目前用鈦量最高的飛機(jī)。
五、鈦合金在航空中被大量應(yīng)用的原因
現(xiàn)代飛機(jī)的航行最高時速已達(dá)到音速的2.7倍以上。這么快的超音速飛行,會使飛機(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,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,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。
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%。對火箭來說,每減輕1kg的重量,就可增加15km的射程。
航空運輸飛機(jī)的材料為什么非得要用鈦合金???
鈦合金材料飛機(jī)起落架零件
六、鈦合金機(jī)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。
七、加工中心加工鈦合金特點
加工中心可以多個零件同時加工,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。
可以進(jìn)行精確的成本計算,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,縮短生產(chǎn)周期。
大大減輕了工人的勞動強(qiáng)度。
可以與UG等加工軟件進(jìn)行多軸加工。
航空運輸飛機(jī)的材料為什么非得要用鈦合金?。?/span>
八、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)過對國內(nèi)常用刀具材料和國外刀具材料進(jìn)行試驗表明,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,同時也減小切削加工過程中的切削抗力。
前角γ切削時刃口鋒利,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VcVc=30~50m/min
進(jìn)給量f粗加工時取較大進(jìn)給量,精加工和半精加工取適中的進(jìn)給量。
切削深度apap=1/3d為宜,鈦合金親合力好,排屑困難,切削深度太大,會造成刀具粘刀、燒刀、斷裂現(xiàn)象。
精加工余量αc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。