鈦合金為何航空材料、手機(jī)領(lǐng)域備受歡迎？

1948年美國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而被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。鈦合金在航空業(yè)上已應(yīng)用了半個多世紀(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?。簩?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，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、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。

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)。

鈦合金大量應(yīng)用航空的原因

航空運輸飛機(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。

近年來科學(xué)家們對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，定價最高的是14Pro鈦金屬版本。

據(jù)悉，三星將會在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)勢成為備受推廣的重要原因，其可以讓消費電子產(chǎn)品更加輕盈，消費者體驗感也會更加舒適。

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

加工中心可以將多個零件同時加工，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?？梢赃M(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?？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vc=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ap=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。

編輯：黃飛