Ti-5553合金车削加工性能研究

贾 亮，汤慧萍，石 英，汪强兵，杨广宇，刘 楠

(西北有色金属研究院 金属多孔材料国家重点实验室，陕西 西安 710016)

0 引言

钛合金具有比强度高、耐蚀性好等特点，被广泛应用于航空航天、医药化工以及核工业领域［1］。目前，50%以上的钛合金工件均由TC4(Ti-6Al-4V)钛合金制备，是应用最为广泛的钛合金［2］。然而，随着航空领域对工件的减重需求，越来越多的钛合金被设计与研制［3］。其中，Ti-5553(Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-0.5Fe)合金作为一种新型β钛合金，抗拉强度高达1250 MPa，断后延伸率为12%，综合力学性能优于TC4钛合金［4］。然而，Ti-5553合金的机械加工效率低，一定程度上限制了其大规模应用。为此，研究Ti-5553合金的机械加工性能并优化其加工参数，可以控制工件的制备成本，延长使用寿命，提高航空类工件的安全系数，扩大Ti-5553合金的应用范围。

本研究从对比Ti-5553合金及TC4钛合金两种合金机械加工难易的角度出发，研究了这两种合金的车削加工性能及车削参数对刀具磨损的影响，并通过EDS能谱分析研究了刀刃粘结层的元素分布，旨在为后期优化Ti-5553合金的车削参数，提高其加工效率奠定基础。

1 实验

1.1 实验材料

由于合金的车削加工性能与合金的力学性能密切相关，其力学性能又取决于组织形态，而工件的车削加工常在工件经全部热处理之后进行，因此实验以服役状态的TC4钛合金和Ti-5553合金为研究对象，其组织形态如图1所示。

图1 两种钛合金的显微组织Fig.1 Microstructures of TC4 titanium alloy and Ti-5553 alloy

图1a为TC4钛合金的显微组织，其中α相呈等轴状，体积分数约为90%;β相分布在等轴α相的晶界上，体积分数约为10%。图1b为Ti-5553合金的显微组织，其中初生α相呈球状，分布在原始β晶界上，体积分数约为10%;β相呈等轴状，且在β晶粒内部分布着次生针状α相。虽然TC4钛合金和Ti-5553合金中的Al元素和V元素的质量分数较为接近，但Ti-5553合金在TC4钛合金的基础上添加了β稳定元素Mo、Cr和Fe，这三种合金元素的加入改变了钛合金的组织和相组成，提高了合金的强度［5］。

实验所选用的TC4钛合金及Ti-5553合金试棒的室温及450℃下的力学性能见表1。从表1可以看出，Ti-5553合金的室温屈服强度和抗拉强度均高出TC4钛合金200 MPa左右，但Ti-5553合金的塑性劣于TC4钛合金;450℃时，两种合金的抗拉强度均低于其室温抗拉强度，但Ti-5553合金的抗拉强度比TC4钛合金的抗拉强度高出300 MPa左右。

表1 TC4钛合金与Ti-5553合金的力学性能Table 1 Mechanical properties of TC4 alloy and Ti-5553 alloy

综合考虑TC4钛合金及Ti-5553合金的组织和力学性能实验测试结果，Ti-5553合金的综合力学性能明显优于TC4钛合金。

1.2 车削加工实验

选择规格均为φ150 mm×400 mm的TC4钛合金及Ti-5553合金圆棒作为实验试样，刀具选择钛合金机加时常用的YG8车刀，其详细的几何参数如表2所示。

表2 YG8车刀的几何参数Table 2 Geometrical parameters of YG8 cutter

实验中刀具进给量(f)均为0.1 mm/r，切削深度(ap)均为2 mm。对于TC4钛合金，切削速度分别选择50、60、70、80、90 m/min;对于 Ti-5553合金，切削速度分别选择40、50、60 m/min。

利用压电陶瓷传感器测量切削力、JSM-6460扫描电子显微镜观察刀具的磨损情况、扫描电子显微镜中的EDS附件分析刀具切削刃处的局部元素分布。

2 结果与讨论

2.1 切削速度对切削力的影响

切削速度对TC4钛合金和Ti-5553合金的主切削力(Kc)和吃刀抗力(Kk)的影响如图2所示。

图2 切削速度对切削力的影响Fig.2 The impact of cutting speed imposed to the cutting force

从图2可以发现，在对TC4钛合金和Ti-5553合金的切削过程中，主切削力和吃刀抗力均随切削速度的增加而降低，这是由于随着切削速度的增加，刀具与合金之间的温度增加，而合金的强度随温度的提高而降低(见表1)，因此，提高切削速度可以降低主切削力和吃刀抗力。此外，在相同的切削速度下，Ti-5553合金的主切削力和吃刀抗力均高于TC4钛合金，这是由于Ti-5553合金的高温强度高于TC4钛合金。

2.2 切削速度对刀具磨损的影响

在连续车削15 min的条件下，切削速度对刀具磨损的影响如图3所示。对于TC4钛合金，当切削速度分别在50、60、70、80 m/min时，刀具的磨损量随着切削速度的增加而缓慢增加，当切削速度增加至90 m/min时，刀具的磨损量激增。Ti-5553合金在车削过程中对刀具的磨损量也随切削速度的增加而增加，在相同切削速度下对刀具的磨损程度要高于TC4钛合金，当切削速度为50 m/min时，刀具的磨损量已经达到临界值;当切削速度为60 m/min时，切削过程中刀具的磨损量激增，远高于刀具磨损量的临界值。

图3 切削速度对刀具磨损的影响Fig.3 Impact of cutting speed on abrasion of cutter

2.3 刀刃处的反应扩散层及其对刀具磨损的影响

以80 m/min和50 m/min的切削速度分别连续车削TC4钛合金和Ti-5553合金15 min后，车刀表面粘连的合金的显微组织如图4所示。

图4 车刀表面粘连的合金的显微组织Fig.4 Microstructures of alloy attached to the surface of cutter

由图4可以看出，对于用于车削TC4钛合金的车刀，其刀刃处合金层(图4a)的厚度约为200 μm，粘接层分为黑色和灰色两部分;对于用于车削Ti-5553合金的车刀其刀刃处(图4b)粘接层的厚度约为120 μm，同样出现了黑色和灰色两部分。

通过对刀刃处粘接层进行EDS能谱分析，得到如图5所示的结果。从EDS谱图中均可以发现Ti、C、O、V、Al元素的特征峰，说明在车削过程中TC4钛合金和Ti-5553合金均与刀具发生了反应扩散，粘接层与刀具的结合为冶金结合。而在粘接层中的黑色区域内，Ti原子和C原子的原子分数接近1∶1，证明黑色区域为TiC。由于反应扩散层的强度远低于刀具的强度，在切削过程中反应扩散层被不断剥离，同时TiC为反应扩散层中的硬脆相，该相的出现加剧了反应扩散层的剥离，更进一步加剧了刀具的磨损。

图5 刀刃处粘结层的EDS谱图Fig.5 EDS spectrogram of the cutting edge

对于TC4钛合金，在较低的切削速度下刀具与合金之间的温度较低，低温有利于降低刀具与合金的反应速率，随着切削速度的提高，合金与刀具之间的摩擦力增大，温度也随之升高，导致反应扩散速率增高，增加了刀具的磨损。而对于Ti-5553合金，其室温和高温强度均高于TC4钛合金，切削力大，在较低的切削速度下合金与刀具的摩擦力就比较大，促使刀具和合金之间的温度增高。因此，在切削Ti-5553合金过程中，在较低的切削速度下，依然会产生较多的反应扩散层，对刀具的磨损更为严重。

3 结论

(1)由于Ti-5553合金的强度高于TC4钛合金，在相同的切削速度下，Ti-5553合金的主切削力和吃刀抗力均高于TC4钛合金。

(2)Ti-5553合金最高切削速度约为50 m/min，低于TC4钛合金的最高切削速度(约为80 m/min)。

(3)两种合金在车削过程中均与车刀发生了反应扩散，并在切削刃处生成了TiC，导致刀刃部的强度降低。切削Ti-5553合金过程中，较低的切削速度下就会产生反应扩散层，刀具的磨损大于TC4钛合金。

［1］莱茵斯 C，皮特尔斯 M.钛与钛合金［M］.陈振华，等译.北京:化学工业出版社，2005:32－36.

［2］张喜燕，赵永庆，白晨光.钛合金及应用［M］.北京:化学工业出版社，2005:35－37.

［3］郭建军，何瑜.钛的新应用及展望［J］.世界有色金属，2010(1):66－69.

［4］钱九红.航空航天用新型钛合金的研究发展及应用［J］.稀有金属，2000，24(3):218－220.

［5］娄贯涛.钛合金的研究应用现状及发展方向［J］.钛工业进展，2003，20(2):9－13.