Основные различия между обработкой TC4 (Ti-6Al-4V) и других титановых сплавов

С инженерной и производственной точки зрения обработка TC4 (Ti-6Al-4V, Grade 5) представляет собой особый комплекс задач и нюансов по сравнению с другими титановыми сплавами, главным образом из-за его специфической металлургии, которая находится между альфа- и бета-семействами. Основные различия обусловлены составом, прочностью, тепловыми свойствами и, как следствие, обрабатываемостью.

Металлургический состав и микроструктура

TC4 — это альфа-бета сплав, в котором алюминий стабилизирует альфа-фазу, а ванадий — бета-фазу. Такое сбалансированное строение обеспечивает отличные универсальные механические свойства. Для сравнения, коммерчески чистые (CP) титановые сплавы (например, Grade 2) в основном альфа-фазные, что делает их более мягкими, пластичными и, как правило, легче обрабатываемыми, но с меньшей прочностью. Бета-сплавы, такие как Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3), богаче элементами, стабилизирующими бета-фазу. Эти материалы часто обрабатываются в закалённом (solution-treated) состоянии, когда они более пластичны, но после старения достигают очень высокой прочности, что делает последующие операции механической обработки крайне трудными из-за повышенной твёрдости.

Обрабатываемость и износ инструмента

TC4 часто считается эталоном по обрабатываемости титана, хотя материал остаётся сложным. Его сравнительно высокая прочность (временное сопротивление разрыву около 900 МПа) и способность сохранять эту прочность при повышенных температурах приводят к высоким силам резания и значительным нагрузкам на инструмент. Основная проблема — низкая теплопроводность, из-за которой тепло концентрируется в зоне контакта инструмента с деталью, а не отводится стружкой. Это вызывает быстрый износ инструмента, пластическую деформацию режущей кромки и наклёп поверхности при неправильных режимах. По сравнению с более мягким CP-титаном TC4 требует более прочного инструмента, меньших скоростей резания и интенсивного охлаждения. В сравнении с стареющими бета-сплавами, такими как Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr (Ti5553), TC4 менее требователен, поскольку закалённые бета-сплавы могут достигать прочности свыше 1100 МПа, что делает их крайне абразивными и тяжёлыми для инструмента.

Управление теплом и удаление стружки

Низкая теплопроводность, присущая всем титановым сплавам, является критическим фактором при обработке TC4. Однако характер образования стружки у него отличается. TC4 формирует сегментированную «зубчатую» стружку в результате адиабатического сдвига. Теоретически это снижает общую энергию резания, но создаёт тонкие острые стружки, склонные к спутыванию и препятствующие эффективному подводу СОЖ в зону резания. Поэтому крайне важно обеспечивать надёжное удаление стружки, часто с применением систем подачи охлаждающей жидкости под высоким давлением через инструмент. Процессы, такие как наш сервис фрезерования на ЧПУ и сервис токарной обработки на ЧПУ, оптимизированы с учётом этих параметров. В отличие от более пластичного CP-титана, который образует длинную струйную стружку, некоторые высокопрочные бета-сплавы дают ещё более фрагментированную, но абразивную стружку.

Инструменты и технологические стратегии

Успешная обработка TC4 требует продуманной стратегии. Стандартом являются твердосплавные инструменты с острыми, полированными геометриями и специальными покрытиями (например, PVD AlTiN). Жёсткость станка, заготовки и оснастки должна быть максимально высокой, чтобы противостоять склонности материала к вибрациям и чэттеру. Часто применяются методы трохоидального фрезерования и прерывистого сверления (peck drilling) для контроля нагрева и нагрузки на инструмент. Для ещё более трудных материалов, таких как в категории обработки жаропрочных сплавов, эти подходы используются на пределе возможностей, а иногда применяются нетрадиционные методы, например электроэрозионная обработка (EDM). Кроме того, последующая термообработка после механической обработки часто используется для снятия напряжений — это стандартная практика для большинства высокопроизводительных титановых сплавов.

Выбор сплава в зависимости от применения

Выбор титана определяется сферой применения. Превосходное сочетание прочности, лёгкости, коррозионной стойкости и биосовместимости делает TC4 стандартом для аэрокосмических конструкций и компонентов медицинских изделий, таких как импланты. Когда требуется более высокая статическая прочность или усталостная стойкость, выбирают бета-сплавы, такие как Ti5553, принимая во внимание сложность их обработки. Для задач, где основное требование — коррозионная стойкость при меньших нагрузках, более лёгкий в обработке CP-титан является экономически целесообразным выбором. Наш сервис высокоточной обработки охватывает весь этот диапазон, подбирая оптимальные параметры и траектории инструмента для каждого конкретного титаново́го сплава, чтобы обеспечить целостность деталей и эффективность производства.