Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3)
Введение в Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3)
Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al, широко известный как Ti-15-3, — это метастабильный бета-титановый сплав, разработанный для аэрокосмических и высокопроизводительных промышленных применений. Он известен высоким отношением прочности к массе, отличной холодной формуемостью и выдающейся вязкостью после термообработки. Ti-15-3 особенно подходит для профилирования на вальцах, сверхпластической формовки и холодной глубокой вытяжки, а также для прецизионной ЧПУ-обработки.
Благодаря отличной обрабатываемости в состоянии после растворной обработки, Ti-15-3 является идеальным выбором для изготовления высокопроизводительных титановых деталей, обработанных на ЧПУ. Эти детали, изготовленные с использованием передовых услуг ЧПУ-обработки, часто применяются в силовых элементах авиационных конструкций, опорах двигателей и прецизионных компонентах, где требуются высокая прочность и усталостная стойкость.
Химические, физические и механические свойства Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3)
Химический состав (типичный)
Элемент | Диапазон содержания (мас.%) | Ключевая роль |
|---|---|---|
Титан (Ti) | Основа | Обеспечивает конструкционную основу и коррозионную стойкость |
Ванадий (V) | 14.0–16.0 | Бета-стабилизатор, повышает прочность и прокаливаемость |
Хром (Cr) | 2.5–3.5 | Улучшает стойкость к окислению и характеристики ползучести |
Олово (Sn) | 2.5–3.5 | Способствует термической стабильности и прочности |
Алюминий (Al) | 2.5–3.5 | Повышает усталостную стойкость и управляет фазовым составом |
Кислород (O) | ≤0.13 | Повышает прочность; требует контроля для сохранения пластичности |
Водород (H) | ≤0.015 | Ограничивается для предотвращения охрупчивания |
Углерод (C) | ≤0.08 | Остаточный элемент |
Железо (Fe) | ≤0.30 | Остаточный элемент |
Физические свойства
Свойство | Значение (типичное) | Стандарт/условие испытаний |
|---|---|---|
Плотность | 4.66 г/см³ | ASTM B311 |
Температурный интервал плавления | 1590–1650°C | ASTM E1268 |
Теплопроводность | 6.6 Вт/м·K при 100°C | ASTM E1225 |
Удельное электрическое сопротивление | 1.68 µΩ·м при 20°C | ASTM B193 |
Коэффициент теплового расширения | 8.6 µм/м·°C | ASTM E228 |
Удельная теплоёмкость | 550 Дж/кг·K при 20°C | ASTM E1269 |
Модуль упругости | 105 ГПа | ASTM E111 |
Механические свойства (растворная обработка + старение)
Свойство | Значение (типичное) | Стандарт испытаний |
|---|---|---|
Предел прочности | 1000–1200 МПа | ASTM E8/E8M |
Предел текучести (0.2%) | 950–1150 МПа | ASTM E8/E8M |
Относительное удлинение | ≥8% | ASTM E8/E8M |
Твёрдость | 330–360 HB | ASTM E10 |
Усталостная прочность | Высокая | ASTM E466 |
Холодная формуемость | Отличная | ASTM F1162 |
Ключевые характеристики Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3)
Высокая прочность при малой массе: Ti-15-3 обеспечивает предел прочности свыше 1000 МПа при массе почти вдвое меньше стали, что делает его идеальным для силовых аэрокосмических компонентов.
Отличная холодная технологичность: в отличие от большинства титановых сплавов, Ti-15-3 можно холодно формовать в сложные геометрии без растрескивания, сокращая количество операций изготовления.
Превосходная усталостная стойкость: сохраняет механические свойства при циклических нагрузках, что особенно полезно для обшивки самолётов и кронштейнов.
Хорошая термообрабатываемость: полностью поддаётся термообработке для точной настройки прочности, вязкости и усталостного ресурса.
Проблемы и решения при ЧПУ-обработке титана Ti-15-3
Проблемы обработки
Износ инструмента: хотя сплав обрабатывается лучше, чем альфа- или альфа-бета сплавы, Ti-15-3 всё же вызывает абразивный износ непокрытого инструмента при сухой обработке или недостаточной смазке.
Низкая теплопроводность: тепло концентрируется в зоне контакта инструмент—заготовка, что приводит к преждевременной деградации инструмента без высокого давления СОЖ.
Упругое восстановление: при модуле 105 ГПа «пружинение» после резания влияет на размерную точность деталей с жёсткими допусками.
Наклёп: требуются острые инструменты и корректные подачи для минимизации упрочнения и снижения шероховатости поверхности.
Оптимизированные стратегии обработки
Выбор инструмента
Параметр | Рекомендация | Обоснование |
|---|---|---|
Материал инструмента | Твёрдый сплав (марка K20/K30) | Обеспечивает стойкость к износу и нагреву |
Покрытие | AlTiN или TiCN | Сопротивляется окислению и схватыванию |
Геометрия | Положительный передний угол, притуплённая кромка | Снижает концентрацию напряжений и образование заусенцев |
Скорость резания | 25–50 м/мин | Балансирует тепловыделение и съём материала |
Подача | 0.10–0.25 мм/об | Обеспечивает чистое срезание с минимальной вибрацией |
Охлаждение | Эмульсия через инструмент ≥100 бар | Обеспечивает термостабильность и ресурс инструмента |
Параметры резания Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3) (соответствие ISO 3685)
Операция | Скорость (м/мин) | Подача (мм/об) | Глубина резания (мм) | Давление СОЖ (бар) |
|---|---|---|---|---|
Черновая обработка | 20–30 | 0.15–0.20 | 2.0–3.0 | 80–100 (через инструмент) |
Чистовая обработка | 40–55 | 0.05–0.10 | 0.2–0.5 | 100–150 |
Поверхностная обработка титановых деталей Ti-15-3
Горячее изостатическое прессование (HIP) повышает усталостную прочность и устраняет внутренние пустоты, увеличивая конструкционную целостность.
Термическая обработка включает растворную обработку при ~800°C с последующим старением при 480–540°C для достижения максимальной прочности и пластичности.
Сварка суперсплавов обеспечивает надёжную сборку с последующей послесварочной термообработкой для восстановления свойств материала.
Теплозащитное покрытие (TBC) обеспечивает защиту в условиях высокотемпературных циклических режимов, особенно в аэрокосмических системах.
ЧПУ-обработка поддерживает допуски ±0.01 мм для авиационных кронштейнов, тяг управления и силовых рёбер.
Электроэрозионная обработка (EDM) обеспечивает точное формирование микрогеометрии на состаренных или труднообрабатываемых компонентах.
Глубокое сверление позволяет получать прямолинейные отверстия с Ra ≤1.6 µm и L/D >30:1 для аэрокосмических и инструментальных применений.
Испытания материалов включают подтверждение микроструктуры, профилирование твёрдости, усталостные испытания и НК согласно стандартам AMS.
Испытания и анализ материалов
Детали Ti-15-3 проходят усталостные испытания, проверку фазовой структуры (SEM/XRD), испытания на растяжение после старения и ультразвуковой НК для подтверждения характеристик материала в условиях полёта и высоких нагрузок.
Отраслевые применения Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3)
Аэрокосмическая отрасль: каркасы самолётов, кронштейны, приводы и формованные панели обшивки, где важны высокая усталостная стойкость и холодная формуемость.
Оборона: лёгкие высокопрочные конструкционные элементы и компоненты корпусов ракет.
Промышленное оборудование: несущие рычаги и динамические компоненты в передовой автоматизации.
Энергетика: вращающиеся конструкции и фитинги, подверженные термической и вибрационной усталости.
Изучить связанные блоги
