Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Grade 4)
Введение в Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Grade 4)
Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, также известный как титан Grade 4 в семействе аэрокосмических сплавов, — это почти альфа-титановый сплав, разработанный для превосходной прочности при высоких температурах, термической стабильности и коррозионной стойкости. Этот сплав широко применяется в газовых турбинах, элементах планера и других узлах, где требуется долговременная работа при повышенных температурах.
Надёжная механическая стабильность и стойкость к окислению делают его предпочтительным материалом для высокоточных титановых деталей, обработанных на станках с ЧПУ. Для применений, где в экстремальных условиях требуются жёсткие допуски и точный контроль размеров, производители полагаются на передовые услуги ЧПУ-обработки, чтобы изготавливать прецизионные компоненты из титана Grade 4.
Химические, физические и механические свойства Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Grade 4)
Химический состав (типичный)
Элемент | Диапазон содержания (мас.%) | Ключевая роль |
|---|---|---|
Титан (Ti) | Основа | Базовый элемент с коррозионной и термической стойкостью |
Алюминий (Al) | 5.5–6.5 | Стабилизатор альфа-фазы для прочности при высоких температурах |
Олово (Sn) | 1.8–2.5 | Повышает сопротивление ползучести |
Цирконий (Zr) | 3.6–4.5 | Улучшает стойкость к окислению и прочность |
Молибден (Mo) | 1.8–2.5 | Стабилизатор бета-фазы, повышающий прокаливаемость |
Кремний (Si) | ≤0.25 | Упрочняет матрицу и повышает сопротивление ползучести |
Кислород (O) | ≤0.15 | Упрочняет, но влияет на пластичность |
Железо (Fe) | ≤0.30 | Остаточный элемент |
Водород (H) | ≤0.015 | Контролируется для предотвращения охрупчивания |
Физические свойства
Свойство | Значение (типичное) | Стандарт / условия испытаний |
|---|---|---|
Плотность | 4.55 г/см³ | ASTM B311 |
Температура плавления | 1600–1660°C | ASTM E1268 |
Теплопроводность | 6.8 Вт/м·K при 100°C | ASTM E1225 |
Электрическое сопротивление | 1.62 µΩ·м при 20°C | ASTM B193 |
Коэффициент теплового расширения | 8.5 µм/м·°C | ASTM E228 |
Удельная теплоёмкость | 570 Дж/кг·K при 20°C | ASTM E1269 |
Модуль упругости | 108 ГПа | ASTM E111 |
Механические свойства (отожжённое состояние)
Свойство | Значение (типичное) | Стандарт испытаний |
|---|---|---|
Предел прочности при растяжении | 860–980 МПа | ASTM E8/E8M |
Предел текучести (0.2%) | 790–900 МПа | ASTM E8/E8M |
Относительное удлинение | ≥10% | ASTM E8/E8M |
Твёрдость | 300–340 HB | ASTM E10 |
Сопротивление ползучести | Отличное | ASTM E139 |
Усталостная стойкость | Высокая | ASTM E466 |
Ключевые характеристики Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Grade 4)
Прочность при повышенных температурах: Grade 4 сохраняет высокую прочность и сопротивление ползучести до 500°C, что делает его подходящим для газотурбинных двигателей, элементов планера и теплозащитных экранов.
Отличная стойкость к окислению: Добавление Zr и Sn способствует формированию стабильного оксидного слоя, обеспечивая долговременную долговечность в высокотемпературных и кислородсодержащих средах.
Стойкость к термической усталости: Сбалансированное легирование обеспечивает стабильность при циклическом нагреве и охлаждении, что критично для аэрокосмических и энергетических компонентов.
Превосходная свариваемость и стабильность: Несмотря на то что это почти альфа-сплав, он хорошо сваривается и сохраняет фазовый баланс после термоциклов, что идеально подходит для высоконапорных сборок.
Проблемы и решения при ЧПУ-обработке титана Grade 4
Проблемы обработки
Высокая склонность к наклёпу: Grade 4 имеет тенденцию к наклёпу при контакте с инструментом, поэтому требуется оптимизированная нагрузка на стружку и острота инструмента, чтобы избежать искажений поверхности.
Низкая теплопроводность: При теплопроводности всего 6.8 Вт/м·K сплав удерживает тепло в зоне инструмент–стружка, снижая ресурс инструмента и повышая риск термической деформации.
Износ инструмента и схватывание: Интенсивное образование оксидов и зоны, обогащённые бета-фазой, ускоряют износ и способствуют прилипаемости стружки к инструменту, ухудшая качество поверхности.
Упругое восстановление: При модуле 108 ГПа сплав демонстрирует заметный «пружинящий» возврат, особенно в тонкостенных деталях и при чистовых операциях.
Оптимизированные стратегии обработки
Выбор инструмента
Параметр | Рекомендация | Обоснование |
|---|---|---|
Материал инструмента | Мелкозернистый твёрдый сплав или керамические пластины | Высокая прочность и жаростойкость |
Покрытие | AlTiN или TiSiN (3–5 µm) | Снижает нарост (BUE) и увеличивает стойкость инструмента |
Геометрия | Острая кромка, большой передний угол | Снижает силы резания и тепловложение |
Скорость резания | 25–60 м/мин | Предотвращает перегрев и поверхностное упрочнение |
Подача | 0.10–0.25 мм/об | Поддерживает формирование стружки и предотвращает «полирование» |
Охлаждение | Эмульсия, ≥100 бар | Обеспечивает эффективное охлаждение и вымывание стружки |
Параметры резания Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Grade 4) (соответствие ISO 3685)
Операция | Скорость (м/мин) | Подача (мм/об) | Глубина резания (мм) | Давление охлаждения (бар) |
|---|---|---|---|---|
Черновая обработка | 20–30 | 0.15–0.20 | 2.0–3.0 | 80–100 (через инструмент) |
Чистовая обработка | 45–65 | 0.05–0.10 | 0.2–0.5 | 100–150 |
Поверхностная обработка деталей из титана Grade 4
Горячее изостатическое прессование (HIP) уплотняет внутренние микропустоты и увеличивает усталостную долговечность, особенно для критически важных авиационных компонентов.
Термообработка включает старение при 600–675°C для повышения сопротивления ползучести и размерной стабильности турбинной оснастки.
Сварка суперсплавов обеспечивает полно-прочные сварные соединения плавлением для аэрокосмических и двигательных сборок с использованием совместимых присадочных прутков.
Теплозащитное покрытие (TBC) обеспечивает защиту от окисления и термической усталости для компонентов в реактивных двигателях и высокотемпературных реакторах.
ЧПУ-обработка поддерживает допуски ±0.01 мм и идеально подходит для авиационного оборудования, высокопроизводительных фланцев и кронштейнов.
Электроэрозионная обработка (EDM) позволяет выполнять высокоточные элементы, такие как жиклёры и глубокие карманы, в термообработанных деталях.
Глубокое сверление обеспечивает отверстия с отношением L/D > 30:1 и чистотой поверхности Ra ≤ 1.6 µm в конструкционных и охлаждающих компонентах.
Испытания материалов включают испытания на растяжение, ползучесть до разрушения, микроструктуру SEM и ультразвуковой неразрушающий контроль (NDT) по стандартам авиационного контроля качества.
Испытания и анализ материалов
Валидация материала для Grade 4 включает высокотемпературные испытания на растяжение, оценку ползучести до разрушения, микротвёрдость, XRD и металлографический анализ, обеспечивая соответствие аэрокосмическим и ядерным стандартам.
Отраслевые применения Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Grade 4)
Аэрокосмическая отрасль: Корпуса двигателей, элементы форсажной камеры и сопловая арматура, работающие при температурах выше 400°C.
Энергетика: Лопатки газовых турбин, выпускные каналы и элементы камер сгорания высокого давления.
Оборонные системы: Конструкционные аэрокосмические соединители и вкладыши силовых установок, требующие температурной выносливости.
Промышленное оборудование: Теплообменники и высоконапорные уплотнения в коррозионных средах и при термоциклировании.
Аэрокосмический крепёж: Болты и фланцевые системы для зон с высокоцикловой усталостью и повышенными тепловыми нагрузками.
Изучить связанные блоги
