Ti-6Al-4V (TC4)
Введение в Ti-6Al-4V (TC4)
Ti-6Al-4V, также известный как TC4 или титан Grade 5, — это двухфазный (α-β) титановый сплав, легированный 6% алюминия и 4% ванадия. Это самый широко используемый титановый сплав благодаря оптимальному сочетанию прочности, коррозионной стойкости и термической стабильности. Благодаря превосходному соотношению прочности к массе TC4 широко применяется в аэрокосмической промышленности, оборонном секторе, автоспорте и медицинских изделиях.
Высокие эксплуатационные характеристики делают TC4 предпочтительным материалом для критически важных компонентов, изготавливаемых с помощью услуг ЧПУ-обработки. Благодаря сбалансированным механическим и тепловым свойствам титановые детали, обработанные на ЧПУ из TC4 обеспечивают стабильную и надежную работу в экстремальных условиях эксплуатации.
Химические, физические и механические свойства Ti-6Al-4V (TC4)
Химический состав (типичный)
Элемент | Диапазон содержания (мас.%) | Основная роль |
|---|---|---|
Титан (Ti) | Основа (~90) | Матрица сплава, обеспечивает коррозионную стойкость |
Алюминий (Al) | 5.5–6.75 | Стабилизатор α-фазы, повышает прочность |
Ванадий (V) | 3.5–4.5 | Стабилизатор β-фазы, повышает вязкость и прокаливаемость |
Железо (Fe) | ≤0.40 | Остаточный элемент, влияет на прочность |
Кислород (O) | ≤0.20 | Повышает прочность, влияет на пластичность |
Углерод (C) | ≤0.08 | Рафинирование зерна, повышает износостойкость |
Азот (N) | ≤0.05 | Остаточный элемент, повышает твердость |
Водород (H) | ≤0.015 | Требует контроля во избежание охрупчивания |
Физические свойства
Свойство | Значение (типичное) | Стандарт/условия испытаний |
|---|---|---|
Плотность | 4.43 г/см³ | ASTM B311 |
Диапазон плавления | 1604–1660°C | ASTM E1268 |
Теплопроводность | 6.7 Вт/м·К при 100°C | ASTM E1225 |
Электрическое сопротивление | 1.71 µΩ·м при 20°C | ASTM B193 |
Тепловое расширение | 8.6 µм/м·°C | ASTM E228 |
Удельная теплоемкость | 560 Дж/кг·К при 20°C | ASTM E1269 |
Модуль упругости | 113.8 ГПа | ASTM E111 |
Механические свойства (в отожженном состоянии)
Свойство | Значение (типичное) | Стандарт испытаний |
|---|---|---|
Предел прочности при растяжении | 895–960 МПа | ASTM E8/E8M |
Предел текучести (0.2%) | 830–900 МПа | ASTM E8/E8M |
Относительное удлинение | ≥10% | ASTM E8/E8M |
Твердость | 330–360 HB | ASTM E10 |
Сопротивление ползучести | Высокое | ASTM E139 |
Усталостная прочность | Отличная | ASTM E466 |
Ключевые характеристики Ti-6Al-4V (TC4)
Высокое соотношение прочности к массе: TC4 обеспечивает предел прочности до 960 МПа при плотности всего 4.43 г/см³, что делает его идеальным для авиационных конструкций, крепежа и высокопроизводительных деталей.
Превосходная коррозионная и окислительная стойкость: Пассивный слой оксида титана обеспечивает стойкость в хлоридных, морских и слабо кислых средах, сохраняя работоспособность до 400°C на воздухе.
Термическая стабильность и сопротивление ползучести: TC4 сохраняет механическую целостность при повышенных температурах (до ~400°C при непрерывной эксплуатации), что подходит для компонентов реактивных двигателей и выхлопных систем.
Свариваемость и биосовместимость: Сплав пригоден для TIG/MIG сварки и нетоксичен, поэтому применяется как в силовых авиационных узлах, так и в долговременных медицинских имплантах.
Проблемы и решения ЧПУ-обработки Ti-6Al-4V (TC4)
Проблемы обработки
Очень низкая теплопроводность: При теплопроводности всего 6.7 Вт/м·К тепло концентрируется у режущей кромки, ускоряя износ инструмента и вызывая размерную нестабильность.
Выраженный наклеп: При недостаточной толщине стружки TC4 быстро формирует упрочненный слой по траектории инструмента, поэтому важны непрерывное резание и стабильная толщина стружки.
Повышенный износ инструмента: Абразивные интерметаллидные фазы и оксидообразование приводят к сколам кромки и кратерному износу, особенно при сухой обработке или недостатке СОЖ.
Упругая деформация и «пружинение»: Модуль упругости 113.8 ГПа вызывает прогиб и упругое восстановление, что затрудняет обеспечение жестких допусков, особенно на тонкостенных деталях.
Оптимизированные стратегии обработки
Выбор инструмента
Параметр | Рекомендация | Обоснование |
|---|---|---|
Материал инструмента | Твердосплавный инструмент с покрытием или керамические пластины | Выдерживает высокие температуры и абразивный износ |
Покрытие | AlTiN или TiSiN (PVD, 3–5 µm) | Повышает термостойкость и снижает образование нароста (BUE) |
Геометрия | Острая кромка, положительный передний угол | Снижает силы резания и тепловой ввод |
Скорость резания | 30–70 м/мин (черновая), 50–100 м/мин (чистовая) | Снижает наклеп и сохраняет стойкость инструмента |
Подача | 0.05–0.25 мм/об | Поддерживает толщину стружки и предотвращает «полирование» |
СОЖ | Эмульсионная СОЖ 100–150 бар | Эффективный вынос стружки и тепловой контроль |
Режимы резания Ti-6Al-4V (TC4) (соответствие ISO 3685)
Операция | Скорость (м/мин) | Подача (мм/об) | Глубина резания (мм) | Давление СОЖ (бар) |
|---|---|---|---|---|
Черновая обработка | 20–30 | 0.15–0.25 | 2.0–3.0 | 70–100 (через инструмент) |
Чистовая обработка | 50–80 | 0.05–0.10 | 0.2–0.5 | 100–150 |
Поверхностная обработка деталей Ti-6Al-4V (TC4)
Горячее изостатическое прессование (HIP) повышает усталостную долговечность, устраняя внутреннюю пористость; критично для сосудов под давлением и авиационных корпусов.
Термическая обработка (отжиг/старение) при 700–850°C позволяет оптимизировать прочность и снять остаточные напряжения в высоконагруженных деталях.
Сварка суперсплавов обеспечивает качественные соединения для авиационных сборок TC4; присадочная проволока (Ti-6Al-4V) соответствует базовому составу.
Теплозащитное покрытие (TBC) на основе керамики YSZ повышает защиту от окисления в двигательных/выхлопных деталях при температурах выше 600°C.
ЧПУ-обработка обеспечивает прецизионную геометрию с допусками <±0.01 мм для аэрокосмических и медицинских деталей из TC4.
Электроэрозионная обработка (EDM) подходит для микроотверстий и пазов в TC4, где механическая обработка может вызвать термотрещины.
Глубокое сверление позволяет получать каналы с высоким отношением L/D для топливных форсунок и обеспечивать Ra внутри ≤1.6 µm.
Испытания материалов — включая усталость, твердость, анализ микроструктуры SEM и ультразвуковую дефектоскопию — подтверждают целостность критических деталей из TC4.
Испытания и анализ материалов
Испытания Ti-6Al-4V включают контроль твердости, оценку усталостной долговечности, проверку прочностных характеристик при комнатной и повышенной температуре, а также неразрушающий контроль по стандартам ASTM и ISO для авиационной отрасли.
Отраслевые применения Ti-6Al-4V (TC4)
Аэрокосмическая отрасль: Компоненты двигателей, элементы шасси, силовые рамы и соединители планера — благодаря лучшему соотношению характеристик к массе.
Оборона: Бронепанели, корпуса ракет и конструкции БПЛА, где нужна легкость и ударная прочность.
Медицина: Ортопедические импланты, спинальная фиксация и стоматологические протезы благодаря биосовместимости и остеоинтеграции.
Автоспорт: Пружины клапанов, элементы подвески и выхлопные системы — из-за термоусталостной стойкости и малого веса.
Энергетика: Компоненты газовых турбин, трубы теплообменников и элементы химических установок — благодаря коррозионной стойкости и сопротивлению ползучести.
Изучить связанные блоги
