11Cr-3Al（TC11）
11Cr-3Al（TC11）简介
11Cr-3Al，代号为 TC11，是一种高强度、高温用 α-β 型钛合金，主要为严苛的航空航天与发电领域应用而开发。该合金具有优异的高温力学性能、卓越的蠕变抗力以及稳定的抗氧化性能，适用于最高达 500°C 的服役环境。
TC11 在退火或固溶处理状态下兼具高强度与良好可加工性，是CNC 钛合金零件加工的理想材料。通过先进的CNC 加工服务，TC11 零件可实现高精度、优异的疲劳性能以及长期热稳定性，广泛用于航空结构件、压气机盘和发动机机匣。
11Cr-3Al（TC11）的化学、物理与力学性能
化学成分（典型值）
元素 | 含量范围（wt.%） | 主要作用 |
|---|---|---|
钛（Ti） | 余量 | 耐腐蚀基体，提供结构稳定性 |
铬（Cr） | 10.0–12.0 | β 稳定元素，提高抗氧化性和抗蠕变性能 |
铝（Al） | 2.5–3.5 | α 稳定元素，提高强度与抗氧化性 |
钼（Mo） | 0.8–1.5 | 增强淬透性与蠕变强度 |
硅（Si） | ≤0.30 | 提高抗氧化性能 |
铁（Fe） | ≤0.50 | 残余元素 |
氧（O） | ≤0.15 | 强化元素，需控制以保证延展性 |
碳（C） | ≤0.08 | 残余元素 |
氢（H） | ≤0.015 | 需严格控制以防止氢脆 |
物理性能
性能 | 典型值 | 测试标准/条件 |
|---|---|---|
密度 | 4.57 g/cm³ | ASTM B311 |
熔化温度范围 | 1620–1670°C | ASTM E1268 |
导热系数 | 6.3 W/m·K（100°C） | ASTM E1225 |
电阻率 | 1.67 µΩ·m（20°C） | ASTM B193 |
热膨胀系数 | 8.5 µm/m·°C | ASTM E228 |
比热容 | 560 J/kg·K（20°C） | ASTM E1269 |
弹性模量 | 115 GPa | ASTM E111 |
力学性能（固溶处理 + 时效）
性能 | 典型值 | 测试标准 |
|---|---|---|
抗拉强度 | 950–1050 MPa | ASTM E8/E8M |
屈服强度（0.2%） | 850–950 MPa | ASTM E8/E8M |
延伸率 | ≥10% | ASTM E8/E8M |
硬度 | 300–340 HB | ASTM E10 |
抗蠕变性能 | 在 500°C 以下表现优异 | ASTM E139 |
抗疲劳性能 | 高 | ASTM E466 |
11Cr-3Al（TC11）的关键特性
高温性能优异：在 450–500°C 连续服役条件下，抗拉强度保持在 950 MPa 以上，并具有出色的抗蠕变能力。
抗氧化与热稳定性：铬与铝促进形成致密的保护性氧化膜，降低涡轮和排气环境中的材料劣化。
优异的抗疲劳性能：适用于承受循环热应力与机械应力的旋转或振动部件。
良好的焊接性与结构完整性：支持可靠连接，并在热处理后保持稳定的力学性能。
TC11 钛合金 CNC 加工的挑战与解决方案
加工挑战
热量积聚：TC11 导热系数较低，连续切削时易导致刀具刃口过热并缩短寿命。
弹性回复与加工硬化：较高的弹性模量和应变硬化倾向增加了精加工尺寸控制与排屑难度。
磨蚀性氧化层形成：高速加工过程中形成的硬质表面氧化物会加剧刀具磨损。
高表面质量要求：航空密封面和旋转部件通常要求 Ra ＜ 0.8 µm 的精细表面。
优化加工策略
刀具选择
参数 | 推荐方案 | 原因说明 |
|---|---|---|
刀具材料 | 细晶粒硬质合金，涂层刀片 | 具备高温耐磨性能 |
涂层 | AlTiN 或 TiSiN | 减少粘结，提升抗氧化性 |
几何形状 | 正前角，0.05 mm 修磨刃口 | 降低切削力与热量积聚 |
切削速度 | 20–45 m/min | 防止热损伤与切屑焊结 |
进给量 | 0.10–0.20 mm/rev | 平衡刀具负载与表面质量 |
冷却方式 | 刀具内冷乳化液 ≥100 bar | 增强排屑与温度控制 |
11Cr-3Al（TC11）切削参数（符合 ISO 3685）
工序 | 速度（m/min） | 进给量（mm/rev） | 切削深度（mm） | 冷却压力（bar） |
|---|---|---|---|---|
粗加工 | 20–30 | 0.15–0.20 | 2.0–3.0 | 80–100（刀具内冷） |
精加工 | 40–50 | 0.05–0.10 | 0.2–0.5 | 100–150 |
TC11 钛合金零件的表面处理
热等静压（HIP）通过消除孔隙、提高致密度，显著改善疲劳与蠕变性能。
热处理通常包括 950–970°C 的固溶退火以及 500–540°C 的时效处理，以获得最佳抗蠕变强度。
高温合金焊接在氩气保护下完成结构装配，并通过焊后消除应力以满足航空级完整性要求。
热障涂层（TBC）可保护 TC11 零件在氧化与热循环环境（如涡轮机匣）中长期运行。
CNC 加工可实现 ±0.01 mm 公差及低 Ra 表面质量，适用于关键旋转部件。
电火花加工（EDM）适用于硬化及厚壁零件的高精度特征加工。
深孔钻削可支持 L/D ＞30:1，并在高温冷却部件中实现 Ra ≤1.6 µm。
材料测试包括蠕变试验、相分析、SEM 成像以及超声无损检测，确保结构可靠性。
材料测试与分析
TC11 零件需在高温条件下进行拉伸与蠕变测试，并通过 SEM 进行显微组织表征，同时依据 GB、AMS 及航空航天标准实施超声探伤检测。
