Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al（Ti-15-3）
Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al（Ti-15-3）简介
Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al，通常简称为 Ti-15-3，是一种亚稳 β 型钛合金，专为航空航天与高性能工业应用开发。它以高强度/重量比、优异的冷成形性能以及热处理后出色的韧性而著称。除精密 CNC 加工外，Ti-15-3 尤其适用于辊压成形、超塑性成形和冷深拉等工艺。
由于其在固溶处理状态下具有优良的可加工性，Ti-15-3 是制造高性能CNC 钛合金零件加工的理想选择。这些零件通过先进的CNC 加工服务制造，常见于航空机体框架、发动机支撑件，以及对高强度与抗疲劳性能要求严格的精密部件。
Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al（Ti-15-3）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 | 提供结构基体并具备耐腐蚀性 |
钒（V） | 14.0–16.0 | β 稳定元素，提高强度与淬透性 |
铬（Cr） | 2.5–3.5 | 提高抗氧化性与抗蠕变性能 |
锡（Sn） | 2.5–3.5 | 提升热稳定性与强度 |
铝（Al） | 2.5–3.5 | 增强抗疲劳性能并有助于相组织控制 |
氧（O） | ≤0.13 | 提高强度；需控制以保证延展性 |
氢（H） | ≤0.015 | 限制含量以避免脆化 |
碳（C） | ≤0.08 | 残余元素 |
铁（Fe） | ≤0.30 | 残余元素 |
物理性能
性能 | 典型值 | 测试标准/条件 |
|---|---|---|
密度 | 4.66 g/cm³ | ASTM B311 |
熔化温度范围 | 1590–1650°C | ASTM E1268 |
导热系数 | 6.6 W/m·K（100°C） | ASTM E1225 |
电阻率 | 1.68 µΩ·m（20°C） | ASTM B193 |
热膨胀系数 | 8.6 µm/m·°C | ASTM E228 |
比热容 | 550 J/kg·K（20°C） | ASTM E1269 |
弹性模量 | 105 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 | 1000–1200 MPa | ASTM E8/E8M |
屈服强度（0.2%） | 950–1150 MPa | ASTM E8/E8M |
延伸率 | ≥8% | ASTM E8/E8M |
硬度 | 330–360 HB | ASTM E10 |
抗疲劳性能 | 高 | ASTM E466 |
冷成形性能 | 优异 | ASTM F1162 |
Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al（Ti-15-3）的关键特性
高强度与轻量化：Ti-15-3 的抗拉强度可超过 1000 MPa，而重量仅约为钢的近一半，非常适合航空结构件。
优异的冷加工性能：与多数钛合金不同，Ti-15-3 可在不产生开裂的情况下冷成形为复杂几何形状，减少制造工序。
出色的抗疲劳性能：在循环载荷下仍能保持稳定力学性能，特别适用于飞机蒙皮与支架类零件。
良好的热处理性能：可通过完整热处理对强度、韧性与疲劳寿命进行精细调控。
Ti-15-3 钛合金 CNC 加工的挑战与解决方案
加工挑战
刀具磨损：尽管比 α 或 α-β 钛合金更易加工，但在干切削或润滑不足条件下，Ti-15-3 仍会对未涂层刀具造成磨粒磨损。
导热系数低：热量集中在刀具-工件界面，若缺少高压冷却，易导致刀具过早劣化。
弹性回复：弹性模量为 105 GPa，切削后的回弹会影响紧公差零件的尺寸精度。
加工硬化：需要锋利刀具与合适进给，以降低硬化倾向并控制表面粗糙度。
优化加工策略
刀具选择
参数 | 推荐方案 | 原因说明 |
|---|---|---|
刀具材料 | 硬质合金（K20/K30 牌号） | 具备耐磨与耐热的综合耐久性 |
涂层 | AlTiN 或 TiCN | 抗氧化并减少咬合/粘结 |
几何形状 | 正前角，修磨刃口 | 降低应力集中与毛刺生成 |
切削速度 | 25–50 m/min | 平衡热量与材料去除效率 |
进给量 | 0.10–0.25 mm/rev | 实现干净剪切并降低振动 |
冷却方式 | 刀具内冷乳化液 ≥100 bar | 确保热管理并延长刀具寿命 |
Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al（Ti-15-3）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 | 40–55 | 0.05–0.10 | 0.2–0.5 | 100–150 |
Ti-15-3 钛合金零件的表面处理
热等静压（HIP）可提升疲劳强度并消除内部空洞，从而提高结构完整性。
热处理通常在约 800°C 进行固溶处理，随后在 480–540°C 时效，以获得最大的强度与延展性。
高温合金焊接可实现可靠装配，并通过焊后热处理恢复材料性能。
热障涂层（TBC）可在高温循环环境中提供保护，尤其适用于航空航天系统。
CNC 加工可支持 ±0.01 mm 公差，适用于飞机支架、控制连杆与结构肋等零件。
电火花加工（EDM）可在时效态或难加工硬态零件上实现精密微特征加工。
深孔钻削可实现直孔加工，满足 Ra ≤1.6 µm 与 L/D >30:1，适用于航空航天与工装应用。
材料测试包括显微组织验证、硬度剖面分析、疲劳测试以及按 AMS 标准进行的无损检测（NDT）。
材料测试与分析
Ti-15-3 零件需进行疲劳测试、相组织验证（SEM/XRD）、时效后拉伸测试，并通过超声无损检测（NDT）验证材料性能，以满足可用于飞行与高载荷工况的部件要求。
