Ti-4Al-2V
Ti-4Al-2V 简介
Ti-4Al-2V 是一种近 α 型钛合金，面向高性能结构应用而设计，兼具中等强度、优异的耐腐蚀性以及可靠的热稳定性。与 Ti-6Al-4V 相比，其钒和铝含量更低，因此焊接性与成形性更好，尤其适用于厚壁截面与承压类零部件。
Ti-4Al-2V 适用于制造高精度的CNC 钛合金零件加工，满足紧公差与长期稳定的力学性能需求。借助先进的CNC 加工服务，Ti-4Al-2V 零件常用于海洋、航空航天、发电及医疗等领域，在这些应用中中等强度与耐腐蚀性至关重要。
Ti-4Al-2V 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 | 基体元素，提供优异耐腐蚀性 |
铝（Al） | 3.8–4.2 | α 稳定元素，提高强度与抗氧化性 |
钒（V） | 1.8–2.2 | β 稳定元素，提高韧性与淬透性 |
氧（O） | ≤0.15 | 贡献强度；需控制以保证延展性 |
铁（Fe） | ≤0.30 | 残余元素 |
氢（H） | ≤0.015 | 低含量以防止脆化 |
碳（C） | ≤0.08 | 残余元素 |
氮（N） | ≤0.03 | 残余元素 |
物理性能
性能 | 典型值 | 测试标准/条件 |
|---|---|---|
密度 | 4.46 g/cm³ | ASTM B311 |
熔化温度范围 | 1610–1660°C | ASTM E1268 |
导热系数 | 6.5 W/m·K（100°C） | ASTM E1225 |
电阻率 | 1.66 µΩ·m（20°C） | ASTM B193 |
热膨胀系数 | 8.7 µm/m·°C | ASTM E228 |
比热容 | 560 J/kg·K（20°C） | ASTM E1269 |
弹性模量 | 114 GPa | ASTM E111 |
力学性能（退火状态）
性能 | 典型值 | 测试标准 |
|---|---|---|
抗拉强度 | 780–850 MPa | ASTM E8/E8M |
屈服强度（0.2%） | 730–800 MPa | ASTM E8/E8M |
延伸率 | ≥14% | ASTM E8/E8M |
硬度 | 260–300 HB | ASTM E10 |
抗蠕变性能 | 在 400°C 以下表现良好 | ASTM E139 |
抗疲劳性能 | 中等至较高 | ASTM E466 |
Ti-4Al-2V 的关键特性
良好的焊接性与可制造性：相比高合金化牌号焊接性更好，装配与成形过程中开裂倾向更低。
优异的耐腐蚀性：可形成稳定氧化膜，适用于海洋与化工环境。
中等高温强度：在结构应用中可在 400°C 以下保持良好性能，如涡轮机匣或承压壳体。
更好的尺寸稳定性：在承载零件中表现优异，热循环过程中变形小。
Ti-4Al-2V 的 CNC 加工挑战与解决方案
加工挑战
咬合与摩擦：钛的化学活性较强，在润滑不足时易与刀具发生粘结。
热敏感性：导热系数低使热量集中在切削区，影响刀具寿命与表面质量。
刀具磨损：尽管合金化程度低于 Ti-6Al-4V，但若冷却不足或参数未优化，仍会出现明显刀具磨损。
弹性回复：中等弹性模量导致精加工末刀出现回弹，影响公差控制。
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（K30） | 在热应力条件下具备耐磨性 |
涂层 | AlTiN 或 TiCN | 降低摩擦并保护刀具刃口 |
几何形状 | 锋利前角，修磨刃口（~0.05 mm） | 降低切削力并改善排屑 |
切削速度 | 20–45 m/min | 防止热量过度积聚 |
进给量 | 0.10–0.20 mm/rev | 有助于避免加工硬化 |
冷却方式 | 高压刀具内冷（≥100 bar） | 确保散热并保持切削区洁净 |
Ti-4Al-2V 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 |
Ti-4Al-2V 钛合金零件的表面处理
热等静压（HIP）可消除内部孔隙并提升结构类航空零件的抗疲劳性能。
热处理可在焊接或冷成形后提升力学强度并进行应力消除，通常在 700–800°C 进行。
高温合金焊接可实现高完整性连接，并通过焊后热处理恢复延展性。
热障涂层（TBC）可保护部件在涡轮与工业环境中的热循环工况。
CNC 加工可为航空、海洋与能源应用制造高精度、紧公差的特征结构。
电火花加工（EDM）可在硬化区或薄壁区域实现精密加工，且不易引入热变形。
深孔钻削可加工 L/D >30:1 的细长孔，并实现表面粗糙度 Ra ≤1.6 µm。
材料测试包括 SEM/EDS 分析、蠕变与疲劳测试，以及按 AMS 与 GB 标准进行的超声探伤检测。
材料测试与分析
Ti-4Al-2V 零件通过拉伸与蠕变测试、SEM/XRD 相组织验证、硬度剖面分析以及超声无损检测（NDT）进行验证，以确保满足航空与能源级可靠性要求。
