Ti-5Al-2.5Sn（Grade 6）
Ti-5Al-2.5Sn（6级）简介
Ti-5Al-2.5Sn，被指定为 6 级钛合金，是一种近 α 钛合金，兼具中等强度、优异的可焊性以及卓越的抗蠕变性能。该合金专为航空航天、海洋及电力发电等环境中的高温服役而设计。
得益于其热稳定性以及在氧化性气氛中的稳定表现，Ti-5Al-2.5Sn 是关键 CNC 加工钛合金零件 的可靠选择。高性能 CNC 加工服务 可用于制造具备卓越尺寸精度的精密零部件，即使面对复杂的薄壁航空结构亦能满足要求。
Ti-5Al-2.5Sn（6级）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 | 提供耐腐蚀性与结构稳定性 |
铝（Al） | 4.5–5.5 | α 稳定元素，提高强度与抗氧化性 |
锡（Sn） | 2.0–3.0 | 提升抗蠕变与抗热疲劳性能 |
氧（O） | ≤0.15 | 强化基体但会影响延展性 |
铁（Fe） | ≤0.30 | 残余元素 |
氢（H） | ≤0.015 | 需受控以防止氢脆 |
物理性能
性能 | 典型值 | 测试标准/条件 |
|---|---|---|
密度 | 4.54 g/cm³ | ASTM B311 |
熔化温度范围 | 1600–1650°C | ASTM E1268 |
导热系数 | 7.1 W/m·K（100°C） | ASTM E1225 |
电阻率 | 1.60 µΩ·m（20°C） | ASTM B193 |
热膨胀系数 | 8.3 µm/m·°C | ASTM E228 |
比热容 | 565 J/kg·K（20°C） | ASTM E1269 |
弹性模量 | 110 GPa | ASTM E111 |
力学性能（退火态）
性能 | 典型值 | 测试标准 |
|---|---|---|
抗拉强度 | 745–860 MPa | ASTM E8/E8M |
屈服强度（0.2%） | 690–790 MPa | ASTM E8/E8M |
延伸率 | ≥10% | ASTM E8/E8M |
硬度 | 280–320 HB | ASTM E10 |
抗蠕变性能 | 优异 | ASTM E139 |
抗疲劳性能 | 高 | ASTM E466 |
Ti-5Al-2.5Sn（6级）的关键特性
优异的高温服役性能：在最高 450°C 仍能保持力学强度与抗蠕变能力，非常适合喷气发动机导管和加力燃烧室结构件。
卓越的可焊性：6 级合金具有优良的焊接完整性，且力学性能衰减不明显——适用于压力容器与航空管路。
热稳定性：热膨胀系数低（8.3 µm/m·°C），并具备较高的抗热疲劳能力，可在高循环热载荷环境中保持稳定表现。
抗氧化性：稳定形成的 TiO₂ 表面保护膜，可在热燃气与海洋大气环境中防止氧化皮生成与腐蚀。
6级钛合金的 CNC 加工挑战与解决方案
加工挑战
高韧性与低导热性：高韧性叠加仅 7.1 W/m·K 的导热系数，会导致切削区热量过度集中，从而加速刀具磨损。
加工硬化行为：当切屑负载不足时，Ti-5Al-2.5Sn 在加工过程中易发生加工硬化，影响刀具寿命与表面质量。
刀具粘附风险：高温下容易形成积屑瘤（BUE），影响加工精度并增加咬粘风险。
尺寸精度控制：弹性恢复与回弹（弹性模量约 110 GPa）要求进行补偿，才能在精密特征上保持尺寸一致性。
优化加工策略
刀具选择
参数 | 推荐方案 | 原因说明 |
|---|---|---|
刀具材料 | 硬质合金或 CBN 刀片 | 适用于高温条件下的耐磨需求 |
涂层 | AlTiN 或 TiAlSiN（3–5 µm PVD） | 降低粘附并减少热相关失效 |
几何结构 | 锋利前角，刃口修磨 | 降低切削力并增强排屑能力 |
切削速度 | 20–60 m/min | 平衡热负荷与表面质量 |
进给量 | 0.10–0.25 mm/rev | 确保形成合适切屑 |
冷却方式 | 高压乳化液 ≥100 bar | 防止热积聚并降低摩擦 |
Ti-5Al-2.5Sn（6级）切削参数（符合 ISO 3685）
工序 | 速度（m/min） | 进给（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（内冷） |
精加工 | 45–65 | 0.05–0.10 | 0.2–0.5 | 100–150 |
6级钛合金零件的表面处理
热等静压（HIP） 可提高零件致密度并消除内部孔隙，从而增强涡轮与推进系统部件的疲劳性能。
热处理 通常包含约 600°C 的去应力与时效过程，以优化抗蠕变能力和尺寸稳定性。
高温合金焊接 可在额定压力的航空系统中实现全强度焊缝，并将气孔与裂纹风险降至最低。
热障涂层（TBC） 可在喷气发动机尾喷、或化工反应器等工况中，为 6 级零件提供抗氧化与抗热疲劳保护。
CNC 加工 可实现 ±0.01 mm 精度，对发动机导管、控制壳体以及精密航空管路的制造至关重要。
电火花加工（EDM） 可在不引入热应力的情况下加工精密孔与冷却通道。
深孔钻削 可实现高 L/D 比并保证孔直线度 <0.3 mm/m、表面粗糙度 Ra ≤ 1.6 µm，适用于压力管路与导管系统。
材料测试 包括蠕变断裂验证、SEM 显微组织复核以及超声缺陷检测，用于质量保证。
材料测试与分析
6 级零件需进行高温拉伸试验、蠕变评估、疲劳寿命测试以及 XRD/SEM 分析，以确保其在航空航天、核工业与海洋服役条件下的结构完整性。
