Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo（4级钛合金）
Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo（4级）简介
Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo，也被称为航空钛合金体系中的 4 级钛合金，是一种近 α 钛合金，旨在提供优异的高温强度、热稳定性和耐腐蚀性。该合金广泛应用于燃气涡轮、机体结构以及其他需要在高温环境下长期保持性能的场景。
其可靠的力学稳定性与抗氧化能力，使其成为高规格 CNC 加工钛合金零件 的优选材料。对于在极端环境中需要严苛公差与尺寸控制的应用，制造商依赖先进的 CNC 加工服务 来生产 4 级钛合金的精密零部件。
Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo（4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 | 基体元素，具备耐腐蚀与耐热性能 |
铝（Al） | 5.5–6.5 | α 稳定元素，提高高温强度 |
锡（Sn） | 1.8–2.5 | 提升抗蠕变性能 |
锆（Zr） | 3.6–4.5 | 增强抗氧化性与强度 |
钼（Mo） | 1.8–2.5 | β 稳定元素，提高淬透性 |
硅（Si） | ≤0.25 | 强化基体并提高抗蠕变能力 |
氧（O） | ≤0.15 | 提高强度但会影响延展性 |
铁（Fe） | ≤0.30 | 残余元素 |
氢（H） | ≤0.015 | 受控以避免氢脆 |
物理性能
性能 | 典型值 | 测试标准/条件 |
|---|---|---|
密度 | 4.55 g/cm³ | ASTM B311 |
熔化温度范围 | 1600–1660°C | ASTM E1268 |
导热系数 | 6.8 W/m·K（100°C） | ASTM E1225 |
电阻率 | 1.62 µΩ·m（20°C） | ASTM B193 |
热膨胀系数 | 8.5 µm/m·°C | ASTM E228 |
比热容 | 570 J/kg·K（20°C） | ASTM E1269 |
弹性模量 | 108 GPa | ASTM E111 |
力学性能（退火态）
性能 | 典型值 | 测试标准 |
|---|---|---|
抗拉强度 | 860–980 MPa | ASTM E8/E8M |
屈服强度（0.2%） | 790–900 MPa | ASTM E8/E8M |
延伸率 | ≥10% | ASTM E8/E8M |
硬度 | 300–340 HB | ASTM E10 |
抗蠕变性能 | 优异 | ASTM E139 |
抗疲劳性能 | 高 | ASTM E466 |
Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo（4级）的关键特性
高温强度：4 级合金在最高 500°C 仍能保持较高强度和抗蠕变能力，适用于燃气涡轮发动机、机体结构和隔热罩等部件。
优异的抗氧化性：添加 Zr 与 Sn 有助于形成稳定的氧化膜，确保其在高温且富氧环境中的长期耐久性。
抗热疲劳能力：合金元素配比使其在反复加热与冷却的循环工况下仍保持稳定，这对航空航天和发电领域关键部件至关重要。
良好的可焊性与稳定性：尽管属于近 α 合金，但其易于焊接，并在热循环后仍能保持相平衡，适用于高压装配结构。
4级钛合金的 CNC 加工挑战与解决方案
加工挑战
加工硬化速率高：4 级合金在刀具接触过程中容易发生加工硬化，需要优化切屑负载与刀具锋利度，以避免表面变形。
导热性差：导热系数仅 6.8 W/m·K，热量易滞留在刀具-切屑界面，缩短刀具寿命并增加热变形风险。
刀具磨损与粘刀：强氧化膜生成及富 β 区域会加速磨损并促进切屑粘附，影响表面质量。
弹性恢复：弹性模量为 108 GPa，合金存在可观回弹，尤其在薄壁零件和精加工工序中更明显。
优化加工策略
刀具选择
参数 | 推荐方案 | 原因说明 |
|---|---|---|
刀具材料 | 细晶粒硬质合金或陶瓷刀片 | 强度高、耐热性好 |
涂层 | AlTiN 或 TiSiN（3–5 µm） | 减少积屑瘤并提升刀具寿命 |
几何结构 | 锋利刃口，高前角 | 降低切削力与热输入 |
切削速度 | 25–60 m/min | 防止过热与表面硬化 |
进给量 | 0.10–0.25 mm/rev | 利于形成切屑并避免抛光效应 |
冷却方式 | 乳化液冷却，≥100 bar | 实现有效冷却与排屑 |
Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo（4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 |
4级钛合金零件的表面处理
热等静压（HIP） 可致密化内部微孔并提高疲劳寿命，尤其适用于飞行关键部件。
热处理 通常包含 600–675°C 的时效过程，用于提升涡轮硬件的抗蠕变性能与尺寸稳定性。
高温合金焊接 使用兼容焊丝可实现全强度熔焊，适用于航空航天与推进系统装配。
热障涂层（TBC） 为喷气发动机及高温反应装置部件提供抗氧化与抗热疲劳保护。
CNC 加工 可实现 ±0.01 mm 的公差控制，非常适合飞行硬件、高性能法兰与支架等零件。
电火花加工（EDM） 可在热处理后的零件上加工喷孔、深腔等高精度特征。
深孔钻削 可实现 L/D > 30:1 的孔深加工，并在结构与冷却部件中达到表面粗糙度 Ra ≤ 1.6 µm。
材料测试 包括拉伸、蠕变断裂、SEM 显微组织与超声无损检测（NDT），满足航空质量标准要求。
材料测试与分析
4 级合金的材料验证包括高温拉伸试验、蠕变断裂评估、显微硬度、XRD 以及金相分析，以确保符合航空航天与核工业标准。
Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo（4级）的行业应用
航空航天：发动机机匣、加力燃烧室部件以及在 400°C 以上工作的喷口硬件。
电力与发电：燃气涡轮叶片、排气导管以及高压燃烧室部件。
国防系统：用于承受高温的航空结构连接件与推进系统内衬等部件。
工业设备：在腐蚀与热循环环境下工作的换热器与高压密封件。
航空紧固件：用于高循环疲劳与高热载区域的螺栓与法兰系统。
