Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo（Grade 7）
Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo（7级）简介
Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo，通常称为 7 级钛合金，是一种高强度 α-β 型合金，专为高温服役而设计。该合金具备优异的抗蠕变能力、良好的可焊性以及出色的耐腐蚀性，广泛应用于航空航天涡轮部件和先进推进系统。
其结构稳定性以及在氧化性环境中的性能表现，使 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo 非常适合用于精密 CNC 加工钛合金零件。制造商依赖高精度 CNC 加工服务 来满足关键任务部件的严苛公差要求，这些部件往往承受循环应力与极端高温。
Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo（7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 | 提供结构完整性与耐腐蚀性 |
铝（Al） | 5.5–6.5 | α 稳定元素，提高高温强度 |
锡（Sn） | 1.8–2.5 | 增强抗蠕变能力与热稳定性 |
锆（Zr） | 3.6–4.5 | 提高抗氧化能力 |
钼（Mo） | 5.5–6.5 | β 稳定元素，提高淬透性与疲劳强度 |
硅（Si） | ≤0.25 | 改善抗蠕变性能 |
氧（O） | ≤0.15 | 间隙强化元素 |
铁（Fe） | ≤0.30 | 残余元素 |
氢（H） | ≤0.015 | 受控以防止氢脆 |
物理性能
性能 | 典型值 | 测试标准/条件 |
|---|---|---|
密度 | 4.65 g/cm³ | ASTM B311 |
熔化温度范围 | 1600–1670°C | ASTM E1268 |
导热系数 | 6.4 W/m·K（100°C） | ASTM E1225 |
电阻率 | 1.68 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 | 112 GPa | ASTM E111 |
力学性能（退火态）
性能 | 典型值 | 测试标准 |
|---|---|---|
抗拉强度 | 895–1000 MPa | ASTM E8/E8M |
屈服强度（0.2%） | 825–900 MPa | ASTM E8/E8M |
延伸率 | ≥10% | ASTM E8/E8M |
硬度 | 320–360 HB | ASTM E10 |
抗蠕变性能 | 优异 | ASTM E139 |
抗疲劳性能 | 高 | ASTM E466 |
Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo（7级）的关键特性
卓越的抗蠕变强度：可在最高 500°C 的长期暴露条件下保持稳定性能，非常适合涡轮发动机与隔热防护结构。
高温抗疲劳性能：专为热-机械循环载荷工况设计，7 级合金在喷气发动机与加力燃烧室环境中表现尤为突出。
耐腐蚀与抗氧化能力：Sn 与 Zr 的加入促进形成致密氧化层，使其在氧化性气氛中具备优异的抗氧化皮剥落能力。
良好的可焊性：尽管合金化程度较高，Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo 仍可可靠焊接，并可通过焊后热处理保持强度与组织稳定。
7级钛合金的 CNC 加工挑战与解决方案
加工挑战
高强度与低导热性：强度接近 1000 MPa 且导热系数仅 6.4 W/m·K，使切削过程中必须进行严格的热管理。
强烈的加工硬化：若切屑负载不足，该合金会快速加工硬化，可能导致刀具损伤与尺寸精度下降。
刀具粘附与刃口磨损：材料易粘附刀具并造成磨粒磨损，尤其在未涂层刀片上更为明显。
回弹与弹性恢复：较高的弹性模量（112 GPa）会带来弹性挠曲，使精加工走刀的形状控制更具挑战。
优化加工策略
刀具选择
参数 | 推荐方案 | 原因说明 |
|---|---|---|
刀具材料 | 亚微米硬质合金或 CBN 刀片 | 适合高韧性合金并具备良好耐热性 |
涂层 | AlTiN 或 TiSiN（3–5 µm PVD） | 增强热防护并降低咬粘 |
几何结构 | 正前角，刃口修磨 | 降低切削力并减少切屑粘附 |
切削速度 | 20–50 m/min | 降低切削热与刀具磨损 |
进给量 | 0.08–0.20 mm/rev | 维持切屑厚度稳定 |
冷却方式 | 高压乳化液 ≥100 bar | 增强冷却与排屑能力 |
Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo（7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 |
7级钛合金零件的表面处理
热等静压（HIP） 可消除内部孔隙，并提升涡轮结构件的力学强度与疲劳寿命。
热处理 可通过在 550–650°C 时效 2–8 小时，提高抗蠕变性能与相稳定性。
高温合金焊接 可使用兼容的 Ti-6-2-4-6 焊丝实现可靠连接，适用于压力系统与航空装配结构。
热障涂层（TBC） 可保护 7 级零件在发动机与反应器中抵御热氧化与火焰冲刷。
CNC 加工 可实现高公差精密制造，适用于涡轮环、导管与热端部件，精度可达 ±0.01 mm。
电火花加工（EDM） 可在不产生热影响区的前提下，确保复杂特征与薄壁结构的精密加工。
深孔钻削 可用于加工冷却通道等高 L/D 比孔系，并保证孔直线度 <0.3 mm/m、表面粗糙度 Ra ≤ 1.6 µm。
材料测试 包括 SEM、蠕变测试、超声无损检测（NDT）以及相稳定性评估，以满足航空航天与能源行业规范。
材料测试与分析
验证内容包括高温力学性能测试、蠕变断裂分析、XRD 相评估，以及符合航空标准的全流程超声或涡流检测。
