Ti-6Al-4V（TC4）
钛合金 Ti-6Al-4V（TC4）简介
Ti-6Al-4V（又称 TC4 / Grade 5 Titanium）是一种 α+β 型钛合金，典型成分为 6% 铝（Al）与 4% 钒（V）。它是应用最广泛的钛合金之一，凭借出色的强度、耐腐蚀性与热稳定性，在航空航天、国防、赛车以及医疗等行业被大量采用。
TC4 的高性能特征使其成为关键零件的首选材料，常用于 CNC 加工服务 制造高精度组件。得益于其平衡的力学与热学性能，采用 TC4 制造的 CNC 加工钛合金零件 能在极端工况下提供稳定可靠的服役表现。
Ti-6Al-4V（TC4）的化学、物理与机械性能
化学成分（典型）
元素 | 含量范围（wt.%） | 主要作用 |
|---|---|---|
钛（Ti） | 余量（~90） | 基体，提供耐腐蚀性 |
铝（Al） | 5.5–6.75 | α 相稳定元素，提高强度 |
钒（V） | 3.5–4.5 | β 相稳定元素，提高韧性与淬透性 |
铁（Fe） | ≤0.40 | 残余元素，影响强度 |
氧（O） | ≤0.20 | 提高强度，但会降低延性 |
碳（C） | ≤0.08 | 细化晶粒，提高耐磨性 |
氮（N） | ≤0.05 | 残余元素，提高硬度 |
氢（H） | ≤0.015 | 需控制以避免氢脆 |
物理性能
性能 | 典型值 | 测试标准/条件 |
|---|---|---|
密度 | 4.43 g/cm³ | ASTM B311 |
熔点范围 | 1604–1660°C | ASTM E1268 |
导热系数 | 6.7 W/m·K（100°C） | ASTM E1225 |
电阻率 | 1.71 µΩ·m（20°C） | ASTM B193 |
热膨胀系数 | 8.6 µm/m·°C | ASTM E228 |
比热容 | 560 J/kg·K（20°C） | ASTM E1269 |
弹性模量 | 113.8 GPa | ASTM E111 |
机械性能（退火状态）
性能 | 典型值 | 测试标准 |
|---|---|---|
抗拉强度 | 895–960 MPa | ASTM E8/E8M |
屈服强度（0.2%） | 830–900 MPa | ASTM E8/E8M |
延伸率 | ≥10% | ASTM E8/E8M |
硬度 | 330–360 HB | ASTM E10 |
抗蠕变性能 | 高 | ASTM E139 |
疲劳性能 | 优秀 | ASTM E466 |
Ti-6Al-4V（TC4）的关键特性
高比强度：在密度仅 4.43 g/cm³ 的情况下，TC4 抗拉强度可达 960 MPa，适用于航空结构件、紧固件与高性能零件的轻量化设计。
优异的耐腐蚀与抗氧化能力：表面钛氧化膜具有良好钝化保护作用，使 TC4 在氯化物、海洋及轻度酸性介质中具备稳定耐腐蚀性；在空气中可在约 400°C 连续服役。
热稳定性与抗蠕变能力：在中高温条件下仍能保持较好的机械完整性（连续服役温度约可达 400°C），适用于发动机周边件与高温连接结构。
可焊性与生物相容性：可采用 TIG/MIG 等方式焊接，且无毒、生物相容性好，既可用于航空承力结构，也常用于长期植入的医疗器械。
Ti-6Al-4V（TC4）的 CNC 加工挑战与解决方案
加工挑战
导热性极低：导热系数仅约 6.7 W/m·K，切削热集中在刀尖，容易导致刀具快速磨损与尺寸漂移。
加工硬化明显：若切屑厚度不足或刀具钝化，刀路下方易形成硬化层，后续加工切削力上升、表面质量下降。
刀具磨损严重：金属间化合物与氧化层会诱发崩刃、月牙洼磨损，干切或冷却不足时更明显。
弹性回弹带来的变形：弹性模量约 113.8 GPa，薄壁/长悬伸结构易挠曲并回弹，增加形位与尺寸控制难度。
优化加工策略
刀具选择
参数 | 推荐方案 | 原因说明 |
|---|---|---|
刀具材料 | 涂层硬质合金或陶瓷刀片 | 耐高温与抗磨粒磨损能力更强 |
涂层 | AlTiN 或 TiSiN（PVD，3–5 µm） | 增强热障能力并减少积屑瘤 |
几何参数 | 锋利刃口、正前角 | 降低切削力与热输入 |
切削速度 | 粗加工 30–70 m/min；精加工 50–100 m/min | 控制硬化趋势并兼顾刀具寿命 |
进给量 | 0.05–0.25 mm/rev | 保持稳定切屑厚度，避免“抛光式摩擦” |
冷却方式 | 乳化液高压冷却 100–150 bar | 强化控温与排屑，降低刃口热负荷 |
Ti-6Al-4V（TC4）切削参数（符合 ISO 3685）
工序 | 速度（m/min） | 进给（mm/rev） | 切削深度（mm） | 冷却液压力（bar） |
|---|---|---|---|---|
粗加工 | 20–30 | 0.15–0.25 | 2.0–3.0 | 70–100（内冷） |
精加工 | 50–80 | 0.05–0.10 | 0.2–0.5 | 100–150 |
TC4 零件的后处理与表面工程
热等静压（HIP）可通过消除内部孔隙提高疲劳寿命，对压力容器与航空壳体类零件尤为关键。
热处理可进行 700–850°C 的退火/时效，以优化抗拉性能并释放加工应力，提升高载荷零件的稳定性。
高温合金焊接适用于 TC4 航空装配结构，可选用 Ti-6Al-4V 焊丝与母材成分匹配，以获得可靠焊缝性能。
热障涂层（TBC）（如 YSZ 陶瓷层）可提升高温氧化防护能力，适用于发动机或排气部件在更高温区间服役的需求。
CNC 加工可实现 TC4 航空与医疗级零件的精密几何形状，加工尺寸公差可控制在 <±0.01 mm（视结构与工艺而定）。
电火花加工（EDM）适合加工 TC4 的微孔、狭槽等复杂特征，在机械切削易引发崩刃或热损伤的场景更有优势。
深孔钻削可实现高长径比通道，适用于喷油嘴与流体通道结构，并可获得较好的内壁粗糙度（如 Ra ≤ 1.6 µm，依工艺配置而定）。
材料测试（疲劳、硬度、SEM 组织、超声探伤等）用于验证 TC4 关键零件的组织与缺陷水平，确保结构完整性。
材料测试与分析
Ti-6Al-4V 的常用测试包括硬度复验、疲劳寿命评估、常温/高温拉伸性能测试，以及按 ASTM/ISO 航空标准实施的无损检测（如超声、渗透等），用于确认材料与零件的一致性与可靠性。
Ti-6Al-4V（TC4）的行业应用
航空航天：发动机周边件、起落架相关零件、结构框架与机体连接件等，依赖其高比强度与耐腐蚀性实现轻量化与可靠性。
国防：装甲防护、导弹壳体、无人机结构等，需要在冲击与复杂工况下保持轻质高强与耐久性。
医疗：骨科植入物、脊柱内固定系统与口腔修复件等，依赖其生物相容性与良好的骨整合表现。
赛车：气门弹簧、悬架部件与排气系统等，追求轻量化与热疲劳耐受能力。
能源：燃气轮机部件、换热器管路与化工装置零件等，利用其耐腐蚀与抗蠕变能力提高服役寿命。
