Технологии обработки и контроля целостности поверхности титановых сплавов для аэрокосмической отрасли

Анализ процессов обработки титановых сплавов на основе характеристик обработки, инструментов, приспособлений и параметров резания с введением методов контроля целостности поверхности

Старший инженер Хуан Цян

1. Введение

В последние годы спрос на титановые сплавы в авиационной промышленности значительно вырос. Титановые сплавы широко используются в больших самолетах. Являясь превосходным материалом для производства самолетов и двигателей, титановые сплавы обладают высокой конструкционной прочностью, малым весом и хорошей коррозионной стойкостью. Обрабатываемость титановых сплавов часто приводит к плохой целостности поверхности заготовки после обработки. Ниже представлены методы обработки и технологии контроля целостности поверхности для авиационных титановых сплавов с точки зрения характеристик обработки, режущих инструментов, выбора приспособлений и параметров резания.

2. Характеристики и применение титановых сплавов

В авиационной промышленности титановые сплавы в основном используются для производства таких компонентов, как диски компрессоров двигателей, полые лопатки вентиляторов, диски турбин и корпуса, а также конструктивных элементов, таких как шасси больших самолетов, секции внешних крыльев, обшивка фюзеляжа, двери, гидравлические системы и секции задней части фюзеляжа. В настоящее время доля использования титановых сплавов в авиационной промышленности увеличилась с 6% до более чем 15%. В самолете Boeing 777 используется 7%–9% деталей из титанового сплава; для достижения 20% снижения расхода топлива было инвестировано около 2 миллиардов юаней в разработку Boeing 787 специально для исследования замены алюминиевых сплавов титановыми сплавами в определенных частях самолета, в результате чего содержание титанового сплава в планере Boeing 787 составило 15%. В отечественных проектах по созданию больших самолетов использование титановых сплавов постепенно увеличилось с 4,8% в региональном самолете ARJ21 до более чем 9% в магистральном лайнере C919.

Потребности в облегчении конструкции и высокой прочности в авиационной области делают ее все более зависимой от титановых сплавов. В зависимости от прочности и высокотемпературных характеристик титановые сплавы можно разделить на α-титановые сплавы, β-титановые сплавы, α+β-титановые сплавы и титано-алюминиевые интерметаллические соединения, среди которых α+β-титановые сплавы (например, Ti6Al4V) являются наиболее широко используемыми. α-титановые сплавы обладают хорошей термической свариваемостью и высокой стойкостью к окислению, но средней прочностью; β-титановые сплавы имеют лучшую ковкость, холодную формуемость и способность к упрочнению термической обработкой; α+β-титановые сплавы обладают хорошей прочностью, свариваемостью и могут быть упрочнены термической обработкой, а также имеют хорошую усталостную прочность.

Материальный состав Ti6Al4V в основном включает Ti, Al, V, Fe, O, C, Si, Cu и небольшое количество N, H, B и Y. Титановые сплавы обладают превосходными комплексными механическими свойствами, низкой плотностью и хорошей коррозионной стойкостью. Как высокопрочный сплав, они постоянно продвигаются для использования в авиационных двигателях и авиационной промышленности. Однако высокие температуры и большие силы резания при обработке титановых сплавов приводят к сильному наклепу на обработанной поверхности, усугубляя износ инструмента и приводя к плохой обрабатываемости. Эти факторы неблагоприятно влияют на достижение хорошего качества поверхности и влияют на срок службы компонентов из титанового сплава и производительность двигателя. Ниже, используя Ti6Al4V в качестве объекта исследования и объединяя опыт, накопленный в производственной практике, представлены характеристики резания, методы обработки и методы контроля поверхности для деталей из титанового сплава.

3. Методы обработки титановых сплавов

3.1 Выбор инструмента

Материалы инструментов для обработки титановых сплавов должны обладать такими характеристиками, как хорошая прочность, твердость при нагреве, теплоотвод и износостойкость. Кроме того, инструменты должны соответствовать таким требованиям, как острые режущие кромки и гладкая поверхность. При обработке титановых сплавов предпочтительны твердосплавные инструменты с хорошей теплопроводностью и высокой прочностью, имеющие малый передний угол и большой задний угол. Чтобы предотвратить сколы и поломку кончика инструмента, режущая кромка на кончике должна иметь закругленный переход. Режущая кромка должна оставаться острой во время обработки, чтобы облегчить своевременное удаление стружки и избежать прилипания стружки.

При обработке титановых сплавов, чтобы предотвратить реакции сродства между подложкой/покрытием инструмента и титановым сплавом, которые ускорили бы износ инструмента, титансодержащие твердые сплавы и инструменты с титановым покрытием обычно избегают. Многолетний опыт производственной практики показал, что, хотя титансодержащие твердосплавные инструменты подвержены адгезии и износу, они обладают превосходной способностью к антидиффузионному износу, особенно при высокоскоростной резке, где их производительность значительно лучше, чем у твердосплавных инструментов типа YG.

Основные мировые производители инструментов представили режущие пластины, специально предназначенные для обработки деталей из титанового сплава. Постоянное совершенствование материалов инструментов и материалов покрытий повысило эффективность резания титановых сплавов и способствовало развитию титановой промышленности. Например, пластины ISCAR IC20 с острыми режущими кромками подходят для чистовой обработки заготовок из титанового сплава. Его пластины IC907 эффективно повышают износостойкость, подходят для черновой и получистовой обработки. CP200 и CP500 компании SECO для обработки титановых сплавов представляют собой высокотвердые, ультратонкозернистые материалы пластин, использующие технологию физического осаждения из паровой фазы (PVD). WSM30, WSM20 и WAM20 компании Walter, использующие покрытия TiCN, TiAlN, TiN и Al₂O₃, обеспечивают высокую устойчивость к деформации и износу. Наиболее часто используемые инструменты и покрытия для обработки титановых сплавов показаны в таблице 1.

Согласно статистике, авиационная промышленность в значительной степени зависит от импортных инструментов, и зависимость еще выше для труднообрабатываемых материалов, таких как титановые сплавы. Поэтому содействие разработке и применению отечественных инструментов и материалов покрытий является эффективным способом коренного решения проблемы обработки титановых сплавов в Китае.

3.2 Износ инструмента и решения

При обработке титановых сплавов на высоких скоростях резания и больших глубинах резания на передней поверхности в точке максимальной температуры резания образуется кратерный износ (износ по задней поверхности), с четкой площадкой между кратером и режущей кромкой. Ширина и глубина кратера постепенно увеличиваются по мере износа, снижая жесткость режущей кромки, что может привести к сколам, если инструмент продолжает использоваться. Электронные микрофотографии износа пластин показаны на рисунке 1.

a) Кратерный износ с явлением сколов.    b) Износ по задней поверхности

c) Нарост

Во время обработки титановых сплавов сильное трение между пластиной и заготовкой вызывает износ на задней поверхности вблизи режущей кромки, образуя небольшую площадку износа с нулевым задним углом, известную как износ по задней поверхности. Кроме того, из-за наклепа титановых сплавов толщина резания на вершине инструмента на вспомогательной режущей кромке постепенно уменьшается, что приводит к проскальзыванию режущей кромки, что также приводит к значительному износу на задней поверхности.

После возникновения износа инструмента параметры резания, такие как скорость резания и подача, можно регулировать, наблюдая за морфологией и цветом стружки, а также за усилием, звуком и вибрацией станка, чтобы контролировать аномальный износ передней поверхности. Использование геометрии пластин с положительным передним углом, выбор износостойких материалов пластин или покрытий может увеличить срок службы инструмента.

Нарост (BUE) склонен к образованию при обработке титановых сплавов. Когда BUE стабилен, он может защищать инструмент, действуя как режущая кромка. Однако, когда BUE вырастает до определенной степени, его вершина выходит за пределы режущей кромки, увеличивая фактический рабочий передний угол. Накопление и отрыв BUE напрямую влияют на точность обработки. Фрагменты BUE, прилипающие к обработанной поверхности титанового сплава, образуют твердые пятна и заусенцы, влияющие на качество поверхности. Нерегулярное отслаивание и регенерация BUE вызывают колебания силы резания, приводящие к вибрации и влияющие на срок службы инструмента. Общие методы производственной практики для уменьшения или предотвращения образования BUE при резке титановых сплавов включают: увеличение скорости резания, постепенное увеличение глубины резания до оптимальной; использование материалов пластин с PVD-покрытием; использование систем охлаждения высокого давления и т. д.

При операциях резания из-за низкой пластичности титановых сплавов площадь контакта между стружкой и передней поверхностью мала, и износ инструмента в основном происходит на передней поверхности токарного инструмента. Поэтому режущие пластины следует выбирать с малым передним углом, обычно от 0° до 5°. Малый передний угол эффективно увеличивает площадь контакта между стружкой и передней поверхностью, помогая рассеивать тепло, сконцентрированное вблизи режущей кромки. Выбор заднего угла от 5° до 10° может уменьшить трение между инструментом и деталью. Выбор V-образной комбинации контактной поверхности между основанием пластины и держателем инструмента, надежная конструкция зажимной конструкции может эффективно повысить жесткость зажима держателя инструмента, устранить вибрацию инструмента и улучшить качество поверхности обработанной заготовки из титанового сплава.

3.3 Выбор приспособления

При позиционировании и зажиме заготовок из титанового сплава взаимодействие между силой зажима приспособления и опорной силой на заготовке может вызвать деформацию напряжения в свободном состоянии. Сопротивление силе резания при обработке титановых сплавов значительно, поэтому технологическая система должна обладать достаточной жесткостью. Необходимо проанализировать структуру и размеры позиционирования заготовки, выбрав стабильные и надежные базовые точки, и при необходимости добавить вспомогательные опоры или использовать избыточное ограничение для увеличения жесткости детали. Поскольку титановые сплавы склонны к деформации, сила зажима не должна быть чрезмерной; при необходимости можно использовать динамометрический ключ для обеспечения стабильной силы зажима. Кроме того, при использовании приспособлений для позиционирования и зажима деталей из титанового сплава необходимо обеспечить хорошее соответствие между установочной поверхностью приспособления и установочной поверхностью заготовки, а также сбалансировать силу зажима приспособления с опорной силой заготовки. Для относительно больших зажимных поверхностей следует по возможности использовать метод распределенного зажима, чтобы избежать деформации, вызванной концентрированным давлением. Точки зажима зажимов приспособления должны быть как можно ближе к обработанной поверхности заготовки, чтобы уменьшить вибрацию, возникающую при резке титанового сплава.

Использование приспособлений, измерительных инструментов или различных временных инструментов, содержащих свинец, цинк, медь, олово, кадмий или легкоплавкие металлы, строго запрещено для обработки титановых сплавов. Оборудование, приспособления и инструменты, используемые для титанового сплава, должны содержаться в чистоте и не допускать загрязнения. Заготовки из титанового сплава следует очищать сразу после обработки, и остатки свинца, цинка, меди, олова, кадмия, легкоплавких металлов и т. д. не допускаются на поверхностях титанового сплава. При перемещении и транспортировке заготовок из титанового сплава следует использовать специальные транспортные контейнеры, чтобы избежать смешивания и хранения их с заготовками из других материалов. При осмотре и очистке тонко обработанных поверхностей титанового сплава надевайте чистые перчатки, чтобы предотвратить загрязнение маслом и отпечатками пальцев, которые могут вызвать коррозионное растрескивание под напряжением и повлиять на эксплуатационные характеристики заготовки из титанового сплава.

3.4 Параметры резания

Основными параметрами резания для титановых сплавов являются скорость резания, подача и глубина резания, при этом скорость резания является основным фактором, влияющим на его обрабатываемость. Сравнительные испытания между резкой с постоянной скоростью вращения и резкой с постоянной скоростью поверхности заготовок из титанового сплава показывают, что резка с постоянной скоростью вращения работает хуже, чем резка с постоянной скоростью поверхности. Когда скорость резания vc = 60 м/мин, подача f = 0,127 мм/об, а глубина резания ap = 0,05–0,1 мм для титановых сплавов, упрочненный слой редко обнаруживается на поверхности титанового сплава.

Поскольку упрочненный слой в основном появляется на поверхности заготовки после чистовой обработки, глубина резания во время чистовой обработки не должна быть слишком большой, в противном случае это приведет к образованию значительного тепла резания. Накопление тепла резания может вызвать изменения в металлографической структуре поверхности титанового сплава, легко генерируя упрочненный слой на поверхности детали. Чрезмерно малая глубина резания может вызвать трение и выдавливание на поверхности заготовки, что приведет к наклепу. Поэтому при обработке заготовок из титанового сплава глубина резания для чистовой обработки должна быть больше размера хонингования инструмента (подготовка кромки).

Выбор подачи для титановых сплавов должен быть умеренным. Если подача слишком мала, инструмент режет внутри упрочненного слоя во время обработки, что приводит к более быстрому износу. Подачу можно выбирать в зависимости от различных радиусов вершины инструмента. Чистовая обработка обычно выбирает меньшую подачу, потому что большая подача увеличивает силы резания, вызывая нагрев инструмента и его изгиб или сколы. В таблице 2 показаны общие параметры для резки титановых сплавов с различными типами и материалами инструментов.

3.5 Система охлаждения

Требование к смазочно-охлаждающей жидкости при резке титановых сплавов - низкое туманообразование. Для обработки титановых сплавов следует выбирать инструменты охлаждения высокого давления, 配合机床高压泵, 冷却压力可达(60–150) × 10⁵ Па (приблизительно 60–150 бар). Использование инструментов охлаждения высокого давления для обработки титановых сплавов может увеличить скорость резания в 2–3 раза, продлить срок службы инструмента и улучшить морфологию стружки титанового сплава. При нанесении смазочно-охлаждающей жидкости во время обработки титанового сплава сила резания снижается на 5%–15% по сравнению с сухой резкой титанового сплава, радиальная сила снижается на 10%–15%, температура резания снижается на 5%–10%, а морфология поверхности обработанного титанового сплава лучше с меньшим количеством массивной адгезии, что способствует получению более высокого качества поверхности.

В настоящее время используемая химическая эмульсия Trim E206, смешанная из 8% концентрата и 92% чистой воды, с концентрацией 7%–9%, обеспечивает хорошие результаты обработки при обработке титановых сплавов и может использоваться при токарной, фрезерной и шлифовальной операциях. Trim E206 содержит специальные добавки, которые эффективно контролируют образование нароста. Смазочно-охлаждающая жидкость содержит крошечные эмульгированные молекулы, улучшая стабильность смазочно-охлаждающей жидкости и уменьшая вынос во время обработки, что облегчает попадание смазочно-охлаждающей жидкости в зону резания. Кроме того, Trim E206 обладает высокой устойчивостью к загрязнению маслом, а остатки смазочно-охлаждающей жидкости легко растворяются в воде и рабочей жидкости, помогая поддерживать чистоту оборудования и поверхностей обработанных деталей.

4. Целостность поверхности титанового сплава

4.1 Микроструктурный контроль поковок из титанового сплава

Микроструктурный контроль титанового сплава включает в себя исследование поверхности протравленной детали из титанового сплава под электронным микроскопом для наблюдения морфологических характеристик, распределения и т. д. микроструктуры материала, используемого для проверки соответствия металлографической структуры титанового сплава соответствующим стандартам и спецификациям чертежей. Этапы микроструктурного контроля поковок из титанового сплава: черновая обработка поковки → полировка поверхности → травление поверхности → очистка → сушка → микроскопический контроль. Микроскопический контроль титанового сплава Ti6Al4V показан на рисунке 2.

a) Полировка поверхности    b) Травление поверхности

c) Промывка водой    d) Микроскопическое исследование

Целью черновой обработки поковки является полное удаление α-слоя. Поверхность титанового сплава полируется наждачной бумагой из оксида алюминия с зернистостью 400#–800#, а шероховатость поверхности должна соответствовать требованиям Ra = 0,025 мкм или более высокого класса. Травление выполняется реактивом Кролла, приготовленным в виде 2% HF, 4% водного раствора HNO₃. Подходящее количество реактива Кролла наносится на полированную поверхность титанового сплава до получения желаемой четкой структуры, затем промывается водой и высушивается. Для осмотра поверхности титанового сплава используется портативный электронный микроскоп. Структура должна содержать 10%–50% первичного α. Морфология микроструктуры титанового сплава Ti6Al4V, показанная на рисунке 3, представляет собой квалифицированную металлографическую структуру.

a) Первичный α в β-преобразованной матрице       b) Прерывистый α на границах зерен β

c) Пластинчатый α в зернах β

4.2 Контроль синим анодированием для титановых сплавов

Во время обработки титанового сплава, когда происходит износ по задней поверхности инструмента, сопротивление инструмента удару постепенно уменьшается, что приводит к наклепу на обработанной поверхности титанового сплава из-за выдавливания и перегрева. Метод синего анодирования обычно используется для обнаружения упрочнения и других дефектов. Поверхность заготовки из титанового сплава после синего анодирования показана на рисунке 4. После последующего растворения анодированной заготовки из титанового сплава цвет квалифицированной оксидной пленки должен быть равномерным светло-синим (см. рисунок 4a). Заготовки из титанового сплава с наклепом после коррозионного контроля показывают темно-синюю поверхность (см. рисунок 4b) или локализованные более темные области (см. рисунок 4c) с неравномерным распределением цвета по разным областям.