Tc6钛合金阀体抗疲劳加工制造研究课题180.pdf

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1、1/15 Tc6 钛合金阀体抗疲劳加工制造研究课题 一、目的意义 1、课题研究的背景 液压技术是古老而新兴的行业，从 18 世纪末世界上第一台水压 机出现，液压技术开始发展与应用。20 世纪 50 年代，液压传动应用 普及发展迅速，形成了传动、控制、检测为一体的完整自动化技术。目前，95%的工程机械、90%的数控加工中心、95%的自动生产线均采 用了液压技术，该技术应用领域非常广泛。其发展趋势主要朝着高压、高速、大功率、高集成化、低噪声与高可靠性发展。液压阀是液压系统中使用最多的元件，它的功能是控制油液的流 动方向、压力、流量，以满足执行元件所需的动力方向、力(或力矩)、速度要求，使整个液压系

2、统能按要求协调地进行工作。所以当液压阀 出现失效时，对液压系统的稳定性、精度和可靠性均具有极大的影响，甚至造成系统完全不能工作。随着液压技术的不断发展，对液压阀的 技术性能、产品质量、适应工作介质等要求越来越高，而发展钛合金 等液压阀产品及技术开发，具有重要意义。钛是 20 世纪 50 年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因 具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世 界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开 发，并得到了实际应用。20 世纪 5060 年代，主要是发展航空2/15 发动 机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，70 年代开发出一批耐蚀 钛

3、合金，80 年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。钛及钛合金具有密度低、强度高、耐腐蚀和耐压性好等突出优点，目 前已广泛应用于航空、航天、石油、化工、冶金、电力、医药卫生和 仪器仪表等行业。为适应航空、海洋工程、船舶、工程机械、化工等 领域需求，在钛合金液压阀开发过程中，用新技术、新材料和新标准 规范产品设计，符合国家高新技术产品政策的要求，是一种新兴的，又很有发展前途的材料应用技术，从而提高了阀门质量，改善了产品 性能。钛及钛合金质量轻，强度高，屈强比高，无磁性，有生物惰性，并具备优良的耐腐蚀性能。目前，随着科技的进步以及各行各业对新 材料应用力度的加大，钛阀门作为各种特殊环境及特

4、殊流体介质输送 系统的必备产品已被大量应用。然而不同领域及行业的流体介质和环 境条件不尽相同，对钛阀所用材料的性能等要求有所不同。同时，由 于钛阀不同组件性能要求存在差异，成型工艺不同，以及为降低成本 部分部件需选用代用材料等因素影响，选材成为钛阀门设计制造中必 须首要考虑的技术问题之一，而受到普遍的关注和重视。钛阀目前已在航空航天工程、化工工程、核电工程、海洋、造纸、食品、医药、机械装备等行业领域内广泛应用。经过多年科研、设计、制造和用户相结合的共同努力，我国的阀门行业已取得快速发展。逐步实现了重大装备阀门国产化的计划，其中包括百万千瓦级核电站关 键阀门和百万吨级大型乙烯成套设备阀门国产化等

5、。随着我国经济实3/15 力的不断增强，近几年我国航空航天工程、电力工程、海洋资源开发 利用工程、石油化工工程、食品及医疗工程等发展力度的加大，钛阀的市场及应用前景十分广阔。2、课题目的、意义（1）抗疲劳制造技术的发展现状 金属疲劳是十分普遍的现象，据 150 多年来的统计，金属部件有 80%以上的断裂是由于疲劳而引起的，极易造成事故和经济损失，因此研究疲劳破坏现象，提高抗疲劳强度，防止疲劳失效是非常重要的。1964 年国际标准化组织在金属疲劳试验的一般原理中给疲劳下 了一个描述性定义：金属材料在应力或应变的反复作用下所发生 的 性能变化叫疲劳。美国试验与材料协会(ASTM)“在疲劳试验及数据

6、统 计分析之有关术语的标准定义”(ASTM E206-72)中所作定义为：在某 点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹 或完全断裂 的所发生的局部的、永久结构变化的发展过程，称为疲 劳。在现代工业各个领域中，大约有 5090以上的结构强度破 坏都是由于疲劳破坏造成的，如轴、曲轴、连杆、齿轮、弹簧、螺 栓、压力容器、海洋平台、汽轮机叶片和焊接结构等，很多机械零部件的 结构件的主要破坏方式都是疲劳。因此认识疲劳，了解疲劳破坏的机理和抗疲劳制造的原理，探求抗疲劳设计和制造的方法，来达到提 高疲劳寿命的目的，并去指导现代工业技术的发展，已经成为现代工业生产中的重要课题。抗疲劳制造

7、技术是指在不改变零部件材料和截面尺寸的前提下，4/15 通过在制造工艺过程中改变材料的组织及应力分布状态来提高零部 件疲劳寿命的制造技术。该技术的一个突出特点是不改变零部件的结 构和材料，不增加重量，但能够大幅度提高零部件的疲劳寿命，对于 像航空航天、铁路运输、核工业等对疲劳要求很高的工业领域，抗疲 劳制造显得尤为重要。在目前的生产实践中，有关抗疲劳制造的方法 多种多样，主要有物理、化学、机械和高能束处理四个方面。抗疲劳制造技术作为一代先进制造技术，也是一种新制造理念。抗疲劳制造覆盖构件的主要制造技术领域，如表层硬化技术领域，涉 及诸如机械传动齿轮、轴承、轴及其他以接触疲劳为主要失效模式的 构

8、件；机械加工技术领域，涉及以机械加工表面为服役表面的构件；表层组织再造改性技术领域，涉及以疲劳为主要失效模式的构件。伴 随着构件高性能、轻量化、小型化、经济可承受性和合金超高强度化 的发展，抗疲劳制造必将上升到新的高技术平台。我国是一个制造大 国，飞机、车辆、舰船、及其动力装置、各种精密机械都亟需实现抗 疲劳制造。抗疲劳制造技术的研究越来越受到人们重视，并取得明显的进 展。但是随着现代科学技术的飞速发展，现代工业设备要求高温、高速、高压等复杂条件下使用的场合越来越多，承受的交变应力越来越 高，疲劳破坏问题日益突出。抗疲劳制造技术研究有着如下的发展趋 势：一是开展断裂力学、弹塑性断裂力学以及损伤

9、容限设计的应用研 5/15 究；二是加强对疲劳损失机理的研究，利用现代分析手段，深入研究 疲劳损失的机理，提高经济效益；三是开展复杂工作条件下的疲劳寿命研究，针对腐蚀疲劳、热疲 劳、复合应力疲劳在变幅载荷等特殊工况下的疲劳问题。四是开展对高分子材料、复合材料、先进陶瓷的微动损失规律的研究。（2）钛合金技术发展状况 钛是英国化学家格雷戈尔在 1791 年研究钛铁矿和金红石时发现的。1795 年，德国化学家克拉普罗特在分析匈牙利产的红色金红石时也发现了这种元素。他主张采取为铀命名的方法，引用希腊神话中泰坦神族“Titanic”的名字给这种新元素起名叫“Titanium”。中 文按其译音定名为钛。格

10、雷戈尔和克拉普罗特当时所发现的钛是粉末 状的二氧化钛，而不是金属钛。因为钛的氧化物极其稳定，而且金属钛能与氧、氮、氢、碳等直接激烈地化合，所以单质钛很难制取。直到 1910 年才被美国化学家亨特第一次制得纯度达 99.9%的金属钛。由于钛在液化状态时化学活性非常高,钛与气体和所有制模成形用的 难熔材料都有很高的活性,因此,钛合金铸造成形工业化的生产晚于 变形钛合金和变形工艺。自海绵钛工业化以来,钛在工业上的广泛应 用推动了钛工业的迅速发展,钛的生产能力正在逐年提升,并将陆 续超过铅、锌、铜成为名副其实的第三金属。钛及钛合金具有许多优良特性，主要体现在如下几个方面：a.6/15 强度高。钛合金具

11、有很高的强度，其抗拉强度为 686-1176MPa，所以 比强度很高。b.硬度较高。钛合金(退火态)的硬度 HRC 为 32-38。c.弹性模量低。钛合金(退火态)的弹性模量为 1.07810-1.17610MPa，约为钢和不锈钢的一半。d.高温和低温性能优良。在高温下，钛合金仍能保持良好的机械性能，其耐热性远高于铝合金，且工作温 度范围较宽。在低温下，钛合金的强度反而比在常温时增加，且具有 良好的韧性，低温钛合金在-253时还能保持良好的韧性。钛及钛合金的应用与前沿技术的发展一直是当前材料领域的热点研究课题之一。钛、钛合金及钛化合物的优良性能促使人类迫切需 要它们。然而，生产成本之高，使应用

12、受到限制，相信在不久的将来，随着钛的冶炼技术不断改进和提高，钛、钛合金及钛的化合物的应用 将会得到更大的发展。钛合金的发展趋势如下图：（3）本课题研究目的与意义 7/15 制造技术的发展已经有几千年的历史，由于现代科学技术的迅猛 发展，机械工业、电子工业、航空航工业、化学工业等，尤其是国防工业部门，要求尖端科学技术产品向高精度、高速度、大功率、小型 化方向发展，以及在高温、高压、重载荷或腐蚀环境下长期可靠地工 作，为了适应这些要求，各种新结构、新材料和复杂形状的精密零件大量出现，其结构和形状越来越复杂，材料的性能越来越强韧，对精度要求越来越高，对加工表面粗糙度和完整性要求越来越严格，使机 械制

13、造面临着一系列严峻的任务：1）解决各种难切削材料的加工问题。如硬质合金、钛合金、淬 火钢、金刚石、石英以及锗、硅等各种高硬度、高强度、高韧性、高 脆性的金属及非金属材料的加工。2）解决各种特殊复杂型面的加工问题。如喷气涡轮机叶片、锻压模等的立体成型表面，炮管内膛线、喷油嘴和喷丝头上的小孔、窄缝等的加工。3）解决各种超精密、光整零件的加工问题。如对表面质量和精度要求很高的航天航空陀螺仪、激光核聚变用的曲面镜等零件的精细表面加工，形状和尺寸精度要求在 0.1m 以上，表面粗糙度 Ra 要求 在 0.01m 以下。4）特殊零件的加工问题。如大规模集成电路、光盘基片、微型 机械和机器人零件、细长轴、薄

14、壁零件、弹性元件等低刚度零件的加工。机械制造业是国民经济的支柱产业，是国家创造力、竞争力和综 合国力的重要体现。机械制造工艺是将各种原材料、半成品加工成产 8/15 品的方法和过程。它是应先进工业和科学技术的发展需求而发展起来 的。现代工业科学技术的发展又为制造业技术提供了近一步发展的技 术支持，如新材料的使用、计算机技术、微电子技术、控制理论与技 术、信息处理技术、测试技术、人工智能理论与技术的发展与应用都 促进了制作工艺技术的发展。现代机械制造中较多的采用了数控机 床、机器人、柔性制造的单元和系统等高技术的集成，来满足产品个 性化和多样化的要求。要解决上述一系列问题，仅仅依靠传统的切削 加

15、工方法很难实现，有些根本无法实现。在生产的迫切需求下，人们通过各种渠道，借助于多种能量形式，不断研究和探索新的加工方法，精密和特种加工技术就是在这种环境和条件下产生和发展起来的。液压控制已成为现代机械设备最主要的控制方式，而液压阀是液 压系统中使用最多的元件，液压阀使用的环境非常恶劣，需要承受较 大的载荷和外部环境的腐蚀，但液压阀的失效原因分析不能简单等同 于一般机械零件的失效原因分析，它还有属于液压元件自身的因素。在长期变载荷下工作，液压阀中的弹簧会因疲劳造成弹簧变软、弹簧 长度缩短或整个折断；阀芯、阀座也会因疲劳，产生裂纹、剥落或其 它损坏。这些都有可能使阀失效。溢流阀主滑阀或先导阀上的弹

16、簧疲 劳或折断将会使系统压力达不到要求。换向阀的弹簧过软或变短，将 会影响阀芯工作位置及正常复位，使得系统不能正常工作。而液压阀 加工过程中的残留应力会导致零件产生变形，不能完成正常功能而失 效。因此，消除加工过程中的残余应力对于保证液压阀的性能是非常 重要的。液压油中混有过多的水分或酸性物质，长时间使用后，会腐 9/15 蚀液压阀中的有关零件，使其丧失应有的精度而失效。现代工业设备要求高温、高速、高压等复杂条件下使用的场合越 来越多，对于高强度合金液压阀的需求越来越大。由于钛合金具有的 优良性能，钛合金材料在各种精密机械中得到应用。TC6 钛合金属于Ti-Al-Cr 系 的“+”型 钛 合

17、金，其 合 金 成 分 是Ti-6Al-2.5Mo-2Cr-0.5Fe-0.3Si，含有 Mo、Cr、Fe、Si 等稳定元 素。TC6 是目前生产技术最成熟、应用最广泛的 Ti-Al-Mo-Cr-Fe-Si系多元钛合金。该合金是在 Ti-5A1-2.5Cr 合金基础上发展起来的一 种“+”型热强钛合金，除具有普通钛合金比强度高、抗腐蚀性好等优点外，还具有很好的塑性和冲击韧性、良好的耐热性能，使用 温度可达 450,TC6 钛合金具有密度低、强度高、耐腐蚀等优点，但该材料在切削等机加工中已造成表面缺陷和应力集中等问题，产生裂纹，剧烈降低疲劳寿命，严重影响产品的性能和质量。本课题根据液压阀和钛合金

18、的机械制造方向而进行开发设计，目的在于提高针对高强度钛合金液压阀的抗疲劳加工技术工艺进行研 究，通过分析钛合金的加工特性和液压阀的加工特点，设计优化钛合 金阀体的抗疲劳加工工艺，增强阀体的疲劳性能，同时也可为高强度 合金的抗疲劳加工提供更多的基本数据。通过钛合金阀体抗疲劳加工 技术的研发，对于促进新型抗疲劳加工技术的发展，特种精密机械加 工技术的发展具有重要的现实意义。二、研究目标 10/15 本课题的研究目标是要解决 TC6 钛合金阀体加工中的应力集中 和疲劳性能降低的问题，主要解决因机加工导致 TC6 钛合金阀体组织 的变化和性能降低，基本实现 TC6 钛合金阀体的抗疲劳制造。本课题的难点

19、在于：TC6 钛合金属于 Ti-Al-Cr 系的“+”型钛合金，综合性能良好，使用温度范围宽（400-196），合金组 织和性能稳定，工作可靠，合金化简单，工艺易掌握，适合规模生产。但切削加工性很差，由于钛合金的材料特性，切削温度高、切削变形 小，粘刀等易导致应力集中和表面质量差等加工缺陷，也致使产品疲 劳性能降低。三、研究内容 1、钛合金的工艺特性 钛合金的结晶组织、物理和化学性质特点使其具有与钢、铝合金 和重金属合金根本不同的综合工艺性能。为了获得最高的生产效率和 尽量减少铸锭熔炼真空电弧炉、压制电极的水压机、机械加工车床和 其它设备的数量，一般倾向于熔炼直径达 900mm 以上、重量达

20、10-15 吨的圆断面铸锭。真空电弧熔炼的一个重要特点是将熔化、铸造过程 结合为一个整体。熔炼过热度大，易形成粗大的铸造组织，因此必须 用大变形量来达到需要的性能水平。影响钛合金加工工艺的最重要因 素如下:（1）钛合金导热性低。钛合金的导热率、热容量和密度值使其导温率大约也只有铝合金的 1/15，钢的 2/7。较低的导温度和导热率 值，在加热时会沿着铸锭和坯料的断面产生较大的温差及很大的应11/15 力。（2）钛合金的化学活性高。在热变形或热处理加热温度下会与氧、氮和其它的含氧气体发生剧烈的反应。特别与氢的结合非常活泼，当氢含量高于 0.0125%-0.015%后，组织上将析出氢化物，并出现明

21、显的氢脆现象，大大提高钛合金对缺口的敏感性，从而降低缺口试样的冲击韧性等性能。（3）具有多晶转变。当加热到一定温度时，则出现多晶相变变化。（4）钛合金的冷变形性有限。钛与其它六方结晶组织的金属(例 如镁、锌、镉)相比，具有明显较大的冷变形能力，但是多数钛合金 在轧制、拉伸、矫直、板片冲压等工艺过程中进行冷变形还会遇到许 多困难。2、课题主要研究内容 针对钛合金的工艺特性，TC6 钛合金阀体抗疲劳加工的研究内容主要有以下几个方面：（1）钛合金切削加工抗疲劳工艺研究 钛合金强度高、硬度大，所以要求加工设备功率大，模具、刀具应有较高的强度和硬度。切削加工时，切屑与前刀面接触面积小，刀尖应力大。由于钛

22、合金弹性模量低，切削加工时工件回弹大，容易造成刀具后刀面磨损的加剧和工件变形；钛合金高温时化学活性很高，容易与空气中的氢、氧等气体杂质发生化学反应，生成硬化层，同时进一步加剧了刀具的磨损；钛合金切削加工中，工件材料极易与12/15 刀具表面粘结，加上很高的切削温度，所以刀具易于产生扩散磨损和粘结磨损。由于钛合金的切削加工的难度，课题主要从切削工艺、切削刀具 及冷却液方面进行研究。刀具是切削的关键，切削加工钛合金的刀具 材料，要求抗变强度高、硬度高、韧性好、热硬性好、耐磨性好，还要散热好。决不能用含钛的刀具材料，因为含钛的刀具材料在高温 下很容易与钛合金亲和，加剧刀具磨损。切削刀具要求刀面表面光

23、洁，刃口锋利。而阀体表面的光洁度则可以提高阀体的疲劳性能。钛合金切削过程中，冷却液对于保证加工过程中的散热非常重 要。切削加工时冷却液要充分，冷却液循环速度要快，切削液流量和 压力要大。因钛合金材料难加工，应选择较低的主轴转速，进给量应 小，铣削深度和宽度要窄、浅。否则大余量加工，会导致刀尖温度高，容易粘刀，影响加工精度。（2）钛合金热处理工艺研究 TC6 钛合金属于 Ti-Al-Cr 系的“+”型钛合金，化学成分：TC6 含钛(Ti)余量,铁(Fe)0.20.7,钼(Mo)2.03.0,铬(Cr)0.8 2.3,铝(Al)5.57.0,硅(Si)0.150.40,碳(C)0.10,氮(N)0

24、.05,氢(H)0.015。普通退火状态 TC6 钛合金在 300/5000h 以下具有良好的组织和性能稳定性，不同温度瞬时拉伸、蠕变、持久等高温性能与双重退火和等温退火状态相当。通过退火热处理，获得好的韧性，改善加工性能，有利于再加工以及提高尺寸和组织的稳定性。13/15 为了消除加工过程中的残余应力，可采取消除应力退火：目的是 为消除或减少加工，过程中产生的残余应力。防止在一些腐蚀环境中 的化学侵蚀和减少变形。（3）钛合金阀体表面处理工艺研究 疲劳失效研究表明，高周疲劳失效多源于金属零件表面缺陷。在交变外加载荷的作用下，缺陷处萌生疲劳裂纹，导致表面应力集中加剧，疲劳裂纹扩展后发生失效。钛合

25、金强度提高，如果阀体表面造成划伤或表面光洁度较差，该处的应力集中值可超过其抗拉强度，疲劳性能则大为降低。由于钛合金存在抗高温氧化性差、硬度低、易粘着、耐磨性能不佳的缺点，极大限制了合金的应用范围。因此通过阀体表面处理工艺进一步改善钛阀的使用性能。（4）阀体孔加工技术研究 钛阀中的深孔加工，对于提高产品疲劳性能尤为关键。由于钛合金的导热性较差，一般的孔加工容易导致应力加剧，裂纹、变形等缺陷产生较多。目前，普通的钻削方法加工这些钛合金小孔合格率低。有时只有 20%，课题中将研究利用细小电火花加工的工艺，进行阀体部分小孔的加工成形。四、研究方法、技术路线 1、课题技术路线 14/15 2、研究方法

26、通过设计钛合金阀体抗疲劳加工工艺，经过生产实际与样件测试，形成具有较好效果的钛合金阀体抗疲劳加工工艺。五、研究进度及成果形式 1、课题研究进度 序号 研究内容 研究时间 1 钛合金阀体抗疲劳加工工艺的设计 2 个月 2 生产材料的准备 2 个月 3 钛合金阀体加工的初步生产测定 2 个月 4 正式加工生产阶段 4 个月 5 成果总结及工艺改进阶段 2 个月 2、成果形式 1）形成专利技术成果 1-2 项；2）形成 TC6 钛合金阀体加工抗疲劳生产工艺 1 项；六、研究单位情况 贵阳合诚机械制造有限公司成立于 2010 年 4 月，注册资金 50万元。公司可以生产加工销轴类、液压阀、油缸、高精复杂机械产品的设计加工等，通过强化技术研发，精细化管理，深挖潜力，开拓市 15/15 场，积极创新，逐步发展壮大。七、经费预算 本课题总经费预算为 89 万元，主要用于研究的材料费、设备费、课题研究费、人员费、会议费、专家咨询费和管理费等。具体开支如 下：材料费：50 万元；设备费：25 万元；课题研究费：5 万元；人员费：5 万元；会议费：1 万元；专家咨询费：2 万元；管理费：1 万元。