La aleación de titanio se refiere a una variedad de aleaciones metálicas hechas de titanio y otros metales. El titanio es un metal estructural importante desarrollado en la década de 1950. La aleación de titanio tiene alta resistencia, buena resistencia a la corrosión y alta resistencia al calor. En las décadas de 1950 y 1960, la atención se centró principalmente en el desarrollo de aleaciones de titanio de alta temperatura para motores de aviones y aleaciones estructurales de titanio para fuselajes.
En la década de 1970 se desarrolló un lote de aleaciones de titanio resistentes a la corrosión. Desde los años 80 se han seguido desarrollando aleaciones de titanio resistentes a la corrosión y aleaciones de titanio de alta resistencia. Las aleaciones de titanio se utilizan principalmente para fabricar piezas de compresores de motores de aviones, seguidas de cohetes, misiles y piezas estructurales de aviones de alta velocidad.
El titanio es un metal estructural importante desarrollado en la década de 1950. Las aleaciones de titanio se utilizan ampliamente en diversos campos debido a su alta resistencia, buena resistencia a la corrosión y alta resistencia al calor. Muchos países del mundo han reconocido la importancia de los materiales de aleación de titanio, han realizado sucesivamente investigación y desarrollo sobre ellos y han obtenido aplicaciones prácticas.
La primera aleación práctica de titanio fue la aleación Ti-6Al-4V desarrollada con éxito en los Estados Unidos en 1954. Debido a su buena resistencia al calor, resistencia, plasticidad, tenacidad, conformabilidad, soldabilidad, resistencia a la corrosión y biocompatibilidad, se ha convertido en la aleación estrella en la industria de las aleaciones de titanio. El uso de esta aleación representa del 75% al 85% de todas las aleaciones de titanio. Muchas otras aleaciones de titanio pueden considerarse modificaciones de la aleación Ti-6Al-4V.
En las décadas de 1950 y 1960, el foco principal fue el desarrollo de aleaciones de titanio de alta temperatura para motores de aviones y aleaciones de titanio estructurales para fuselajes. En la década de 1970 se desarrollaron varias aleaciones de titanio resistentes a la corrosión. Desde los años 80 se han seguido desarrollando aleaciones de titanio resistentes a la corrosión y aleaciones de titanio de alta resistencia. La temperatura de uso de las aleaciones de titanio resistentes al calor ha aumentado de 400 grados en la década de 1950 a 600-650 grados en la década de 1990. La aparición de aleaciones basadas en A2 (Ti3Al) y r (TiAl) ha impulsado el uso de titanio en el motor desde el extremo frío (ventilador y compresor) del motor hasta el extremo caliente (turbina) del motor. Las aleaciones estructurales de titanio se están desarrollando hacia alta resistencia, alta plasticidad, alta resistencia y tenacidad, alto módulo y alta tolerancia al daño.
Además, desde la década de 1970, también han aparecido aleaciones con memoria de forma como Ti-Ni, Ti-Ni-Fe y Ti-Ni-Nb, que se han utilizado cada vez más en ingeniería.
Hay cientos de aleaciones de titanio desarrolladas en el mundo, y las aleaciones más famosas son de 20 a 30, como Ti-6Al-4V, Ti-5Al-2. 5Sn, Ti-2Al-2.5Zr, Ti-32Mo, Ti-Mo-Ni, Ti-Pd, SP-700, Ti-6242, Ti -10-5-3, Ti-1023, BT9, BT20, IMI829, IMI834, etc. [2,4].
Según estadísticas pertinentes, la cantidad de titanio utilizada en la industria química de mi país alcanzó las 25000 toneladas en 2012, lo que representó una disminución con respecto a 2011. Esta es la primera vez que el mercado de titanio químico de mi país ha experimentado un crecimiento negativo desde 2009. En los últimos años, la industria química ha sido el mayor usuario de materiales de procesamiento de titanio, y su uso siempre ha representado más del 50% del uso total de titanio, y en 2011 representó hasta el 55%. Sin embargo, a medida que la economía ha caído en recesión, la industria química no sólo ha experimentado una reducción significativa de nuevos proyectos, sino que también enfrentará una reestructuración industrial, con el control de la nueva capacidad de producción para algunos productos y la eliminación gradual de la capacidad de producción obsoleta. Afectado por esto, el uso cada vez menor de materiales de procesamiento de titanio se ha convertido en algo natural. Antes de esto, los expertos de la industria habían predicho que el uso de titanio en la industria química alcanzaría su punto máximo entre 2013 y 2015. A juzgar por el desempeño actual del mercado, la debilidad económica general en 2012 puede provocar una disminución del uso de titanio en la industria química.
El titanio es un nuevo tipo de metal. El rendimiento del titanio está relacionado con el contenido de impurezas como carbono, nitrógeno, hidrógeno y oxígeno. El yoduro de titanio más puro tiene un contenido de impurezas de no más del 0.1%, pero tiene baja resistencia y alta plasticidad. Las propiedades del titanio industrial puro al 99,5% son: densidad ρ=4.5g/cm3, punto de fusión 1725 grados, conductividad térmica λ=15.24W/(mK), resistencia a la tracción σb=539 MPa, alargamiento δ=25%, contracción de la sección transversal ψ=25%, módulo elástico E=1.078×105MPa, dureza HB195.
Alta resistencia: la densidad de la aleación de titanio es generalmente de alrededor de 4,51 g/cm3, que es sólo el 60 % de la del acero. Algunas aleaciones de titanio de alta resistencia superan la resistencia de muchos aceros estructurales aleados. Por lo tanto, la resistencia específica (resistencia/densidad) de la aleación de titanio es mucho mayor que la de otros materiales estructurales metálicos, y se pueden producir piezas con alta resistencia unitaria, buena rigidez y peso ligero. Los componentes de motores de aviones, esqueletos, revestimientos, sujetadores y trenes de aterrizaje utilizan aleaciones de titanio.
Alta resistencia térmica
La temperatura de funcionamiento es varios cientos de grados más alta que la de la aleación de aluminio. Aún puede mantener la resistencia requerida a temperatura media y puede funcionar durante mucho tiempo a 450-500 grados. Estos dos tipos de aleaciones de titanio todavía tienen una alta resistencia específica en el rango de 150 grados -500 grados, mientras que la resistencia específica de la aleación de aluminio disminuye significativamente a 150 grados. La temperatura de trabajo de la aleación de titanio puede alcanzar los 500 grados, mientras que la de la aleación de aluminio es inferior a 200 grados.
Buena resistencia a la corrosión
La aleación de titanio funciona en atmósferas húmedas y en medios de agua de mar, y su resistencia a la corrosión es mucho mejor que la del acero inoxidable; tiene una resistencia particularmente fuerte a las picaduras, la corrosión ácida y la corrosión por tensión; tiene una excelente resistencia a la corrosión contra sustancias orgánicas alcalinas, cloruros, cloro, ácido nítrico, ácido sulfúrico, etc. Sin embargo, el titanio tiene poca resistencia a la corrosión contra medios reductores de oxígeno y sales de cromo.
Buen rendimiento a baja temperatura
La aleación de titanio aún puede mantener sus propiedades mecánicas a temperaturas bajas y ultrabajas. Las aleaciones de titanio con buen rendimiento a bajas temperaturas y elementos intersticiales extremadamente bajos, como TA7, aún pueden mantener cierta plasticidad a -253 grado. Por lo tanto, la aleación de titanio también es un importante material estructural de baja temperatura.
Alta actividad química
El titanio tiene una alta actividad química y reacciona fuertemente con O2, N2, H2, CO, CO2, vapor de agua, amoníaco, etc. de la atmósfera. Cuando el contenido de carbono es superior al 0.2%, se formará TiC duro en la aleación de titanio; cuando la temperatura es alta, también formará una capa superficial dura de TiN cuando reacciona con N; por encima de 600 grados, el titanio absorbe oxígeno para formar una capa endurecida con alta dureza; cuando aumenta el contenido de hidrógeno, también se formará una capa quebradiza. La profundidad de la capa superficial dura y quebradiza producida al absorber el gas puede alcanzar 0,1-0.15 mm y el grado de endurecimiento es del 20%-30%. El titanio también tiene una alta afinidad química y es propenso a adherirse a la superficie de fricción.
Elasticidad de baja conductividad térmica.
La conductividad térmica del titanio es λ=15.24W/(m·K), que es aproximadamente 1/4 de níquel, 1/5 de hierro y 1/14 de aluminio, mientras que la conductividad térmica de varios tipos de titanio aleaciones es aproximadamente un 50% menor que el del titanio. El módulo de elasticidad de la aleación de titanio es aproximadamente la mitad del del acero, por lo que tiene poca rigidez y es fácil de deformar. No es adecuado para fabricar varillas delgadas y piezas de paredes delgadas. El rebote de la superficie procesada durante el corte es muy grande, aproximadamente de 2 a 3 veces mayor que el del acero inoxidable, lo que provoca fricción, adherencia y desgaste de unión severos en la cara posterior de la herramienta.
La aleación de titanio tiene alta resistencia y baja densidad, buenas propiedades mecánicas y buena tenacidad y resistencia a la corrosión. Además, la aleación de titanio tiene un rendimiento de proceso deficiente y es difícil de cortar. Durante el procesamiento en caliente, es muy fácil absorber impurezas como hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y carbono. También tiene poca resistencia al desgaste y procesos de producción complejos. La producción industrial de titanio comenzó en 1948. Las necesidades del desarrollo de la industria de la aviación llevaron al desarrollo de la industria del titanio a una tasa de crecimiento anual promedio de alrededor del 8%. La producción anual de materiales de procesamiento de aleaciones de titanio en el mundo ha alcanzado más de 40000 toneladas y hay casi 30 grados de aleaciones de titanio. Las aleaciones de titanio más utilizadas son Ti-6Al-4V (TC4), Ti-5Al-2.5Sn (TA7) y titanio puro industrial (TA1, TA2 y TA3).
Las aleaciones de titanio se utilizan principalmente para fabricar piezas de compresores de motores de aviones, seguidas de cohetes, misiles y piezas estructurales de aviones de alta velocidad. A mediados de la década de 1990, el titanio y sus aleaciones se utilizaban en la industria general para fabricar electrodos para la industria de la electrólisis, condensadores para centrales eléctricas, calentadores para refinación de petróleo y desalinización de agua de mar, y dispositivos de control de la contaminación ambiental. El titanio y sus aleaciones se han convertido en un material estructural resistente a la corrosión. Además, también se utilizan para producir materiales de almacenamiento de hidrógeno y aleaciones con memoria de forma.
China inició la investigación sobre titanio y aleaciones de titanio en 1956; A mediados de la década de 1990 se inició la producción industrial de materiales de titanio y se desarrollaron las aleaciones TB2.
La aleación de titanio es un nuevo material estructural importante utilizado en la industria aeroespacial. Su gravedad específica, resistencia y temperatura de funcionamiento se encuentran entre el aluminio y el acero, pero es más resistente que el aluminio y el acero y tiene una excelente resistencia a la corrosión del agua de mar y un rendimiento a temperaturas ultrabajas. En 1950, Estados Unidos lo utilizó por primera vez en el cazabombardero F-84 como componentes que no soportan carga, como escudos térmicos traseros del fuselaje, cubiertas de guías de viento y cubiertas de cola. Desde la década de 1960, el uso de aleaciones de titanio se ha trasladado del fuselaje trasero al fuselaje medio y ha reemplazado parcialmente al acero estructural para fabricar importantes componentes de soporte de carga, como mamparos, vigas y rieles de aletas. El uso de aleaciones de titanio en aviones militares ha aumentado rápidamente, alcanzando entre el 20% y el 25% del peso de la estructura del avión. Desde la década de 1970, los aviones civiles han comenzado a utilizar aleaciones de titanio en grandes cantidades. Por ejemplo, el avión de pasajeros Boeing 747 utiliza más de 3.640 kilogramos de titanio. Los aviones con números de Mach superiores a 2,5 utilizan titanio principalmente para reemplazar el acero y reducir el peso estructural. Por ejemplo, en el avión de reconocimiento de gran altitud y alta velocidad SR-71 de EE. UU. (vuelo con número de Mach de 3, altitud de vuelo de 26.212 metros), el titanio representa el 93% del peso de la estructura del avión, lo que se conoce como "todo -Aviones de titanio". Cuando la relación empuje-peso de un motor de avión aumenta de 4-6 a 8-10 y la temperatura de salida del compresor aumenta de 200-300 grados a 500-600 grados, la baja Los discos y palas del compresor de presión fabricados originalmente de aluminio deben reemplazarse con aleaciones de titanio, o se deben usar aleaciones de titanio en lugar de acero inoxidable para fabricar discos y palas del compresor de alta presión para reducir el peso de la estructura. En la década de 1970, la cantidad de aleación de titanio utilizada en los motores de los aviones representaba generalmente entre el 20% y el 30% del peso total de la estructura, y se utilizaba principalmente para fabricar piezas de compresores, como ventiladores de titanio forjado, discos y palas de compresores, piezas fundidas. carcasas de compresores de titanio, carcasas intermedias, carcasas de cojinetes, etc. Las naves espaciales utilizan principalmente la alta resistencia específica, la resistencia a la corrosión y la resistencia a bajas temperaturas de las aleaciones de titanio para fabricar diversos recipientes a presión, tanques de combustible, sujetadores, correas de instrumentos, marcos y carcasas de cohetes. Los satélites terrestres artificiales, los módulos lunares, las naves espaciales tripuladas y los transbordadores espaciales también utilizan piezas soldadas con láminas de aleación de titanio.
El corte, la perforación y el roscado de aleaciones de titanio tienen requisitos particularmente altos para las herramientas de corte, las brocas para el procesamiento de orificios y los machos de roscar: cuando la dureza de la aleación de titanio es superior a HB350, el corte es particularmente difícil. Cuando es inferior a HB300, es fácil que se pegue a la herramienta y también es difícil de cortar. Sin embargo, la dureza de la aleación de titanio es sólo un aspecto de la dificultad de corte. La clave reside en la amplia influencia de las propiedades químicas, físicas y mecánicas de la propia aleación de titanio en su procesabilidad de corte. La aleación de titanio tiene las siguientes características de corte:
(1) Coeficiente de deformación pequeño: esta es una característica importante del corte de aleaciones de titanio. El coeficiente de deformación es menor o cercano a 1. La distancia de fricción por deslizamiento de la viruta en el filo frontal aumenta considerablemente, lo que acelera el desgaste de la herramienta.
(2) Alta temperatura de corte: dado que la conductividad térmica de la aleación de titanio es muy pequeña (solo equivale a 1/5 a 1/7 del acero 45), la longitud de contacto entre la viruta y el filo frontal es extremadamente corta. El calor generado durante el corte no es fácil de transmitir y se concentra en un pequeño rango cerca del área de corte y el filo. La temperatura de corte es muy alta. En las mismas condiciones de corte, la temperatura de corte puede ser más del doble que la del corte de acero 45.
(3) Gran fuerza de corte por unidad de área: la fuerza de corte principal es aproximadamente un 20% menor que la del corte de acero. Dado que la longitud de contacto entre la viruta y el filo frontal es extremadamente corta, la fuerza de corte por unidad de área de contacto aumenta considerablemente, lo que es fácil de provocar astillado. Al mismo tiempo, debido al pequeño módulo elástico de la aleación de titanio, es fácil producir deformación por flexión bajo la acción de la fuerza radial durante el procesamiento, lo que provoca vibración, aumenta el desgaste de la herramienta y afecta la precisión de las piezas. Por lo tanto, el sistema de proceso debería tener buena rigidez.
(4) Fenómeno de endurecimiento en frío severo: debido a la alta actividad química del titanio, es fácil absorber oxígeno y nitrógeno en el aire para formar una piel exterior dura y quebradiza a alta temperatura de corte; al mismo tiempo, la deformación plástica durante el corte también provocará el endurecimiento de la superficie. El fenómeno de endurecimiento en frío no sólo reduce la resistencia a la fatiga de las piezas, sino que también agrava el desgaste de las herramientas. Es una característica muy importante al cortar aleaciones de titanio.
(5) La herramienta es fácil de usar: después de procesar la pieza en bruto mediante estampado, forja, laminación en caliente y otros métodos, se forma una piel exterior desigual, dura y quebradiza, que es muy fácil de causar astillado, lo que facilita la eliminación de la piel dura. El proceso más difícil en el procesamiento de aleaciones de titanio. Además, debido a la fuerte afinidad química de la aleación de titanio con los materiales de la herramienta, en condiciones de alta temperatura de corte y gran fuerza de corte por unidad de área, la herramienta es propensa al desgaste adhesivo. Al tornear aleaciones de titanio, el desgaste del filo delantero es a veces incluso más grave que el del filo trasero; cuando la velocidad de alimentación f<0.1 mm/r, the wear mainly occurs on the back cutting edge; when f>{{0}}.2 mm/r, el filo frontal se desgastará; Cuando se utilizan herramientas de carburo para torneado fino y semiacabado, el desgaste del filo posterior es más adecuado cuando VBmax es inferior a 0,4 mm.
En el fresado, debido a la baja conductividad térmica de los materiales de aleación de titanio y la longitud de contacto extremadamente corta entre las virutas y el filo frontal, el calor generado durante el corte no es fácil de transmitir y se concentra en un pequeño rango cerca del corte. zona de deformación y el filo. Durante el procesamiento, el filo generará temperaturas de corte extremadamente altas, lo que acortará en gran medida la vida útil de la herramienta. Para la aleación de titanio Ti6Al4V, bajo las condiciones que lo permitan la resistencia de la herramienta y la potencia de la máquina herramienta, el nivel de temperatura de corte es el factor clave que afecta la vida útil de la herramienta, no el tamaño de la fuerza de corte.
Materiales de herramientas
El corte de aleaciones de titanio debe comenzar reduciendo la temperatura de corte y reduciendo la adherencia. Se deben seleccionar materiales para herramientas con buena dureza al rojo, alta resistencia a la flexión, buena conductividad térmica y poca afinidad con las aleaciones de titanio. El carburo cementado YG es más adecuado. Dado que el acero rápido tiene poca resistencia al calor, se deben utilizar tanto como sea posible herramientas hechas de carburo cementado. Los materiales de herramientas de carburo cementado comúnmente utilizados incluyen YG8, YG3, YG6X, YG6A, 813, 643, YS2T y YD15.
Las hojas recubiertas y los carburos cementados tipo YT tendrán una fuerte afinidad con las aleaciones de titanio, lo que agrava el desgaste por unión de la herramienta, y no son adecuados para cortar aleaciones de titanio; para herramientas complejas con múltiples filos, acero rápido con alto contenido de vanadio (como W12Cr4V4Mo), acero rápido con alto contenido de cobalto (como W2Mo9Cr4VCo8) o acero rápido con aluminio (como W6Mo5Cr4V2Al, M10Mo4Cr4V3Al) y otros materiales para herramientas Se pueden seleccionar los que sean adecuados para fabricar taladros, escariadores, fresas, brochas, machos de roscar y otras herramientas para cortar aleaciones de titanio.
El uso de diamante y nitruro de boro cúbico como herramientas para cortar aleaciones de titanio puede lograr resultados significativos. Por ejemplo, utilizando herramientas de diamante natural en condiciones de enfriamiento de emulsión, la velocidad de corte puede alcanzar 200 m/min; Si no se utiliza fluido de corte, la velocidad de corte permitida es de sólo 100 m/min con la misma cantidad de desgaste.
Precauciones
Durante el proceso de corte de una aleación de titanio, se deben tener en cuenta las siguientes cuestiones:
(1) Debido al pequeño módulo elástico de la aleación de titanio, la deformación por sujeción y la deformación por tensión de la pieza de trabajo durante el procesamiento son grandes, lo que reducirá la precisión del procesamiento de la pieza de trabajo; la fuerza de sujeción no debe ser demasiado grande al instalar la pieza de trabajo y, si es necesario, se puede agregar soporte auxiliar.
(2) Si se utiliza fluido de corte que contiene hidrógeno, se descompondrá y liberará hidrógeno a alta temperatura durante el proceso de corte, que será absorbido por el titanio y provocará fragilidad por hidrógeno; También puede causar agrietamiento por corrosión bajo tensión a alta temperatura de la aleación de titanio.
(3) Los cloruros en el fluido de corte también pueden descomponer o volatilizar gases tóxicos durante el uso. Se deben tomar medidas de protección de seguridad al usarlo; de lo contrario, no se debe utilizar; Después del corte, las piezas deben limpiarse a fondo con un agente de limpieza sin cloro a tiempo para eliminar los residuos que contengan cloro.
(4) Está prohibido utilizar herramientas y accesorios hechos de aleaciones a base de plomo o zinc para entrar en contacto con aleaciones de titanio. También están prohibidos el cobre, el estaño, el cadmio y sus aleaciones.
(5) Todas las herramientas, accesorios u otros dispositivos que entren en contacto con aleaciones de titanio deben estar limpios; Se debe evitar que las piezas de aleación de titanio limpiadas se contaminen con grasa o huellas dactilares, de lo contrario podrían provocar corrosión bajo tensión de la sal (cloruro de sodio) en el futuro.
(6) En circunstancias normales, no existe riesgo de ignición al cortar aleaciones de titanio. Sólo al cortar una pequeña cantidad de aleaciones de titanio, el corte
Sólo las finas virutas que se encuentran debajo de la máquina pueden incendiarse y quemarse. Para evitar incendios, además de verter una gran cantidad de líquido de corte, también es necesario evitar que las virutas se acumulen en la máquina herramienta, reemplazar la herramienta inmediatamente después de que se desafile o reducir la velocidad de corte y aumentar el avance. velocidad para aumentar el espesor de la viruta. Si se produce un incendio, se deben utilizar talco, polvo de piedra caliza, arena seca y otros equipos de extinción de incendios para extinguirlo. Está estrictamente prohibido utilizar extintores de tetracloruro de carbono y dióxido de carbono, y no se debe verter agua, porque el agua puede acelerar la combustión e incluso provocar explosiones de hidrógeno.
