在機械加工過程中，切削參數選擇、刀具材料、幾何形狀設計、冷卻潤滑系統應用等因素，都會對鈦合金的加工性能產生顯著影響。例如：不當的切削速度和進給量會降低鈦合金表面質量，甚至產生裂紋；刀具磨損會加劇切削力波動，影響加工精度；缺乏有效的冷卻潤滑，則易引起工件過熱，損害材料的微觀結構�；�于此，探討不同機械加工條件下鈦合金的性能變化規律，為實際生產中的工藝改進和技術創新提供理論支持。

1、 試件制備

在試件制備時，選用 Ti-3Al-8V-4Mo-4Cr-4Zr-2Fe-2Nb 鈦合金成分。這種合金具有良好的強度和韌性，適用于制造高要求的結構件。工作人員利用真空自耗電弧熔煉技術制備所需的鈦合金鑄錠，有效去除雜質，提高合金的純凈度，為后續鍛造提供高質量的原材料。此外，將鑄錠放在大型水壓機上進行鍛壓，細化鍛壓過程為幾個階段。每個階段的溫度和保溫時間均有所不同，以有效提高合金的晶粒細化程度，幫助其達到所需的力學性能。初始鍛時，溫度設定為 1100℃，保溫 60min；中間鍛壓階段，溫度逐漸降低，每次鍛壓后保溫 60min；最終鍛壓階段，溫度降至 860℃，保溫 60min。通過上述階段的鍛壓操作，鑄錠逐漸變形，最終形成直徑為 30mm 的棒材。測試鈦合金熔煉后的化學成分，結果如表 1 所示。

表 1 鈦合金鑄錠熔煉化學成分（單位：%）

化學成分	上部含量	下部含量
Al	3.06	3.02
V	8.19	8.05
Mo	4.12	3.95
Cr	4.08	4.01
Zr	3.92	3.45
Fe	1.95	1.90
Nb	1.95	1.97

從表 1 可以看出，鈦合金鑄錠的上部和下部在化學成分上存在一定差異。上部和下部的鋁含量非常接近，分別為 3.06% 和 3.02%，表明鋁的分布較為均勻；上部釩含量為 8.19%，略高于下部的 8.05%，可能影響合金硬度和強度；上部鉬含量為 4.12%，略高于下部的 3.95%，可能會對合金的耐腐蝕性產生影響；上部和下部的鉻含量幾乎相同，分別為 4.08% 和 4.01%，表明鉻的分布較為均勻；上部的鋯含量為 3.92%，顯著高于下部的 3.45%，會給合金耐高溫性能帶來各種影響；上部和下部的鐵含量非常接近，分別為 1.95% 和 1.90%，表明鐵的分布較為均勻；上部和下部的鈮含量非常接近，分別為 1.95% 和 1.97%，表明鈮的分布較為均勻。

2、試驗方法

研究人員從鍛壓后的鈦合金上選擇一塊圓柱形標準試樣，直徑為 5mm，標距 25mm。嚴格遵循《金屬材料室溫拉伸試驗方法》（GB/T228 一 2002），保證靜載拉伸試驗的順利進行。試驗過程中，工作人員要科學控制其試驗溫度，保證其與室溫相同。利用 Instron5885 電子萬能材料試驗機，試驗速度為 1mm・min⁻¹。

硬度 H 的計算公式為：

式中：P 為外加載荷值；d 為壓痕對角線平均值。

選用 β 鈦合金作為試驗材料，從鑄造和鍛壓后的 β 鈦合金中切取試樣，尺寸為 10mm×10mm×10mm。使用不同粒度的砂紙對試樣進行逐級研磨，直至表面光滑無劃痕。隨后進行機械拋光，使用氧化鋁拋光膏在拋光機上完成。采用 HF、HNO₃、H₂O 體積比為 1:3:5 的腐蝕液對拋光后的試樣進行腐蝕，在 30~60s 清晰顯示晶粒邊界。使用 OLYMPUS 金相顯微鏡觀察腐蝕后的試樣，記錄晶粒的形貌、尺寸和組織分布。通過金相顯微鏡觀察發現，鑄造后的 β 鈦合金晶粒較為粗大，晶界清晰可見 [2]。

3 、試驗結果與討論

3.1 力學性能

在進行鍛壓后的鈦合金棒材硬度測試時，外緣硬度值為 350HV，中部硬度值為 320HV，中心硬度值為 300HV，可見硬度值從外緣到中心逐漸降低。試驗結果表明，鈦合金棒材在鍛壓過程中外緣的形變比中部大，導致外緣的硬度值較高。究其原因，主要在于鍛壓過程中外緣受到的壓力和溫度梯度較大，使得外緣的晶粒細化程度更高，從而使硬度增加。為了獲得更加均勻的硬度分布，建議優化鍛壓工藝，如采用多道次鍛壓、控制鍛壓速度和溫度梯度等方法，減少形變不均勻性。此外，考慮熱處理對鈦合金硬度分布的影響，利用合適的熱處理工藝，如退火、固溶處理、時效處理，改善鈦合金的組織結構，從而提高其力學性能。

鈦合金拉伸性能測試數據如表 2 所示。通過統計鈦合金經過鍛壓后室溫拉伸測試數據可知，測試號 1 和測試號 3 的屈服強度均為 823MPa，測試號 2 的屈服強度略低，為 791MPa，表明測試號 1 和測試號 3 材料在承受應力時更早進入塑性變形階段。測試號 1 抗拉強度最高，達到 867MPa，其次是測試號 3（抗拉強度為 856MPa），最后是測試號 2（抗拉強度為 827MPa），說明測試號 1 的材料在拉伸過程中具有較高的承載能力。測試號 1 伸長率為 20.0%，顯示出較好的塑性變形能力。測試號 2 和測試號 3 伸長率分別為 17.5% 和 17.9%，略低于測試號 1 [3]。

表 2 鈦合金拉伸性能測試數據

測試號	直徑 /mm	標距長度 /mm	斷裂后標距長度 /mm	屈服強度 / MPa	抗拉強度 / MPa	伸長率 /%
1	4.92	25	29.94	823	867	20.0
2	4.92	25	29.34	791	827	17.5
3	4.92	25	29.42	823	856	17.9

3.2 金相微觀顯微組織觀察

通過金相顯微鏡觀察，發現鈦合金鑄造后的金相組織具有多樣化特點。鈦合金內部晶界清晰可見，呈現出明顯的分界線。在晶界附近觀察到一些無規則的線條，可能是鑄造過程中的應力集中或雜質元素的分布不均所致；晶粒平均尺寸為 1500μm，表明鑄造組織較為粗大。在合金內部發現氣孔缺陷，這些缺陷是在鑄造過程中氣體未能完全排出所致 [4]。

鈦合金微觀結構對其機械性能有著重要影響，有助于提高材料的使用強度，但也可能增加其脆性，如圖 1 所示。

觀察鈦合金經鍛壓后外緣部和中部的金相顯微組織情況，并與鈦合金鑄造金相顯微組織情況進行對比。經過鍛壓處理后，鈦合金內部的原始氣孔缺陷基本消失。金相顯微鏡下的觀察顯示，鍛壓后的鈦合金組織均勻，未見明顯氣孔，表明鍛壓過程有效改善了材料的致密性，消除了鑄造過程中產生的氣孔缺陷。鍛壓后的鈦合金晶粒平均尺寸為 450μm，相較于鍛壓前的粗大晶粒，晶粒尺寸明顯細化，如圖 2 所示 [5]。

4 、提高鈦合金材料機械加工質量的有效路徑

為了提高鈦合金材料的機械加工質量，工作人員積極采用先進的數控加工技術，通過計算機程序精確控制刀具路徑和加工參數，實現復雜形狀的高精度加工。對于鈦合金材料，采用五軸聯動數控機床可有效減少裝夾次數，提高加工效率。數控系統的高速響應特性可減少切削過程中的振動，提高加工表面的光潔度 [6]。同時，切削參數選擇直接影響加工質量，如較低的切削速度和較高的進給量都會減少切削熱，減少加工硬化層的形成，因此加工鈦合金材料應選擇合適的切削速度、進給量、切削深度 [7]。采用高壓冷卻液可有效降低切削溫度，減少刀具磨損，提高加工質量。硬質合金、陶瓷、立方氮化硼等高性能刀具材料，具有良好的耐磨性和熱穩定性，適用于鈦合金的加工，有助于提高刀具的耐磨性和抗黏結性，有效延長刀具壽命 [8]。

5、結語

通過對 Ti-3Al-8V-4Mo-4Cr-4Zr-2Fe-2Nb 鈦合金的制備、力學性能測試、金相顯微組織觀察，揭示不同機械加工條件下鈦合金的性能變化規律。研究結果表明，優化鍛壓工藝和熱處理工藝，可顯著提高鈦合金的力學性能。此外，采用先進的數控加工技術、高性能刀具材料，是提高鈦合金機械加工質量的有效途徑。未來研究應進一步探討熱處理工藝對鈦合金性能的影響，結合實際生產需求，優化加工工藝參數，實現鈦合金材料的高質量加工。

參考文獻

[1] 戎杰，牛秋林，高航，等。鈦合金銑削加工中 MQL 參數優化與切削性能研究 [J]. 航空制造技術，2024 (3):106-114.

[2] 張俊杰，劉英想，胡王杰，等.TC4 鈦合金縱彎超聲振動銑削裝置及其加工性能研究 [J]. 航空制造技術，2022 (8):14-21.

[3] 劉威。典型單相和雙相鈦合金的機械振動性能研究 [D]. 西安：長安大學，2022.

[4] 鄧日清.SLM 成型 TC4 鈦合金銑削加工表面完整性與疲勞性能研究 [D]. 天津：河北工業大學，2022.

[5] 吳錫轉。鈦合金低溫冷風靜電微量潤滑銑削加工性能試驗研究 [D]. 杭州：浙江工業大學，2022.

[6] 劉洋。激光選區熔化成形鎳鈦合金相變行為及機械性能研究 [D]. 武漢：華中科技大學，2022.

[7] 黃珂。液體輔助激光加工織構刀具潤滑及切削鈦合金性能研究 [D]. 青島：青島理工大學，2023.

[8] 詹中偉，劉嘉，孫志華，等。電解加工對 TC17 鈦合金表面完整性及振動疲勞性能的影響 [J]. 電鍍與涂飾，2022 (7):491-496.

---

tag標簽:鈦合金性能

---