热氢处理对TC4钛合金切削加工性的影响

第4期4月

材料热处理学报

Vol.32April

No.42011

TRANSACTIONSOFMATERIALSANDHEATTREATMENT

热氢处理对TC4钛合金切削加工性的影响

华小珍，彭新元，周贤良，邹爱华，崔

（南昌航空大学材料科学与工程学院，江西南昌

摘

霞

330063）

要：采用热氢处理技术对TC4钛合金进行了渗氢处理，对不同氢含量试件进行车削试验，测量切削力、表面粗糙度以及观察

TC4钛合金的切削加工性得到改善；并且在切屑形貌，研究氢对TC4钛合金切削加工性的影响。结果表明：渗入一定量的氢后，所研究的氢含量范围0～0.45%内存在一个最佳切削氢含量范围，为0.30%～0.40%，其中最佳切削氢含量为0.32%。此时，切表面粗糙度减小约38%，切屑由带状变为节状，可切削加工性最好。削力降低约10%，关键词：热氢处理；

TC4钛合金；

切削加工性

62（2011）04-0043-04文章编号：1009-中图分类号：TG146.23

文献标志码：A

EffectofthermohydrogentreatmentonmachinabilityofTC4titaniumalloy

HUAXiao-zhen，PENGXin-yuan，ZHOUXian-liang，ZOUAi-hua，CUIXia

（SchoolofMaterialsScienceandEngineering，NanchangHangkongUniversity，Nanchang330063，China）

Abstract：TC4titaniumalloywashydrogenatedbythermohydrogentreatmenttechnology.Effectsofhydrogenonmachinabilityoftitaniumalloywereresearchedbymeasuringcuttingforceandsurfaceroughnessaswellasobservingchipmorphology，throughturningexperiments.TheresultsshowthatthemachinabilityofTC4titaniumalloyisimprovedwiththeadditionofhydrogen.Moreover，thesuitablehydrogencontentrangeforimprovingmachinabilityisapproximatelyfrom0.30%to0.40%，whilethetestinghydrogencontentrangeis0～0.45%，andtheoptimalhydrogencontentis0.32%.Itisfoundthatthecuttingforcereduces10%，thesurfaceroughnessreduces38%，andthechipsmorphologyaretransferredfromcontinuoustosegmentalfortheTC4titaniumalloywithhydrogencontentof0.32%.Keywords：thermohydrogentreatment；TC4titaniumalloy；machinability

钛合金零件主要的成形方法是切削加工。由于钛合金导热系数小，与刀具材料亲和性强，弹性模量使得钛合金切削加工性很差，是一种典型的难加小，

其相对切削加工性仅为45钢的25%～工材料，38%

［1］

1试验材料及方法

试验材料为TC4锻态钛合金板材，采用气相渗

温度为750℃，保温一段时间后，在氢氢法进行渗氢，

气气氛中随炉冷却。通过控制氢气压力和保温时间实际氢含量采用来控制合金中氢含量（0～0.45%），

－5［7］

普遍使用的称重法得到（天平精度为10g）。利

。目前，国内外在改善钛合金切削加工性的研

［2-5］

究主要集中在刀具材料、刀具几何角度、切削环境如低温、真空等方面，但收效甚微

。通过热氢处理技

术把氢作为可逆合金化元素，利用其在钛合金中高的吸附能力和扩散能力，实现钛氢系统最佳组织结构，而不改变材料的整体状态，为改善钛合金的切削加工性提供一条新的解决途径

［6］

6A型金相显微镜和H-800型透射电子显微镜用XJP-对渗氢前后的组织结构进行观察。

车削试验采用干切削，在CA6140车床上进行，刀具材料为YG6硬质合金，切削时前角为3°，后角为9°，主偏角为90°，副偏角为30°，刀尖圆弧半径为0.3mm。切削速度为560r/min，进给量为0.16mm/r，切

［8］

削深度为1mm。试样尺寸为16mm×150mm，

。本文通过对TC4钛合

金进行车削加工试验，研究氢对其切削加工性的作用规律及原因，以期为热氢处理技术在钛合金切削加工中的实际应用提供依据。

表面精度基本一致。车削力的测量采用瑞士的Kistler9265B型三向压电式测力仪，表面粗糙度的测量采用MahrM1型表面粗糙度测量仪。

收稿日期：基金项目：作者简介：通讯作者：

2010-05-17；修订日期：2010-07-27

江西省材料科学与工程研究中心（zx200801003）

华小珍（1957—），女，教授，主要从事金属材料热处理研究。3953320，E-mail：pxy728@126.com。周贤良，电话：0791-

2

2.1

试验结果与分析

氢含量对切削力的影响

图1为TC4合金切削力随氢含量的变化曲线。

44

材料热处理学报第32卷

在氢含量0%～0.45%范围内，轴向力Fx、径向力Fy、切向力Fz以及切削力的合力F均先减小后增大，当氢含量为0.32%时达到最小，此时的切削力比未渗氢合金的降低约10%。可见，氢可以有效地减小钛合金的切削力，并且存在最佳的切削氢含量范围为0.30%～0.40%。

当氢含量为0.32%时表面粗糙度值最小，即表面精度最高，此时粗糙度值比未渗氢合金的降低约38%。2.3

氢含量对切削形貌的影响

图3为不同氢含量TC4钛合金切屑形貌图。未渗氢时切屑呈长卷曲状，卷曲严重，缠绕在刀具上不易去除，导致加工表面精度降低。当氢含量为0.32%时，切屑脆断，基本无卷曲，便于去除，提高已加工表面的精度。2.4

讨论

TC4试件的切削随着氢含量的增加，综上所述，

力、表面精度均呈现先降低、后升高的变化趋势，即氢含量为0.30%～0.40%时，试件的切削力、表面粗糙度最低。影响钛合金切削加工性能的因素除切削工艺等外部条件外，更主要的是材料本身的组织性能，包括化学成分、晶粒组织、析出相、硬度、热导率等。

图1Fig.1

氢含量对TC4合金切削力的影响

由于氢的引入导致钛合金基体的组织、结构发生变化。图4为不同氢含量TC4钛合金的显微组织，TC4原始组织为粗大的片状组织。随着氢的渗可见，

入，β晶粒内部的组织得到细化，最终得到细碎片状和粒状相混合的组织（图4b）。由于氢是原子半径最小的元素，在钛中具有很强的扩散能力，室温下扩散

－132

速率能达到4.96×10cm/s。而氢在β相中的溶［9］

解度又很大，是其在α相中的200倍。在高温渗

EffectofhydrogenoncuttingforceofTC4alloy

氢时，氢会迅速固溶于β相间隙中，造成巨大的体积膨胀效应，在晶粒之间产生剪切应力，使片状晶粒破碎、细化。因此，渗氢后晶粒较原始组织更为细小，而

图2Fig.2

氢含量对TC4合金表面粗糙度的影响

这种细小的组织结构具有良好的可切削加工性。因为片状组织的塑性较差，在切削时发生的塑性变形来不及扩展到整个材料内部，只能是发生在材料表面一层。因此，导致切削加工时表面层产生很高的温度和压力，体现为切削温度高、切削力大

［10］

EffectofhydrogenonsurfaceroughnessofTC4alloy

2.2氢含量对加工表面粗糙度的影响

图2为TC4钛合金车削后已加工表面粗糙度随

。而通过渗入

氢含量的变化曲线。从图2可见，表面粗糙度随氢含量的变化规律跟切削力的规律一致，先减小后增大，

对钛合金的组织起到一定的细化作一定量的氢后，

用，从而降低切削加工时的切削温度和切削力，达到

图3Fig.3

不同氢含量TC4合金的切屑形貌（a）未渗氢；（b）氢含量为0.20%；（c）氢含量为0.32%

ChipmorphologyofTC4alloywithdifferenthydrogencontents（a）as-received；（b）0.20%；（c）0.32%

第4期华小珍等：热氢处理对TC4钛合金切削加工性的影响

45

图4

Fig.4

不同氢含量TC4合金的显微组织

图5氢含量为0.40%的TC4合金TEM照片及对应衍射斑点的标定

（a）明场相；（b）对应的衍射斑点

TEMimageofTC4alloywith0.40%hydrogen

（a）未渗氢；（b）氢含量为0.32%

MicrostructureofTC4alloywithdifferenthydrogencontents

（a）as-received；（b）0.32%

Fig.5

（a）brightfieldimage；（b）SAEDpatternandindexing

改善钛合金切削加工性的目的。

当氢含量超过TC4合金中的固溶极限后，就会从α晶粒内部和晶界同时析出细小的粒状和针状氢如图5（a）所示。经图5（b）标定析出的氢化物化物，

为TiH2，且与基体α-Ti之间存在一定的位相关系：（111）TiH2//（010）α-Ti。氢化物为硬脆且弥散的小颗粒，可以理解为合金基体中产生的微小空间，从而割断了基体的连续性，使其成为应力集中源，产生“切变效应”，构成许多弱化微区。在温度较高的切这些氢化物成为很好的内部固体断裂剂。切削削区，

时在刀刃的接触面上就有大量脆性氢化物存在，相当使得切削力和加工表面粗糙度于减小了切削层面积，降低，可切削性提高。

氢的引入还会引起与切削过程相关的力学性能发生变化。图6为不同氢含量TC4合金的硬度值，可见，合金的硬度随着氢含量的增加而逐渐升高。氢作为对位错运动的原子尺寸级障碍，择优分布在位错，线上，形成间隙原子“气团”将位错牢牢钉扎住，从而造成强化。同时氢钛原子尺寸差异甚大，在氢原子并可与位错的畸变场交互作周围将造成失配畸变场，

用，使合金的硬度升高。硬度的升高使得塑性降低，

Fig.6

图6

氢含量对TC4合金硬度的影响EffectofhydrogenonhardnessofTC4alloy

切屑变脆易于断屑，降低粘结磨损，有利于切削加工。

氢的引入还会对合金的热导率起到一定的积极作用。图7为室温（25℃）下TC4合金热导率随氢含合金的热传导率量的变化曲线。随着氢含量的增加，单调递增。相关资料显示

［11］

，渗入0.30%左右的氢

能提高TC4钛合金在高温下（500℃）的热导率约60%，而此温度区间恰好是用硬质合金刀具切削钛合金时的最佳切削温度区间金的切削加工性。

［8，12］

。这将有利于改善切

削区的散热条件，降低切削区的温度，从而改善钛合

46

材料热处理学报第32卷

于切除，提高钛合金的切削加工性。

3结论

1）随着氢含量的增加，TC4合金切削力、表面粗

糙度值均呈现先降低后升高的趋势；0.32%的氢使切削合力降低10%，表面粗糙度减小38%，使带状切屑从而提高了TC4合金的切削加工性；转变为节状屑，

2）氢的引入导致TC4合金基体结构发生变化，使得合金组织得到一定程度的细化，并当氢含量达到

图7

Fig.7

氢含量对TC4合金热导率的影响

0.40%时在晶粒内和晶界处析出颗粒状的氢化物TiH2，且与基体α-Ti之间存在一定的位相关系；

3）随着氢含量的增加，TC4合金的热导率和硬度都得到了一定程度的提高；

总之，氢对TC4合金切削加工性起到改善作用，并且存在一个最佳切削氢含量范围为0.30%～0.40%，利用热氢处理技术的这一特点将为钛合金在实际生产中的切削加工开辟一条新的道路。

文

献

EffectofhydrogenonthermalconductivityofTC4alloy

此外，氢还能在钛合金的切削过程中起到直接的作用

［9］

：首先，氢的渗入能减小由于钛合金切削过程

中形成的氧化皮的厚度。由于这层氧化皮又脆又硬，因此，渗氢能降低切削力，改善钛合金的切削性能；其次，氢的渗入不仅能减小氧化层的厚度还能降低氧化使得切削过程中氧化皮易层和钛合金基体的结合力，

参

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考

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