医用钛合金Ti-6Al-4V的可加工性研究

２００６年１２月第３卷第３５期・临床研究・

医用钛合金Ｔｉ一６ＡＩ一４Ｖ的可加工性研究

陈旭辉１．杜巧连２

（１．浙江巴奥米特医药产品有限公司，浙江金华３２１０１６；２．浙江师范大学，浙江金华３２１００４）

【摘要】目的：探讨医用钛合金Ｔｉ一６Ａｌ—４Ｖ的可加工性。方法：在分析医用Ｔｉ一６Ａｌ一４Ｖ钛合金材料特性和显微组织结构特征的基础上，通过铣削加工实验，研究了钛合金Ｔｉ一６Ａｌ一４Ｖ材料在高速铣削与常规铣削参数条件下的切削加工性。结果：高速铣削比低速铣削表面的显微硬度、表面粗糙度低得多。结论：高速铣削加工技术对于提高钛合金加工效率和改善表面加工质量是非常有效的，值得在生产中推广应用。

【关键词】医用钛合金；Ｔｉ一６刖一４Ｖ；高速铣削；切削加工性

钛合金由于其卓越的抗腐蚀性能和突出的力学性能而成为航空、化工等领域应用非常广泛的结构材料，近年来，由于钛及其合金具有良好的生物相容性，在医药工程领域也得到了广泛的应用。钛合金Ｔｉ一６Ａｌ一４Ｖ是１９５４年美国研制成功的第一个实用钛合金，目前已成为钛合金工业中的王牌合金。然而，钛合金属于难加工材料，当钛合金在高温（６００℃以上）时，钛合金的可加工性能很差【ｌ】。此时，其化学活性增大，易与氧、氮及氢等产生反应而使材质劣化，形成硬度很高的硬化层，使后续切削加工相对困难。同时因钛合金材料弹性模量低，弹性回复大，在切削力作用下，客易产生变形，回弹力将使刀具的实际后角减小，加剧后刀面与已加工表面的摩擦。这样往往会引起钛合金工件表面损伤，导致植入物疲劳寿命的降低。医用钛合金ｌＩＩｉ一６Ａｌ—ＩＶ作为骨科植入物材料时，对加工表面质量要求非常高，往往需要精加工生产。在实际零件精加工生产中，常需以已加工表面质量作为衡量切削加工性的一个重要指标脚。为此，如何在精加工生产中获得好的加工表面质量，提高其切削加工性，已成为钛合金加工中一个迫切需要解决的问题。为此，有必要对难加工材料医用钛合金Ｔｉ一６Ａ１＿４Ｖ的可加工性进行深入的探索性研究。

本文以医用Ｔｉ＿６Ａｌ一４Ｖ钛合金的可加工性作为研究目标．在分析医用Ｔｉ一６Ａ１—４Ｖ钛合金材料特性和显微组织结构特征的基础上，通过铣削加工实验，研究了钛合金Ｔｉ一６Ａｌ一４Ｖ材料在高速铣削与常规铣削参数条件下的切削加工性。研究表明．高速铣削在提高制造效率和改善表面质量上都是非常有益的，值得在生产中推广应用。

１医用钛合金Ｔ硒Ａｌ—４Ｖ材料特性分析

钛合金Ｔｉ一６Ａｌ一４Ｖ，含９０％的钛。６％的铝和４％的钒，该材料抗疲劳强度大、重量轻、耐腐蚀、生物相容性好，是国际公认的安全系数比较高的植入物材料，且此材料不影响核磁共振和ＣＴ病情检查。钛是同素异构体，熔点为１７２０℃，在低于８８２℃时呈密排六方晶格结构，称ｏ【钛；在８８２℃以上呈体心立方品格结构，称为Ｂ钛。利用钛的上述两种结构特点．添加适当的合金元素，使其相变温度及相分含量逐渐改变而得到不同组织的钛合金。室温下，钛合金有三种基体组织，按其使用状态常分为：ｄ型钛合金、Ｂ型钛合金、（０【＋ｐ）型钛合金。仅钛合金的切削加工性最好，（仪＋Ｂ）钛合金次之，Ｂ钛合金最差。三种钛合金中最常用的是：ｄ型钛合金和（０【＋ｐ）型钛合金。医用Ｔｉ一６Ａｌ一４ｖ钛合金属于（０【＋Ｂ）型钛合金，具有良好的综合力学机械性能。其主要有以下特性：

１．１比强度大

医用Ｔ“ＡＨＶ钛合金的强度６—９００ＭＰａ，密度＾ｙ＝４．４５×１０３ｋ咖３。

１．２钛合金热导率低

钛合金的热导率为铁的１／５，铝的１，ｌＯ．医用Ｔｉ一６Ａｌ－４Ｖ钛合金热导率入＝７．９５５Ｗ／ｍ・ｋ。钛合金材料的热导率低，造成切削过程散热差，致使刀具的切削刃的温度大幅度增高，刀具磨损加快，寿命缩短。

１．３钛舍金的弹性模量较低

医用Ｔ■６Ａ１４Ｖ钛合金的弹性模量Ｅ＝１１０ＧＰａ，约为钢的ｌ，２。故钛合金加工时容易产生变形。

材料的切削加工性可从切削的刀具耐用度、加工表面的质量、切屑形成和排屑的难易程度等方面进行衡量．钛合金材料属难加工材料圈。

２显微组织结构试验分析

从Ｔｉ一６Ａｌ＿４Ｖ钛合金实验材料上，截取一块试样ｆ１０ｍｍ×１０Ⅱ盥×１０ｍｍ），用不同号数的砂布获得高质量的磨片标本，然后进行试样的抛光，最后用氢氟酸、硝酸、蒸馏水按ｌ：１：２０配比的溶液金相腐蚀处理几秒钟。通过ＳＳ５５０型扫描电镜放大７００倍得到Ｔｉ一６Ａｌ一４Ｖ钛合金的金相显微照片（图１）。

圈１‘丌－６Ａｌ＿４Ｖ钛合金的金相显微照片

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・临床研究・

从电镜照片可以看出，Ｔｉ一６Ａｌ一４Ｖ钛合金的组织为典型的（仪＋Ｂ）相。（ｄ＋ｐ）相的金相组织使钛合金难以切削：仪相增加了合金的比强度，提高了再结晶温度，增加固溶体中原子间的结合力，提高了合金的热强度，而Ｂ相使合金得到进一步强化。同时，Ｔｉ一６Ａ１—４Ｖ钛合金变形系数小也说明钛合金是难切削材料．原因主要有三：第一是钛合金的塑性小ｆ尤其在加工中），切屑收缩也小；第二是热导率低，在高的切削温度下引起钛的ｄ相向ｐ相转变，而Ｂ相钛体积大，引起切屑增长；第三是在高温下，钛屑吸收了周围介质中的氧、氢、氮等气体而脆化，丧失塑性，切屑不再收缩，使得变形系数减小。

３铣削加工的对比试验

３．１试验条件

①试件尺寸：４２０ｍｍ×２００ｍｍ×２４ｍｍ；②铣床：ｘ５０４０立式铣床；③刀具：ＹＭ３０硬质合金立铣刀，４齿。④铣削方式：顺铣、周铣。⑤切削用量：常规铣削：ｎ＝５００ｒ／ｍｉｎ，衅ｌｏｏ“ｍｉｎ，ａｐ＿１０ｍｍ，ａ产Ｏ．２ｍｍ。

高速铣削：ｎ＝２５００“ｍｉｎ，驴５００耐ｍｉｎ，ａｐ＝１０ｍｍ，钆＝０．２ｍｍ。

３．２不同铣削速度的可加工性试验与分析

３．２．１铣削速度对表面加工质量的影响

铣削选用常规铣削参数时．在干切削条件下，铣削表面硬化层的分布深度与显微硬度的关系如表１所示。铣削用高速铣削参数时．在干切削条件下，铣削表面硬化层的分布深度与显微硬度的关系如表２所示。由表可知，钛合金材料高速铣削比低速铣削表面的显微硬度低得多，说明高速铣削表面生的晶粒发生歪曲变形较小，而且冷作硬化层的深度很浅。使用表面粗糙度仪对不同铣削速度下的加工表面进行测试，铣削选用常规铣削参数时的表面粗糙度为Ｒａ６．４坤ｍ，而当铣削选用高速铣削参数时，表面粗糙度为Ｒａ０．８汕ｍ。显然，高速比低速铣削下的表面粗糙度值要低很多。可见。为了提高数控机床的利用率及改善钛合金加工表面的质量．高速铣削技术具有其他加工方法无法比拟的优越性。

表１低速铣削表面硬化层分布深度与显微硬度的关系深度（岬）Ｏ２．５５７．５１０１２．５１５

显微硬度（ＭＰａ）３８３３６５３５０３４２３３０３１２３１２表２高速铣削表面硬化层分布深度与显微硬度的关系

３．２．２不同铣削速度下表面残余应力分布

钛合金材料对应力状况非常敏感。特别是加工表面的残余应力及其分布状态对构件是否能合理使用是十分重要的阿。已加工表面的残余应力有残余拉应力与残余压应力之

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２００６年１２月第３卷第３５期

别．残余拉应力会降低零件的疲劳强度和使用寿命．而残余压应力有时却能提高零件的疲劳强度和使用寿命。加工表面各部分残余应力的分布不均匀，也会使工件产生变形，影响工件的形状和尺寸精度。因此．需要了解和研究钛合金Ｔｉ一６Ａｌ一４Ｖ材料高速铣削表面残余应力及其分布。钛合金铣削表面的残余应力可用Ｘ射线法测量获得。

低速铣削表面层残余应力分布见图２；高速铣削表面层残余应力分布见图３。从图中可以看出，低速铣削时，表面残余压应力较大，而且沿表层内的拉应力分布梯度也较大，这样引起材料加工后的变形就很大，而且零件在使用中因应力的衰减会产生更大的变形，造成零件不能正常使用。对于高速铣削表面，表面残余应力相对要小，并且表面内应力分布的梯度小，零件使用时应力变化缓慢，所引起的零件变形也小得多。

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应力沿加工表面层的分布深度（仙ｚｎ）

圈２低速铣削表面层残余应力的分布

厂—八

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０２５５０７５１００１２５１５０１７５２００２２５

应力沿加工表面层的分布深度（斗ｍ）

图３高速铣削表面层残余应力的分布

４小结

由于生物医用金属材料产品质量直接关系到人类的生命与健康。医用Ｔｉ一６Ａ１—４Ｖ切削加工加工性研究具有重大的社会效益和深远的科学意义。本文的研究将为钛合金的切削加工奠定理论基础。通过对钛合金高速铣削可加工性的研究可得出以下几点结论：

①Ｔｉ一６Ａｌ一４Ｖ钛合金典型（仅＋Ｂ）相金相组织使其成为难切削加工材料。②高速铣削加工技术对于提高钛合金加工效率和改善表面加工质量是非常有效的。③采用高速铣削方法加工钛合金材料，表面形成的残余压应力比常用铣削速度低，且表层下所形成的残余应力梯度小，应力分布更合啪瑚啪。硼伽雩枷

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