针对航空航天业的研磨解决方案

现今的飞机制造商们正在关注开发更加经济的新型燃料发动机。这些新型发动机的运行温度，大大超过了现今镍基超合金发动机部件的安全运行水平。因此，诸如铝化钛（TiAl）这样的新材料纷纷出现了。与以前的材料相比，它们具有更高的热稳定性、特定的蠕变特性，密度更低（3.9至4.1克/cm³），特定强度更高。

这些合金还具有很高的比屈服强度（屈服强度/密度）、比刚度（弹性模量/密度）、良好的抗氧化性、抗钛火性以及良好的高温下疲劳性能。例如，TiAl的强度在760°C（1400°F）以下与超级合金的强度相当，但TiAl的密度（4.0 g/cm³）还不到718 Inconel密度（8.2 g/cm³）的一半。

诺顿蓝火砂带具有很高的金属去除性能。（图片来源：诺顿/ 圣戈班磨料磨具公司）

在航空发动机的低压涡轮部分，用更轻的TiAl叶片取代超合金叶片，可减轻重量、提高效率。叶片重量减少后，就能换用更小的镍合金支撑盘，从而进一步减轻总重。TiAl合金可将低压涡轮区的重量减少50%，提高推重比，减少燃料消耗，降低废气排放。

较高的比模量或刚度，对间隙紧密的部件和组件（如密封支架和衬垫）很有价值。高比模量还可将声音振动转到更高频率，从而减少其他结构区域的摩擦和疲劳。喷气式发动机中的传统钛合金，在高温下（大于400°C或752°F）与其他部件摩擦，有可能燃烧，引发钛火灾。TiAl防止钛火灾的能力与超级合金几乎一样，因此，用于阻止钛火灾的超级合金屏障可换用TiAl材料。当TiAl被成功应用到低压（LP）涡轮机叶片后，航空工程师也开始在高压（HP）压缩机叶片、叶片和叶片卸料装置中采用TiAl。

但是，令TiAl成为未来飞机发动机理想材料的特性，反而来也令其成为一种难以加工的材料。TiAl是一种具有混合金属和共价键的金属间化合物。像TiAl这样的金属间化合物具有金属和陶瓷的组合特性。它们具有高温应用所需的高温强度，但通常也具有较低的室温延展性、韧性以及不易加工的特性。好在通过对这些材料的研究、对现有的制造工艺重新定义，就有可能实现具有成本效益的解决方案。

铝化钛的应用挑战

TiAl中含有45-50个原子百分比的铝。室温下的TiAl合金是脆性的，延展性可达0.3%-4%，应具体的合金和微观结构的不同而有所波动。

TiAl在市面上有几种变体，不同的成分和微观结构需要不同的加工方法。双相结构的TiAl合金中含有片状伽马聚集体和六角形α-2（TiAl）相的混合物。双相TiAl往往具有更好的室温延展性，但抗蠕变性仅为目前镍超合金的70%。全片状和近片状伽玛铝化钛合金（γ-TiAl）具有更高的断裂韧性和抗裂纹扩展能力，蠕变性能相当于1000℃以下的超级合金。立方体的贝塔铝化钛合金（β-TiAl）具有更高的变形能力，因此β与γ固结的TiAl合金可用于热等静压成形、特殊挤出成型及热处理后的热轧或锻造。

可采用机械加工、研磨或非传统方法，将以锻造、铸造和粉末冶金技术制造的粗糙的γ-TiAl合金形状，转化为符合客户要求的尺寸、光洁度及表面完整性的成品形状。与传统的超级合金相比，为实现室温延展性微结构和高温性能所需的复杂加工和热处理，会增加TiAl的购买率，提高材料成本。

γ-TiAl合金的低延展性或脆性（低断裂应变）、高强度、低导热性、低弹性模量和反应性，使其成为一种极具挑战性的加工或研磨材料。它会令切削工具的性能迅速退化，降低材料去除率，影响所加工γ-TiAl部件的表面质量，令材料的疲劳强度下降。而且，切削工具很容易与γ-TiAl合金发生反应，导致咬合、蹭花、边缘堆积和刀具快速磨损等问题。γ-TiAl有很高的应变速率敏感性，易于出现应变硬化，产生锯齿状切口。刀具会因γ-TiAl微结构的磨蚀相而加速磨损。γ-TiAl的低导热性，会将热量集中在切削刃上，而其高温强度特性又易于令过热的切削刃碎掉。刀具与工件界面上的集中加热，会加速钛与刀具的反应以及刀具侧面的磨损。

因此TiAl是一种很难加工的材料，可加工性只能达到铝材、传统钛合金或超级合金718 Inconel的一小部分。在山高刀具所做的测试中，TiAl的可加工性是718 Inconel的三分之一，比合金Ti-6Al-4V低七倍。要完成TiAl的加工测试，需要20个刀片，而Inconel 718只需要6.6个刀片。TiAl材料的可加工性差、刀具磨损大，导致高速切削/铣削中脆性TiAl工件崩裂成为一大常见难题。

冶金学家将钛视为“通用溶剂”，因为钛在熔融或高温状态下能够与几乎所有的金属和陶瓷发生反应、溶解。钛的这种反应性使得研磨过程中会出现很多磨平或磨钝颗粒，还有TiAl对磨粒的覆盖或粘附。燃烧、开裂、次表面变形或残余应力及其他表面损伤是研磨TiAl时需要解决的一大挑战。钛很容易与氧气、氮气和其他间隙污染物作用，变色、燃烧硬化或脆化。

TiAl研磨中的有效与无效之处

2011年以来，诺顿/圣戈班磨料磨具公司进行了诸多测试，以确定研磨和加工这种材料以及类似材料的最佳磨料产品和工艺参数。如应用得当，磨料加工或磨削可以克服传统单点加工中出现的许多裂纹和表面损伤问题。通常，先进的研磨技术是实现γ-TiAl及其他金属间化合物最终零件尺寸和表面特征的最佳方法，还能保持表面完整性。

一开始，需要粗磨以去除锻件上的飞边或铸件上的浇口。涂层砂带可以在这里发挥关键作用，因为它能快速去除金属，且容易碰触。钛合金可被手工打磨，产量需求太大的情况下也可用机器人自动打磨。

诺顿公司发现，可以用具有超大涂层的氧化铝-氧化锆磨粒带干磨钛合金浇口。当客户开始使用TiAl生产时，可以用此得到成果。因为在此应用下，材料的表现一致。磨料中的氧化锆磨料颗粒及其他专有添加剂，可减少磨料颗粒的切割边压顶。超大涂层中的化学物质能抑制钛的燃烧，并进一步抑制钛对磨粒的压顶或粘附。在背架式机器上进行的几次非手工砂带磨削现场测试中，诺顿蓝火R801砂带产品的性能比其他竞争产品的性能高出二分之一。此外，诺顿蓝火R801P砂带产品能实现更高的金属去除效果，还能免除钛零件受损（比如裂纹、烧伤）。

成型和表面处理测试的重点，在于评估具有三种核心磨料类型的砂轮，目的是确定高效和无损伤磨削的正确解决方案。所测试的三款核心磨料，分别是碳化硅（SiC）、立方氮化硼（cBN）和金刚石。碳化硅砂轮需要更高的功率和力，对磨粒的压顶或金属粘附水平是最高的。cBN砂轮在磨削过程中出现的压顶较少，所需功率较低。金刚石超硬磨料砂轮在研磨过程中的功率始终是最低的，且磨蚀程度最低。金刚石砂轮的功率曲线也是最稳定的，与去除的材料成正比，能够去除48000mm³的材料，但是不会损坏部件。

诺顿Winter Paradigm金刚石砂轮磨削技术的有效性同时还得到了评估。Paradigm砂轮结合了金属结合剂和磨料技术，对于在磨削TiAl等难磨材料的同时保证精确的轮廓，是非常理想的一种解决方案。电镀（EP）或金属单层最初的效果是优于Paradigm金刚石砂轮的，但这种砂轮不能修整。一旦EP砂轮上的金刚石磨料变钝，就得从机器上将它拆下，送去整修。相关的停机时间和处理费用很高。Paradigm砂轮的性能明显更好，材料去除率是SiC的两倍。在磨削TiAl时，Paradigm砂轮的总工具成本也只有金刚砂或EP金刚石砂轮价格的几分之一。

在对精密几何体进行研磨后，最后一步进行去毛刺和抛光，可以使之前粗砂产品留下的痕迹或分层变得光滑。可将快速更换磨盘、NoRax抛光带和无纺磨料用于去毛刺和抛光操作。

超越磨料磨具

成功制造TiAl零件的关键是控制、减少磨削时的发热。采用优化的砂轮冷却剂和方法，可以去除磨削区的热量。适当的砂轮修整方法还能保持砂轮的锋利度，减少摩擦发热。对于有涂层的磨料产品，使用超大砂带，降低磨削速度，也可以减少发热和零件燃烧的概率。

磨削钛合金时，较慢的带速对减少磨粒与工件界面的摩擦加热至关重要。建议将砂带速度保持在2500-3500 SFPM范围内，即通常磨削钢或超合金时5000-6000 SFPM的一半。缓慢的砂带速度能够令磨粒边缘更好地渗入钛合金部件中。这种较深的切口可以磨掉大的切屑或颗粒，减少热量积聚和零件烧伤率，从而生产出高质量的零件。低速磨削以及较大的切屑尺寸，能够创造安全的磨削环境，因为较小的钛颗粒和热量会增加钛燃烧的风险。

优化砂轮修整的参数，可显著提高TiAl 的磨削生产率。（图片来源：诺顿/ 圣戈班磨料磨具公司）

在砂带加工过程中，进给率、工件呈现方式（切入式与表面式）、接触轮类型以及磨料产品与工件之间接触压力的变化是影响涂附磨料性能的不可控因素。手动操作中的接触力是高度可变的。将手动磨削变成机器人自动化工序，有利于保持接触压力一致，消除变异性并提高生产率。哪种磨料、什么样的机器参数为最佳，取决于应用方式是手动还是自动。

在精密磨削过程中采用大量的水基冷却剂可以保持零件低温，减少对TiAl零件的热损伤。将冷却剂适时输送到磨料工件区域，可以最大限度延长砂轮的使用寿命，防止零件烧毁。诺顿公司建议在使用Paradigm砂轮时，再额外配备一个高压清洗喷嘴（>800 psi），冲洗切屑以保持砂轮表面清洁。高压和定向冷却液流，应与6000SFPM的砂轮速度相匹配。

连续旋转修整可以减少停机时间，保持砂轮的锋利度，从而消除零件的烧损。通过调整修整辊和砂轮之间的速度比，来优化旋转修整。这一速度比因磨料颗粒和结合剂类型而异。与金刚石超硬磨料砂轮相比，SiC砂轮需要更高的修整频率以保持锋利度。

开发具有成本效益的制造工艺

诺顿/圣戈班磨料磨具公司在全球设立了四个研发中心，对当前和新材料的磨削进行持续研究。这些研究中心及诺顿工艺解决方案计划（PSP）可为客户提供最佳的磨削解决方案。PSP计划为诺顿客户提供了能接触到技术专家的内部渠道，还能收集研磨和精加工历史数据，对于实现TiAl等新兴材料的最佳制造效率来说，是一项关键优势。PSP评估是超出了磨料产品建议范围，对整个生产流程的评估。

TiAl仅代表了现今被引入航空工业的一种新材料。业内也正在开发其他金属间化合物，比如钼和铌硅化物、金属基复合材料、氮化物、碳化物以及基于氧化物的陶瓷基复合材料，以提高发动机效率和推重比。随着Paradigm金刚石砂轮在磨削TiAl以及硬质合金和陶瓷切削工具的成功应用，诺顿/圣戈班磨料磨具公司也在随着航空航天客户的要求不断革新进步，以应对更多的新兴材料要求。

作者：Richard M. Sargood，诺顿/圣戈班磨料磨具公司产品工程主管；Philip Varghese博士，诺顿/圣戈班磨料磨具公司高级应用工程组组长；Bruce R. Gustafson，诺顿/圣戈班磨料磨具公司高级应用工程师；Gary Kardys，IEEE GlobalSpec公司首席工程师

来源：荣格-《国际金属加工商情》

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