Norton BlueFire Belts 提供高金属去除性能。（由 Norton | St. Gobain 提供）飞机制造商正专注于更经济地燃烧燃料的新型发动机。这些新型稀薄燃烧发动机的运行温度大大超过当今镍基高温合金发动机部件的安全运行水平。因此，铝化钛 (TiAl) 等新材料不断涌现，它们具有比以往材料更高的热稳定性或特定蠕变特性、更低的密度（3.9 至 4.1 g/cm3）和更高的比强度。
这些合金还具有高比屈服强度（屈服强度/密度）、高比刚度（弹性模量/密度）、良好的抗氧化性、耐钛火和良好的高温疲劳性能。前面例如，TiAl 在高达 760° C (1,400° F) 时的强度相当于高温合金，但 TiAl 的密度 (4.0 g/cm3) 不到 718 Inconel 密度 (8.2 g/cm3) 的一半。
在航空发动机的低压涡轮部分，用更轻的 TiAl 叶片替换高温合金叶片可减轻重量并提高效率。叶片重量的减轻还允许使用更小的镍合金支撑盘，从而进一步减轻重量。 TiAl 合金可在低压涡轮级中减轻高达 50% 的重量，提高推重比，降低燃料消耗并降低废气排放。高比模量或刚度对于具有紧密间隙的部件和组件，例如密封支架和衬里。高比模量还将声振动转移到更高的频率，从而减少其他结构区域的微动和疲劳。传统钛合金在高温下与其他部件摩擦h 温度（高于 400° C 或 752° F）会在喷气发动机中点燃，导致钛起火。 TiAl 几乎与超级合金一样耐钛火，因此可以用 TiAl 代替阻止钛火的超级合金屏障。 TiAl 在低压 (LP) 涡轮叶片中取得成功后，航空航天工程师也在高压 (HP) 压缩机叶片、导叶和叶片倾卸器中使用 TiAl。
但是，相同的特性使得未来飞机发动机所需的 TiAl 也使其难以使用。 TiAl 是一种具有混合金属键和共价键的金属间化合物。 TiAl 等金属间化合物表现出金属和陶瓷特性的组合。它们具有高温应用所需的高温强度，但它们通常具有较低的室温延展性、韧性和较差的制造特性。好消息：通过研究这些材料并重新定义现有的制造工艺，一种具有成本效益的解决方案触手可及。
使用 TiAl 的挑战
TiAl 含有 45 至 50 原子百分比的铝。在室温下，TiAl 合金易碎，延展性在 0.3% 到 4% 之间，具体取决于具体的合金和微观结构。
砂轮修整方法的优化参数可以显着提高 TiAI 磨削生产率。 （由 Norton | Saint Gobain 提供）TiAl 有多种变体可在市场上买到，其成分和微观结构适合不同的加工方法。双相结构的 TiAl 包含层状伽马集落和六方 α-二 (Ti₃Al) 相的混合物。双相TiAl往往具有更好的室温延展性，但抗蠕变性能仅为目前镍合金的70%高温合金。全层状和近层状γ-钛铝化物（γ-TiAl）具有更高的断裂韧性和抗裂纹扩展能力，在高达1000°C时的蠕变性能与高温合金相当。立方β-TiAl具有更高的变形能力，因此β-凝固γ-TiAl合金可以经过热等静压、专门的挤压和热处理后进行热轧或锻造。
使用锻造、铸造和粉末冶金制成的粗糙 γ-TiAl 形状被转换成满足所需尺寸、光洁度和表面的成品形状通过机械加工、研磨或非传统方法实现完整性。与传统高温合金相比，TiAl 的室温延展性微观结构和高温性能需要复杂的加工和热处理，导致更高的购买率或更高的材料成本。
低延展性或脆性（低断裂应变）、高强度、低导热性、低弹性TiAl 的模量和反应性使其成为一种极难加工或研磨的材料。切削工具会迅速退化，导致材料去除率低并影响机加工 TiAI 部件的表面质量，从而降低材料的疲劳强度。切削工具倾向于与 TiAI 发生反应并导致磨损、涂抹、积屑瘤和工具快速磨损。 TiAI 具有高应变率敏感性，并且倾向于应变硬化，从而产生锯齿状切屑。具有 TiAl 微观结构的磨蚀相会加速工具磨损。 TiAl 的低导热性将热量集中在切削刃上，而 TiAl 的高温强度往往会压碎过热的切削刃。工具-工件界面处的集中加热会加速钛-工具反应以及工具后刀面磨损和缩孔。
因此，TiAl 难以加工，只能达到铝、传统钛的可加工性的一小部分合金，或超级合金 718 Inconel。在山高刀具的测试中，TiAl 的可加工性是 718 Inconel 的三分之一，比合金 Ti-6Al-4V 低七倍。与 Inconel 718 的 6.6 个刀片相比，需要 20 个刀片才能完成 TiAl 的加工测试。脆性 TiAl 工件的崩刃是高速切削和铣削中的一个常见问题，因为材料的可加工性差且刀具磨损高。
冶金学家将钛视为“万能溶剂”，因为处于熔融或高温状态的钛会与几乎所有金属和陶瓷发生反应并溶解。在磨料研磨过程中，钛的反应性导致磨损平面或钝晶粒的形成，以及 TiAl 覆盖或粘附在磨粒上。燃烧、开裂、亚表面变形或残余应力和其他表面损伤是 TiAl 磨削过程中需要充分解决的挑战。钛很容易吸收氧气、硝基gen 和其他间隙污染物，这会导致变色或燃烧和硬化，或变脆。
研磨 TiAl：什么有效，什么无效
自 2011 年，Norton | Saint Gobain Abrasives 进行了测试，以确定研磨和精加工这种材料和类似材料的最佳磨料产品和工艺参数。如果应用得当，研磨加工或研磨可以克服传统单点加工中出现的许多开裂和表面损坏问题。先进的研磨技术通常是实现 γ-TiAl 和其他金属间化合物部件的最终零件尺寸和表面特性同时保持表面完整性的最佳方法。
最初，需要进行粗磨以去除锻件或浇口的飞边铸件。由于金属去除速度快且易于接近，涂层砂带在这里发挥着关键作用。钛合金可以直接研磨，也可以在批量生产时研磨保证，具有机器人自动化。
Norton 在使用带有超尺寸涂层的氧化铝-氧化锆颗粒带干磨钛栅极方面取得了成功。当客户开始使用 TiAl 进行制造时，这一发现将与他们相关，因为材料的行为预计在此应用下是一致的。磨料中的氧化锆磨粒和其他专有添加剂减少了磨粒的切削刃堵塞。超胶层中的化学物质会抑制钛的燃烧，并进一步抑制钛在磨粒上的覆盖或粘附。在背架机器上进行的几项非手动砂带打磨现场测试中，Norton BlueFire R801 砂带产品以二比一的优势优于竞争产品。此外，Norton BlueFire R801P 传送带产品提供更高的金属去除性能，同时保持钛部件无损坏（裂纹和烧伤）。
随着制造商从小规模生产转向大规模生产，这些现场测试设置一个TiAI 量具移除的关键起始规格。诺顿建议进行额外的测试以确定准确的规格参数。
成型和表面精加工测试侧重于评估具有三种核心磨料类型的砂轮，目的是确定实现高效无损磨削的正确解决方案。测试的三种核心磨料是碳化硅 (SiC)、立方氮化硼 (cBN) 和金刚石。 SiC 砂轮需要更高的功率和力，并且具有最高水平的覆盖或金属对晶粒的粘附，导致 TiAl 部件开裂和燃烧。 cBN 砂轮在磨削过程中表现出较少的裂纹和较低的功率增加。金刚石超硬磨料砂轮始终以最低的功率消耗和最小的封盖。金刚石砂轮还具有最稳定的功率曲线作为切削量的函数，能够切削 48,000 立方毫米的材料而不损坏部件。
Norton Winter Paradigm 研磨技术的有效性 金刚石轮，也进行了评估。 Paradigm 砂轮结合了金属结合剂和研磨技术，非常适合在研磨 TiAl 等难磨材料时保持精确的轮廓。电镀 (EP) 或金属单层最初优于 Paradigm 金刚石砂轮，但砂轮不可修整。一旦 EP 砂轮上的金刚石磨料变钝，它们就会从机器上拆下并送去整修。相关的停机时间和处理成本高昂。 Paradigm 砂轮具有明显更好的性能，其材料去除率是 SiC 的两倍。在研磨 TiAl 时，Paradigm 砂轮的总加工成本也只是 SiC 或 EP 金刚石砂轮价格的一小部分。
研磨精密几何体后，最后一步是去毛刺和抛光，以平滑和混合先前粗砂产品的痕迹或铺层，并产生所需的表面光洁度。快速更换盘、NoRax 抛光带和无纺布磨料e 用于去毛刺和抛光操作。
超越磨料
TiAl 零件制造成功的关键是控制和减少研磨过程中产生的热量。最佳的砂轮冷却液和应用程序可以去除磨削区的热量。正确的砂轮修整方法可以保持砂轮的锋利度，从而最大限度地减少摩擦生热。对于涂附磨具产品，使用超大尺寸砂带和低速可以减少发热和零件燃烧。
在研磨钛合金时，低砂带速度对于最大程度地减少颗粒-工件界面处的摩擦热至关重要。建议使用 2,500 至 3,500 SFPM 范围内的皮带速度，这是用于钢或超合金磨削的典型 5,000 至 6,000 SFPM 的一半。较慢的皮带速度允许磨粒边缘更好地渗透到钛零件中。这种更深的切割会磨损大切屑或切屑颗粒，减少热量积聚和零件燃烧，从而生产出高质量的零件。低速度和大切屑尺寸 cre创造了一个安全的研磨环境，因为小的钛颗粒和热量会增加钛着火和着火的风险。
在砂带工艺中，进给率、零件外观（切入与表面）、接触轮类型和接触压力之间的变化磨料产品和工件是控制涂附磨具性能的附加因素。手动砂带操作中的接触力可能变化很大。副手磨削过程的机器人自动化可以保持一致的接触压力，消除可变性并提高生产率。推荐的磨料和最佳机器参数取决于应用是手动还是自动。精密磨削过程中大量的水基冷却剂可使零件保持凉爽并减少对 TiAl 零件的热损坏。将适当的冷却剂输送到磨料工件区域可最大限度地延长砂轮寿命并防止零件烧伤。诺顿建议使用额外的高压洗涤器 nozzle (>800 psi) 以及带有 Paradigm 车轮的常规冷却剂喷嘴，这有助于通过冲洗掉切屑来保持轮面清洁。高压和定向冷却剂流还应与 6,000 SFPM 的砂轮速度相匹配。
连续旋转修整可减少停机时间并保持砂轮锋利度，从而消除零件烧伤。通过调整修整辊和砂轮之间的速度比来优化旋转修整，该速度比随磨粒和结合剂类型而变化。与金刚石超硬磨料砂轮相比，SiC 砂轮需要更高的修整频率才能保持锋利度。
开发具有成本效益的制造工艺
Norton | Saint-Gobain Abrasives 拥有四个全球研发中心，不断研究当前和新的材料磨削。访问这些研究中心以及诺顿流程解决方案计划 (PSP) 可为客户提供最佳研磨解决方案。 PSP程序为诺顿客户提供技术专家的内部访问以及磨削和精加工历史数据的集合。这是使用 TiAl 等新兴材料优化制造和提高生产率的关键优势。 PSP 评估还超越了磨料产品建议，评估了整个制造操作。
TiAl 仅代表引入航空航天工业的材料变化之一。钼和铌硅化物、金属基复合材料、氮化物、碳化物和氧化物基陶瓷基复合材料等其他金属间化合物正在开发中，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刀具方面的成功，Norton | Saint Gobain Abrasives 正在随着航空航天客户的要求不断发展，以应对这些额外的新兴材料。
本文出现在 GlobalSpec 的 Engineering360 中。再现已获得许可。
