钛合金板范文

钛合金板范文（精选9篇）

钛合金板 第1篇

钛合金Ti75是由我国自行设计研制的730MPa强度级新型舰船动力装置用近a型中强、高韧、耐蚀、可焊钛合金[1]。某型潜艇凝汽器因其工作环境恶劣, 需具有很高的抗海水腐蚀、抗热盐应力, 其管板材质选取钛合金Ti75 (Ti-3Al-2Mo-2Zr) , 钛合金的切削加工特点包括刀-屑接触长度短、导热性差、化学亲和力大、弹性模量小, 属于难加工材料。

1 工件分析

凝汽器主要是由壳体、水室、管板及中间管板、管束等组成, 根据凝汽器的结构特点, 需满足换热孔的穿管需要。本次研究工件管板见图1, 材质是钛合金Ti75, 外圆ф2020 mm, 板厚80 mm。主要研究项目是3000-ф16.2 mm换热孔的加工, 孔径公差0.1 mm, 孔桥公差0.2 mm, 孔表面粗糙度Ra1.6, 且孔径比 (L/D) 4.9, 接近深孔加工, 如何保证换热孔的孔径、孔桥、孔表面质量是本次工艺研究的重点。

2 制定工艺方案

孔传统加工是在摇臂钻床上, 使用钻模定位, 钻头、扩孔钻、铰刀三刀加工, 优点是费用相对较低, 缺点是刀具磨损严重、效率低。为了提高效率、满足装配周期, 此次加工选取在数控机床 (意大利生产的茵赛多头钻机床) , 利用机床自身精度保证换热孔孔桥位置, 使用钻头、镗刀或铰刀两刀加工, 不仅孔径、孔桥及孔表面质量均满足设计要求, 且加工效率得到很大提升。

3 确定刀具型号和切削参数

根据已定加工方案, 需要确定刀具材质、型号及切削参数。主要对SECO、KOMET、SWISS TOOLS、SANDVIK等刀具厂商提供的钻头、镗刀、铰刀进行了试验加工, 对孔径、孔垂直度、孔表面粗糙度进行专检, 根据分析结果采用SWISS (整体硬质合金) 和KOMET (镶硬质合金刀尖) 的ф15.8钻头、SWISS的ф16.2单刃镗刀、KOMET的准16.2六刃精铰刀。确定切削参数详见表1。

4 存在问题及解决方案

4.1 工件变形及解决措施

由于钛板直径尺寸大, 局部硬度小, 工件出现装夹变形和压痕, 经过对现场的观察研究, 发现操作者装夹时的压紧力过大, 造成压紧点存在压痕, 另外支撑点数少, 在板体中间位置存在塌腰现象。

在ф2020外圆处放置8~12个100 mm高的垫铁, 且在等高垫铁上放置铜皮, 在管板中间无孔区放置12~16个尼龙垫块作为辅助支撑。通过放置铜皮保护钛管板表面, 避免出现压痕;增加支撑点和尼龙垫块, 避免管板中间位置出现塌腰。

4.2 刀具磨损严重及解决措施

因钛管板来料材质不均匀, 钻孔时崩刀、刀具磨损严重。通过与供料厂家沟通得知管板是整块锻件, 板体内部存在硬点是无法避免的, 为了保证孔径尺寸, 避免崩刀造成孔径的破坏, 通过研究加工方法和反复试验, 采取在硬点区调整转速和进给的方式, 并实时地监测孔径, 同时增加冷却液的流量, 降低刀尖切削时的温度, 以此减轻刀具磨损。

4.3 孔径收缩及解决措施

在内外管板把紧状态下进行穿管试验时, 发现个别孔钛管无法顺利穿过, 已经检验合格的孔却出现孔径变小的情况, 经查阅资料得知, 钛合金材质的回弹性大, 造成孔径缩小、穿管不合格。将标记不合格的孔, 使用精铰刀上钻床修复, 从而保证孔径尺寸, 满足装配要求。

5 结语

本文总结了钛合金Ti75管板的钻、镗、铰的深孔加工方法, 确定了合适的刀具类型和合理的切削参数, 解决了实际加工中的各项难题, 对钛合金管板上数量多、精度高的换热孔进行了加工和分析, 成功地积累了关于钛合金管板的加工经验。

参考文献

钛合金之加工诀窍 第2篇

---钛合金铣削需要合适条件

与其他大多数金属材料加工相比，钛加工不仅要求更高，而且限制更多。这是因为钛合金所具有的冶金特性和材料属性可能会对切削作用和材料本身产生严重影响。但是，如果选择适当的刀具并正确加以使用，并且按照钛加工要求将机床和配置优化到最佳状态，那么就完全可以满足这些要求，并获得令人满意的高性能和完美结果。传统钛金属加工过程中碰到的许多问题并非不可避免，只要克服钛属性对加工过程的影响，就能取得成功。

钛的各种属性使之成为具有强大吸引力的零件材料，但其中许多属性同时也影响着它的可加工性。钛具备优良的强度-重量比，其密度通常仅为钢的60%。钛的弹性系数比钢低，因此质地更坚硬，挠曲度更好。钛的耐侵蚀性也优于不锈钢，而且导热性低。这些属性意味着钛金属在加工过程中会产生较高和较集中的切削力。它容易产生振动而导致切削时出现震颤;并且，它在切削时还容易与切削刀具材料发生反应，从而加剧月牙洼磨损，

此外，它的导热性差，由于热主要集中在切削区，因此加工钛金属的刀具必须具备高热硬度。

稳定性是成功的关键所在

某些机加工车间发现钛金属难以有效加工，但这种观点并不代表现代加工方法和刀具的发展趋势。之所以困难，部分是因为钛金属加工是新兴工艺，缺少可借鉴的经验。此外，困难通常与期望值及操作者的经验相关，特别是有些人已经习惯了铸铁或低合金钢等材料的加工方式，这些材料的加工要求一般很低。相比之下，加工钛金属似乎更困难些，因为加工时不能采用同样的刀具和相同的速率，并且刀具的寿命也不同。即便与某些不锈钢相比，钛金属加工的难度也仍然要高。我们固然可以说，加工钛金属必须采取不同的切削速度和进给量以及一定的预防措施。其实与大多数材料相比，钛金属也是一种完全可直接加工的材料。只要钛工件稳定，装夹牢固，机床的选择正确，动力合适，工况良好，并且配备具有较短刀具悬伸的ISO 50主轴，则所有问题都会迎刃而解只要切削刀具正确的话。

钛合金企业精益化管理 第3篇

关键词：钛合金 精益化管理 降低成本

0 引言

钛的密度较低、较高的强度，还具有优秀的抵抗腐蚀的能力，在工程运用上有广泛前景。钛的强度比钢的强度高出30%，同等体积的钛却比钢的重量轻了近40%，钛的强度比铝高出了近60%。通过在钛中加入铝、锰、铁、钼还有其他一些金属，就可以得到钛合金，钛合金强度更高，而且更加耐高温。钛合金特别耐腐蚀，当钛合金接触到空气时，就会在表面形成一种抗腐蚀的氧化膜。

近年来，钛合金在造船业上也得到了广泛应用，比如螺旋桨、索具都需要钛合金耐腐蚀的性质。除此之外，由于人体不会对钛产生排斥，钛也越来越多的被用于医学领域。

在汽车工业中，钛合金被用来制造汽车的发动机气门、螺钉、悬挂弹簧和排气系统等等部件。钛合金组件能加强车性能同时也更加节油，振动和噪声也能起到缓解的作用。钛合金零部件降低了材料50%的重量，并且提高其使用寿命，允许更大的乘车空间和装载更多货物。

钛合金材料非常难加工，因为钛合金的加工时间长，加工的成本也高，这阻碍了钛合金的推广。因此，要使钛合金的成本大幅降低，使其广泛应用，除了提高生产技术和增加工业市场的消费量，钛合金公司内部实行精益化管理也非常必要。

1 精益化管理的内涵

通过去粗取精来找到解决问题的最优的方案便是精益化管理中的“精”的内涵， “益”，就是效益，解决问题的目的是增加企业收益。“精”是一种手段，“益”为目的。精益化管理就是用最低的投入来获得最高的产出，并且追求最快的速度，形成企业在市场上的竞争优势，灵活、全面、优质的服务及产品为顾客提供满意服务，把成果落实在经济效益上。

2 企业的精益化管理案例分析

在企业精益化管理方面，有人曾经做过一些调查研究，通过对一家实施精益化管理的企业进行细致分析，以下称这家企业为XT企业。XT企业位于陕西省的一家民营企业，是国内生产摩托车及汽车部件还有采暖散热器的最著名企业供应商之一，也是中国最大摩托散热器和零部件制造商和出口商之一。该公司以科学生产和管理观念为理论指导，改变了传统生产管理模式，并率先在本地区的工业企业中实行了精益生产管理的方式，极力与国际接轨。

2.1 XT企业精益化实施过程。XT企业成立后实施的是粗放型生产管理模式，在中国高速发展的市场，虽然取得较快速的发展，但受到金融危机的影响，产能的放缓，企业面临前所未有的困难。为了在市场竞争中有立足之地，企业发展模式的转变成为了企业摆脱困境的关键问题。通过深入的调查研究和考察实践，XT企业得出精益化管理是最适合本企业发展的结论，从而提出“推进精益生产，向‘管理要效益”的发展理念。

①起步阶段——精益生产管理的样板线建立。XT企业在2007年7月份引进了精益生产模式，并在同年的12月建成第一条的U型线。通过建立这条样板线，大大缩短了产品加工周期，由之前的480分钟缩短到3分钟，企业的生产效率飞速提升；建线前作业人员单工序作业，建线后作业人员改为多工序作业。

②工序流畅化——以样板线作为基础。生产模式采取U型线替代传统生产，这种“单个流”单元生产的模式，不仅缩短了产品的生产周期，还减少了生产过程中的材料浪费；U型线的生产模式下产品仓库到原料场缩短了400米的距离。经过合理编排计划、重新规划物资、缩减存量等各种途径，不仅减少企业员工的劳动强度，还提高了企业的生产效率；还建立了一些管理控制的标准，通过对员工进行职业培训，让员工对“自检”有了更深的认识；通过“单个流”生产，通过检验员抽检、操作工自检和上下工序互检代替了传统的品质控制手段，这样的“三检制度”可以实现工序内控制品质；“看板管理”是一系列反映生产线品质情况及其效率的图表，做到生产的可视化管理；运用检验台、抽检台等道具，通过对产品定期检测，第一时间发现品质问题，杜绝批量质量问题；呼叫警灯：通过启动不同的按钮反映不同的问题，工作人员在听到信号声后必须立刻到达生产线的现场，快速的解决生产线问题；机加车间的U型生产线建设成后，通过实践和调整，将全部生产活动融入U型生产线中。

2.2 XT企业精益化管理的成果。对生产方式、品质、物流等的改善是XT企业在实施精益化管理的过程中最注重的，在产品生产过程中，采用看板管理不仅极大的缩短了生产周期，还提高了生产效率和人均产能，同时场地的利用率降低了，大幅减少了物流费，减少库存。企业充分发挥员工的聪明才智，提升员工的参与度和积极性，降低了批量生产质量的事故机率。经过以上的精益化管理，企业顺利应对了这场金融危机，并且在行业中崛起。从2009年1月至4月，很多企业受金融危机的冲击，很多企业出口减少的情况下，XT企业的业绩依然很骄人，工业总产值增长了6.3%达到10520万元。XT企业在今后的管理和实践中采用先进的信息管理系统，将新产品开发流程进行规范，使得产品开发过程更加严谨，提高新产品的质量；这精确了由接收订单到生产计划的安排、入库和出库的整个过程，减少出错机率。

3 企业实施精益化管理的必要性

从上面XT企业的成功案例，我们可以看出加强管理的科学和精益化，是所有企业经营管理的一个主题。在钛合金企业内推行精益化管理具有必要性，对于降低成本，缩短研发和生产周期，提高市场竞争力有促进作用。具体体现在以下几个方面：

3.1 精益化管理提升顾客满意度。在激烈的市场竞争中，企业的以顾客满意作为首要目标。精益化管理就是把顾客的需求作为中心，要站在顾客的角度，而不站在企业的角度。要对产品设计、生产、销售的每一个环节进行细化分析，找出哪里造成了资源浪费。创造出由顾客驱动的价值流。

3.2 精益化管理对企业成本控制有利。精益化管理为的是企业绩效的最优。而管理的关键是消灭浪费，降低成本。众所周知的，企业的生产目标是赚取最高的利润，但最高的利润并不是竞争优势。一个企业实力是否强大，并不是取决于短期利润，而取决于开拓市场和降低成本的能力。精益化管理刚好是有效的管理方法，从上面的成功案例可以看出，采用精益化管理，企业实现利润最大化有两条途径：其一是提高产出量；其二是降低成本。在激烈的市场竞争中难以使用第一个方法，那么唯有降低成本来实现增加企业利润。

3.3 精益化管理可以提高企业在市场中的竞争力。现如今，发达国家的企业已发现，人力和原材料这两个创造利润的来源已经极尽所用，而采取精益化管理模式能提高企业的效率和效益，使得企业利润得到增加。所以在企业硬件设施和服务水平逐步提高的情况下，精益化管理要求有效地降低成本，满足顾客需求，这刚好能让企业在激烈的市场竞争中占有更多优势。

3.4 精益化管理是一种企业文化的展示。曾经有人说过：小型企业靠的是领导，中型企业靠的是制度，大型企业靠的是文化。带领丰田这些跨国企业前进的，就是其自身的企业文化。我国企业也应该多加借鉴。采用精益化管理的企业拥有追求卓越的文化。精益化管理最主要的就是对工作流程进行细化、消除浪费，追求低投入和高产出，同时提供市场所需要的最好质量的服务和产品。其次，采用精益化管理的企业，其企业文化是以精益为本。它注重的使生产过程中每个员工的参与和影响，实行精益化管理的企业，每个员工不光是执行命令，更注重积辅助决策和参与决策。

endprint

4 实施企业精益化管理

虽然每个行业间的差距比较大，很难将精益化管理的方法统一，但我们根据各个行业的特点总结概括了一些精益化管理的结论，以供各个行业参考和细化。

4.1 绝不浪费。杜绝浪费是精益化管理的重要思想之一。通过生产流程的改变，消除工人在生产过程中浪费时间和空间，将半成品的数量减少，使得企业的生产效率提高；生产工序根据顺序进行整合，相邻工序之间的距离缩短和取消可以降低搬运；减少废品和次品的浪费，从而提高产品的质量；降低库存以降低成本。

4.2 实施准时化拉动式生产。准时化生产是一套将产品按照数量在规定时间生产的原则、工具和方法。它能以缩短前置期通过针对顾客的需求来少量生产与送递产品。拉动式生产是利用各种各样的感知信息来组织现场生产活动的一种可视化管理，是提高生产效率的一种方式。通过看板传递各个工序之间的需求进行组织生产，为确保生产中实现物流平衡可以人工干预来控制生产中的节拍。

4.3 使用质量全面管理。质量的检测以及控制要出现在生产过程中的每一道工序中，因为生产出来的质量而不是检测出来。如果发现了质量问题，必须立即停产来解决问题。

4.4 重视员工培养。明确每个层次的组织责任，通过小组分工，充分调动员工的积极性以及创造力，及时改进不足和杜绝生产中的浪费。要充分调动企业员工的主管能动性，用人不疑，疑人不用，并配合生产培训，依据员工的长期的表现对员工进行工作评价。企业的每一个员工认识到自己的个人目标与企业的目标的一致性来发展企业文化。

参考文献：

[1]James p.Womeck,Daniel T-Jones.From lean production tothe lean enterprise[M].Harvard Business Review,March-Apric,1994.

[2]Cory .R.A.Hallam. Lean Enterprise Transformation[J].Lean aerospace initiative,2003(3).

[3]张利艳，何晓兵.基于精益思想和敏捷思想的企业价值链优化[J].合作经济与科技，2010，2:11-12.

[4]赵琳.“以人为本”助推精益化管理[J].企业活力，2008(7).

[5]冯晓民.精益管理:企业应对经济危机的一剂良方[J].管理观察，2009(4).

[6]许建，向昌国.企业实施精益化管理研究[J].商业研究，2009(11).

[7]林琳，侯晓婷.如何成功实施精益化管理[J].经营管理.

钛合金板 第4篇

1资料与方法

1.1一般资料

本组125例患者中,男76例,女49例,年龄26~74岁,平均52.6岁,其中交通肇事65例,高空坠落伤14例,打击伤8例;单侧多根骨折42例,双侧多根多处24例,合并血胸35例,气胸29例,肺挫伤19例,颅脑损伤6例,锁骨骨折37例,肩胛骨骨折13例,骨盆骨折5例,脊柱损伤7例,同时还有6例不同程度的肝、脾、肠破裂等。

1.2治疗方法

本组患者均采用双腔气管内插管全身麻醉,健侧卧位,根据胸片CT三维重建和触诊情况,确定手术部位。逐层切开胸壁组织至肋骨表面,显露骨折断端,出血点电凝止血,复位骨折两端,复位满意后,选择合适型号的镍钛合金抓握式接骨板,浸泡在0~5℃的冰盐水中3~5min,撑开器将齿壁撑开迅速将其置于骨折断端处,用45~60℃无菌盐水喷洒表面,接骨板自动收紧并牢固固定。若存在胸腔脏器损伤和其它脏器损伤应先行处理危及生命病变,再行肋骨骨折固定术[3]。重度胸外伤有胸膜破裂及连枷胸患者常规探查胸膜腔,放置胸腔闭式引流管,关闭切口。

1.3结果

本组病例均手术成功,胸廓畸形恢复正常,反常呼吸消失,疼痛减轻。1周后复查胸片,骨折对位满意,双肺膨胀良好,无并发症发生。

2护理

2.1术前护理

2.1.1急救护理:本组病例均为急诊创伤,患者入院时均为痛苦面容,呼吸浅快,脉搏细数,护士立即通知医生,给予生命指征监测,保持呼吸道通畅,3L/min吸氧,检查口腔并立即清除凝血块、呕吐物。迅速建立静脉通路,有休克的病人给予抗休克治疗。

2.1.2术前准备:嘱患者戒烟,行三维肋骨重建CT,心电图检查及血常规、肝肾功能、乙丙肝、凝血常规及HIV检测,术前皮肤准备,禁食水等,指导病人深呼吸,有效咳嗽及排痰。疼痛病人给予止痛药物对症治疗。

2.1.3心理护理:重度多发肋骨骨折病人多伴有反常呼吸运动、纵隔摆动及持续剧烈胸痛。常常担心手术风险和远期效果,高额的医疗费用使患者产生焦虑、恐惧的心理。针对这些情况责任护士术前对患者进行健康宣教,运用简单通俗易懂的语言,介绍镍钛合金抓握式接骨板内固定术的手术方法、优越性,安全性及疗效,并请同类治愈的患者现身说法,最大程度的消除患者的焦虑与紧张恐惧的心理,增强患者的自信心,积极配合手术治疗。

2.2术后护理

2.2.1病情观察:全麻术后常规平卧位,头偏向一侧,麻醉清醒后取半卧位。密切观察血压、血氧饱和度、心率的变化。观察胸廓运动幅度及反常呼吸运动是否消失,对使用止痛泵的患者密切注意血压和呼吸的变化,严格掌握输液速度和输液量,记录出入量。

2.2.2疼痛的护理:术后携带镇痛泵一枚,疼痛可明显改善,若患者仍感剧烈疼痛可给予加快镇痛泵泵入速度或应用其他止痛药物。术后病人常规给予胸带固定胸廓,嘱患者咳嗽或深呼吸时用双手固定胸部伤口,可减轻疼痛。舒适的体位也可对伤口起到保护作用。

2.2.3呼吸道护理:术后患者平卧位头偏向一侧,全麻清醒、生命指征平稳后改半卧位。保持病室温度及湿度,避免呼吸道黏膜干燥。术后常规低流量吸氧,3~4L/min,指导病人深呼吸、咳嗽和有效排痰,保持呼吸道通畅。如痰液黏稠者给予特布他林1支+布地奈德1支每日3次雾化吸入[4],必要时给予吸痰,吸痰时动作轻柔,以免损伤气道黏膜。

2.2.4胸腔闭式引流的护理:术后安置胸腔闭式引流管,保持引流管通畅,定时挤压引流管,患者翻身或活动时,防止引流管打折或扭曲、脱出。更换引流瓶时并双重夹闭引流管,防止空气进入胸腔。水封瓶应保持在患者胸部60cm以下,密切观察液柱的波动情况及引流液性质、量、颜色,判断是否有活动性出血的发生[5]。

2.2.5康复训练:术后当日协助患者四肢屈伸,缓解肌肉疲劳,并预防下肢静脉血栓。术后第一日生命指征平稳后可鼓励病人早期离床活动,做伸展及扩胸运动,进行肢体锻炼,同时指导病人使用呼吸训练器,促使病人早日恢复肺功能。并指导患者术侧肢体锻炼,防止术后肩关节黏连和僵硬。运动时应循序渐进,使患者逐步适应。

3小结

重度多发肋骨骨折患者病情均较为危重,常导致胸壁软化而出现反常呼吸运动,严重影响了呼吸、循环功能。本组病例利用镍钛合金抓握式接骨板行肋骨骨折内固定术是目前最简单有效的治疗方法,具有创伤小、操作简便、效果突出等优点,术后患者胸廓外形恢复,反常呼吸运动消失,疼痛减轻,呼吸困难得到明显改善。本组病人通过术前心理护理和术后密切观察病情、疼痛的护理、呼吸道护理及康复指导等,减少并发症的发生,加快了患者康复,并有效的缩短了住院时间。

摘要：目的:探讨和总结胸外伤致多发肋骨骨折应用镍钛合金抓握式接骨板行内固定术治疗的围术期护理。方法:通过对125例患者术前进行全面评估,给予心理护理、呼吸功能锻炼和疼痛的护理;术后密切观察生命指征变化、给予呼吸道护理及并发症的预防和康复指导。结果:本组患者术后胸廓畸形均得到纠正,疼痛明显减轻,呼吸困难改善。结论:对镍钛合金抓握式接骨板治疗重度胸外伤致多发肋骨骨折的患者做好围术期护理,可保证手术顺利进行,促使患者早期康复。

关键词：重度胸外伤,多发肋骨骨折,镍钛合金抓握式接骨板,围术期护理

参考文献

[1]潘铁成,殷桂林主编.胸心外科急症和并发症[M].北京:人民卫生出版社,2006:139

[2]杨春明主编.现代急症外科学[M].北京:人民军医出版社,2001:460

[3]丁昌林.电视胸腔镜治疗多发性肋骨骨折的临床应用[J].黑龙江医药科学,2014,37(4):6

[4]邵明亮,吴本春,翟惠丽,徐红,特布他林联合布地奈德雾化吸入治疗慢性阻塞性肺疾病急性加重期83例临床研究[J].黑龙江医药科学,2014,37(6):19

钛合金板 第5篇

1 材料和方法

1.1 实验材料

1.1.1 纯钛和钛合金

实验所用纯钛 (TA2) 和钛合金 (TC4) 由宝鸡钛业有限公司提供 (符合QBS13810-97标准) 。

1.1.2 包埋料

磷酸盐外包埋料, 氧化锆及硅酸乙酯内包埋料 (Dentsply, 美国) 。

1.1.3 人工唾液[4]

按ISO TR 102标准制得人工唾液, 成分为: 1 000 ml蒸馏水中含NaCl 0.4 g; KCl 0.4 g; NaH2PO42H2O 0.78 g; CaCl22H2O 0.795 g; urea 1 g;Na2S2H2O 0.005 g。

1.2 主要设备

Nd:YAG程控激光焊接机 (DENTAORUM DESKTOP, 德国) ; 万能测试机 (MTS 809 Axial/Torsional Test System, 美国) ; 扫描电镜 (XL30+DX4i, 荷兰菲利普) 。

1.3 试件制作

机床精加工不锈钢制得标准试件规格如图 1, 以硅橡胶翻制试件阴模, 用精密牙科嵌体蜡采用滴蜡法形成试件蜡型, 按厂家要求进行包埋、烘烤、铸造, 分别铸得纯钛 (TA2) 和钛合金 (TC4) 试件36 根, 每组6 根。每种材料进行拉伸试验、疲劳试验。2 种材料各分为3 组, 从中任取1 组保持原状作为对照组, 另2 组试件分为激光焊接组和人工唾液组, 试件中间断开为2 段, 断端焊接前用无水乙醇超声清洗10 min, 再用蒸馏水超声清洗10 min, 晾干备用。

1.4 试件的焊接

将试件夹持于夹具两端, 要求同轴无缝对接, 氩气保护下用Nd:YAG程控激光焊接机焊接。波长为1.06 μm, 灯电压300 V, 脉宽10 ms, 频率1.5 Hz, 光斑直径1 mm, 焊接重叠率为50%, 并重复焊接1 次, 脉冲持续时间10 ms[5]。

1.5 实验方法

将焊接后的试件分为2 组:激光焊接组和人工唾液组。激光焊接组置于正常环境中, 人工唾液组浸入盛有人工唾液的烧杯中, 放入37 ℃恒温箱密封, 每2 周更换一次人工唾液, 90 d后取出试件。

1.5.1 机械性能测试

各组试件分别置于万能测试机上, 单轴向加载速度为1.0 mm/min, 记录断裂部位和断裂值, 记录其抗拉强度。

1.5.2 疲劳检测

各组试件固定于万能测试机上, 选用正弦载荷进行疲劳试验。设定载荷为0.42 MPa, 频率60 Hz (1.2 Hz与口腔咀嚼频率大致一致, 为了缩短实验时间放大50 倍) , R=-1, 当试件断裂或载荷为零时, 记录疲劳失效时的载荷循环次数。

1.5.3 断口扫描电镜 (SEM) 观察

试件的疲劳断裂断口在试件的焊接处, 断裂面断口打磨抛光、作扫描电镜的断口观察并拍照, 观察激光束穿透深度和熔焊区及疲劳断面有无裂纹、气孔等。

1.5.4 统计学分析

所有实验数据用SPSS软件包进行统计处理和t检验。

2 结果

2.1 试件外观

肉眼观察各组所有焊缝光亮呈银白色, 熔区表面光滑, 未见着色, 无裂纹。

2.2 机械性能测试结果

2.2.1 疲劳强度和抗拉强度

实验组与对照组的疲劳强度 (P<0.01) 和抗拉强度 (P<0.05) 有统计学差异, 激光焊接组和人工唾液组的疲劳强度 (P>0.05) 和抗拉强度 (P>0.05) 无统计学差异 (表 1) 。

①与对照组比较, P<0.05; ②与对照组比较, P<0.01;③与激光焊接组比较, P>0.05

2.2.2 扫描电镜断面观察

疲劳检测后的试件, 激光焊接熔焊区深度在0.3～0.5 mm, 约为全深度的20%～30%, 焊接不全中央未焊, 断裂表面存在有较多气孔及裂纹等缺陷 (图 2、3) , 缺陷多为疲劳断裂的起始处, 但疲劳断面未见腐蚀孔隙、疲劳裂纹。

3 讨论

耐腐蚀疲劳是影响修复体在口腔内行使功能及预后的重要因素, 口腔修复材料及加工必须具备良好的耐腐蚀性。金属的腐蚀是指金属在不同的化学或电化学环境作用下所引起的金属破坏现象, 常伴有机械或生物学因素共同作用[6]。实验证明, 口腔常用修复材料钛及钛合金在人工唾液中具有良好的耐腐蚀性[4], 其良好的耐腐蚀性是由于表面的保护性纯化膜破坏后能自行恢复, 其保护性钝化膜在静态下稳定, 在动态载荷下反复的摩擦可使氧化膜稳定性降低。由于口内修复体不是处于一个静态的唾液浸泡过程, 而是不断受到垂直向力、侧向力、剪切力等综合力的受力过程, 故有必要对激光焊接试件作疲劳腐蚀实验。

疲劳 (fatigue) 是指在交变应力作用下发生在材料或结构某点的局部、永久性的损伤递增过程。金属材料循环应力或脉动应力和腐蚀介质的联合作用下所引起的腐蚀破坏导致疲劳性能降低称腐蚀疲劳[7] (corrosion fatigue) 。激光焊接已被证明焊接区的静载承受能力一般并不低于母材。由于口腔咀嚼运动具备了疲劳断裂的三个基本条件:一定的频率, 足够的咀嚼应力和循环次数, 义齿在口腔反复咀嚼力作用下以及可摘义齿频繁摘戴下容易发生疲劳断裂。故口腔修复的焊接结构必须具备抗疲劳性能。

从表 1可以看出, 激光焊接后的纯钛和钛合金试件, 激光焊接组和人工唾液组的抗拉强度, 二者无统计学差异 (P>0.05) ;这是由于激光焊接改变晶粒大小、结构, 使焊缝组织致密、均匀, 从而使抗拉强度无明显差异, 与文献报道相类似。

口内修复体长期存在于口腔环境, 口腔中的唾液有弱酸性, 可看作腐蚀条件。从图 2、3看出, 箭头所示疲劳断口可见腐蚀孔隙, 疲劳断裂断面SEM显示较多气孔, 这种不均匀性可能会产生应力集中, 导致裂纹在单一区域内萌生进入焊接热影响区[8]。与对照组相比, 激光焊接组的疲劳强度明显降低 (P<0.01) , 人工唾液组的疲劳强度也明显降低 (P<0.01) , 激光焊接受焊接深度的限制, 多为不完全焊接, 间隙元素杂质如氢等可使焊区硬度提高, 改变晶粒大小、结构, 产生一定的孔隙。激光焊接时焊接中的裂纹和气孔[9], 具有脆性的组织结构, 而裂纹可能是严重的应力集中源, 它可大幅度降低结构或焊接区的疲劳强度, 气孔将成为疲劳裂纹的起点。裂纹的萌生及扩展对焊件失效起决定性的影响。

激光焊接组的疲劳强度与人工唾液组相比, 二者无统计学差异。唾液、食物残渣有弱酸或弱碱性, 可看作一种腐蚀介质。腐蚀疲劳形成条件是金属或合金在各种应力作用下都可以发生, 而且不要求特定的介质, 只是在容易引起孔蚀的介质中更容易发生。有研究表明[5], 激光焊接对钛的耐腐蚀性未降低, 而钛及钛合金修复体在口腔环境中会受到频繁摘戴和承受咀嚼力的影响而产生疲劳。对于激光焊接后钛的耐腐蚀疲劳强度, 这是由于钛材表面一层致密的、固有的、高保护性氧化膜在一定宽度的pH值和温度范围内是稳定的, 处于钝态的钛及钛合金具有很低的溶解速度, 但不是不溶解, 而是钝态的钛及钛合金仍有一定的反应能力, 使钝化膜的溶解和修复 (再钝化) 处于动平衡状态[10]。

由于体外实验时间不可能太长, 用3 个月的时间不能完全真实反映疲劳断裂情况。金属医学生物材料的腐蚀行为是非常复杂的, 其影响因素也是多种多样的, 涉及到材料的合金成分、体液离子及溶解氧的不均匀分布和应力分布等。关于金属生物医学材料的腐蚀失效行为分析、耐腐蚀疲劳等将是一个长期而艰巨的课题。

4 结论

无论在普通环境或人工唾液中, 激光焊接钛及钛合金的疲劳强度明显低于母材 (P<0.01) ;与普通环境相比, 激光焊接钛及钛合金在人工唾液中的疲劳强度无明显下降 (P>0.05) , 提示人工唾液未降低激光焊接钛及钛合金的腐蚀疲劳强度。

参考文献

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钛合金的切屑加工工艺综述 第6篇

关键词：钛合金,切屑,工艺,刀具,切屑液

1 钛合金的切屑加工特点

钛合金材料由于具有比重小、强度高, 特别是在300~400℃高温下仍具有极高强度和抗蚀性等特点, 已经成为航空航天工业中最重要的工程材料之一, 获得了越来越广泛的应用。但是, 钛合金又是一种典型的难加工材料, 切削性能很差。与其它金属材料相比, 钛合金有如下切削特点:

1.1 变形系数小。

这是钛合金切削加工的显著特点, 由于变形系数小于或接近于1, 切屑在前刀面上滑动摩擦的路程大大增大, 加速刀具磨损。

1.2 切削温度高。

由于钛合金的导热系数很小 (只相当于45号钢的1/5~1/7) , 切屑与前刀面的接触长度极短, 切削时产生的热不易传出, 切削温度很高。在相同的切削条件下, 切削温度可比切削45号钢时高出一倍以上, 造成刀具因磨损加剧而报废。

1.3 单位面积上的切削力大。

主切削力比切钢时约小20%, 由于切屑与前刀面的接触长度极短, 单位接触面积上的切削力大大增加, 容易造成崩刃。同时, 由于钛合金的弹性模量小, 加工时在径向力作用下容易产生弯曲变形, 引起振动, 加大刀具磨损并影响零件的精度。

1.4 冷硬现象严重。

由于钛的化学活性大, 在高的切削温度下, 很容易吸收空气中的氧和氮形成硬而脆的外皮;同时切削过程中的塑性变形也会造成表面硬化。冷硬现象不仅会降低零件的疲劳强度, 而且能加剧刀具磨损, 是切削钛合金时的一个很重要特点。

2 切屑刀具的选择

2.1 刀具材料

切削加工钛合金为降低切削温度和减少粘结, 应选用高温硬度好、抗弯强度高、导热性能好、与钛合金亲和性差的刀具材料。高速钢由于高温硬度低, 耐热性差一般不作选择, 但在其中参杂钒、钴和铝等对高速钢进行改性后得到的高钒高速钢 (如W12Cr4V4Mo) 、高钴高速钢 (如W2Mo9Cr4VCo8) 或铝高速钢 (如W6Mo5Cr4V2Al、M10Mo4Cr4V3Al) 等刀具材料, 却适于制作切削钛合金的钻头、铰刀、立铣刀、拉刀、丝锥等刀具。硬质合金刀具应该是较为理想的选则, 但其中YT类硬质合金会与钛合金产生剧烈的亲和作用, 加剧刀具的粘结磨损, 不宜用来切削钛合金;YG类硬质合金刀具材料有YG8、YG3、YG6X等都是切屑钛合金的较好选择, 一般适用于小批量产品的加工。为了满足大批量钛合金产品的加工, 最好选择有耐高温涂层的硬质合金刀具, 减少由于刀具磨损而必须进行的换刀操作, 提高加工效率。

2.2 刀具参数

2.2.1前角γ0:钛合金切屑与前刀面的接触长度短, 前角较小时既可增加刀屑的接触面积, 使切削热和切削力不至于过分集中在切削刃附近, 改善散热条件, 又能加强切削刃, 减小崩损的可能性。一般取γ0=5°~15°。2.2.2后角α0:钛合金已加工表面弹性恢复大、冷硬现象严重, 采用大后角可减小对后刀面造成的摩擦、粘附、粘结、撕裂等现象, 以减小后刀面的磨损。各种切削钛合金刀具的后角基本上都大于等于15°。2.2.3主偏角κr和副偏角κ'r:切削钛合金时切削温度高、弹性变形倾向大, 在工艺系统刚性允许的条件下, 应尽量减小主偏角, 以增加切削部分的散热面积和减小切削刃单位长度上的负荷, 一般采用κr=30°, 粗加工时取κr=45°。减小副偏角可以加强刀尖, 有利于散热和降低加工表面粗糙度值, 一般取κ'r=10°~15°。2.2.4刃倾角λs:由于毛坯有硬皮和表层组织不均匀, 粗车时切削刃容易崩损, 为了增加切削刃的强度和锋利程度, 应加大切屑的滑动速度, 一般取λs=-3°~-5°, 精车时λs=0°。2.2.5刀尖圆弧半径rε:切削钛合金时刀尖是最薄弱的部分, 容易崩掉和磨损, 需磨出刀尖圆弧, 一般rε=0.5~1.5mm。车削时采用负倒棱 (bγ=0.03~0.05 mm, γ01=-10°~0°) , 断 (卷) 屑槽的槽底圆弧半径Rn=6~8mm。

3 切屑参数的选择

钛合金切削加工时, 切屑参数的选择一般以采用较低的切削速度、较大的切削深度和进给量为原则。较低的切削速度能够有效降低切屑刃的温度。有实验数据表明切屑刃在高温段的寿命相比低温段呈现非线性的急速下降, 因此降低切屑速度能够延长刀具使用寿命, 提高加工效率。较大的切削深度能够使刀刃避免由于钛合金变形系数小, 使前刀面上的滑动摩擦路程大大增大而造成的刀具磨损。同时由于冷硬现象的存在, 较大切削深度使刀刃完全进入被切削的钛合金表面内, 有效以防止产生磨损或崩刃现象。

3.1 切削速度Vc:

切削速度对刀具耐用度影响最大, 最好能使刀具在相对磨损最小的最佳切削速度下工作。切削不同牌号的钛合金, 由于强度差别较大, 切削速度应在刀具厂商提供的最佳切屑速度的基础上通过试切试验适当调整。

3.2 进给量f:

进给量对刀具的耐用度影响较小, 在保证加工表面粗糙度的条件下, 可选较大的进给量, 一般取f=0.1~0.3 mm/r。进给量太小, 使刀具在硬化层内切削, 增加刀具磨损, 同时极薄的切屑在高的切削温度下容易自燃, 因此不允许f<0.05 mm/r。

3.3 切削深度αp:

切削深度对刀具耐用度的影响最小, 一般选用较大的切削深度, 这样不仅可以避免刀尖在硬化层内切削, 减小刀具磨损, 还可增加刀刃工作长度, 有利于散热, 一般取αp=1~5mm。

4 切屑液的选择

切削钛合金时, 最大的问题就是切屑温度过高对刀具寿命的影响。为了降低切削温度, 必须向切削区域内浇注大量的以冷却作用为主的切削液。

切削液应满足导热系数大、比热大、热容量大、汽化热大、汽化速度快、流量大、流速快等要求。一般说来, 水比油的导热系数大3~5倍, 比热大1倍, 汽化热几乎大10倍左右, 故用水溶性切削液较为合适。车、铣削钛合金时, 常采用乳化液, 或采用有极压添加剂的水溶性切削液。

极压乳化剂的配方见表1。

极压添加剂的水溶性切削液的配方为见表2。

对于钻孔、扩孔、铰孔、拉削、攻丝等工序, 应该采用润滑作用较大的极压可溶性油作切削液, 如蓖麻油、油酸、硫化油、氯化油等。

冷却润滑的方法最好采用高压喷雾冷却法、高压内冷却法等, 这样才可起到良好的冷却、润滑作用。切削液流量不少于15~20L/min。

结束语

钛合金零件加工工艺方法分析 第7篇

钛合金密度低、比强度 (强度/密度) 高、抗腐蚀性能好、耐热性高、韧性、塑性、可焊性均较好, 目前在航空航天、汽车、医学、体育用品及电解工业等许多领域均已大量使用钛合金。但导热性能差、硬度高、弹性模量低等特性也导致钛合金成为较难加工的金属材料。本文是针对其工艺特性总结出的钛合金切削加工中的一些工艺措施。

1 钛合金材料的主要优点

(1) 钛合金强度高而密度小 (4.4kg/dm3) 、重量轻, 为一些大型结构件减轻重量提供了解决方案。

(2) 热强性高。钛合金在400~500℃条件下仍能维持较高的强度, 可以稳定的工作, 而铝合金的工作温度只能在200℃以下。

(3) 与钢材相比钛合金固有的高耐蚀性可以节省飞机日常运行和维护保养的成本。

2 钛合金加工特性分析

(1) 导热系数低。TC4在200℃时热导率l=16.8W/m·℃, 导热系数是0.036卡/厘米·秒·℃, 仅是钢的1/4, 铝的1/13, 铜的1/25。在切削加工过程中散热和冷却效果差, 缩短了刀具寿命。

(2) 弹性模量低, 零件已加工表面回弹大, 导致已加工表面与刀具的后刀面接触面积增大, 既影响零件尺寸精度又降低了刀具耐用度。

(3) 硬度因素。硬度值低的钛合金加工时会发粘, 切屑沾在刀具前刀面的切削刃附近形成积屑瘤, 影响加工效果;硬度值高的钛合金加工时容易使刀具产生崩刃和磨蚀。这些特性导致钛合金金属去除率低, 仅为钢件的1/4, 加工时间较同尺寸钢件要长得多。

(4) 化学亲和性强。钛不仅可以与空气中的主要成分氮、氧、一氧化碳等物质发生化学反应, 在合金表面形成Ti C及Ti N硬化层, 而且在切削加工产生的高温条件下还能与刀具材料起反应, 降低了刀具的耐用度。

(5) 切削过程中的安全性能差。钛属于易燃金属, 微量切削时加工中产生的高温和火花可能引起钛屑燃烧。

3 钛合金加工工艺方法

(1) 尽可能使用硬质合金刀具, 钨钴类硬质合金具有强度高、导热性较好的特点, 与钛高温下也不易发生化学反应, 适合用来加工钛合金。

(2) 合理选择刀具几何参数。为降低切削温度, 减少刀具粘结现象, 可适当减小刀具前角, 通过增加切屑与前刀面的接触面积来散热;同时增大刀具后角, 减少因已加工表面回弹与刀具后刀面摩擦接触而产生刀具粘结、已加工表面精度降低的现象;刀尖宜采用圆弧过渡以增强刀具强度。加工钛合金要经常修磨刀具以保证其刃形锋利、排屑顺畅。

(3) 适宜的切削参数。确定切削参数可参考一下方案:较低的切削速度——切削速度高会导致切削温度急剧升高;适中的进给量——进给量大则切削温度高, 进给量小则刀刃因在硬化层中切削时间长而磨损加快;较大的切削深度——刀尖越过钛合金表面的硬化层切削能提高刀具寿命。

(4) 加工中切削液流量和压力要大, 对加工区域要充分连续的冷却以降低切削温度。

(5) 选用机床必须始终注意提高稳定性以避免振动趋势。振动会造成刀刃崩碎、刀片损坏的结果。同时, 加工钛合金工艺系统刚性要好以保证切削时采用较大的切削深度, 但钛合金加工回弹大, 夹紧力较大会加剧工件变形, 故精加工时可以考虑使用拼装夹具等辅助支撑以满足工艺系统刚度要求。

(6) 铣削方式一般采用顺铣。钛合金加工中逆铣造成的铣刀粘屑和崩刃要比顺铣产生的铣刀破损严重得多。

(7) 磨削常见的问题是粘屑造成砂轮堵塞以及零件表面烧伤。故磨削时宜采用磨粒锋利、硬度高、导热性好的绿碳化硅砂轮;根据被加工表面光洁度的不同砂轮粒度可采用F36~F80;砂轮硬度应较软, 用以减少磨粒与磨屑的粘附, 降低磨削热;磨削进给量要小、速度偏低, 乳化液充足。

(8) 钛合金钻孔时需要对标准钻头进行修磨以减少烧刀和钻头折断现象。修磨方法:适当增大顶角、减小切削部位前角、增大切削部位后角, 圆柱刃倒锥度数翻倍。加工中应增加退刀次数, 钻头不得在孔内停留, 及时清除切屑, 足量的乳化液冷却, 注意观察钻头变钝应及时清除切屑, 足量的乳化液冷却, 注意观察钻头变钝应及时更换修磨。

(9) 钛合金铰孔也需要对标准铰刀进行改制:铰刀刃带宽度应小于0.15mm, 切削部位与校准部位宜圆弧过渡, 避免出现尖点。铰孔时可采用组铰刀多次铰削, 每次增加铰刀直径0.1mm以下, 主轴转速宜稍慢, 退刀时不停车。用这种方法铰孔能达到较高的光洁度要求。

(10) 攻螺纹是钛合金加工中最为困难的一环, 因扭矩过大, 丝锥刀齿很快就会磨损, 已加工部位的回弹甚至能使丝锥折断在孔内。选用普通丝锥加工时应根据直径大小适当减少其齿数以增大容屑空间, 在校准齿上留出0.15mm宽度的刃带后需将后角增大至30°左右, 去除1/2~1/3齿背, 校准齿保留3扣后增大倒锥度数。建议选用跳牙丝锥能有效的减少刀具和工件接触面积, 加工效果亦较好。

4 加工注意事项

(1) 刀具勤修磨、保持锋利, 以确保其加工过程中产生尽可能少的切削热。 (2) 设备、刀、工、夹具应保持整洁, 切屑及时清除。 (3) 使用不燃或难燃的工具转移钛屑。将处理掉的碎屑存放在不可燃容器中覆盖好。 (4) 操作清洗过的钛合金零件应戴干净的手套, 避免以后造成氯化钠应力腐蚀。 (5) 切削区域有防火设施。 (6) 微量切削时, 切下的钛屑一旦起火, 可用干粉灭火剂或干土、干砂扑灭。

5 结束语

钛合金板 第8篇

钛及钛合金因具有低密度、高比强度、良好的耐蚀性和生物相容性,近年来被广泛应用于骨植入和牙修复材料[1,2,3]。然而,钛及钛合金的弹性模量与自然骨不匹配,且其强度(拉伸强度、抗压强度和抗弯强度等)也比人骨高很多。在应力作用下,材料和骨骼将产生不同的应变,使其界面处出现相对位移,且载荷不能完全从植入体传递到相邻的骨组织,缺少足够应力刺激的骨骼会出现退化、萎缩,甚至被吸收,最终导致植入体松动和断裂,不能满足长期使用要求,限制了其进一步的应用[4,5,6]。国内外越来越多研究人员在探索各种方法,以降低钛及钛合金的弹性模量,从而减轻或消除这种“应力屏蔽”现象,改善钛及钛合金的生物力学相容性。一般来讲,主要有两种途径降低钛及钛合金的弹性模量:一是合金化,β型钛合金的弹性模量比α型钛合金低。据报道,迄今为止可在钛合金中获得的最低弹性模量是在Ti-Nb-Sn系合金中得到的约为40GPa[7],要将其进一步降低到40GPa以下是非常困难的。但是,皮质骨的弹性模量为4.4~28.8GPa,松质骨仅为0.01~3.0GPa[8],而合金化对降低钛合金的弹性模量是有限的。另一种方法是引入孔隙结构,得到多孔钛及钛合金,其密度、模量和强度等力学性能均可通过对孔隙的调整达到与被替换骨组织相匹配。此外,独特的多孔结构及粗糙的内外表面有利于成骨细胞的粘附、增殖和分化,促使新骨组织长入孔隙,使植入体同骨之间形成生物固定,并最终形成一个整体;开放的三维连通孔结构能够使体液和营养物质在多孔植入体中传输,促进组织再生与重建,加快愈合过程[9,10,11]。因此,具有上述特征的多孔钛及钛合金被认为是目前最有吸引力的生物植入材料,也成为近年来生物材料的研究热点。

目前,制备多孔钛及钛合金最常用的方法是添加造孔材料的粉末冶金法,其利用钛粉或Ti与合金元素的混合粉末为原料,并添加一定量造孔剂如碳酸氢铵、尿素、淀粉、氢化钛和镁等,通过混合、压制、烧结等步骤去除造孔剂,并使金属粉末发生部分烧结,从而制备具有一定孔隙结构的材料[12,13,14,15]。通常,通过造孔剂的粒度、形态、含量来控制多孔钛及钛合金的孔隙形貌、孔径大小及孔隙度。另外,原始粉末尺寸、形态、成形压力、烧结温度、烧结时间和保护气氛等也影响多孔钛合金的孔隙特征。也就是说,影响钛及钛合金多孔结构特征的因素错综复杂,很难实现依据需求灵活且准确地控制。另外,采用这种方法还需要专用模具。然而,医用植入材料的最大特点是尺寸因人而异、结构形状复杂、微小细节丰富,传统制造方法很难柔性加工。

激光快速成形采用离散/堆积原理,由零件数字模型直接驱动,可制造任意复杂形状三维实体,且可以对孔隙结构进行设计,是一种理想的多孔材料制备方法。更为重要的是,激光快速成形技术能够针对个体患者,实现生物材料、人造肢体及医用植入体的个性化设计与制作,满足不同患者的个性化需求,并且具有很少的工序环节和很短的加工周期,因此在生物医用材料的制备领域具有重大应用价值。目前,采用激光快速成形技术制备生物多孔材料的研究正处在探索阶段,本文主要介绍制备生物医用多孔钛及钛合金的激光快速成形技术,着重阐述其在国内外研究和发展现状,并指出了未来在该领域的主要研究工作。

1 激光快速成形技术

激光快速成形(Laser rapid forming,LRF)集计算机科学、CAD/CAM、数控技术、激光加工、新材料技术及凝固技术等于一体,于20世纪80年代后期产生于美国,并迅速扩展到日本及欧洲,是近30年来制造技术领域的一项重大突破。LRF工作原理如图1所示:首先利用三维CAD软件设计出所需零件的三维实体模型(电子模型);然后根据工艺要求将其按一定厚度进行分层处理,把原来的三维电子模型变成二维平面信息,即离散过程;接着将分层后的数据进行一定处理,加入工艺参数,产生数控代码,在计算机控制下,数控系统以平面加工方式有序地连续加工出每个薄片并使它们自动粘结而成形,最终得到整个零件,即材料的堆积过程。

LRF技术打破了材料去除或变形加工的传统方式,采用增材制造的思想,使材料成形由多步工艺变为一步制造,且制造时无需预制毛坯和设计模具,实现了材料合成制备与复杂零件快速成形制造一体化,极大地提高了材料利用率,降低了设计和制造成本,并大幅度缩短了制造周期。LRF制造工艺与所生产零件的尺寸、复杂程度无关,能够快速生产传统制造工艺难以制备的形状复杂零件,如薄壁结构、封闭内腔结构等[16,17,18]。更具吸引力的是,激光具有很高的能量密度,能够快速熔化各种材料,尤其适用于传统技术难以制备的难熔合金、高熔点陶瓷及梯度功能材料。鉴于以上独特的优点,LRF自出现以来受到世界各国科研人员的高度关注,并迅速发展到多个领域,如汽车、电子、建筑、国防军事、航空航天、医疗卫生等。

值得注意的是,即使激光具有很高的能量密度,粉末材料受到激光辐射时,由于高热应力引起熔化材料分层、凝固过程中气孔形成、球化效应及材料收缩形成孔隙等原因,使得LRF很难获得致密零件。国内外研究者正是利用其工艺特点,将之引入多孔材料的制备领域。

2 多孔钛及钛合金激光快速成形

2.1 选择性激光烧结

选择性激光烧结(Selective laser sintering,SLS)技术由美国德克萨斯大学的Dechard于1989年在其硕士论文中首次提出,之后被美国DTM公司商业化。目前,应用SLS技术最具代表性的公司是美国DTM和德国EOS。DTM公司在制备金属材料时,将金属粉末和有机粘结剂的混合粉末激光烧结,后经浸渗、热等静压、液相烧结、高温烧结等后处理工艺得到材料(间接法)。EOS公司采用金属混合粉末成形,首先将低熔点组元烧结,接着润湿高熔点粉末,由液相烧结机制将高熔点金属粉末黏结在一起而得到金属材料(直接法)。国内北京隆源公司、华中科技大学及中北大学等开展了类似研究,但均是以SLS的间接方式追求致密金属零件或模具的制造。

SLS因激光器功率较低及成形时粉末受压极小,其直接制造的材料本身就为多孔结构,故在制备多孔材料时具有先天性的优势。目前,SLS在医用多孔材料中的应用几乎全部集中在两点:一是采用生物可降解的高分子材料,如聚醚醚酮(PEEK)、聚己内酯(PCL)、聚乳酸(PLA)和聚乙烯醇(PVA)等制备多孔组织支架[19,20,21];二是以这类聚合物和生物活性陶瓷如羟基磷灰石(HA)、磷酸钙和硅酸钙等的复合粉末为原料,制备多孔植入体[22,23,24,25]。然而,在制备多孔金属材料方面,只有少数学者对多孔316L不锈钢进行了初步探索[26],但对多孔钛及钛合金的研究鲜有涉及。

笔者采用SLS技术制备了一系列多孔Ti-Mo合金:以Ti和Mo混合粉末为原料,添加适宜量的粘结剂,按优化的SLS工艺参数成形、脱脂和烧结,制备了孔隙结构可控、力学性能可调且耐蚀性良好的多孔Ti-(4/6/8/10)Mo合金[27,28,29,30]。现以多孔Ti-10Mo合金为例,其典型的孔隙形貌和分布如图2所示。图2(a)为三维连通开孔,其孔隙特征为:平均孔径178μm,总孔隙率63%(体积分数);室温压缩力学性能为:弹性模量4.67GPa,屈服强度75.6MPa;0.9%NaCl(质量分数)溶液(37 ℃)中腐蚀性能为:腐蚀电位-484mV(SCE),腐蚀电流密度3.63μA/cm2。图2(b)显示为孤立闭孔结构,其平均孔径56μm,总孔隙率28%(体积分数);弹性模量27.5GPa,屈服强度364MPa;腐蚀电位-353mV(SCE),腐蚀电流密度0.32μA/cm2。据报道,皮质骨的模量为4.4~28.8GPa,强度为96~200 MPa;而松质骨的模量为0.01~3.0GPa,强度为4.1~68MPa,即多孔Ti-Mo合金的模量和强度可通过对孔隙率的调整同自然骨相匹配,且较小孔隙的Ti-Mo合金因具有更好的力学性能和耐蚀性行为,植入体内后能够承受更大应力,经受更苛刻的生理环境。

2.2 选择性激光熔化

选择性激光熔化(Selective laser melting,SLM)技术由德国亚琛工业大学Fraunhofer研究所于1995年提出,德国MCP-HEK公司在2003年推出第一台SLM系统,从此展开了对SLM技术的应用开发。SLM与SLS的成形原理相似,但SLM一般采用大功率、高效率激光器,直接熔化选区金属粉末而制得零件,该零件具有非平衡态的过饱和固溶体及均匀细小的金相组织,力学性能与锻造相当,成形质量较SLS有显著提高。另外,SLM成形材料范围广泛,如单一金属粉末、复合粉末及难熔合金粉末等。国外对SLM技术的研究集中在德国、日本、新加坡和比利时等,国内南京航空航天大学、华中科技大学和华南理工大学等也在这一领域展开研究,通过成形金属粉末(不锈钢、工具钢、铝合金和钛合金等)直接制造致密金属件,存在的主要问题为翘曲变形、裂纹和球化。

SLM技术能够依据CT数据为病者制造高度复杂和量身定制的植入体。近年来,国内外研究者逐渐把SLM推广到医学领域,用于制备医用多孔钛及钛合金。Pattanayak等[31]根据人体松质骨μ-CT图像(见图3(a)、(b))和CAD中空立方体模型(见图3(c)),利用SLM制备了多孔钛结构(见图3(d)-(f)),其孔隙率为55% ~75%,抗压强度为35~120MPa。Habijan等[32]采用SLM制造了多孔Ti-Ni形状记忆合金,用于运载人体间充质干细胞,以促进骨缺陷再生。实验研究发现,在不同孔隙率Ti-Ni试样上培育该细胞8天后,细胞仍然保持生物活性。Speirs等[33]利用CAD软件设计了金刚石、三角形和六边形的3种单元体结构,针对每种结构采用SLM制造了开孔Ti-13Nb-13Zr合金,其孔径分别为500μm、750μm和1000μm,弹性模量和压缩强度分别为0.87~5.43GPa和21.1~198 MPa。西澳大学Zhang等[34]以球形Ti、Nb、Zr和Sn合金化粉末为原料,在氩气保护下,以200 W功率和550mm/s扫描速度,采用SLM技术成功制备了具有复杂形状的多孔Ti-24Nb-4Zr-8Sn髋臼杯。

国内从事SLM多孔钛或钛合金研究的科研机构多集中在高校。南京航空航天大学对TiH2/Ti混合粉末体系进行了SLM实验研究,在TiH2组分含量60%(质量分数)、激光功率1kW、扫描速率20m/s的工艺条件下,成形出孔隙率为42.8%(体积分数)、平均孔径约350μm的多孔Ti支架,且大部分孔隙为近圆形,孔径分布较均匀[35]。张超等[36]采用SLM制备了多孔钛,研究了光斑直径/扫描间距(D/d)值和粉末组成对多孔钛结构的影响、主孔及微孔的形成机理。结果表明:实验粉末为95%Ti+5%TiH2(质量分数)、D/d值为1时,多孔钛孔隙由主孔和微孔构成,微孔将部分主孔连通,形成三维连通结构;激光束选择性地作用于预置粉末,预留的未被辐照区域形成主孔,是否存在主孔由D/d值决定,D/d=2 时不产生主孔,D/d=1 时产生主孔。戚留举等[37]运用3维软件SolidWorks设计了截角八面体多孔结构,采用SLM制备了棱径为400μm,孔径分别为750μm、800μm和1000μm的3种多孔钛模型(见图4),孔隙率分别为66%、68% 和76%,弹性模量分别为11.94 GPa、10.63GPa和5.88GPa,与松质骨的结构和模量较为相近,实现了复杂多孔结构的SLM一次性精确可控成形。华中科技大学Zhang等[38]通过控制扫描间距,采用SLM制造了开孔的多孔径Ti-6Al-4V合金(200~450μm),研究了扫描间距对孔隙特征和力学性能的影响,发现多孔Ti-6Al-4V合金的压缩强度和模量随扫描间距增大而降低,其压缩破坏机理主要为绝热剪切断裂。

2.3 激光近净成形

激光近净成形(Laser engineered net shaping,LENS)技术由美国Sandia国家实验室提出,1997年Optomec Design公司开始商业化运行。LENS装置主要由连续Nd∶YAG固体激光器、可调整气体成分的手套箱、多轴计算机控制定位系统和送粉系统4部分组成。该工艺将激光束聚焦于金属粉末形成的熔池表面,在惰性气体保护之下,通过激光束的扫描运动,使金属粉末逐层堆积,最终形成特定形状的零件。LENS能够实现不锈钢、钛合金、镍基高温合金和钨合金等金属材料的快速成形,成形零件的组织致密,具有明显的快速熔化与凝固特征,力学性能高,成形质量甚至超过锻件,并可通过调节送粉率,逐渐改变粉末的成分,实现一个零件内材料成分的连续变化,因此在制备异质材料(功能梯度材料、复合材料)时表现出独特的优势。

LENS技术在航天、航空、造船、国防等领域具有极大的应用前景,而在航空领域的应用直接体现在航空用钛合金结构件的直接制造以及航空发动机零件的快速修复。美国和德国已开发了LENS制造系统,可以生产出飞机起落架、发动机叶片、飞机外挂架舱壁等高性能金属零件。西北工业大学和北京航空航天大学也较早开展金属材料LENS研究,制造了较为复杂的Ti合金、Ni合金及金属间化合物等金属零件,可满足实际生产需求。

美国华盛顿州立大学将LENS技术应用到多孔钛及钛合金制备,并对这些应用于医学领域的钛基材料进行了大量基础性研究。Bandyopadhyay等[39]利用LENS技术制备了低刚度多孔钛材料(见图5),改变LENS的工艺参数如激光功率、扫描速度、送粉速度、扫描间距等,可控制孔隙率和孔形貌,孔隙率最高可达70%,孔隙最大直径可达800μm,弹性模量可在2~45GPa调控。多孔钛的弹性模量随密度线性增加,当样品密度为2.6~2.9g/cm3(孔隙度35%~42%)时,其弹性模量与皮质骨相近。体外生物相容性试验显示,细胞可以在多孔钛表面很好地铺展,并形成较强的结合,且与纯钛相比,多孔钛能够刺激人体成骨细胞更快地分化[40]。Bandyopadhyay等采用LENS技术制备了多孔Ti-6Al-4V植入体,其弹性模量为7~60GPa,且当孔隙率为23%~32%时,其弹性模量接近人体皮质骨,孔隙率对骨组织生长速率具有重要作用[41]。随着研究的不断深入,越来越多的多孔植入材料被开发。采用LENS方法通过调整孔隙率来调节弹性模量,制备了孔隙率为64% ~88%,弹性模量为2~18GPa,弹性应变为2%~4%的多孔状Ti-Ni合金,其符合骨骼替换材料的要求[42]。

目前,国内尚未见到关于采用LENS技术制造医用多孔钛或钛合金的报道。我国相关科研人员应尽快开展这一方面的研究,为生物医用材料的多样化和制造技术的创新性提供更多的选择。

2.4 激光立体成形

西北工业大学黄卫东教授基于快速成形技术,在1995年提出了激光立体成形的研究思路。激光立体成形(Laser solid forming,LSF)的工作原理与LENS类似,采用同步送粉、激光熔覆方式制备零件,并可通过改变粉末配比,实现对合金成分的任意调整,不仅可以制备出具有特定成分的合金,而且还能制备出成分连续变化的合金。这个技术特点使其适用于在一个较大的成分范围内,对合金的组织和力学性能变化规律进行研究,为新型医用合金的研制奠定基础。

西北工业大学和第四军医大学共同合作,已经开展了对纯钛、钛合金、钛/羟基磷灰石生物梯度材料以及镍合金LSF工艺、成形件组织、力学性能和生物学性能的研究[43]。LSF同SLS、SLM和LENS一样,也可以制备多孔材料。Li[44]采用LSF技术成功制备了多孔Ti、Ti-Ni及TC4合金,并在人工关节臼杯上制备了多孔CoCrMo/Ti6Al4V功能梯度材料。杨海欧等[45]采用LSF制备了多孔钛材料,研究了LSF工艺参数对多孔钛的孔隙结构及力学性能的影响。LSF多孔钛的微观形貌主要为狭长型,孔隙具有各向异性,使得其纵向和横向的弹性模量有差异,但是多孔钛的弹性模量远小于纯钛,符合植入材料的要求。通过调节LSF工艺参数,多孔钛的孔隙率为14.0%~21.1%,拉伸强度在160~350MPa可控。

2.5 几种激光快速成形技术的对比

激光快速成形方法制备多孔钛及钛合金大体可以分为3种方式:(1)采用较低的能量密度使粉末部分熔化而表面粘结在一起形成孔隙;(2)在金属粉末中加入发泡剂,在激光成形过程中发泡剂释放出气体形成孔隙;(3)在CAD模型中预先设计一系列规则多孔,成形过程中控制激光束跳过孔隙所在区域,而仅扫描孔隙以外区域的粉末,待零件成形完毕,去除空洞内的残留粉末,以形成多孔结构。其中,第一种方式(如SLS和LSF)制备的多孔材料连通性较好,与自然骨孔隙分布接近,虽然孔隙粗糙且粘附很多粉末颗粒,但可通过后续处理改善。目前存在的主要问题是工艺的重复性较差,孔隙的大小、分布较难控制。而第二种方式(如SLM)所制备的孔隙尺寸通常较小,造孔剂易残留,且析出的气体通常存在易燃易爆等问题。第三种方式(如SLM和LENS)制备的多孔钛及钛合金孔隙尺寸易控制,形状规则,但是力学性能较差。

3 结语

激光快速成形技术在国内的研究起步较晚,目前集中应用于制造高性能高致密的金属零件。事实上,激光快速成形技术以其数字化、无模化及直接化的近终成形特征,可以自由地对材料组分及结构进行设计,在制备多孔钛及钛合金方面具有巨大的潜力。但是,国内还未形成医学专用的激光快速成形装备,对生物医用多孔钛及钛合金的激光快速成形还处在试验探索阶段,主要为成形材料的工艺和性能研究,且成形材料单一,大多是多孔纯钛或Ti-6Al-4V合金。

因此,迫切需要科研工作者开发适合相关工艺的医用成形装备,开展激光快速成形多孔钛及钛合金的成形机理研究,并拓宽到多孔钛合金尤其是添加生物相容性元素(Ta、Nb、Mo、Zn和Sn)的β型低模量多孔钛合金的激光快速成形研究,同时在此过程中建议加强以下3方面的研究工作:(1)合理设计多孔钛及钛合金的微观结构,使其弹性模量更接近于人骨以解决应力屏蔽,同时兼顾其力学强度以满足承力需要;(2)在多孔钛及钛合金表面制备生物活性涂层(表面改性),提高其生物相容性以促进骨生长;(3)开展与医学工作者的跨学科合作研究,综合评价多孔钛及钛合金在服役环境下的性能(如力学性能、耐蚀性能、耐磨性能及生物相容性等),以制造出具有良好的力学相容性、生物相容性及个体匹配性的生物植入体。

摘要：多孔钛及钛合金具有良好的生物相容性和与人骨更匹配的力学性能,是人体理想的替代材料,因此其制备技术及相关性能研究引起了广泛关注。激光快速成形是一项先进的制造技术,在制备生物多孔金属材料时具有独特的优势。介绍了激光快速成形的工作原理和技术特征,根据成形工艺特点简要回顾了4种代表性激光快速成形技术(选择性激光烧结、选择性激光熔化、激光近净成形和激光立体成形)的国内外发展现状,并重点论述了这几种技术在制备生物医用多孔钛及钛合金方面的最新研究进展,最后指出了今后在该领域的主要研究工作。

钛合金化学镀镍工艺研究 第9篇

钛及其合金由于具有质轻、刚度大、耐蚀性强等特性，广泛应用航空、航天、化工以及民用行业中，特别是在航空发动机中，采用钛合金材料可以减轻发动机重量从而提高推重比。但它本身存在易磨损、高温下易氧化、硬度低、与其它金属接触共存时会产生危害很大的接触腐蚀等缺陷，为了满足应用需要就必须对其加以表面改性，来克服这些缺陷，电镀是完成这一过程的有效方法之一。钛的标准电位E0为-1.628V(SHE），其化学活性相当高，在空气中自然氧化，表面被一层氧化膜覆盖，妨碍了金属镀层的结合强度。如果将这层膜除去，它会立即重新形成，所以要想得到有良好结合强度的镀层，必须要消除这层膜的影响。

1 工艺流程

装挂→化学除油→清洗→粗化处理→清洗→酸洗→活化处理→清洗→化学镀镍

2 工艺说明

2.1 装挂

由于钛合金零件镀铜时采用的是铜丝装挂零件，所以，初步化学镀镍试验时选用过铜丝进行装挂。但是，用铜丝装挂的零件在第二步活化处理中效果不好，钛合金零件表面生成了一层灰黑色的氟基薄膜，对后需的化学镀镍有所影响。在化学镀镍的过程中，零件表面的灰黑色氟基薄膜有脱落现象，化学镀镍的沉积速度很慢，大约经过了15分钟左右，零件局部表面才有镍层，并且大多零件表面的镍层都有局部发黑现象，怀疑是氟基薄膜的脱落造成的。化学镀镍时间结束后，对零件的外观质量进行检查，可以看出，用铜丝装挂的零件化学镀镍后，镍层粗糙，为灰黑色，基本没有光泽，并大多零件表面的镍层都有局部发黑现象。

考虑到化学镀镍中所需要的诱发反应，因此，我们选择了不锈钢丝进行零件的装挂。由于Cu标准电位E0为0.153V(SHE）;Ni标准电位E0为-0.250V(SHE）;Fe标准电位E0为-0.441V(SHE）;F标准电位E0为2.87V(SHE)（由于零件在第二次活化处理后，零件表面形成了一层氟基薄膜，故我们以F的标准电位近似于零件第二次活化处理后的电解电位）。因为铜和氟的电极电位较正，没有自催化作用，所以我们用铜丝装挂，就很难在化学镀镍中形成短路电池，化学镀镍的沉积速度将很缓慢。用不锈钢丝装挂，可使作为阴极部分的表面首先沉积镍层，致使化学镀镍的反应得以顺利进行。采用不锈钢丝也有一定好处，既零件进行酸洗时不至于松动和脱落。用不锈钢丝装挂零件后经过的工艺路线如上。在第二步活化处理时，零件表面的光泽得到了保护，没有生成灰黑色的氟基薄膜。化学镀镍时，沉积速度有所提高，大约经过5分钟左右，零件表面开始沉积上镍层。加工至终点时间，对零件表面质量进行检查，镍层结晶细致，有光泽，为灰白色。

2.2 化学除油

钛合金材料一般采用化学除油的方法。如果采用电解除油，阴极除油时易渗氢，阳极除油时易被钝化。在阴极时发生的电极反应为：2H2O+2e→H2+2OH,H2进入金属晶格造成渗氢，在阳极发生的电极反应为：2H2O+O2+4e→4OH，钛合金迅速与氧亲合成稳定、致密的钝化膜层，造成电镀困难。配方如表1。

2.3 粗化处理

钛的标准电位E0为-1.628V(SHE），可见它的化学活性相当活泼，在空气中能迅速与氧结合生成结构较为复杂的氧化皮，这层氧化皮由TiO2、TiO、Ti2O3等组成，稳定性极高，并永久覆盖在基体上，它妨碍金属镀层与基体的结合强度。这层氧化皮能否去除彻底直接关系到后续电镀加工能力，关系到镀层质量。考虑到钛合金零件经过了机械加工，表面在机加高温状态下易产生一层至密的氧化膜，为此，我们选择了近似碱崩工艺的方法对零件进行第一道除膜。配方如表2。由于在高温状态下，钛合金零件在上述槽液中，NaOH会以溶液状态粘覆在零件表面。出槽后迅速将零件放入冷水中，粘覆在零件表面的NaOH会结晶析出成为固态NaOH，从而可以对钛合金零件表面的氧化膜有松动和剥落作用。

2.4 酸洗

零件经过了粗化处理后，表面的氧化膜相对变得不再紧密和连续，利于酸液的腐蚀。

2.4.1 氢氟酸腐蚀（表3)

2.4.2 混酸腐蚀（表4)

2.5 活化处理

钛合金材料浸蚀除去钝化膜后又会在新鲜表面迅速生成完整的新膜，所以为了保证镀层与基体的良好结合，在浸蚀后还要进行活化预处理，目的是在钛合金表面获得直接进行电镀的表面状态。根据多次活化实验结果，我们先用氟基薄膜作为镀层与基体之间的中间转化层。工艺配方如表5。

在氟硼酸盐处理过程中，钛合金与之通过较复杂的机理在其表面生成一层极薄而且均匀的氟基薄膜，它阻止了钛合金的进一步氧化，并使基体得到活化，使被镀的金属能直接沉积于氟基薄膜上。这层薄膜与基体金属结合好，又与镀层金属结合力好，所以，在实际操作过程中，一定要避免薄膜受到机械损伤，而且浸蚀清洗干净后零件立即转入活化槽液。

2.6 化学镀镍

化学镀是在无电流通过时借助还原剂在同一溶液中发生氧化还原作用，从而使金属离子还原沉积在零件表面上的一种镀覆方法。化学镀镍的反应历程如下：

第一步：溶液中的次磷酸根在催化表面上催化脱氢，同时氢化物离子转移到催化表面，而本身氧化成为次磷酸根：

第二步：吸附于催化表面上的活性氢化物与镍离子进行还原反应而沉积镍，而本身氧化成氢气：

总反应式为：H2PO2-+H2O+Ni2+→Ni0+H2↑+2HPO32-+4H+

上述还原反应是周期地进行的，其反应速度取决于界面上的p H值。pH值较高时，镍离子还原容易；而pH值较低时磷还原变得容易，所以化学镀镍层中含磷量随pH值升高而降低。因此，在化学镀镍的过程中，对pH值的调节很重要，经过试验，确定pH值基本在3～5之间为最佳。

镀液温度是影响化学镀镍沉积速度最重要的因素之一。沉积速度几乎是随温度成指数地增大，为取得高的沉积速度，都尽可能使用较高的工作温度。我们采用的配方为酸性镀液，工作温度低于70℃，则反应不能进行，一般需要75～85℃。但是温度太高，沉积速度太快也会失控，导致亚磷酸盐迅速增加，这样会触发镀液的自分解。经过试验，我们采用水浴加热，保持镀液的温度在85℃左右为最佳。

化学镀镍配方如表6。

在化学镀镍过程中，零件需在化学镀镍温度上限时下槽，需保证零件和夹具的紧密接触；化学镀镍时，需勤晃动零件，以使槽液的温度及浓度在零件表面基本均匀，诱发反应。

3 数据统计

经过了的上述说明，我们将所经过的试验数据进行统计（表7）。

4 结合力检查

4.1 镀后零件在恒温箱中加温到200±10℃，保持1h，然后取出立即放入冷水中骤冷，观察镀层未发现起皮现象。

4.2 镀后零件在除氢炉中进行，温度180～220℃，时间2h，出炉后观察镀层未出现鼓泡或起皮现象。

4.3 将镀后试片用钳子夹紧，反复弯曲180℃，直至断裂，观察断口未发现断口未发现与基体分离。

5 结论

通过采取粗化与活化的处理方法，能较好的除去钛合金零件表面的氧化膜，同时，生成一层利于化学镀镍的氟基薄膜；采用不锈钢丝代替铜丝装挂，能较好的诱发化学镀镍向正方向进行反应；通过对温度的试验，确定了在化学镀镍过程中，在温度上限时将零件下槽，能较好的使零件的反应得到保证。

摘要：为做好钛合金的表面处理,我们需要对钛合金的工艺有一个全新的了解,通过钛合金的化学镀镍的研究,可以给钛合金表面处理指明了一个方向,即可将镍层作为钛合金表面电镀中的中间镀层,从而提高各种钛合金电镀的结合力。