Tc6钛合金阀体抗疲劳加工制造研究课题教学文稿.docx

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Tc6钛合金阀体抗疲劳加工制造研究课题教学文稿

Tc6钛合金阀体抗疲劳加工制造研究课题

一、目的意义

1、课题研究的背景

液压技术是古老而新兴的行业，从18世纪末世界上第一台水压机出现，液压技术开始发展与应用。

20世纪50年代，液压传动应用普及发展迅速，形成了传动、控制、检测为一体的完整自动化技术。

目前，95%的工程机械、90%的数控加工中心、95%的自动生产线均采用了液压技术，该技术应用领域非常广泛。

其发展趋势主要朝着高压、高速、大功率、高集成化、低噪声与高可靠性发展。

液压阀是液压系统中使用最多的元件，它的功能是控制油液的流动方向、压力、流量，以满足执行元件所需的动力方向、力（或力矩）、

速度要求，使整个液压系统能按要求协调地进行工作。

所以当液压阀出现失效时，对液压系统的稳定性、精度和可靠性均具有极大的影响，甚至造成系统完全不能工作。

随着液压技术的不断发展，对液压阀的技术性能、产品质量、适应工作介质等要求越来越高，而发展钛合金等液压阀产品及技术开发，具有重要意义。

钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。

世

界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。

20世纪50～60年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，70年代开发出一批耐蚀钛合金，80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。

钛及钛合金具有密度低、强度高、耐腐蚀和耐压性好等突出优点，目前已广泛应用于航空、航天、石油、化工、冶金、电力、医药卫生和仪器仪表等行业。

为适应航空、海洋工程、船舶、工程机械、化工等领域需求，在钛合金液压阀开发过程中，用新技术、新材料和新标准规范产品设计，符合国家高新技术产品政策的要求，是一种新兴的，又很有发展前途的材料应用技术，从而提高了阀门质量，改善了产品性能。

钛及钛合金质量轻，强度高，屈强比高，无磁性，有生物惰性，并具备优良的耐腐蚀性能。

目前，随着科技的进步以及各行各业对新材料应用力度的加大，钛阀门作为各种特殊环境及特殊流体介质输送系统的必备产品已被大量应用。

然而不同领域及行业的流体介质和环境条件不尽相同，对钛阀所用材料的性能等要求有所不同。

同时，由于钛阀不同组件性能要求存在差异，成型工艺不同，以及为降低成本部分部件需选用代用材料等因素影响，选材成为钛阀门设计制造中必须首要考虑的技术问题之一，而受到普遍的关注和重视。

钛阀目前已在航空航天工程、化工工程、核电工程、海洋、造纸、食品、医药、机械装备等行业领域内广泛应用。

经过多年科研、设计、制造和用户相结合的共同努力，我国的阀门行业已取得快速发展。

逐步实现了重大装备阀门国产化的计划，其中包括百万千瓦级核电站关

键阀门和百万吨级大型乙烯成套设备阀门国产化等。

随着我国经济实力的不断增强，近几年我国航空航天工程、电力工程、海洋资源开发利用工程、石油化工工程、食品及医疗工程等发展力度的加大，钛阀的市场及应用前景十分广阔。

2、课题目的、意义

（1）抗疲劳制造技术的发展现状

金属疲劳是十分普遍的现象，据150多年来的统计，金属部件有80%以上的断裂是由于疲劳而引起的，极易造成事故和经济损失，因此研究疲劳破坏现象，提高抗疲劳强度，防止疲劳失效是非常重要的。

1964年国际标准化组织在《金属疲劳试验的一般原理》中给疲劳下了一个描述性定义：

金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫疲劳。

美国试验与材料协会（ASTM）“在疲劳试验及数据统计分析之有关术语的标准定义”（ASTME206-72）中所作定义为：

在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的所发生的局部的、永久结构变化的发展过程，称为疲劳。

在现代工业各个领域中，大约有50％～90％以上的结构强度破坏都是由于疲劳破坏造成的，如轴、曲轴、连杆、齿轮、弹簧、螺栓、压力容器、海洋平台、汽轮机叶片和焊接结构等，很多机械零部件的结构件的主要破坏方式都是疲劳。

因此认识疲劳，了解疲劳破坏的机理和抗疲劳制造的原理，探求抗疲劳设计和制造的方法，来达到提高疲劳寿命的目的，并去指导现代工业技术的发展，已经成为现代工业生产中的重要课题。

抗疲劳制造技术是指在不改变零部件材料和截面尺寸的前提下，通过在制造工艺过程中改变材料的组织及应力分布状态来提高零部件疲劳寿命的制造技术。

该技术的一个突出特点是不改变零部件的结构和材料，不增加重量，但能够大幅度提高零部件的疲劳寿命，对于像航空航天、铁路运输、核工业等对疲劳要求很高的工业领域，抗疲劳制造显得尤为重要。

在目前的生产实践中，有关抗疲劳制造的方法多种多样，主要有物理、化学、机械和高能束处理四个方面。

抗疲劳制造技术作为一代先进制造技术，也是一种新制造理念。

抗疲劳制造覆盖构件的主要制造技术领域，如表层硬化技术领域，涉

及诸如机械传动齿轮、轴承、轴及其他以接触疲劳为主要失效模式的构件；机械加工技术领域，涉及以机械加工表面为服役表面的构件；表层组织再造改性技术领域，涉及以疲劳为主要失效模式的构件。

伴随着构件高性能、轻量化、小型化、经济可承受性和合金超高强度化的发展，抗疲劳制造必将上升到新的高技术平台。

我国是一个制造大国，飞机、车辆、舰船、及其动力装置、各种精密机械都亟需实现抗疲劳制造。

抗疲劳制造技术的研究越来越受到人们重视，并取得明显的进展。

但是随着现代科学技术的飞速发展，现代工业设备要求高温、高速、高压等复杂条件下使用的场合越来越多，承受的交变应力越来越高，疲劳破坏问题日益突出。

抗疲劳制造技术研究有着如下的发展趋势：

一是开展断裂力学、弹塑性断裂力学以及损伤容限设计的应用研

究；

二是加强对疲劳损失机理的研究，利用现代分析手段，深入研究疲劳损失的机理，提高经济效益；

三是开展复杂工作条件下的疲劳寿命研究，针对腐蚀疲劳、热疲劳、复合应力疲劳在变幅载荷等特殊工况下的疲劳问题。

四是开展对高分子材料、复合材料、先进陶瓷的微动损失规律的研究。

（2）钛合金技术发展状况

钛是英国化学家格雷戈尔在1791年研究钛铁矿和金红石时发现的。

1795年，德国化学家克拉普罗特在分析匈牙利产的红色金红石时也发现了这种元素。

他主张采取为铀命名的方法，引用希腊神话中泰坦神族“Titanic”的名字给这种新元素起名叫“Titanium”。

中

文按其译音定名为钛。

格雷戈尔和克拉普罗特当时所发现的钛是粉末

状的二氧化钛，而不是金属钛。

因为钛的氧化物极其稳定，而且金属钛能与氧、氮、氢、碳等直接激烈地化合，所以单质钛很难制取。

直到1910年才被美国化学家亨特第一次制得纯度达99.9%的金属钛。

由于钛在液化状态时化学活性非常高,钛与气体和所有制模成形用的难熔材料都有很高的活性,因此,钛合金铸造成形工业化的生产晚于变形钛合金和变形工艺。

自海绵钛工业化以来,钛在工业上的广泛应用推动了钛工业的迅速发展,钛的生产能力正在逐年提升,并将陆续超过铅、锌、铜成为名副其实的第三金属。

钛及钛合金具有许多优良特性，主要体现在如下几个方面：

a.

强度高。

钛合金具有很高的强度，其抗拉强度为686-1176MPa，所以比强度很高。

b.硬度较高。

钛合金（退火态）的硬度HRC为32-38。

c.弹性模量低。

钛合金（退火态）的弹性模量为1.078×10--1.176×10MPa，约为钢和不锈钢的一半。

d.高温和低温性能优良。

在高温下，钛合金仍能保持良好的机械性能，其耐热性远高于铝合金，且工作温度范围较宽。

在低温下，钛合金的强度反而比在常温时增加，且具有良好的韧性，低温钛合金在-253℃时还能保持良好的韧性。

钛及钛合金的应用与前沿技术的发展一直是当前材料领域的热点研究课题之一。

钛、钛合金及钛化合物的优良性能促使人类迫切需要它们。

然而，生产成本之高，使应用受到限制，相信在不久的将来，随着钛的冶炼技术不断改进和提高，钛、钛合金及钛的化合物的应用将会得到更大的发展。

钛合金的发展趋势如下图：

（3）本课题研究目的与意义

制造技术的发展已经有几千年的历史，由于现代科学技术的迅猛

发展，机械工业、电子工业、航空航工业、化学工业等，尤其是国防工业部门，要求尖端科学技术产品向高精度、高速度、大功率、小型

化方向发展，以及在高温、高压、重载荷或腐蚀环境下长期可靠地工

作，为了适应这些要求，各种新结构、新材料和复杂形状的精密零件大量出现，其结构和形状越来越复杂，材料的性能越来越强韧，对精度要求越来越高，对加工表面粗糙度和完整性要求越来越严格，使机

械制造面临着一系列严峻的任务：

1）解决各种难切削材料的加工问题。

如硬质合金、钛合金、淬

火钢、金刚石、石英以及锗、硅等各种高硬度、高强度、高韧性、高

脆性的金属及非金属材料的加工。

2）解决各种特殊复杂型面的加工问题。

如喷气涡轮机叶片、锻压模等的立体成型表面，炮管内膛线、喷油嘴和喷丝头上的小孔、窄缝等的加工。

3）解决各种超精密、光整零件的加工问题。

如对表面质量和精度要求很高的航天航空陀螺仪、激光核聚变用的曲面镜等零件的精细表面加工，形状和尺寸精度要求在0.1μm以上，表面粗糙度Ra要求在0.01μm以下。

4）特殊零件的加工问题。

如大规模集成电路、光盘基片、微型机械和机器人零件、细长轴、薄壁零件、弹性元件等低刚度零件的加工。

机械制造业是国民经济的支柱产业，是国家创造力、竞争力和综合国力的重要体现。

机械制造工艺是将各种原材料、半成品加工成产品的方法和过程。

它是应先进工业和科学技术的发展需求而发展起来的。

现代工业科学技术的发展又为制造业技术提供了近一步发展的技术支持，如新材料的使用、计算机技术、微电子技术、控制理论与技术、信息处理技术、测试技术、人工智能理论与技术的发展与应用都促进了制作工艺技术的发展。

现代机械制造中较多的采用了数控机床、机器人、柔性制造的单元和系统等高技术的集成，来满足产品个性化和多样化的要求。

要解决上述一系列问题，仅仅依靠传统的切削加工方法很难实现，有些根本无法实现。

在生产的迫切需求下，人们通过各种渠道，借助于多种能量形式，不断研究和探索新的加工方法，精密和特种加工技术就是在这种环境和条件下产生和发展起来的。

液压控制已成为现代机械设备最主要的控制方式，而液压阀是液压系统中使用最多的元件，液压阀使用的环境非常恶劣，需要承受较大的载荷和外部环境的腐蚀，但液压阀的失效原因分析不能简单等同于一般机械零件的失效原因分析，它还有属于液压元件自身的因素。

在长期变载荷下工作，液压阀中的弹簧会因疲劳造成弹簧变软、弹簧长度缩短或整个折断；阀芯、阀座也会因疲劳，产生裂纹、剥落或其它损坏。

这些都有可能使阀失效。

溢流阀主滑阀或先导阀上的弹簧疲劳或折断将会使系统压力达不到要求。

换向阀的弹簧过软或变短，将

会影响阀芯工作位置及正常复位，使得系统不能正常工作。

而液压阀加工过程中的残留应力会导致零件产生变形，不能完成正常功能而失效。

因此，消除加工过程中的残余应力对于保证液压阀的性能是非常重要的。

液压油中混有过多的水分或酸性物质，长时间使用后，会腐蚀液压阀中的有关零件，使其丧失应有的精度而失效。

现代工业设备要求高温、高速、高压等复杂条件下使用的场合越来越多，对于高强度合金液压阀的需求越来越大。

由于钛合金具有的优良性能，钛合金材料在各种精密机械中得到应用。

TC6钛合金属于Ti-Al-Cr系的“α+β”型钛合金，其合金成分是Ti-6Al-2.5Mo-2Cr-0.5Fe-0.3Si，含有Mo、Cr、Fe、Si等β稳定元

素。

TC6是目前生产技术最成熟、应用最广泛的Ti-Al-Mo-Cr-Fe-Si系多元钛合金。

该合金是在Ti-5