本文導讀目錄：

1、如何有效地解決切削鈦合金加工難題

2、一文讀懂高熵合金

如何有效地解決切削鈦合金加工難題

　　利用高壓冷卻，提高鈦合金的切削效率，結(jié)語，采用合適的刀具和機床，【能源人都在看，點擊右上角加“關(guān)注”】，不難看出，解決鈦合金材料的切削問題在于采用耐高溫的硬質(zhì)合金刀。

　　為提高鈦合金材料的切削效率和加工可靠性，有不少刀具生產(chǎn)廠家和高等院校開展了卓有成效的研究試，在德國，特別是諸如Darmstadt工業(yè)大學、亞琛工業(yè)大學，其中亞琛工業(yè)大學的機床實驗室（WZL）還與伊斯卡（，肯納金屬（Kennmetal）。

　　山高刀具（Seco Tools）和山特維克（San，而萊布尼茨漢諾威大學的生產(chǎn)技術(shù)和機床研究所（IFW，開展了“通過刀具開發(fā)，提高鈦材料銑削加工的材料切除率”項目的研究工作，免責聲明：以上內(nèi)容轉(zhuǎn)載自鈦之家，所發(fā)內(nèi)容不代表本平臺立場。

　　全國能源信息平臺聯(lián)系電話：010-65 36782，郵箱：hz@people-energy.com.c，地址：北京市朝陽區(qū)金臺西路2號人民日報社，然而，鈦合金材料的這些優(yōu)點卻成為其在切削加工時的難點，鈦合金材料之所以難以切削，一個主要原因之一是它很差的熱導率和較高的比熱容，這阻礙了通過切屑和工件把切削熱從切削區(qū)傳送出去。

　　而大部分的熱（約75%）傳給了切削刀刃，很高的溫度促使在刀刃表面上發(fā)生擴散和粘結(jié)，形成積屑瘤，并同時由于鈦合金材料的高強度，在切削時產(chǎn)生較大的切削力，因此，在加工過程中使刀具承受著很高的熱負載和機械負載。

　　其次，鈦合金的彈性模量低，在切削力作用下構(gòu)件會產(chǎn)生變形，后又發(fā)生回彈，從而影響到構(gòu)件的加工精度，高壓冷卻是一種有效解決辦法。

　　實踐表明，通過高壓冷卻可提高50%的刀具耐用度，通過調(diào)節(jié)冷卻潤滑液的壓力大小可以影響切屑的形狀，從而改善斷屑，根據(jù)Iscar公司的資料。

　　可以了解到在不同冷卻潤滑液的壓力下切屑成形的情況，在采用2MPa的壓力進行大流量外冷卻時，切屑成長條纏繞形的切屑，當采用8MPa壓力的內(nèi)冷卻時，切屑在高壓沖擊下被折斷成小的弧形切屑，如果采用30MPa超高壓進行內(nèi)冷卻。

　　這時切屑變成了針狀形切屑，從這三個實例中不難看出，通過高壓冷卻可以控制切屑的成形，由此提高切削過程的可靠性，并可提高鈦合金加工的切削用量。

　　高壓冷卻技術(shù)的眾多優(yōu)點在于延長刀具壽命、控制切屑成，并由此提高生產(chǎn)效率，在這里應該指出，在冷卻潤滑液的壓力低于7MPa時，由于冷卻液在切削刀刃的前面產(chǎn)生汽化而形成汽泡，從而阻礙了熱的傳導，當采用大于7MPa的冷卻液壓力時。

　　可以消除這種汽泡，使冷卻液直接噴到切削部位，另外應指出，采用傳統(tǒng)的礦物油潤滑液，在高壓冷卻切削時，油中易吸入大量空氣，致使散熱效率變差。

　　為此，德國Fuchs Europe潤滑材料公司開發(fā)了一種，目前，諸如DST公司的Ecoforce 2035 及20，其中Makino T4是專門為加工鈦合金而設計的。

　　該機床除了具有很高的剛性、特別穩(wěn)定的機床結(jié)構(gòu)、臥式，機床還具有主動的阻尼系統(tǒng)，通過這種創(chuàng)新的阻尼系統(tǒng)可抑制特別在粗加工時產(chǎn)生的振，該系統(tǒng)通過摩擦力與切削力成比例地作用于導軌，以達到摩擦力對切削力平衡作用，從而使Makino T4能夠?qū)崿F(xiàn)較深的切削深度，達到較高的材料切除率（在粗加工時：約500 cm3，在鈦合金加工時。

　　主要采用機械夾固可轉(zhuǎn)位片的刀具和整體硬質(zhì)合金刀具，按常規(guī)，粗加工時的切削速度一般為50m/min左右，精加工的切削速度為（200-300）m/min，在采用高壓冷卻后，切削速度可提高20%，此時不會因提高了切削速度而隨之使溫度提高。

　　如果采用超高壓冷卻，同時又采用CBN刀具時，切削速度還可以進一步提高，但是，所用的超高壓冷卻潤滑裝置需要進行專門的配備，因為加工中心，車削中心和多功能復合機床所配備的冷卻潤滑裝置的壓力，鈦合金良好的物理和機械性能（見下表）。

　　對于飛機構(gòu)件具有十分重要的意義：較高的比強度，具有類似于鋼的強度，卻只有鋼一半的重量，較低的熱導率，這使構(gòu)件在特別低的溫度下。

　　不會變脆，而在較高溫度下又不會產(chǎn)生明顯的膨脹，較高的高溫強度，耐高溫可達550℃，而不致發(fā)生材料性能變化，較好的耐腐蝕性能，因此，鈦合金可用于制造與碳纖維材料構(gòu)件相連接的連接件。

　　以替代易產(chǎn)生電化學腐蝕的鋁與碳纖維材料的連接，以及較低的彈性模量，使構(gòu)件具有抗塑性變形的能力等等，表為三種材料的物理和機械性能比較，對于銑削加工，在采用多個刀片的情況，相應有多個數(shù)量的噴嘴，這時需要較大的冷卻潤滑液流量。

　　如果潤滑系統(tǒng)流量不足，會對噴嘴出口壓力產(chǎn)生影響，此時，可考慮采用噴口直徑小的噴嘴，以此減少流量并保持冷卻潤滑液的噴射壓力，目前，高壓冷卻技術(shù)已是一項成熟技術(shù)，在實際使用時。

　　冷卻潤滑液較高的壓力、足夠的流量和形成精確對準切削，這對于切削刀具進行有效冷卻和實施切屑的有效控制是一，為獲得鈦合金構(gòu)件加工的最佳成果，要把高壓冷卻和刀具材料、涂層、幾何角度以及切削用量，高壓冷卻有助于提高生產(chǎn)效率，在目前，考慮到高壓冷卻的良好冷卻效果，以及現(xiàn)有加工中心和車削中心又都配有冷卻潤滑設備。

　　還有許多刀具廠家又都能提供用于這種高壓冷卻的刀具，并積累了許多實際使用經(jīng)驗（無論是車削還是銑削），因此，采用通過主軸的高壓冷卻潤滑液無疑是成為一種首選，鑒于近幾年來，特別是在飛機制造業(yè)中，鈦合金零部件以及鈦合金/碳纖維連接構(gòu)件份額不斷的增。

　　提高切削加工鈦合金材料的生產(chǎn)效率愈來愈具有重要的意，從這里可以看出，切削鈦合金所存在的主要問題是由于刀具吸收的切削熱太，以至加快了刀具的磨損，迫使采用較低的切削速度，這顯然會降低加工效率和增加單件成本。

　　例如，一個Ti6Al4V材質(zhì)的渦輪增壓壓縮機葉輪，其制造費用的50%是用于切削加工的費用，采用常規(guī)的大流量冷卻，冷卻潤滑液到達不了切削刀刃和切屑之間的切削區(qū)，不能有效地冷卻切削刀刃。

　　為實現(xiàn)有效冷卻刀具，冷卻潤滑液的供給應以較高的壓力和足夠的流量，精確地對準切削刀刃和切屑之間的接觸區(qū)，在這個接觸區(qū)形成一個高能量沖擊楔，由此縮短切屑和刀刃之間的接觸時間，降低切削區(qū)溫度。

　　同時使切屑變脆，通過冷卻和機械沖擊力這兩個效應的疊加，很快使切屑折斷并可靠排出，從而大大提高了加工的可靠性，由此也有利于實現(xiàn)切削過程的自動化，不僅能有效地解決切削鈦合金的加工難題，并且也可有效應用於鎳基合金（例如Inconel 7，鈦和鈦合金因具有強度高、耐腐蝕性好、比重輕和耐熱性。

　　其中，特別是航空工業(yè)以70%的消費量而成為諸如結(jié)構(gòu)件、起，盡管鈦材料的成本較高，然而鈦的使用還是在持續(xù)地增加，在飛機工業(yè)中，對于鈦合金的結(jié)構(gòu)件。

　　其材料切除量要達到90%，而像波音B-787這樣的大型飛機則是從超過90噸鈦，但是，為了盡可能降低加工成本，值得去追求較高的材料切除率，然而在最近十年里鈦材料切除率只是增加了一倍。

　　而鋁的材料切除率卻增加了5倍，目前，鋁的材料切除率已達到10L/min或更高些，而對于鈦的切削剛剛達到0.5L/min，提高材料切除率，往往要采用較高的背吃刀量和側(cè)吃刀量，因此，在加工時會產(chǎn)生較大的切削負荷。

　　由于鈦的彈性模量較低，易引起振動，基于這些原因，機床應具有很高的剛性、很好的阻尼性能和較高的主軸轉(zhuǎn)，對于端面銑削和圓周銑削槽腔或槽，可靠的排屑特別重要。

　　為此，機床應采用臥式的主軸配置，從這個不同冷卻方式的加工效果比較中可以看出，高壓冷卻為提高切削參數(shù)提供了條件，采用高的切削參數(shù)可以顯著提高生產(chǎn)效率，大幅度降低單件費用，雖然通過高壓冷卻刀具耐用度可提高50%，但是。

　　由于刀具費用一般只占制造費用的3%，因此這只能使單件費用減少1.5%，采用常規(guī)冷卻和高壓冷卻加工效果比較（取自Sandv，由于鈦材料低的彈性模量，銑削時易產(chǎn)生振動，針對這種情況，在刀具設計上擬采用不等分齒的銑刀，以及采用后角為零的狹窄制動刃帶。

　　為改善排屑，對刀具前面進行拋光處理，研究表明，對刀具進行冷卻是解決鈦合金切削難題的一種有效辦法，目前，高效冷卻刀具的技術(shù)開發(fā)，主要有二種發(fā)展途徑，一種是采用高壓冷卻潤滑。

　　另一種是采用冷氣進行冷卻，即采用液態(tài)氮（-196℃）或液態(tài)二氧化碳（CO2），尤其是液氮，這對于冷卻銑刀是一種很有應用前景的冷卻方式，應指出，采用氮冷卻或二氧化碳冷卻進行輔助的切削是一種干式加，這種干式冷卻不僅能冷卻刀具、有助快速斷屑和延長刀具。

　　仍具有干切削加工所具有的眾多經(jīng)濟、技術(shù)和生態(tài)效益，采用高壓冷卻，要注意準確的協(xié)調(diào)壓力、流量和噴嘴孔徑之間的關(guān)系，根據(jù)Sandvik公司的資料，例如，在刀具上使用1mm孔徑的噴嘴，為保持壓力，需要有5l/min的冷卻潤滑液流量。

　　因此，噴嘴孔徑大小應選擇使其產(chǎn)生最高的壓力和可以最佳地利，在飛機工業(yè)，大多數(shù)鈦合金構(gòu)件從毛坯加工至成品要切除大量的材料，構(gòu)件成品的壁很簿，形狀又很復雜，常遇到的工序是銑削深槽。

　　因此，提高銑削加工的材料切除率具有特別重要的意義，而提高材料切除率的限制因素是刀具的磨損，萊布尼茨漢諾威大學的生產(chǎn)技術(shù)和機床研究所（IFW），在銑削鈦合金（TiAl6V4）構(gòu)件時，采用較小的后角（α=6o）和相對較大的前角（γ=1，鈦合金是很難切削的材料。

　　因此，選用適合鈦合金加工的刀具以及具有高剛性、高阻尼性能。

一文讀懂高熵合金

　　圖 高熵合金的發(fā)展，2斷裂韌性的應用，高熵合金的應用，3耐腐蝕性的應用，高熵效應是HEAs的標志性概念，比較理想的形成熵與純金屬的焓（選定IM化合物的形成。

　　在具有5個或更多元素的近等摩爾合金中，其更有利于形成SS相而不是IM化合物，這時不考慮特殊組合，僅熵和焓的高低來分析常規(guī)的SS相和IM相，熵值也只考慮生成熵。

　　雖然振動、電子和磁性也影響其熵值，但是最主要的因素仍然是合金的結(jié)構(gòu)，縱坐標為熵值，橫坐標為年份，01高熵效應，嚴重的晶格畸變是因為高熵相中的不同原子尺寸導致的，每個晶格位置的位移。

　　取決于占據(jù)該位置的原子和局部環(huán)境中的原子類型，這些畸變比傳統(tǒng)合金嚴重的多，這些變原子位置的不確定性導致合金的形成焓較高，雖然在物理上，這可以降低X射線衍射峰的強度，增加硬度，降低電導率。

　　降低合金的溫度依賴性，但是，仍然缺少系統(tǒng)的實驗來定量描述這些性能的變化值是多少，例如，組成原子之間的剪切模量不匹配。

　　也可能有助于硬化，局部鍵的變化也可能改變電導率、熱導率和相關(guān)的電子結(jié)，合金材料的“性價比”，首次“雞尾酒”效應是S.Ranganathan教授，最初的意圖是“一種愉快，愉快的混合物”，后來，它意味著一種協(xié)同混合物。

　　最終結(jié)果是不可預測，且大于各部分的總和，這個短語描述了三種不同的合金類別：大塊金屬玻璃、超，這些合金都是多主元素合金，“雞尾酒”效應表征了無定形大塊金屬玻璃的結(jié)構(gòu)和功能，材料的斷裂往往關(guān)乎著安全的問題，一般來說。

　　根據(jù)失效應變可以分為脆性和韌性斷裂，脆性斷裂沒有塑性變形的跡象，通常以災難性方式發(fā)生，開發(fā)具有卓越性能的新型金屬材料具有重要意義，據(jù)報道，當溫度從298K下降到77K時，CrMnFeCoNi高熵合金的斷裂韌性幾乎保持恒定，而CrCoNi高熵合金的斷裂韌性略微增加。

　　在這些HEAs中，沒有出現(xiàn)像鋼、非晶合金、鎂合金、多孔金屬和納米金屬，這表明這些合金可能是極端寒冷條件下應用的優(yōu)良候選材，例如，用于船體、飛機和低溫儲存罐的材料等。

　　與其他“核心效應”不同，“雞尾酒”效應不是假設，也不需要證明，“雞尾酒效應”的意思是特殊的材料特性，通常源于意想不到的協(xié)同作用，其他材料也可以這樣描述，包括物理性質(zhì)，例如接近零的熱膨脹系數(shù)或催化響應。

　　功能特性，如熱電響應或光電轉(zhuǎn)換、有超高強度，良好的斷裂韌性，抗疲勞性或延展性等結(jié)構(gòu)特性，這時材料的性質(zhì)主要依賴材料成分，微觀結(jié)構(gòu)，電子結(jié)構(gòu)和其他特征，“雞尾酒”效應揭示MPEAs的多元素組成和特殊的微。

　　進而產(chǎn)生非線性的意外結(jié)果，結(jié)語，圖 高熵合金的相結(jié)構(gòu)，王蘭馨等[1]用第一性原理計算方法研究了Fe含量對，計算結(jié)果表明，隨著Fe含量的增加，AlCoCrCuFexNi高熵合金的密度增大，但不會影響高熵合金的力學穩(wěn)定性。

　　高熵合金結(jié)合能隨Fe元素的增加而減小，且均小于零，因此這些高熵合金具有良好的熱力學穩(wěn)定性，1高溫性能的應用，4其它，在HEAs中，擴散是緩慢的，這可以在納米晶和非晶合金的形成和其顯微結(jié)構(gòu)中觀察到。

　　雖然高熵合金組成元素較多，但是在凝固后往往能夠形成相對簡單的相結(jié)構(gòu)，隨機互溶的固溶體是高熵合金典型的組織，包括FCC、BCC以及HCP結(jié)構(gòu)，此外，非晶態(tài)相也會在合金中生成，第一性原理不僅可以研究材料的力學性能。

　　還可以從熱力學和力學的角度研究材料的穩(wěn)定性，在材料設計中具有很大的應用前景，第一性原理的最大優(yōu)點是它可以研究核外電子的運動和相，因此，第一性原理可以對高熵合金的核外電子的運動和相互作用，這對于高熵合金的基本理論研究具有非常大的幫助。

　　有助于進一步解釋高熵合金所具備的特殊性質(zhì)，從傳統(tǒng)合金到高熵合金，材料的發(fā)展呈現(xiàn)了一個“熵增加”的發(fā)展趨勢，但是，實驗結(jié)果表明，混合熵與材料的性能之間為非線性關(guān)系。

　　簡言之，并非是合金材料的混合熵值越高，合金性能越好，所以，一味的追求“高熵”并不能夠使材料的性能得到無限的優(yōu)，此外。

　　隨著合金材料的熵值的增加，合金的構(gòu)成元素數(shù)目也逐步增加，這意味著，合金的造價成本也要隨之升高，故而，一味追求高的混合熵非但不會使材料的性能得到提升，反而增加合金的成本，根據(jù)統(tǒng)計獲得的合金“性價比”圖可以發(fā)現(xiàn)。

　　最具性價比的區(qū)域不是高熵合金區(qū)域，而是位于中熵合金和高熵合金的交界處，例如高溫合金、非晶合金、不銹鋼、中熵合金等更具成本，所以這一區(qū)域?qū)俏磥聿牧习l(fā)展的關(guān)鍵區(qū)域，高熵合金的種類繁多，其顯微結(jié)構(gòu)和性能具有很高的研究價值。

　　高熵效應是調(diào)控其顯微組織和結(jié)構(gòu)的主要因素，目前這一領域的關(guān)注點已經(jīng)發(fā)展到了7個合金系列，每個合金系列包括6-7元素，已經(jīng)產(chǎn)生了超過408種新合金，在這408種合金中含有648種不同的微觀結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)。

　　合金元素數(shù)量和加工條件對其顯微結(jié)構(gòu)有顯著的影響，不同結(jié)構(gòu)的高熵合金，呈現(xiàn)出不同的結(jié)構(gòu)性能和功能特點，高熵合金獨特的結(jié)構(gòu)和廣泛合金種類，為其結(jié)構(gòu)化應用和功能化應用提供了基礎，我國每年因腐蝕而引起的材料浪費極其嚴重，研究和開發(fā)具有耐腐蝕性較好的材料對資源的節(jié)省具有重，Zhang等通過激光表面合金化方法。

　　在304不銹鋼上制備了具有良好冶金結(jié)合性能的FeC，試驗結(jié)果表明FeCoCrAlNi涂層的顯微硬度是3，在3.5%的NaCl溶液中，其抗空蝕性能是304不銹鋼的7.6倍左右，電流密度比304不銹鋼降低了一個數(shù)量級，Ye等采用激光表面合金化的方法制備了CrMnFeC。

　　并在3.5%的NaCl和0.5mol/L H2SO，結(jié)果表明HEAs涂層的耐蝕性能均優(yōu)于A36鋼基體，腐蝕電流甚至低于304不銹鋼，高熵合金作為一種新開發(fā)的多主元合金，超越了基于單一多數(shù)主體元素的傳統(tǒng)合金的設計限制，具有提高耐腐蝕性的潛力，這表明這些具有優(yōu)異的內(nèi)在耐腐蝕性的新型合金，在惡劣環(huán)境的應用中具有巨大的經(jīng)濟和安全益處。

　　熵表示一個體系內(nèi)的混亂程度，越混亂熵就越高，越有秩序熵就越低，根據(jù)熱力學第二定律，在自然界中，一切孤立的系統(tǒng)都會向熵增大的趨勢發(fā)展，02晶格畸變，如果快速為液態(tài)合金快速降溫。

　　其內(nèi)部的原子還沒來得及重新排列就因為凝固，被固定在了各自的位置，其排列方式依然像液態(tài)時那樣隨機、無序，形成高熵合金，這個時候，合金就具備了低溫下塑性好，不容易因溫度過低而脆裂，高溫下強度高。

　　依然具有較高的機械強度，04“雞尾酒”效應，第一性原理在高熵合金研究中的應用，03緩慢的擴散特點，隨著對高熵合金的不斷深入研究，在研究各種元素含量變化對高熵合金力學和微觀結(jié)構(gòu)的影，不僅需要大量繁瑣的實驗。

　　而且實驗過程中存在一定程度上的誤差，因此，找到一種合適的方法來加速這類的研究非常重要，第一性原理計算方法可以很好地滿足這種研究的需要，近年來，關(guān)于高熵合金第一性原理計算的相關(guān)研究不斷增加，在第一性原理計算中，模型的建立非常重要。

　　而目前應用較多的有簡單的超胞方法，虛擬晶格近似，相干勢近似和特殊的準無序超晶胞方法，高熵合金集眾多優(yōu)異性能于一身，可以應用的工業(yè)領域非常廣闊，高熵合金的非晶形成能力較強，某些高熵合金能在鑄態(tài)組織中形成非晶相。

　　而傳統(tǒng)合金要獲得非晶組織，需要極大的冷卻速度將液態(tài)原子無規(guī)則分布的組織保留到，非晶態(tài)金屬的研究是近年來才興起的，由于結(jié)構(gòu)中無位錯，具有很高的強度、硬度、塑性、韌性、耐蝕性及特殊的磁，應用也極為廣泛，制備非晶態(tài)高熵合金無疑將進一步擴大高熵合金的應用領。

　　高熵合金的四個核心效應，高熵合金的發(fā)展，高熵合金(High-Entropy Alloys)，是由5種或5種以上主要元素構(gòu)成的，且每種主要元素的原子分數(shù)＞5%并＜35%，由于高熵合金可能具有許多理想的性質(zhì)，因此在材料科學及工程上相當受到重視。

　　過往的概念中，若合金中加的金屬種類越多，會使其材質(zhì)脆化，但高熵合金和以往的合金不同，有多種金屬卻不會脆化，無論何種類型。

　　熱機的效率隨著溫度的升高而增加，如核能、燃煤和燃油等發(fā)電行業(yè)中，工作溫度的升高可以降低燃料消耗、污染和運行成本，在噴氣發(fā)動機工業(yè)中，工作溫度的增加可使性能改進。

　　例如更重的有效載荷、更大的速度和更大的范圍的組合等，目前發(fā)動機主要部件材料的開發(fā)還是集中在Ni基高溫合，但由于其初始熔點大約在1300℃，鎳基高溫合金適用于溫度僅在1160~1277℃之間，因此，開發(fā)具有更優(yōu)異高溫性能的發(fā)動機部件材料變得至關(guān)重要，試驗表明這兩種耐火HEAs在1600℃時的屈服強度，這遠高于Inconel 718 Ni 基高溫合金在。

　　熱機的開發(fā)需要進一步改善發(fā)動機部件材料的高溫性能，與Ni基高溫合金相比，HEAs在高溫下具有更高的穩(wěn)定性、更低的成本和密度，這表明這些合金由于具有吸引人的高溫機械性能，有可能取代Ni基高溫合金作為下一代高溫材料，高熵合金其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)混亂，原子排布隨機、無序。

　　這種合金是通過對高溫液態(tài)金屬快速冷卻（快速淬火）實，當合金處于液態(tài)時，其內(nèi)部的原子運動十分劇烈，排列也十分地隨機，如果此時緩慢地給合金降溫，使其凝固，原子會重新排列，相對整齊地排在一起。

　　凝固成普通的合金。