钛的性能

目录


用途

钛合金因其良好的综合声学性能而被采用。

  1. 高应力谐振器的长寿命。
  2. 适用于外科手术器械或植入物的生物相容性。
  3. 中等的抗冲击、耐磨损和抗空化冲蚀能力。
  4. 耐化学腐蚀性。

然而,钛相对昂贵,因此在合适的场合应选用其他材料。

应用包括医疗(外科)、塑料焊接与金属焊接、液体处理,以及食品包装和切割。

交叉引用

各种牌号钛的规范对照表可以在这里找到。该对照表包含美国、英国、法国和德国的牌号命名。

命名规则

钛合金按其主要合金元素命名(名义重量百分比);但也可能含有其他微量元素。例如,Ti-6Al-4V 表示一种名义上含 6% 铝和 4% 钒的合金。

重要提示— 仅凭化学成分不足以判定钛合金的性能。(这就好比只凭酿酒所用的葡萄品种来评价一瓶酒。)相反,必须规定整个热机械加工生产过程(它决定了显微组织)。

性能

正交各向异性方面的考虑

钛是正交各向异性的,这意味着材料性能取决于测试方向相对于晶粒方向的取向。晶粒方向通常标记为纵向 L(即平行于晶粒方向)、横向 T(也称长横向 LT)和短横向 ST。参见下图(引自 Bowen[1],第 1273 页)。

Ti-6Al-4V 中的晶粒方向
图 1。Ti-6Al-4V 中的晶粒方向 —
向(L)、 向(T)、 向(ST)

Bowen(第 1272 页)列出了该材料的以下性能。请注意性能对测试方向的显著依赖性。

表 1。Ti-6Al-4V 的正交各向异性性能(Bowen[1]
测试
方向
0.2% 规定塑性延伸强度
(MPa)
抗拉强度
(MPa)
E
(GPa)
\( c_{tw} \)
(m/sec)
疲劳强度
(MPa)
纵向(L) 834 910 113.9 5070 496
横向(T) 934 986 129.0 5398 427
短横向(ST) 893 979 113.9 5070 565

表格注释:

  1. 材料为 Ti-6Al-4V,锻造并退火,宽 235 mm x 厚 57 mm。
  2. E = 杨氏模量。
  3. 细杆波速 \( c_{tw} \)\( \sqrt{E/\rho} \) 计算,其中假定密度 \( \rho \) 为 4430 kg/m3。这些 \( c_{tw} \) 数值未包含在 Bowen 的原始表格中。
  4. 疲劳强度为 107 次循环下的近似值。

对于钛,杨氏模量和波速取决于以下因素:

  1. 振动方向相对于晶粒方向的取向(见上表)。
  2. 原材料在棒材长度方向上的位置。
  3. 生产试样所用的炉次。同一炉次的不同试样之间也可能存在差异(见下文)。
  4. 毛坯类型(圆棒、棒材、薄板或板材)。
  5. 对于圆棒材料,还有毛坯直径(见下文)。

因此,由于钛的波速或弹性模量可能无法精确获知,钛谐振器的调谐长度将不能完全复现,即使使用计算机仿真也可能无法精确预测。

交叉轧制

钛的方向性可以通过交叉轧制来降低。在该工艺中,板材在减薄厚度的过程中沿相互垂直的方向依次轧制。Arthington[1](第 6 页)报告说,TIMET 在为 Rolls Royce plc 制造的高可靠性航空发动机压气机叶片上采用了这一工艺。

损耗(Q)

Ti-6Al-4V 的数据请参见此处

随晶粒方向的变化

有限的实验数据表明,损耗取决于振动方向相对于晶粒方向的取向。

疲劳特性

钛合金具有持久极限(应力),低于该极限材料将具有无限寿命。然而,该持久极限的确切数值较难确定。关于 Ti-6Al-4V,请参见下文的讨论

磨损

磨粒磨损

钛的耐磨粒磨损性能明显优于铝,但不如淬硬钢。有几种方法可以提高其耐磨性。

镶嵌块

可以将碳化钛(TiC)镶嵌块钎焊到平端面钛变幅杆上。

  1. 对于高振幅条形变幅杆,经验表明镶嵌块厚度应小于约 1.8 mm,以限制惯性力,否则可能导致镶嵌块从变幅杆上脱落。此外,由于碳化物相对较脆,每块镶嵌块的宽度应限制在约 25 mm,以免碳化物因变幅杆端面上振幅不均匀而开裂。当然,这些建议尺寸可以根据变幅杆的振幅和均匀性进行调整。
  2. 钎焊时必须特别小心,以确保变幅杆与碳化物之间形成牢固的连接。
  3. 碳化钨的密度(15600 kg/m³)约为碳化钛(4930 kg/m³)的三倍。使用碳化钨会使变幅杆与碳化物连接处承受的应力增至 3 倍。因此,通常优先选用碳化钛而非碳化钨。

涂层

与镶嵌块不同,涂层可以施加在非平面上,而且涂覆工艺可能更简便。然而,由于这些涂层的厚度一般较为有限,加之钛基体相对较软,它们不一定能提供良好的抗冲击能力。此外,许多涂层不应施加在高应力区域,因为这可能降低变幅杆的疲劳寿命。因此,可能需要对变幅杆进行遮蔽保护。

D‑Gun

D‑Gun 是 Union Carbide 开发的专有工艺,现由 Praxair[1] 提供。有多种涂层可供选择,在超声应用中的典型厚度可达约 1 mm。

有一家汽车客户对玻纤填充树脂进行超声铆接,采用 0.025 mm–0.050 mm 的 D‑Gun 涂层后,磨损寿命达到正常水平的八倍。磨损寿命终结后,将残余的 D‑gun 涂层剥离并对变幅杆重新涂覆。

LW‑1N30(主要为碳化钨,Rc 70)已成功应用于铝制 40 kHz 织机分切变幅杆(在织机上织布的同时对布边进行分切并同步封边)。

扩散表面硬化

"扩散硬化的做法是:根据所采用的扩散工艺类型,用待扩散元素的固相、液相或气相将金属零件完全包围。零件周围扩散元素的浓度必须高于零件内部该元素的浓度,否则扩散不会发生。然后将金属和周围元素加热到足以发生扩散的温度。"(https://en.wikipedia.org/wiki/Diffusion_hardening)

扩散进去的间隙原子浓度主要集中在钛基体表面附近,并随深度迅速下降,因此硬度也呈类似的分布规律。有效硬化深度可达约 50 微米(参见 Güleryüz[1])。

Ti-6Al-4V 的硬度通常取 35 HRC(洛氏 C),约相当于维氏硬度 350。Güleryüz[1] 表明,用氧、氮、硼进行扩散硬化分别可获得 1200、2000 和 2700 的表面硬度(维氏)。具体结果取决于工艺条件,包括温度和保温时间。

应评估扩散硬化对疲劳的影响。对于生物医学应用,还应考察发生剥落的可能性。摩擦可能会有所降低。

空化冲蚀

参见空化冲蚀,特别是材料部分。

Ti-6Al-4V

当需要使用钛合金时,最常用的是 Ti-6Al-4V(6% 铝、4% 钒),部分原因是它来源广泛。(截至 2000 年,Donachie[1] (第 15 页)报告其市场份额为 50%。)由于该合金在非超声领域(尤其是航空航天)应用广泛,已积累了庞大的知识库。Ti-6Al-4V 已在美国及其他国家获准用于超声外科器械。

说明—

  1. 本节的许多讨论是针对退火态 Ti-6Al-4V 的。不过,某些信息(如密度)适用于所有状态的 Ti-6Al-4V
  2. Ti-6Al-4V 只规定了化学成分。某些性能(因而也包括使用性能)可能因晶粒方向、热处理、加工工艺等因素而有相当大的差异。

化学成分

下表列出了 Ti-6Al-4V 允许的元素及其含量(TIMET[1],第 1 页)—

表 2。Ti-6Al-4V — 化学成分
元素 最小值 % 最大值 %
5.50 6.75
3.50 4.50
——— 0.30
——— 0.20
——— 0.08
——— 0.05
——— 0.015
——— 0.005
其他 ——— 0.40
余量 余量

密度

Ti-6Al-4V 的常用密度为 4430 kg/m³

Ti-6Al-4V — 退火态

弹性模量与波速的变化

圆柱形棒料

对于退火态圆柱形棒料,Culp[0] 及其同事的多项测试表明,杨氏模量取决于材料的毛坯直径(即加工出谐振器的原材料直径)。

图——Ti-6Al-4V——毛坯直径对杨氏模量的影响
图 2。Ti-6Al-4V — 毛坯直径对杨氏模量的影响

图 2 中的每个数据点均由以下两种方法之一获得。

  • FEA 标定。测量每个谐振器的频率,并将该实测频率与在假定杨氏模量下得到的 FEA 频率进行比较;然后调整假定的杨氏模量,直到 FEA 频率与实测频率一致。(测量频率时,谐振器被刚性连接到一个标称频率与谐振器相同的换能器上,因此换能器可能对实测频率产生一定影响。)
  • 受激半波棱柱杆。将一根半波棱柱杆(长度 \( \Gamma \))轻轻置于换能器上方,用非接触式仪器测量杆自由端的振幅。调节换能器的驱动频率 \( f \),直到杆的轴向振幅达到最大(即对应杆的基频轴向谐振)。然后按下式计算细杆波速 \( c_{tw} \)—

    \begin{align} \label{eq:15101a} c_{tw} = (2 \Gamma) f \end{align}


    再由下式计算杨氏模量—

    \begin{align} \label{eq:15102a} E = c_{tw}^2 \, \rho \end{align}

两种方法所用的材料均来自众多熔炼炉次和供应商,未能从中找出任何规律。

这些结果的可信度很高。因此,数据离散很可能源于钛材料本身的实际差异,而非测量误差。这是钛材料的一个已知问题。(参见下文的进一步讨论。)

利用图 2 中杨氏模量的回归方程,可以计算细杆波速(\( \sqrt{E/\rho} \))(图 3)。

图——Ti-6Al-4V——毛坯直径对细杆波速的影响
图 3。Ti-6Al-4V — 毛坯直径对细杆波速的影响

数据离散性

在图 2 的数据中,有三种直径拥有数量可观的样本:7.9 mm、12.7 mm 和 38.1 mm。以下三幅图显示了这些直径下数据的离散程度及相应的概率。例如,对于 38.1 mm 直径(图 4c),95% 的杨氏模量落在 9.6 GPa 的区间内,均值为 111.8 GPa。(38.1 mm 直径的原始数据见附录 A。)

图——Ø7.9 mm Ti-6Al-4V 圆棒杨氏模量的变化
图 4a。Ø7.9 mm Ti-6Al-4V 圆棒杨氏模量的变化
图——Ø12.7 mm Ti-6Al-4V 圆棒杨氏模量的变化
图 4b。Ø12.7 mm Ti-6Al-4V 圆棒杨氏模量的变化
图——Ø38.1 mm Ti-6Al-4V 圆棒杨氏模量的变化
图 4c。Ø38.1 mm Ti-6Al-4V 圆棒杨氏模量的变化

下表汇总了上述图形信息。请注意,95% 概率是在假定数据服从正态分布的条件下计算的。这一假定并不完全正确,同一材料直径下均值与中位数存在差异这一点就部分说明了问题。

表 3。Ti-6Al-4V 圆棒杨氏模量的变化
毛坯直径 (mm) Ø7.9
(图 4a)
Ø12.7
(图 4b)
Ø38.1
(图 4c)
杨氏模量 (GPa)      
— 均值 107.8 110.1 111.8
— 中位数 107.7 109.6 112.0
— 标准差 1.2 2.3 2.4
— 95% 置信区间 ±2.5 ±4.8 ±4.8
— 95% 置信区间(占均值百分比) ±2.3% ±4.4% ±4.3%

遗憾的是,上图所示的数据离散对钛而言并不罕见。图 5 显示了八个炉次 Ti-6Al-4V 薄板在纵向和横向两个材料方向上的类似离散情况(TIMET 数据[1],第 14 页)。在室温下,两个材料方向的数据离散均约为 ±2.8 GPa。(从正交各向异性的角度看,室温下横向的平均杨氏模量(约 118 GPa)比纵向(约 107 GPa)高约 5%。)

图——温度对 Ti-6Al-4V 薄板杨氏模量的影响
图 5。温度对 Ti-6Al-4V 薄板杨氏模量的影响

上图中,WQ = 水淬;AC = 空冷。

Culp[0] 对一种未公开牌号钛合金(锻造态)的数据表明,杨氏模量甚至可沿单根棒材的长度方向变化。在这些测试中,激励端和拾振端均采用静电方式,因此没有附加换能器干扰测试结果。

表 4。沿一根钛棒长度方向杨氏模量的变化
晶粒方向 试样 位置 杨氏模量 (GPa)
纵向 1 左端 130.1
纵向 2 中部 120.9
纵向 3 右端 124.7
平均值     125.2
长横向 4 左端 124.0
长横向 5 中部 119.4
长横向 6 右端 118.9
平均值     120.8

重复测试表明数据具有很好的复现性。因此,杨氏模量沿棒长的变化必然源于材料性能的实际差异,而非测试误差。

有趣的是,该材料纵向的杨氏模量高于长横向。然而,这与该材料的其他已知数据相矛盾。

板料

由于钛是正交各向异性的,三个材料方向(纵向、横向、短横向)上的弹性模量可能各不相同。这类信息无疑存在(掌握在飞机制造商手中),但似乎并未公开。

Culp[0] 汇总了一批变幅杆的数据,这些变幅杆的纵向材料方向与主振动方向(螺柱轴线)平行。测试过程和数据见附录 B。剔除 132.4 GPa 这一个离群值后,平均模量为 119.6 GPa。除这一个离群值外,数据离散程度合理,且似乎与变幅杆厚度无关。

泊松比

文献报告的泊松比数值范围很宽。这些数值受到与波速和弹性模量(见上文)相同因素的影响。

  • "很难为钛合金给出一个可靠的泊松比数值,因为各向异性会导致弹性模量和剪切模量均有微小差异,二者联合用于计算泊松比时,可能使退火态 ASTM Grade 5 (Ti-6%Al-4%V) 薄板的泊松比在 0.287 至 0.391 之间变化。不过,工业纯钛普遍接受的数值为 0.36,ASTM Grade 5 为 0.31。"(AZO Materials
  •  "泊松比取决于材料织构和测量方向。TIMET 用双元件应变花进行了十次观测,得到均值 0.342,观测范围为 0.287 至 0.391。"(TIMET[1],第 15 页)
  • Barile[1]Ti-6Al-4V 取 0.32,并称其为"……一种各向同性且均质的钛合金"(第 161 页)。该数值是否由实验确定尚不清楚。
  • Hampton[1](第 33 页)在分析一个带 Ø45 mm Ti-6Al-4V 前驱动块的 30 kHz 换能器时取 0.334。该数值的来源不详。
  • 对于 1 mm 厚的 Ti-6Al-4V 薄板材料,Lecompte[1] 报告的实验值为 0.385,由 FEA 反算的值为 0.36 ± 0.02。
  • Wuchinich[5] 测量了 Ø63.6 mm 和 Ø82.5 mm 两个 Ti-6Al-4V 圆柱的弯曲和扭转频率,然后标定 FEA 模型的材料属性,使 FEA 频率与实测频率一致。两个圆柱标定出的泊松比均为 0.288。(两个圆柱标定出的杨氏模量分别为 114 GPa 和 112 GPa,均落在图 2 的数据离散范围内。)
  • McCulloch[1](第 524 页)在分析一把 35 kHz 切割刀片时取 0.31。该数值的来源不详。(钛的牌号未注明,但假定为 Ti-6Al-4V。)
  • Derks[1](第 11 页)对一种"钛合金"给出 0.305。该数值的来源不详。(合金牌号未注明,但假定为 Ti-6Al-4V。)
  • Culp[0] 发现,泊松比取 0.32 至 0.34 之间时 FEA 结果较为合理。
  • matweb.com 给出的数值为 0.342。

损耗(Q)

如下表所示,Ti-6Al-4V 在退火态下损耗最低(Q 最高)。(据信这些测试所用的毛坯均为圆柱形棒料。)

表 5。Ti-6Al-4V 的 Q 值测量
状态 频率 应变 Q 参考文献
热处理
(见注释 1)
20 kHz 0.0012 2700 Wuchinich[2](第 8 页)
退火 20 kHz ≤ 0.0033 ~5000 Wuchinich[3]
退火
(见注释 2)
17.6 kHz ≤ 0.003 20000 Mason[1](图 1,第 1926 页)
(见下文图 6。)
未退火
(见注释 3)
10 kHz ‑ 104 kHz ~5500 Mason[1](图 4,第 1929 页)
(见下文图 7。)
未知 低超声频段 24000 Neppiras[1A](表 4,第 146 页)

注释—

  1. Wuchinich[2] 的材料加热到 940 °C(1725 °F)保温一小时后水淬,洛氏 C 硬度 HRC 为 65(第 4 页)。
  2. 下文图 6Mason[1] 的材料在真空中于 760 °C(1400 °F)退火一小时(第 1927 页)。
  3. 下文图 7Mason[1] 的材料为"未退火",这似乎表明它处于供货原始状态,但这一点并不明确。

Mason[1] 在 17.6 kHz 下对退火态 Ti-6Al-4V 试样进行了不同应变水平的测量(图 6;见上文表 5 和注释 2)。(注:为清晰起见,图 6 中删除了 Mason 原图中的一些无关曲线。)Mason 发现,内耗(Q 的倒数)在应变约 0.003 以内保持恒定,为 0.00005(Q = 20000)(第 1925 页),超过该应变后内耗迅速增大(即损耗增大、Q 下降)。该极限应变对应约 320 MPa [46 kpsi] 的应力。Mason 还发现,内耗的增大不一定能通过后续退火恢复(第 1926 页)。(Wood[1] 在 20 kHz 下测试退火钛(牌号未知)时发现了类似的现象。)

图——17.6 kHz 下退火态 Ti-6Al-4V 的内耗 (1/Q)
图 6。17.6 kHz 下退火态 Ti-6Al-4V 的内耗(Q-1

在低振幅测试中,Mason 发现内耗在高达 104 kHz 的频率范围内与频率无关,且在高温下"仅略有"下降(图 7;见上文表 5 和注释 3)。

图——未退火 Ti-6Al-4V 的内耗 (1/Q) 随频率的变化
图 7。未退火 Ti-6Al-4V 的内耗(Q-1)随频率的变化

离散性

在上述 Mason 的工作中,受测试样数量未知,因此离散性也无从得知。不过,Mason 的图 7(第 1931 页)显示,两个充分退火试样的内耗相差近 2:1。

Wuchinich[3] 报告两个退火试样的 Q 约为 5000,仅为 Mason[1] 报告值的 1/4。

与其他材料的比较

Aeroprojects 曾对多种金属进行谐振测试以测定其声学损耗(约 1969 年)。测试方法是让水流过一个高应力 15 kHz 变幅杆的中心孔,测量水的温升(图 8)。

测量材料损耗的超声试验装置
图 8。测量材料损耗的超声试验装置

测试结果(由 Maropis[0] 提供给 Culp[0])如图 9 所示。请注意,这些损耗数值仅对特定频率和试样形状有效,但各材料之间的比较仍然成立。

Aeroprojects 的数据表明,Ti-6Al-4V 的损耗随应变增大而持续增加,且在较高应变下损耗加速上升。数据还显示 Ti-6Al-4V 优于受测的各种钢。虽然 Ti-6Al-4V 的损耗高于铍铜、铝青铜和蒙乃尔 K500,但它可能具有其他优势(如价格更低、疲劳强度更高、可加工性更好等)。

注释—

  1. Aeroprojects 原始手绘图(含损耗更高的其他钢种)请见此处
  2. 图 9 中 Aeroprojects 的结果是损耗,而图 6 中 Mason 的结果是 Q 值,因此两组结果无法直接比较。
图——15 kHz 下声学材料的超声功率损耗
图 9。15 kHz 下声学材料的超声功率损耗

疲劳

参见疲劳的一般性讨论。此外,以下内容专门针对钛。

在将实际工况下的疲劳与实验室 S‑NL 数据进行比较、以及解读 S‑NL 曲线图时,应考虑以下因素。

晶粒方向

疲劳可能受晶粒方向相对于主应力方向的影响。例如,参见下文 Boyer[1](第 431 页)的图。(原始出处:Polmear, I. J., Light Alloys, American Society for Metals, Metals Park, OH, 1981, p. 193)请注意,与上文 Bowen 的数据不同,此处纵向的寿命明显长于长横向。

交叉轧制对疲劳的影响尚不清楚。不过,鉴于该工艺所服务的航空发动机压气机叶片对可靠性的苛刻要求,可以推定其疲劳性能应相当出色。

图——57 mm 厚 Ti-6Al-4V 锻造退火棒材试验方向对疲劳的影响(旋转悬臂试验)
图 10。57 mm 厚 Ti-6Al-4V 锻造退火棒材
试验方向对疲劳的影响(旋转悬臂试验)

蚀刻

钛的晶粒方向可用 Kroll 试剂(1% HF(氢氟酸)、12% HNO3(硝酸)、余量为水)检验(机加工前或加工后均可),该试剂有市售产品。

频率

在没有特殊干扰因素的情况下,超声疲劳试验结果通常与常规低频 S‑N 疲劳试验相当吻合(示例见图 11),但这一问题尚未完全定论。参见 Wells[1]。另见 Neppiras[1B](第 707 页),他指出:"测量已经证实,疲劳极限是工作频率的函数【比较超声试验结果与低频试验结果】。"(但请注意,这一说法并非专门针对钛。)

成形工艺

材料可以通过锻造、挤压、轧制、交叉轧制等方式成形,每种方式都可能产生不同的疲劳性能。

热处理

钛的热处理会影响持久极限。例如,matweb.com 给出的通用退火态无缺口 Ti–6Al–4V 在 107 次循环下的数值为 510 MPa,而 STA(固溶处理并时效)态为 700 MPa。但有关重要的缺口结果,请参见附录 E。(重要提示:试验条件未注明,因此这些持久极限数值只能用于相互比较。)

缺口敏感性

有些材料在无缺口状态下疲劳性能良好,但在缺口状态下性能下降相对明显。Ti–6Al–4V STA 的缺口敏感性见附录 E

残余应力

残余拉应力可能降低疲劳寿命。另一方面,Donachie[1](第 177 页)指出:"关于钛合金还有一点值得注意:文献中报告的疲劳数据往往来自因车削、铣削等加工而在表层形成有利残余应力的材料。完全消除应力的表面或化学铣削表面的疲劳强度很可能低于文献报告的合金水平,因为后者被有利的——即压应力——残余应力抬高了。"
请注意,某些机加工操作(如过于剧烈的电火花加工 EDM(另处讨论)、剧烈的磨削)可能引入较高的残余拉应力。

加工工艺

疲劳可能受材料加工方式及其形成的显微组织的影响。图 11(Willertz[1],第 341 页)以细晶 α‑β 材料在纯水中测试为例显示了这种影响:片层状组织的性能明显优于等轴组织。试样为圆柱形,因此材料形态不是薄板;但其他信息不详。(请注意,此例中常规频率与超声频率的测试结果总体上相当一致。)

图——加工工艺对 Ti-6Al-4V 疲劳的影响
图 11。加工工艺对 Ti-6Al-4V 疲劳的影响
(空心符号 = 细晶等轴组织; 实心符号 = 细晶片层组织)

推荐的最大应力和应变

综合考虑损耗和疲劳,最大应力一般应限制在 320 MPa [46 kpsi;约 0.0029 应变]—350 MPa [50 kpsi;约 0.0032 应变]。

  • 损耗。如前所述,应变超过 0.003 后损耗会迅速增大,这对应约 320 MPa 的应力(但具体数值取决于杨氏模量,而杨氏模量可能有所波动)。对于细长的谐振器,附加冷却(如外科器械的水冷)可能允许更高的应力。然而,对于相对粗厚的谐振器(如条形变幅杆),由于钛的导热性差,附加的表面冷却可能无法有效带走热量,此时可能需要降低应力。
  • 疲劳。考虑到疲劳涉及的诸多变量,对于主振动方向平行于纵向晶粒方向的退火态 Ti-6Al-4V,文献和经验表明(作为粗略的经验法则):在正常条件下(表面光洁度合理、无残余应力、无腐蚀介质等),最大峰值交变应力不应超过 350 MPa [50 kpsi;约 0.0032 应变](假定要求基本无限寿命)。
    Wuchinich[4](第 7 页)断言:"实验已经确定,安全的振动应力值为屈服应力(金属开始发生不可逆变形的应力)的三分之一。"据此,最大安全应力约为 300 MPa [43 kpsi;约 0.0027 应变]。
    Mathieson[1](第 58 页)给出的限值为 200 MPa [29 kpsi;约 0.0018 应变]。
    Bromfield[4](第 16 页)给出的限值为 390 MPa [57 kpsi;约 0.0035 应变]。

    上述数值均以加工得当为前提— 即良好的表面光洁度和低残余应力。
    特殊情况可能允许稍高的应力,也可能要求更低的应力。对于失效后果严重的应用(如外科探头),宜采用更低的应力限值。

Ti-6Al-4V — 其他状态

除退火态外,Ti-6Al-4V 还有 STA(固溶处理并时效)态和 ELI(超低间隙元素)态可供选用。

Ti-6Al-4V STA(固溶处理并时效)

固溶处理并时效是提高 Ti-6Al-4V 强度的常用方法。(详见 TIMET[1],第 10 页。)下表(来自 matweb.com)将 Ti-6Al-4V STA 与退火态 Ti-6Al-4V 进行了对比(为完整起见,也列入了 ELI 材料)。在多数方面,Ti-6Al-4V STA 似乎更优,例如其无缺口(Kt = 1.0)疲劳强度高出 37%。然而,许多超声谐振器因开槽、开筋等圆角而存在明显的"缺口"(应力集中)。matweb 数据显示,当应力集中系数 Kt = 3.3 时,Ti-6Al-4V STA 的疲劳强度实际上比退火态低 33%。(Osgood[1](第 440‑442 页)指出,钛对缺口非常敏感,而热处理会加剧这种缺口效应。)

表 6。Ti-6Al-4V(各种状态)的性能
材料 屈服强度 (MPa) 极限强度 (MPa) 硬度 (Rc) 疲劳强度
@ Kt = 1.0 (MPa)
疲劳强度
@ Kt = 3.3 (MPa)
参考文献
Ti-6Al-4V 退火态 880 950 36 510 240 matweb.com
Ti-6Al-4V
STA
1100 1120 41 700 160 matweb.com
Ti-6Al-4V
ELI
790 860 35 300 140 matweb.com

然而,与上述结论相反,下文 Boyer[1](第 430 页)的图表明,STA 在无缺口和缺口两种状态下的疲劳性能都更优。(原始出处:Metals Handbook, 9th Edition, Volume 3, Properties and Selection: Stainless Steels, Tool Materials and Special‑Purpose Metals, American Society for Metals, Metals Park, OH, 1980, p. 389)因此,STA 与退火态相比疲劳性能孰优尚不明确。不过,如前所述,STA 材料的损耗更高(Q 更低),这可能限制其在高应力下工作的能力。

图——Ti-6Al-4V 退火态与 STA 态的 S-N 疲劳曲线(旋转弯曲试验)
图 12。Ti-6Al-4V 退火态与 STA 态的 S-N 疲劳曲线(旋转弯曲试验)

Ti-6Al-4V ELI(超低间隙元素)

Ti-6Al-4V ELI 是 Ti-6Al-4V 的高纯度("超低间隙元素")版本,对铁以及碳、尤其是氧等间隙元素规定了更低的含量上限。这带来了更优异的韧性,在低温下尤其明显。

有迹象表明,这种材料可能更适合超声应用,无论是因其杨氏模量更稳定,还是疲劳强度更高。Osgood[1](图 10.49,第 422 页)列出的 Ti-6Al-4V ELI 无缺口疲劳强度在 107 次循环下为 635 MPa [92 kpsi],而 Ti-6Al-4V 为 515 MPa [75 kpsi],提高了 23%。(Osgood 未注明材料状态。)另一方面,matweb.com 给出的 Ti-6Al-4V ELI 数值为 300 MPa [44 kpsi],而相同条件下 Ti-6Al-4V 退火材料为 510 MPa [74 kpsi](降低了 41%)。

Ti-7Al-4Mo

尽管大多数谐振器制造商使用 Ti-6Al-4V,Branson Ultrasonics 使用的是 Ti-7Al-4Mo(7% 铝、4% 钼),通常由 TIMET 供货。Branson 于 20 世纪 70 年代初从 Ti-6Al-4V 改用 Ti-7Al-4Mo

  1. 在 Branson 超声金属焊接机的研制过程中,钢焊接环焊接凸耳处的超声焊接应力最终会导致相邻的变幅杆配合面劣化(图 13)。Ti-7Al-4Mo 似乎能带来更长的寿命。
  2. Ti-7Al-4Mo 似乎能减小调谐长度的波动(即杨氏模量更稳定)。
Branson Ultrasonics 金属焊接变幅杆(Holze 专利 3,813,006)
图 13。Branson Ultrasonics 金属焊接变幅杆
Holze[1] 专利 3,813,006

文献表明,该材料的疲劳强度可能高于 Ti-6Al-4V。一个来源(由 Culp[0] 报告)发现,带切削螺纹的钛端头用 Ti-7Al-4Mo 制造时比用 Ti-6Al-4V 更不易发生螺纹疲劳失效。 (这些材料是退火态还是 STA 态尚不清楚。)

表 7。Ti-7Al-4Mo(退火态与 STA 态)的性能
材料状态 极限强度 (MPa) 屈服强度 (MPa) 参考文献
未注明 1040 966 Branson 的 Technolog TL-18
退火 1030 970 ASM Handbook, Volume 2[1],表 21,第 1861 页
STA 1103 1034 ASM Handbook, Volume 2[1],表 21,第 1861 页

表 8 列出了 Ti-7Al-4Mo 相对于 Ti-6Al-4V 所宣称的优势(Branson 的 Technolog TL-18)。(注— Technolog 未注明 Ti-7Al-4Mo 的状态。不过,对照表 7 中的极限强度和屈服强度,Branson 的材料似乎是退火态而非 STA 态。)

表 8。Ti-7Al-4Mo 相对于 Ti-6Al-4V
(Branson 的 Technolog TL-18
所宣称的优势
宣称的优势 讨论
"强度大约高 15%"(抗拉强度和屈服强度) 见注释 1。
"抗热蠕变性能更好(在高温下长时间恒定拉伸和压缩时的变形)。" 见注释 2。
"炉次之间、棒材之间的材料一致性更好,使 7-4 合金更易预测。"
"成品调谐长度在棒材之间、批次之间的一致性高得多。"
见注释 3。
"7-4 材料在一个方向(轴向)上的波传播均匀得多。" 见注释 4。
"由于其更高的力学性能(以及承受更高应力的能力),用 7-4 制造的变幅杆可以设计更高的振幅。" 见注释 5。
"当变幅杆通过机加工进入轴向调谐范围时,调谐特性更一致、更易预测。" 见注释 6。

表格讨论注释—

  1. 对大多数谐振器而言,只要材料强度足以防止螺柱孔螺纹滑扣,材料强度就无关紧要。不过,对于冲击类应用(例如配可更换端头的金属焊接变幅杆),强度更高的材料会有好处。
  2. 在任何合理的工作温度下,超声谐振器所受的拉伸或压缩都不足以引起蠕变。因此蠕变无关紧要。
  3. 有此可能,但未提供数据。
  4. 除非这是指 Ti-7Al-4Mo 更接近各向同性,否则含义不明。即便如此,其性能上的好处也不明确。不过,(按各向同性材料属性建模的)FEA 结果会更贴近实际谐振器。
  5. 谐振器的最大许用应力由材料的疲劳强度决定。由于疲劳一般发生在缺口处(如槽端),缺口疲劳强度才是限制因素。
    对于无缺口钛,疲劳强度随极限抗拉强度近似线性提高(Osgood[1],第 441 页)。例如,表 9 对比了 Ti-6Al-4V STA 材料(极限强度 1170 GPa)与退火态 Ti-6Al-4V(极限强度 950 GPa)。无缺口时,STA 材料的疲劳强度高出 38%;然而,当两种材料都加上应力集中系数 3.3 的缺口后,STA 材料的疲劳强度反而低 33%
    再看 Ti-7Al-4Mo。其极限抗拉强度比 Ti-6Al-4V 高 15%(按 Branson 的数据为 1040 MPa 对 900 MPa),其无缺口疲劳强度很可能更高。然而,并不能保证 Ti-7Al-4Mo 具有更好的缺口疲劳强度——事实上可能更差。
  6. 几乎所有谐振器都是从端面进行调谐的,调谐时只有材料的质量密度起作用。鉴于从端面去除的材料长度很小(20 kHz 时通常小于 6 mm),在这一距离内密度出现显著变化(从而导致调谐速率变化)的可能性微乎其微。
表 9。Ti-6Al-4V 的疲劳性能
材料 极限强度 (MPa) 疲劳强度
@ Kt = 1.0 (MPa)
疲劳强度
@ Kt = 3.3 (MPa)
参考文献
Ti-6Al-4V 退火态 950 510 240 matweb.com
Ti-6Al-4V
STA
1170 700 160 matweb.com

表格注释—

  1. STA = 固溶处理(即淬火)并时效
  2. 疲劳强度数值均为 107 次循环下的数值。

密度

Ti-7Al-4Mo 的常用密度为 4484 kg/m³。请注意,这比 Ti-6Al-4V(4430 kg/m³)高 1.3%。

弹性模量与波速的变化

加工制造

常规机械加工

"在以 AISI B1112 钢为基准的评级体系中,Ti-6Al-4V 的可加工性为 B1112 的 22%。一般推荐采用低切削速度、大进给量和充足的切削液。此外,由于钛有很强的咬合和涂抹倾向,刀具与工件在接触运动过程中绝不可停止进给。应使用无氯切削液,以消除氯化物污染的可能。需要注意的是,钛屑高度易燃,必须采取适当的安全防护措施。"(Carpenter[1],第 6 页)

图 14 显示了 Ti-6Al-4V 与各种钢材的可加工性对比。该数据的基准为 W1 钢(一种水淬硬化钢) ,取为 100(Bryson[1],第 141 页)。在 AISI B1112 标尺上,W1 的可加工性为 40%(Bryson[1],第 141 页)。(注— 图中竖直蓝线为后加的,它表示 Ti-6Al-4V 的可加工性,在 AISI B1112 标尺上为 22%,即相当于 W1 的 55%。)

图——Ti-6Al-4V 相对于各种工具钢的可加工性
图 14。Ti-6Al-4V(竖直蓝线)相对于
各种工具钢的可加工性

注释—

  1. 推荐使用硬质合金刀具。

攻丝

钛攻丝可能比较困难,因为它导热性差。积聚的热量可能导致切削刃崩缺并缩短丝锥寿命。此外,钛容易咬住丝锥,造成螺纹的咬合和撕裂;这还可能导致小直径丝锥折断。

加工硬化——

有钛专用的特殊丝锥可供选用(图 15)。

螺旋槽丝锥(来自 OSG USA)
图 15。螺旋槽丝锥(来自 OSG USA)

攻丝前底孔的尺寸取决于钻头的精度和状况、制孔所用设备的类型(例如数控还是手动操作)等因素。因此,应规定钻孔直径的极限范围,而不是规定某个特定的攻丝底孔钻头尺寸。

深孔钻削

钛医疗探头常需加工深的小直径孔作为流体通道。这类孔用枪钻比用普通麻花钻更容易、更精确地加工。枪钻只有一条纵向排屑槽,因此刚性比麻花钻好,而且带有一个供冷却润滑液通过的中心孔。

电火花加工(EDM)

电火花加工(EDM)曾被尝试用于在块形变幅杆上加工槽。但该工艺相对较慢,且会降低疲劳寿命。详情……此外,许多工厂没有自己的 EDM 设备,依赖外协供应商可能延长生产周期并影响质量控制。

建议

  1. 为保证材料性能的一致性,应始终从同一供应商采购材料,最好还来自同一制造商。
  2. 务必在谐振器图纸上标明晶粒方向。
  3. 虽然有些矩形变幅杆尺寸太大、无法用棒料加工,但大多数矩形变幅杆可以用板料加工。因此,为获得最高的一致性,矩形变幅杆应尽可能采用板料。
  4. 在材料尺寸允许的情况下,圆柱形变幅杆应采用圆柱形棒料而非板料加工。这是因为,尽管材料性能可能沿径向变化,但沿圆周方向应几乎没有变化,从而可将任意给定半径处的振幅变化降至最低。(如果变幅杆用板料加工、螺柱轴线沿厚度(短横向)方向,那么由于板材在纵向和长横向两个材料方向上的性能差异——这两个方向都垂直于螺柱轴线——给定半径处的振幅就可能发生变化。)
  5. 按优先顺序,晶粒方向(相对于谐振器主应力方向)应指定为:1) 短横向,2) 纵向,3) 长横向。不过,短横向可能没有足够尺寸的料可供选用。
  6. 对于 Ti-6Al-4V
    1. 应选用退火态材料,因其疲劳性能更好、损耗比 STA 态更低。
    2. 杨氏模量
      1. 对于圆柱形棒料,杨氏模量可取自图 2。
      2. 对于晶粒方向平行于主振动方向的板料,119.6 GPa 是杨氏模量合理的初步估计值。
    3. 最大应力

附录 A — Ø38.1 mm Ti-6Al-4V 圆棒的杨氏模量

表 A1。Ø38.1 mm Ti-6Al-4V 圆棒杨氏模量的实测值
样品编号 材料来源 杨氏模量 E (GPa)
1 Dynamet 炉次 Y45x
(来自 Western Titanium)
108.52
2 未知 108.74
3 未知 109.09
4 未知 109.35
5 President Titanium
(来自 Allegheny Ludlum)
109.42
6 Allvac 109.49
7 未知 109.63
8 President Titanium 109.70
9 未知 110.32
10 President Titanium 110.39
11 未知 110.39
12 President Titanium 111.35
13 未知 111.42
14 未知 112.04
15 未知 112.04
16 未知 112.11
17 President Titanium 112.25
18 未知 112.32
19 未知 112.66
20 未知 113.12
21 未知 113.14
22 President Titanium
(来自 Allegheny Ludlum)
113.63
23 President Titanium 114.32
24 未知 114.56
25 President Titanium 114.59
26 President Titanium 115.83
27 President Titanium 117.90
平均值   111.8
标准差   2.4

注释:

  1. 数据来自 Culp[0]

附录 B — Ti-6Al-4V 板材的杨氏模量

纵向晶粒方向

一批变幅杆加工时使晶粒方向与主振动方向平行。对每根变幅杆进行 FEA 分析,调整杨氏模量直到 FEA 频率与实际变幅杆的实测频率一致。这样确定的杨氏模量相当于把材料当作各向同性处理,尽管它很可能是正交各向异性的。

表 B1。Ti-6Al-4V 板材(纵向晶粒方向)杨氏模量的计算值
频率 变幅杆描述 材料来源 杨氏模量 (GPa)
20 kHz 76 mm x 76 mm x 76 mm,0 槽 TIMET 121.4
20 kHz 205 mm x 9 mm x 38 mm,2 槽 TIMET 119.7
20 kHz 140 mm x 84 mm x 84 mm,2 槽 TIMET 120.9
20 kHz 221 mm x 91 mm x 91 mm TIMET 121.3
20 kHz 221 mm x 91 mm x 91 mm TIMET 120.9
20 kHz 254 mm x 57 mm x 57 mm TIMET 118.1
24 kHz 50 mm x 20 mm x 38 mm,0 槽 TIMET 119.4
35 kHz 83 mm x 5 mm x 23 mm,2 槽 President Titanium 132.4
35 kHz 40 mm x 5 mm x 19 mm,0 槽 President Titanium 118.2
35 kHz 40 mm x 5 mm x 19 mm,0 槽,交叉耦合 President Titanium 119.3
35 kHz 40 mm x 5 mm x 19 mm,0 槽,交叉耦合 President Titanium

116.8

35 kHz 40 mm x 5 mm x 19 mm,0 槽,交叉耦合 President Titanium

117.6

35 kHz 83 mm x 12 mm x 30 mm President Titanium 121.8
平均值     120.2
标准差     0.57

注释:

  1. 数据来自 Culp[0]
  2. 所有变幅杆均为条形变幅杆。
  3. 变幅杆尺寸按"端面宽度" x "端面厚度" x "背面厚度"的顺序列出。
  4. 所有尺寸均圆整到最接近的 mm。
  5. TIMET[2] 是一家钛材制造商。President Titanium[1] 是一家经销多种来源钛材的供应商。
  6. 35 kHz 的 83 mm x 5 mm x 23 mm 变幅杆模量为 132.4 GPa,疑似离群值。若剔除该数据,平均模量变为 119.6 GPa(–0.5%)。
  7. 在这类测试中,附加的换能器可能对频率、进而对确定的模量产生一定影响。

附录 C — 低杨氏模量钛合金

以下钛合金的杨氏模量明显低于正常水平。这会降低波速,从而在规定频率下得到更短的调谐长度。

Niinomi[1A](第 2 页)指出:"在提高疲劳强度的同时降低杨氏模量是比较困难的,因为从原子间结合力的角度看,二者的变化方向相反。"这类合金中许多都含铌(Nb)。

这些钛合金可用于骨植入物,因为它们的低模量更接近骨骼的模量。

以下清单并不全面。

Ti‑29Nb‑13Ta‑4.6Zr (TNTZ)

Niinomi[1A] 报告的模量为 60 GPa(严重冷加工态为 55 GPa)。在某些条件下,该材料的疲劳强度可与 Ti-6Al-4V ELI 相当(Niinomi[1A],图 10,第 3 页)。该材料可用于生物医学应用。(另见 Niinomi[1B]。)

Ti‑(5, 10, 15)Nb‑9Zr

Liu[1] 研究了 Nb(铌)含量分别为 5%、10% 和 15% 的该材料。应力-应变曲线及相应的模量见图 C1。请注意,CR(冷轧)材料的极限强度最高,因此其疲劳强度也很可能最高。Liu 认为该材料是生物医学应用的潜在候选材料。

另见 Hosseini[1],第 79-80 页。

图——固溶处理 (ST) 与冷轧 (CR) 试样的应力–应变曲线——(a) Ti­5Nb­9Zr,(b) Ti­10Nb­9Zr,(c) Ti­15Nb­9Zr
图 C1。固溶处理(ST)与冷轧(CR)试样的应力–应变曲线 —
(a) Ti‑5Nb‑9Zr,(b) Ti‑10Nb‑9Zr,(c) Ti‑15Nb‑9Zr

Ti-13Nb-13Zr

此处

附录 D — 生物医学用钛

关于生物医学用钛合金的一般性讨论,参见 Hosseini[1]

ASTM 列出了以下可用于植入物的钛合金。可以推定,只要其超声性能可以接受,它们也可用于超声外科探头。

  • 非合金钛
  • Ti‑6Al‑4V
  • Ti‑6Al‑4V ELI
  • Ti-6Al-7Nb
  • Ti-13Nb-13Zr(见注释 1
  • Ti-12Mo-6Zr-2Fe
  • Ti-15Mo
  • Ti-3Al-2.5V

注释 —

  1. "与轧制退火态标准级 Ti-6Al-4V 相比,Ti-13Nb-13Zr 的抗拉强度和延展性相当,弹性模量低 30%(81±3 GPa【对比 113 GPa,第 102 页】),1000 万次循环无缺口轴向疲劳持久极限相当(500 MPa),Kt = 3.0 时的缺口疲劳持久极限更高(215 对 170 MPa),平面应变断裂韧性高 20%,夏比冲击功高 20%,弯曲模量和剪切模量低 30-40%,在模拟体液环境中的腐蚀速率低 40%,耐磨性相当。对 Ti-13Nb-13Zr 进行冷加工可将其模量降至 50 GPa 以下,同时保持高强度。""Ti-13Nb-13Zr 只含钛、铌、锆三种元素,它们都是元素周期表上生物相容性最好的五种元素之列。"(Mishra[1A],第 107 页)
    请注意,这些疲劳试验的疲劳应力比为 R = 0.1(第 100 页)。(R 为最大与最小交变应力之比。)R = 0.1 表明试样承受恒定的静态拉应力。相比之下,超声谐振器在每个循环中只承受完全对称的惯性(动态)应力(即 R = -1)。因此,Mishra 的持久极限数值不应用于超声谐振器的设计。

Liu[1](图 12,第 565 页)(中国)还给出了以下用于植入物的材料—

对于植入物,铝、钒、镍合金化元素的毒性影响存在一些担忧(Hosseini[1],第 78 页)。


附录 E — 其他钛合金

Ti-6Al-4V 烧结态

从理论上说,可以用烧结法将近净成形地制造谐振器。Wuchinich[3] 在 20 kHz 下测试了一个烧结态 Ti-6Al-4V 试样。在应力达到 360 MPa(应变 = 0.0030)之前 Q 约为 15000,随后降到 410 MPa(应变 = 0.0034)时的 11500(Wuchinich 图 5)。另一个试样经退火(730 °C 保温一小时后空冷)后 Q 降至约 5000。疲劳性能未知。

Ti-6Al-6V-2Sn

Pratt & Whitney 在其燃气涡轮发动机中使用了这种材料(Donachie[1],第 15 页)。与 Ti-6Al-4V 相比,其强度更高,但断裂韧性和疲劳性能较低(ASM[1],第 1811 页)。

Wuchinich[3] 在 20 kHz 下测试了这种材料,它在 414 MPa 下经受住了反复的 600 万次循环运行。但请注意,试样经过了水冷,以便通过其 3.2 mm 的直径将温度维持在合理水平。另外—

  1. 试样在 700 °C 退火一小时后空冷。
  2. 只测试了一个试样,因此可能有必要补充更多测试。
  3. 实测杨氏模量为 99.3 GPa。因此,该材料的调谐长度会比 Ti-6Al-4V 略短,后者在这一尺寸下的模量约为 107 GPa。