原標題：增材製造鈦合金的可加工性:綜述（1）
江蘇激光聯盟陳長軍導讀：
本文根據對切削（xuē）力、表麵光潔度和（hé）刀具磨損的研究，對各種AM技術製備的鈦合金的切削性能進行了全麵的綜述。本文為******部分。
摘要
鈦合金（Ti）由於其（qí）優異的物理（lǐ）和機械性（xìng）能，在（zài）許多工業部門得到廣泛應用（yòng）。然而，這（zhè）些（xiē）特性會導致在加工過程中（zhōng）產生（shēng）較高的（de）切削力和溫度，從而降低鈦合（hé）金的可加工性。近（jìn）年來，增材製造（AM）技術已被用於（yú）製造具有複雜輪廓的鈦零件。這些AMed零（líng）件雖然接近淨（jìng）形狀，但由（yóu）於表麵完（wán）整性差，需要進行精加工操作。本文根據對（duì）切（qiē）削力、表麵光潔度和刀具磨損的研究，對（duì）各種AM技術製備的鈦合（hé）金（jīn）的切削（xuē）性能（néng）進行了全麵的綜述（shù）。此外，還分析了冷卻/潤滑方法和材（cái）料性能對AMed零件的影響。從該綜（zōng）述中發現，AMed 鈦機械性能的（de）改善導致更大的切削力和（hé）更高的溫度，這（zhè）顯（xiǎn）著（zhe）影響了精加工後加工操作後的刀具磨損和表麵質量。盡管如此，關於顯著改善AMed 鈦組件可（kě）加（jiā）工（gōng）性的文獻非常有限，這需（xū）要在未來的研究中予以重視。
1 介紹
鈦（Ti）合金因其（qí）優（yōu）異的物理化學性能在工業中得到了廣（guǎng）泛的應用。它們具有相對較低的密度和優異的機械性能，包括高屈服強度（dù）和彈性模量，並且這些性能可以（yǐ）在高溫使用環境中保持。這些特性適用於大多數航（háng）空航天部件，如起落架總成和發動機渦輪葉片。此外，據（jù）報（bào）道，具有主導β相（xiàng）的鈦合金是生（shēng）物醫學應用的理想選擇，如骨科骨植入物，因為β穩定元素應（yīng）改善鈦合金的生物力學兼容性（xìng）。雖然鈦合金具有***受歡迎的性能，但（dàn）它們也被歸類為難加工材料。鈦合金的高強度和低導熱性導致了加（jiā）工過程中相對較大的切（qiē）削力和較高的切削溫度。渦輪葉片和骨植入（rù）物等鈦部件的一些輪廓非常（cháng）複雜，這使得製造具有良好表麵光潔度的零件非常耗時。此（cǐ）外，典型的鈦部件製造工藝包括大量的原工件材料加工，這會產生（shēng）大量的材料浪費以及高能耗和高時間，從而使鈦部件生產成為一種昂貴且不可持續的工藝（yì）。
不同冷卻速率下（xià）的微觀結構（a）150°C/s；（b） 50°C/s；（c） 15°c/s；（d） 5°C/s；（e） 1.5°C/s；（f） 0.5°C/s；（g）（h）0.15°C/s。
毫無疑問，金（jīn）相（xiàng）檢驗是研究鈦合（hé）金顯微組織演變的更準確（què）有效的方法之一（yī）。上圖 a–g顯示了從150°C/s到0.15°C/s冷卻速度（dù）的一係列光（guāng）學顯微（wēi）照片。這些顯（xiǎn）微照片顯（xiǎn）示（shì）了顯微結構如何隨著冷卻速度（dù）的（de）降低而變化。這些微（wēi）觀結構之間的差異包括αp的（de）大小、αs的寬度和邊界（jiè）α層的（de）厚度的（de）變（biàn）化，以及微（wēi）觀結構是否具有菌落結構（屬於（yú）單一變體的平行（háng）α板簇）。
在過去二十（shí）年中，增材製造（AM）工藝已逐漸應用於（yú）具有複雜幾何輪廓的金（jīn）屬零件的生（shēng）產。在此（cǐ）過（guò）程中（zhōng），通常根據零件的（de）數字化設計，通過逐（zhú）層熔化和再固結原材料來製造部件。與（yǔ）傳統的製造工藝（如鑄造、加工（gōng）、鍛造和粉末冶金工藝）相比，AM可以生產近淨形狀的零件，而無需粗加工，從而避免了工件材料的（de）浪費，並節省了冷卻液、刀具和加工夾具等加工資源的消耗。然而，AM工藝生產的大多數零件不能直接使用。這是因為增材製造（AMed）零件的（de）表（biǎo）麵完（wán）整性是（shì）不可預測的，具（jù）體而言，打印零件表麵（miàn）的粗糙度、硬度和殘餘應力遠高於鍛造材（cái）料。因此，AMed零件的精加工是需要執行的關鍵後處理步驟之一，以獲得零件裝配的光滑表麵光潔度。
對不同變形鈦合金的可（kě）加（jiā）工性進行了大量的研究。大多數研究（jiū）集中在切削力、刀具設計、冷卻液（yè）、刀具磨損和其他一些關鍵因素（sù）上（shàng）。切削（xuē）力是關鍵因素之一，由於（yú）鈦合（hé）金（jīn）的（de）高屈（qū）服強度，切削力更大。這會導致較高的切削溫度和刀具/芯片界麵的嚴重磨損，從而限製了加工鈦合金的效率。刀具過度磨損會影響（xiǎng）工件的表麵完整性，包括加工後的粗（cū）糙度（dù）和殘餘應力（lì）。因此，采用不同（tóng）的冷卻和（hé）潤滑方法，如高壓冷卻液、低溫冷卻液和（hé）***小（xiǎo）量潤滑（MQL），以降低切削力，減少刀具/切屑和刀具（jù）/工件磨損。為了（le）提高鈦（tài）合金的加工（gōng）效（xiào）率，還可以采用激光輔（fǔ）助加工，從而軟化工件材料（liào）的表麵，並顯著降低材料去（qù）除過程中的加工應力，同時，如果激光功率選擇不當，刀具磨損仍然不可避免，表（biǎo）麵質量受到（dào）影響。
公司是一家集精密機械零部件加工，北京不鏽鋼零（líng）件（jiàn）加工,北京鈦合金加工（gōng）各類工（gōng）裝夾具、治具、非標設備（bèi）設計製造以及衝壓模具、注塑模具、橡膠模具加工的專業廠家，是中國模（mó）具協會會員企業。
在LAM過程中，切削溫度隨（suí）著進給（gěi）速度的（de）增加而下降的原因可能是，與在低（dī）進給速度下生（shēng）產的（de）較小（xiǎo）切屑相比，在高進給速度下生產的較厚切屑（存在（zài）更多的材料，其作用類似於散熱器）中的熱擴散更為有（yǒu）效。在這種情況下，由於在高進給速度下產（chǎn）生的芯片之間（jiān）有效（xiào）導（dǎo）熱而導致的溫度降低克服了由於材（cái）料去除率增加而導致（zhì）的溫度升高。在低進給速度下，由於激光光斑尺寸（2 mm）至（zhì）少是進給的10–15倍，因（yīn）此未加工的材料在下（xià）一次切割操作中被重（chóng）新加（jiā）熱，從而建立在先前的熱含（hán）量基礎上，與下圖（b）所示的（de）高進給時較薄的加熱區相比，顯示出圖（a）所示的較高切割溫度。
(a)進料0.054 mm/rev的紅外熱圖像（xiàng）顯示較厚的（de）加熱區比(b)進料0.28 mm/rev的紅外熱圖（tú）像。
雖然已經對變形鈦合金的加工進行了大量的（de）研究，但對AMed鈦合金的可加工性知之甚少。眾所周知，AMed鈦合金的（de）機械性能不同於鍛造鈦合金；AMed Ti6Al4V的（de）硬度（dù）、屈服強度（dù）和極限抗拉（lā）強度明顯高於鍛造（zào）Ti6Al4V。加工AMed鈦合金時，這些增強的機械性能可能會影（yǐng）響切削力、溫（wēn）度和刀具磨損的發展。其次，由於大（dà）多數AM工藝中出現的快速熔（róng）化和凝固現象（xiàng），AMed 鈦合金的微觀結構（gòu）與鍛（duàn）造鈦合（hé）金相比有顯著差異，這可能會在很大程度上影響加工（gōng）後工件的表麵完整性。第三，不（bú）同的AM工藝需要不同級別的（de）加工操（cāo）作。此（cǐ）外，在加工AMed 鈦合金時（shí），使用等離子或激（jī）光輔助加工等預熱技術是非常不可取的，因為外部熱源可能對零件性（xìng）能產生有害影響。因此，有必要研究AMed鈦合金（jīn）的可加工性，以確保加工表麵的質量。
目（mù）前，關於不（bú）同AM方法製（zhì）備的鈦合金的機械性能和顯微組織性能有許多綜述文章（zhāng）。然而，關於（yú）AMed鈦零件可加工性的信息很少。了解不同AM方法的不（bú）同（tóng）固有特（tè）性如何影（yǐng）響AMed鈦合金的可加工性是至關重要的。本文綜述了鈦合金AM工藝及其可加工性。在下一節中，介紹了主流AM技術的原理，包括電子（zǐ）束熔煉（EBM）、選擇性激光熔（róng）煉（liàn）（SLM）、線弧增材製造（WAAM）、激光增（zēng）材（cái）沉積（LAD）和冷噴塗（tú）增材（cái）製造（CSAM）。本節還介紹了AMed鈦合金的機械性能和表麵特性。在隨後的章節中，將詳細介紹AMed鈦合金可加工性的***新知識（shí）。***後，通過技術討論和未來的研（yán）究途徑，總結了本（běn）綜述得出的主要結論。
2、鈦合（hé）金的增材製造
增（zēng）材製造（zào）（AM）工藝基於CAD設計文件的（de）使用，CAD設計文件可輕鬆轉換為可適應的打印文件，允許逐步、逐片和逐層控製將部件打印到淨或近淨形狀。這種可自由設計的按需（xū）製造組件的模式允許在不使用（yòng）焊接、研磨、板條和銑削等多種製造機器的情況下生產組件。其他成本削減因（yīn）素包括（kuò）昂貴的熟練機（jī）械技（jì）師、各種切割和加工工具以及需要******對準的資源（yuán）密集（jí）型夾具。
一些常（cháng）用（yòng）的金屬增（zēng）材製（zhì）造（MAM）工藝包括粉末床（chuáng）熔接（PBF）、粉末喂料熔接（jiē）（PFF）、線弧增材製造（zào）（WAAM）和冷噴塗增材製造（CSAM）。PBF工藝包（bāo）括直（zhí）接金屬激光燒結（DMLS）、選擇性激光熔化（SLM1）和電子（zǐ）束熔化（EBM）AM技術，而PFF工藝（yì）包括激光添加沉積（LAD2）和熱噴塗。此外，MAM流程可大致分為三個應用部門，即：近淨形（xíng）狀製造、金屬修複和（hé）維持以及塗層，如（rú）圖1所示。近淨形狀製（zhì）造可以定義為相（xiàng）對接近所需（xū）尺寸的部（bù）件的批量（liàng）3D打印。金屬（shǔ）修複涉及更換或翻新在使用過程中出現磨損和性能（néng）退化的金屬（shǔ）部件區域，其中修複了幾毫米的磨損區域。塗層通常用於通過表麵強化來增強零件的性（xìng）能，其中厚度從（cóng）微米到幾毫米的材料沉積在基材/零件表麵上。由（yóu）於工藝的不同（tóng），所（suǒ）有MAM工藝都會產生不同的零件特性。這將直（zhí）接影響不同應用（yòng）所需（xū）的後處理，特別（bié）是機加工。因此，不僅要了解MAM工藝，還要了解其應用（yòng）領域，以製（zhì）定適當的加工策略。
圖1 根據應用領域對MAM流程進行分（fèn）類（lèi）。
2.1 選擇性激光熔化（SLM）
這種AM技術使用逐層方法製造具有（yǒu）增強機械性能的致密3D組件。它被認為是***廣（guǎng）泛（fàn）使用（yòng）的MAM技術之（zhī）一，提供高（gāo）分辨率和高尺寸精度。
影響SLM打印零件特性的關鍵工藝參數是激光功率、掃描速度、圖案填充間距、層厚度、零件方（fāng）向（xiàng）、掃描策略和製造後熱處理。如果不（bú）優化這些參數，可能（néng）會導致打（dǎ）印件中出現氣孔和其他有害缺陷。鈦合金的性能取決於一組正確的工藝參數。工藝參數的無意變化可導（dǎo）致微觀結（jié）構變化，直接（jiē）影響部件（jiàn）的機械性能。對於商用純（CP）鈦，Attar等人報告了機（jī）械性能的巨大變化，這是由於未優化的工藝參數導致打印零件內部的微觀結構不均勻性和孔隙造成的。Wysocki等人（rén）報告（gào）稱，SLM打印鈦零件（jiàn）的UTS比鑄造零件高出三倍；然而，延性顯著降低。同樣，Attar等人也報告了摻氧SLM打印CP Ti的強度顯著提高。
研究了三（sān）種掃描策略，即掃描O、掃描X和掃描（miáo）H。對於掃描O，激光束分別以與Y軸成45°和-45°的角度掃描交替層。
SLM印刷零件的表麵特性（xìng）取決於工藝參數以及表麵缺陷，如氣孔。這（zhè）可歸因於快速（sù）凝固和偏析現象。這些表麵特性極大地影響（xiǎng）了成型後的可加工性（xìng）。
2.2 電子束熔煉（EBM）
EBM工（gōng）藝采用與SLM相似的技術，但使用電（diàn）子束作為熱源。它還使用真空環境進（jìn）行操作，隻需（xū）很少的加工步驟即可生成複雜的形（xíng）狀。與在惰性氣體環境中工作的SLM相比，真空環境防止了由於存在氣體分子而導致（zhì）的電子束偏轉。
SLM Ti–6Al–4V樣品（pǐn）的橫截麵（120 W和360 mm/s）。
由於預熱溫（wēn）度較高，EBM生產的部件由超細層狀共晶組織組成。據報（bào）道，EBM Ti6Al4V部件的質量幾乎與鍛造和機加工（gōng）後鑄造部（bù）件的質量相當。EBM組件確實需要對構建（jiàn）參數進行（háng）密切控製，以減少孔隙率和不良的微觀結構變化。未優化的工藝參數可能會導致鈦合金的機械性能（néng）發生變化。光束和掃描速度被認為是***關鍵的控製參數，直接影響微觀結（jié）構層麵的缺（quē）陷，從（cóng）而影響印刷零件（jiàn）的機械性能。對EBM組件的多孔基體Ti6Al4V結構（gòu）的研究（jiū）表明，密度的增加會提（tí）高強度和（hé）楊氏模量。
2.3 絲弧增（zēng）材製造（WAAM）
WAAM以（yǐ）其快速的（de）構建（jiàn）速度和（hé）快速（sù）的（de）上（shàng）市時間（jiān）而聞名。WAAM係統安裝在帶有可編（biān）程（chéng）機械（xiè）臂的底板上，以生產具有近淨形狀的全功能部件。它已被（bèi）廣泛用（yòng）於生產具有可接受的（de）機械性能和結構強度的原型和大型部（bù）件。
熱（rè）處理Ti–6Al–4V（A–D）和Ti–6Al–4V–0.13B（E–G）樣（yàng）品的（de）EBSD分析：（A）Ti–6Al–4V樣品的低倍反極圖（tú）（步長=0.7μm）。（B）（A）中突出顯（xiǎn）示區域的高倍反極（jí）圖（步長=0.2μm）。（C） {10–12}和〈10-1-1〉極圖。（D）（B）中箭頭所示區域的線跡，顯示孿晶的錯向角。（E） Ti–6Al–4V–0.13B樣品的低倍反極圖（步長=0.5μm）。（F）（E）中突出顯示區域的高倍反極圖（步長=0.1μm）。（g） {10–12}和〈10-1-1〉極圖。（H）（F）中箭頭所示區（qū）域的線跡，顯示孿晶的錯向角度。（I） EBSD樣品相對於垂直構建方向（VD）和基板（BP）的方（fāng）向。請（qǐng）注意，壓縮軸位於VD中（zhōng）。
逆極點圖（上圖A和（hé）B）揭示了α相的強（0 0 0 1）基底織構，這有助於在（zài）多個α相板條上進行大規模孿晶傳輸。
材料沉積速率通常達到50–130 g/min或4 kg/h左右。WAAM使用等離子弧將（jiāng）金屬絲熔化到熔（róng）池中，這也是該AM方法的一個挑戰，因為（wéi）大熔池會導致表麵張（zhāng）力效應，從而導（dǎo）致印刷零件中出現不良缺陷。WAAM的其他局限性包括難以沿幾何體製造半徑、尖角和曲率，這使得尺寸精度非常差。熱輸入如果控製不當，可能會在（zài）製（zhì）造（zào）的部件上產生較大的應力。這種AM工藝（yì）之所以不受歡迎，是（shì）因為其精度高（gāo）、印刷部件（jiàn）中的感應殘餘應（yīng）力明顯較高、表麵光潔度差、沿沉積方向（xiàng）的變化（huà）以（yǐ）及沿（yán）軌間間隙形成的空洞。
從（a）構建1和（b）構（gòu）建2提取拉伸和疲勞試樣的示（shì）意圖。在標記試樣時（shí），******類表（biǎo）示方（fāng）向：V表示試樣加工平行於構（gòu）建方向，H表示（shì）垂直。第二類表示試驗類（lèi）型（xíng）：T表示拉伸，F表示疲勞。M表示用（yòng）於微觀結構研（yán）究的（de）試樣和空白試樣均為本（běn）研究（jiū）中未使用的試樣
觀察到使用WAAM製備的鈦合金呈現出各向異性的微觀結構，通常由大的柱狀β晶粒呈現。WAAM Ti6Al4V拉伸試樣的延展性和強度與（yǔ）擠壓Ti6Al4V相比變化較小，Wang等人觀（guān）察到的延（yán）展性表明，隨（suí）著強度的增（zēng）加，水平方向（xiàng）的延展性降（jiàng）低（dī）。存在缺陷時，WAAM部件的抗拉強度和疲勞壽命會下降。
據報道（dào），與SLM相比，使用WAAM製造（zào）的零件（jiàn）的（de）表麵粗糙度要高得多。同樣，與SLM樣品相比，WAAM樣品顯示出較（jiào）小的伸長率和拉伸強度，如圖2所（suǒ）示。因（yīn）此，了解WAAM工藝參（cān）數對表麵特性的影響至關重要，而表麵特性將直接影（yǐng）響印刷（shuā）部件的可加工性。
圖2 與WAAM和SLM樣品相比，拉伸（shēn）強度、屈服強度（dù）和伸長率。
2.4 激光添加沉積（LAD）
LAD工（gōng）藝利用激光束輔助金屬粉末材料的熔（róng）合。該工藝類似於焊接（jiē），因此，將表麵重修（xiū）或沉積應用（yòng）於現有零件的修複是非常有價值的。Dinda等人報告，LAD打印Ti6Al4V的拉（lā）伸強度和屈服強度（分別為1163 MPa和1105 MPa）合理高於Ti6Al4V植入物（wù）的ASTM標準，然而，延（yán）展性非常低。
2.5 冷噴塗增材製造（CSAM）
CSAM也稱為冷氣體動力噴（pēn）塗，是一種固態過程，不涉及金（jīn）屬粉末的熔化。該過程包括一個氣體預室，然後是收斂和發散加速噴嘴。通過載氣引入粉末，並將推進氣體引入前室。載氣保持（chí）在比推進氣（qì）體（tǐ）更高的壓力，從而在低溫（wēn）下推動粉末以極高（gāo）的速度撞擊目標基（jī）板。氮氣（N2）和氦氣（He）惰性氣體用於實現這些臨界超音速。
使用CSAM製造鈦（tài）組件的一些優點（diǎn）是沉積量明顯較大，並（bìng）且與基板表麵的附著力更好。CSAM工藝用於沉積溫度敏感和氧敏感材料，因為在加工過程中（zhōng）隻需很少或不需要熱量。與其他MAM流（liú）程相比，CSAM對構建大小和（hé）幾何結（jié）構的限製較少。在CSAM工藝中，Ti6Al4V層和Ti6Al4V基板之間（jiān）的粘結強度（dù）可（kě）以達到60 MPa，但與微觀結構更致密的Cu和Al相比，仍（réng）然被認為是多孔的。由於難以達到（dào）高抗拉（lā）強（qiáng）度，CSAM鈦合金的機械（xiè）性能被認為（wéi）較差。
沉（chén）積在Ti6Al4V基板上的CSAM Ti6Al4V在打印件自由表麵附近顯示出較高的殘餘應力。發現的應力主要是（shì）拉伸（shēn）應力（lì），但在界麵區域附近也記錄了（le）壓應力。與SLM和（hé）EBM工藝相比，CSAM零件的表麵（miàn）粗糙度更高，因此需（xū）要對成品部件進（jìn）行更多的加工，如果引入進一（yī）步的激光熔煉，則發現（xiàn）硬度高於***初生產的部件，這（zhè）將導致其機械性能的變化。
來源：Machinability of additively manufactured titanium alloys: Acomprehensive review, Journal of Manufacturing Processes, doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.01.007
參（cān）考文獻：X. Gao, et al., A study of epitaxial growth behaviors of equiaxed alpha phase at different cooling rates in near alpha titanium alloy, Acta Mater, 122 (2017), pp. 298-309
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