原標題：增材製造鈦合金的（de）可加工性:綜述（shù）（2）
江蘇（sū）激光聯（lián）盟陳長（zhǎng）劇你導讀：
本文根（gēn）據對切削力、表（biǎo）麵光潔度（dù）和（hé）刀（dāo）具（jù）磨損的研究，對各種AM技術製備的鈦合金的切削（xuē）性能進行了全（quán）麵的綜述（shù）。本文為第二部分。
3 增材（cái）製造鈦合金的可（kě）加工性
眾所周知，AM的優點之一是能夠（gòu）快速獲得近淨形狀零（líng）件。然而，AMed零件不能在製（zhì）造過程後直接使用或組裝。這是因為AMed零件的表麵光潔度不光滑，特別是AMed表麵的表麵粗（cū）糙度、硬度和殘餘應力甚至（zhì）高於鍛造材料。因此，在大多數情況下，AMed零件的精加工是必要的後處理步驟。然而，眾所周知，鈦（tài）合金是難加工材料。因此（cǐ），了解AMed鈦合金的切削（xuē）性能對其應（yīng）用非常（cháng）重要。
公司在國內知名專家教授的引領帶動下，組建了（le）一支國內******的超（chāo）精（jīng）密技術研發團隊，研發團隊在超精密機床的單元技術、切削機理和工藝、成套技術及應用工藝方麵具備豐（fēng）富（fù）的技術經驗和實踐積累。可為北京精密零件加（jiā）工，北京鋁合金異型（xíng）件加工製造相關產業提供優質的技術服務（wù）。
蝕（shí）刻的（de）光學（xué）顯微鏡(a) AM成型，(b) AM在700°C退（tuì）火1小時，(C)變形材料。AM材質的構（gòu）建方向垂直於圖像。
切削力、刀具磨損和表麵完整性是反映任（rèn）何材料（包括鈦）可加工性的主要指標，因為切削力的變化是影響溫度、表（biǎo）麵完整性和刀具磨損發展的因（yīn）素。切削過程中的力（lì）是由於加工切屑的形成而產生的，並施加在刀具/切屑接觸界麵上。如上所述，與鍛造材料相比，AMed鈦合金的硬度、屈服強度和極限抗拉強度更高。這些增強的機械性能顯著影響刀具-工件（jiàn）相互作用和切屑形成的塑性變形過程，從而影響切削力，***終影響加工（gōng）表麵的完整性。
刀具磨損是評估（gū）金（jīn）屬材（cái）料可加工（gōng）性的另（lìng）一個主要因素。與鋁合金的切（qiē）割工藝相比，鈦（tài）合金的切割難度更大（dà），因為其具有高強度和低導熱性，導致刀具磨損情況更為嚴重（chóng）。具體而言，一次變形區中工件的絕熱剪切和（hé）二（èr）次（cì）變形區中的刀具/切（qiē）屑接觸產生大（dà）量熱量，這加速了粘（zhān）著擴散磨損過程，這是粘（zhān）著磨損的主要刺激因素，如刀具表（biǎo）麵的堆積邊（biān）緣（BUE）和堆積層（BUL）。此（cǐ）外，刀具（jù）/切屑界（jiè）麵和刀具/工件界麵的（de）嚴重磨損（sǔn）導致側麵磨損和（hé）弧坑磨損，這是影響刀具壽命的主要因素。在分析加工AMed鈦合金時（shí）刀具磨（mó）損（sǔn）的發展時，應考慮性能（強（qiáng）度和硬度）變化以及微觀結構改變所產（chǎn）生的影響。
3.1 切削力和表麵完整性（xìng）
對AMed鈦合金的（de）切削力和表麵完整性進行了（le）一些實驗研究。Polishetty等人通過分析切削力和表麵粗糙度（dù）（如圖3所示），比較了鍛（duàn）造和SLMed Ti6Al4V的可加工性（xìng）。結果發現，加工SLMed Ti6Al4V時，由於屈（qū）服強度較高（gāo），切削力可大200 N。SLMed零件的機加工表（biǎo）麵粗糙度比鍛造（zào）零件低約20%，這是由於（yú）AMed材料的硬度較高，延展性降低，從而限製了機加工表麵峰值（zhí）的側向塑性流動。在一（yī）項研究中，Shunmugavel等（děng）還比（bǐ）較了鍛造和SLMed Ti6Al4V之間的可加工性。研究發現，加工AMed Ti6Al4V時的切削力較高，從而提（tí）高了切削溫度和刀具/切屑磨損，導致嚴重的粘著磨損。Rotella等人研究（jiū）了由EBM和DMLS製造的AMed Ti6Al4V的表麵完整性。在不同切削速度下車削後，發現AMed零件的粗糙度比鍛造零件的（de）粗糙度高出約10%-20%，這（zhè）與Polishetty等人的結果（guǒ）不同。在加工表麵發現了塑（sù）性變形（xíng）晶粒的影響層，並且層的厚度隨著切削速度的增加而增（zēng）加。在每個切削速度下，EBMed零件的影響層厚（hòu）度***大（21μm至24μm），其（qí）次是DMLSed零件（18μm至22μm）和鍛造工件（小（xiǎo）於17μm）。
圖3 （a）加工AMed 鈦合金時不同進（jìn）給速度下的切削力，（b）AMed 鈦合金的（de）表麵粗糙度，（c）在不同切削（xuē）速度（dù）下（xià）加（jiā）工（gōng）AMed 鈦合金後影響層的厚度。
3.2 AMed鈦（tài）合金的幹式加工
幹加工（gōng）是（shì）一種（zhǒng）眾所周知（zhī）的綠色製造方法，多年來一直（zhí）受到（dào）學術界（jiè）和工業界人士的關注。幹式切割不需要油（yóu）基或乳化劑基金屬加工液（yè），減少甚至消除了環境汙染以及與之相關的皮（pí）膚病、呼吸障礙等健康問（wèn）題，符合綠色工業的要求（qiú）。然而，鈦（tài）合金的高強度和高反（fǎn）應性化學特性使其幹加工變得困難。如果不使用冷卻液和潤滑（huá），切削力會很高，導致切削（xuē）溫度高，刀具/切屑和刀具/工件（jiàn）界麵磨損更嚴重。因此，鈦（tài）合金幹切削（xuē）過（guò）程中的刀具磨損率很快，這嚴重限製了（le）加工效率和表麵質量。在切削AMed鈦合金時，硬度和極（jí）限抗拉強度的提高會進一步提高切削力和溫（wēn）度，從而使AMed鈦合金的幹切（qiē）削更加困難。
Zhang等人（rén）研究（jiū）了AMed Ti6Al4V在幹切削條（tiáo）件下（xià）（高（gāo）達250米/分鍾）使用陶瓷銑刀高速銑削時的可加工性。分析了切削力、溫度、表麵粗糙度和切屑形貌等切削響應。發（fā）現當切割速度從150 m/min增加到200 m/min時，合（hé）成切割力***初減小，然後（hòu）當切割速（sù）度進一步增加到（dào）250 m/min時，合成切割力增大。這是因為由於熱軟化，工件材料在較低的切割速度下（xià）更（gèng）容易去除，而在較高（gāo）的切削速度下，應變硬化占主導地位，導致流動應力和切削力增加。溫度分布表明，切屑周（zhōu）圍的溫（wēn）度***高，可以看出，隨著切削溫度的升高，切屑的形狀從長（連續）變為短（duǎn）（斷裂）（圖4），因為較高的溫度促進了切屑流的斷（duàn）裂。在銑削表麵上觀察到刀具和工（gōng）件相（xiàng）對運動產生的固有（yǒu）進給痕跡，並且在使（shǐ）用陶瓷刀具（jù）加工DMLSed Ti6Al4V合金時，對產（chǎn）生的光潔度沒有不利影響。
圖（tú）4 （i）進給速度為0.05 mm/齒，切削（xuē）速度為250 m/min，切削長度（dù）為（a）10 mm，（b）20 mm，（c）30 mm和（d）40 mm，（ii）進給速度（dù）為0.07 mm/齒，切削速度為250 m/min，切（qiē）削長度為（a）10 mm，（b）20 mm，（c）30 mm和（d）40 mm時的切削溫度（dù）場。
研究表明，在鍛造Ti6Al4V幹（gàn）切削過程中，高切削（xuē）溫度和大剪切應力的結合導致了機加工表麵下方（fāng）微觀結構的變化（huà）。同樣，在不同切削速度下加工後，觀察到（dào）了次表麵變形。如圖5所示（shì），在機加工表麵下方形成了三個不同的區域：靠（kào）近機加工表麵的層A被稱為白（bái）色層，這是由於刀具側麵和機加工表麵之間的擠壓而形成（chéng）的；在白層之（zhī）下，晶粒在B層中（zhōng）伸長變形，稱為變質層；在C區，晶粒的形態與（yǔ）接收到的工件材料相（xiàng）同。此外，隨著主軸轉速的增加，變質層的厚度逐漸增加。這可歸因於由（yóu）於（yú）與刀具（jù）邊緣的相（xiàng）互作用而對機加工表麵產生的犁拉效應，從而（ér）導致二次剪切（qiē）塑性變形。
圖5在f=0.12 mm/rev，主軸轉速（a）9.97 m/min，（b）15.95 m/min，（c）24.97 m/min和（d）29.92 m/min的情況下，刻度層的顯微鏡圖像。
Ming等人對DMLS製造的熱處理Ti6Al4V幹鑽中（zhōng）的孔質量和碎屑形成進行了實驗研究。通過分析切屑的剪切角，發現剪切（qiē）角隨進給速度的增加而線（xiàn）性（xìng）減小（圖6）。在較大的進給速度下，較（jiào）高的切削溫度軟化（huà）了工件材料，使主剪切帶（主變形區（qū））的移動更加容易。切屑相交（jiāo）處的微觀結構表明，一次剪切帶（dài）和二次剪切帶附近的β相被（bèi）拉長。此外，在切屑背麵附近（jìn）發現針狀馬氏體結構，表明在加工過程中很少有細小的β相分解為馬氏體。加工孔質量方麵，表麵不光滑，孔出口附近有（yǒu）嚴重劃痕（hén）。這種現象是由於在鑽孔過程中（zhōng），未破碎的切屑堵塞了刀具的切削麵造成的。通過檢查孔表麵的微（wēi）觀形（xíng）態，發現孔表麵上形成的碎屑和碎屑的粘附和塗抹發生在孔出口附近（圖7）。
圖6 切（qiē）屑剪切角隨進給量和剪切帶變化的演變特征：（a）恒定主軸轉速下剪切角隨進給速度的（de）變化；（b）變形（xíng）片層（céng）的微觀結構。
圖7 鑽孔表麵（miàn）特征的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。
在另一項（xiàng）研究中，Dang等人研究了固體Al2O3/Si3N4陶瓷（Sialon）刀（dāo）具在AMed Ti6Al4V高速銑削過程中的磨損機理。如圖8所示，切削距離為500 mm後，刀具表麵變得粗糙，刀具邊緣出現碎屑。當切削距離增加到800 mm時，刀（dāo）具刃（rèn）的剝落和對工件的附著力顯著增加。還觀察到（dào）沿（yán）刀具側麵的凹坑。具體（tǐ）而言，工件材料粘附在（zài）前刀麵和後刀麵上，表明在加工AMed Ti6Al4V時，高溫導致Sialon刀具發生粘著（zhe）磨損。這種現象（xiàng）還表明，由於（yú）加工過程中采用的高切削速度，導致加工（gōng）材料（liào）的高應變率和高切削溫度。碎屑是由施加在切削刃上的高頻動態切削（xuē）力引起的。雖然陶瓷刀具的硬度（dù）高於碳化（huà）鎢刀具，但陶（táo）瓷刀（dāo）具的脆（cuì）性使其刃（rèn）口更容易斷裂和破損，尤其是在幹切削過（guò）程中。
圖8 （i） 0 mm、500 mm和800 mm槽銑削（xuē）試驗後（hòu）刀具前刀麵和後（hòu）刀麵的SEM顯微照片，（ii）A、B、C和D段的高（gāo）倍SEM顯微照片。
Shunmugavel等人分（fèn）析了DMLSed Ti6Al4V幹車削過程中切屑形（xíng）成（chéng）的機理。圖9顯示了切割速度對切屑形態的影響。具體而言，隨著切割速度的增加，觀察到從非周期性（xìng）鋸齒切屑過渡到（dào）周（zhōu）期性鋸齒切屑，而與（yǔ）工件材（cái）料的狀況無關。在所有條件下（xià），剪切角隨著切割速度的增加（jiā）而增加。較高（gāo）的（de）切割速度（dù）導（dǎo）致較高的切割溫度、較高的法向應力和剪切應力，從而導致嚴重變形。瞬態（tài）塑性變形（xíng）引起的變形（xíng）能幾乎轉化為剪（jiǎn）切變形層的（de）熱能，導致二次剪切（qiē）帶溫度顯著升高（gāo），剪切（qiē）帶發生（shēng）變化。此外，還研究了剪切帶上的硬度分布（bù）。
圖9不同（tóng）切削速度下（xià）不同工件材料的切屑形態（注：A.B為竣工，H.T為熱處理工件狀態。所有圖像中的比（bǐ）例尺代表100μm。）
圖10（a） SLMed Ti6Al4V（H.T）切屑樣品中的顯微硬度壓痕，（b）不同條件下工作材料（liào）剪切帶的顯微硬度數據，以60 m/min的（de）速度加（jiā）工。
在絕熱剪切帶上以25μm的等間距進行顯微（wēi）硬度壓痕（圖10（a））。可以看出，無論機加工材（cái）料條件如（rú）何，絕（jué）熱剪切區的硬（yìng）度都顯著增加（圖10（b））。鍛造Ti6Al4V在剪切帶中的硬度增幅（fú）***大，約為14%，而SLMed Ti6Al4V在竣工（A.B）和熱處理（H.T）條（tiáo）件下的硬度增幅（fú）分別（bié）僅為7%和9%。剪切帶硬度的（de）增（zēng）加是由於剪切局部（bù）化和相變導致這（zhè）些材料的加工硬化特性。與SLMed Ti6Al4V相比（bǐ），鍛造Ti6Al4V的剪切帶硬度增加百（bǎi）分比較高，表明（míng）這些材料的剪切（qiē）帶中（zhōng）發生了（le）嚴重的剪切局部化和變形，這是由於剪（jiǎn）切變形阻力較低。
3.3 冷卻液和潤滑（huá）的影（yǐng）響
加工鈦合金時（shí），通常使用冷卻液，以降（jiàng）低切削溫度，提供（gòng）潤滑（huá）並（bìng）延長刀具壽命。然而，在鈦合金（jīn）的高速加工（HSM）中（zhōng），使用傳統的溢流冷卻（què）並不是那麽有（yǒu）效，因為切削液不能有效（xiào）地滲透到切（qiē）削區域，因此不能提供預期的潤滑和冷卻（què）功能。***近，為了減少大量（liàng）金屬（shǔ）加工液的使用（yòng），以滿足綠色和清潔生產的要求，采用了替代冷卻和潤滑方（fāng）法（fǎ）。在不同的冷卻方法（fǎ）中，通過大量研究（jiū），對***小量潤（rùn）滑（MQL）和（hé）低溫冷卻（què）（圖11）進（jìn）行了（le）研究。
圖11切割（gē）機的實驗裝置，使用：（a）低溫冷卻（b）MQL進行加工。
低溫冷（lěng）卻利用液態惰性氣體（如氦氣和氮氣）的（de）氣化（huà）來降低溫度，這可以提供以下低溫（wēn）環境−切割區域直接溫度為150°C。低溫冷卻劑的應用可以顯著降低切削溫度，從而（ér）限製嚴重刀具磨（mó）損的發展。這使得采用極限切削參數成為可能，從而（ér）提高（gāo）了加工效率（lǜ）。MQL是（shì）一種環保方法，在切割過（guò）程中使（shǐ）用（yòng）少量冷卻液進行潤滑。在MQL加工中，冷卻和潤滑介質（植物油、礦（kuàng）物油和乳化液）的混合物在壓縮空氣和切削液的微滴流中噴射到切削區域。MQL加工可以增強切（qiē）削液通過（guò）高壓的穿透能力，尤其是對於HSM而言。與典型的浸沒加工和幹加工技術（shù）相比，可以（yǐ）在切削（xuē）表麵形成相對穩定（dìng）的（de）潤滑膜（mó），從而改善潤滑條件。使用低溫、高（gāo）壓冷卻劑和（hé）低溫冷卻空氣加工鍛造Ti6Al4V的工作（zuò）證明，這些冷卻劑和潤滑劑的（de）應用對切削力、表麵完整性和刀具磨損（sǔn）有顯著（zhe）影響。這（zhè）對於（yú）理解加工AMed鈦合金時不同冷（lěng）卻液和潤滑劑的（de）影響至關重要。
Bordin等（děng）人研究了低溫冷卻作為加工EBMedTi6Al4V的可持續策略的可行性。在三種切削條件下，在不同的切削速度和進給速度下進行了車削實（shí）驗；幹式、濕式和低（dī）溫（wēn）冷卻。采用深冷冷卻後，不同（tóng）參數下的表麵粗糙度略有降低。通過SEM進一（yī）步（bù）分析加工表（biǎo）麵的微觀形貌（圖12）。發（fā）現了包括側（cè）流（liú）、粘附、撕裂和鋸齒狀進給痕跡在內的缺陷，這些（xiē）缺陷是由刀具在工件（jiàn）材料表麵（miàn）的犁削作用引起的。還研究了芯片形（xíng）態（圖13）。一般來說，加工過程中應避免長卷（juàn）曲切屑，以防止纏（chán）繞在工件周圍（wéi）。結果表明，使用低溫冷卻時會產生分段切屑卷曲，而在其他切削條件下會產生長卷曲切屑。低溫（wēn）冷卻的（de）應（yīng）用有效地降低了切割溫度，這也限製了切割過程中工件的塑（sù）性和延展性（xìng）。
圖12 采用（yòng）濕、幹、低溫冷卻策略車削8分鍾後（hòu）的主（zhǔ）要表麵缺陷（xiàn）。
圖13 在低（dī）溫、幹（gàn）濕車削條件下（xià），切割8分（fèn）鍾後，切割速度為80 m/min時的切屑形態；進給速度為（a、b、c）0.1 mm/rev和（d、e、f）0.2 mm/rev。
Bordin等人還分（fèn）析了鈦AlN塗層刀具在幹燥和低溫冷卻條件（jiàn）下車削EBMed Ti6Al4V後的磨損情況（kuàng）。在幹燥條件（jiàn）下，發現粘附是刀具表麵（miàn）的主要磨損模式。還觀察到高溫引起的弧坑磨損、堆積邊緣/層和切削刃剝落。由（yóu）於切削溫度降低，低溫冷卻液的應（yīng）用顯著減少了刀具磨損。此外，粘合力的（de）降低防止了切削刃和側麵的磨損，從而限製了（le）側麵磨損和切削刃剝落的發展。此（cǐ）外，低溫冷卻減少（shǎo）了刀具/切屑接（jiē）觸（chù）長（zhǎng）度（dù），這是限製前刀麵刀具磨損發展的另一（yī）個因素。當應用深冷（lěng）冷卻時，刀具/切屑接觸長度***初減少了20%，並在切割15分鍾後進（jìn）一步減少到約42.8%。通過檢查次表麵的微觀結構，發現在幹切削（xuē）條件下車削時，晶粒向切割方向拉長，然而，在低溫冷卻條件下，未觀察到亞表麵微觀結構的實質性變化（圖14），這與其他已發表的低溫（wēn）加工文獻一致。
圖14 低溫冷卻對機加工表麵以下材料微觀結構的影響（左側-幹燥狀態；右側-低溫冷卻狀態）。
Sartori等人進一步研究了不同AMedTi6Al4V材料在幹燥和低溫條件下的可加（jiā）工性（xìng）。工件分別由鍛造、EBM、DMLS和熱處理DMLS製（zhì）成。結果發現，DMLSed Ti6Al4V的硬（yìng）度較高，而其他三種工件的硬度相似。眾所（suǒ）周知，使用WC刀具切削Ti6Al4V時（shí），粘著磨料過程是主要磨損機製（zhì），磨損率與切削溫度（熱導率）有（yǒu）關，如圖15所示。然（rán）而，在本研究中，低溫冷卻的（de）應用（yòng）降低了切（qiē）削溫度，防止了（le）工件材料在刀具表麵的粘附。因此，側麵磨損（sǔn）和弧坑磨損主要由刀具（jù）/切屑和刀（dāo）具/工件界麵引起，這與工件材料的硬度有關。通過對刀具磨損形貌的分析，發現（xiàn）在（zài）幹切削由DMLS製造的（de）工件時，刀（dāo）具上的凹坑磨損***嚴重，因為其硬度***高，導熱係數***低。在低溫冷卻劑輔助下加工（gōng）時，刀（dāo）具上的弧坑（kēng）磨損深度減少到幹切削後觀察到的深度的58%。切削刀具（jù）的側麵磨損也有類似（sì）的趨（qū）勢。加工DMLSed工件時，刀具的側麵磨損寬度比其他三種刀具高10%，並且通過應（yīng）用低溫（wēn）冷卻（在（zài）加工EBMed Ti6Al4V的情況（kuàng）下）觀察（chá）到磨損減少高達20%。
圖15 幹切削和低溫冷（lěng）卻條件下車削15分鍾後磨損（sǔn）刀具前刀麵的SEM圖（tú）像。
Bruschi等人研究了在生物醫學（xué）應用中（zhōng）加工EBMedTi6Al4V時，冷（lěng）卻策略對刀具（jù）磨損的影（yǐng）響。他們發（fā）現，由於（yú）熱軟化效應的降低，鍛造（zào）材料和EBMed工件的顯（xiǎn）微硬度和殘餘應（yīng）力隨著深冷冷卻的應用而增加。對滑動試驗後磨損表麵的微觀形貌進行了（le）檢查，以分析（xī）工（gōng）件材料（liào）在不同冷（lěng）卻（què）條件下的磨損行為（圖16）。在幹燥條件下加工的（de）工件表麵上，無論工件特（tè）性如何，磨痕都更寬、更破碎。幹切削（xuē）後，由於犁削效應，在加（jiā）工表麵上發現（xiàn）更寬的凹槽。在這些切削條件下，使用（yòng）液氮作為（wéi）冷卻介（jiè）質主要影響磨損行為。在低溫冷卻條件（jiàn）下，粘著是主要的磨損機製（zhì），在生物醫學應（yīng）用中，粘（zhān）著磨損是（shì）******磨損，而不是（shì）磨（mó）料磨損，因為植入後（hòu）磨損碎屑的釋放可能會造成有害的磨損。
圖16 不同加工條件下（xià）加工（gōng）表麵的微觀結構（gòu）：（a）EBMed Ti6Al4V和（b）鍛（duàn）造Ti6Al4V。
Bertolini等人研究了利用低溫冷卻改善EBMedTi6Al4V加工表麵的完整性和耐腐蝕（shí）性。采用低溫冷卻時，HDL厚度***大，其次是流體和幹切削。通過使用流體冷卻劑和（hé）低溫冷卻，切削（xuē）溫度降（jiàng）低，從而產（chǎn）生更大的切削力。因（yīn）此，低溫（wēn）冷卻的（de）較大切削力會導（dǎo）致加工表麵下的HDL變厚。
雖然人們對（duì）MQL在金屬加工（gōng）中（zhōng）的（de）應用進行了廣泛的（de）研（yán）究，但很少（shǎo）有研究關注MQL在加工AMed鈦合金時的作用。Khaliq等人研究了幹切削和MQL條件（jiàn）下SLMed鈦合金微銑削中刀具的磨損。使用植物基切（qiē）削油作為潤滑劑，消除了與礦物油相關的汙染和健康問題。幹切削（xuē）條件下的粘著磨損仍然很（hěn）嚴重，這會（huì）去除刀具表麵，降低刀具表麵的硬度，***終導（dǎo）致切削刃失效（圖17）。與幹切削後的（de）磨損情況相比，MQL的應用（yòng）減少（shǎo）了（le）27%的側麵磨損。由於犁削效應的彈塑性變形，采用較低的進給速度增加了機加（jiā）工表麵（miàn）的殘餘應力。
圖17 在（a）幹燥（zào）條件和（b）MQL冷卻（què）液條件下，隨著進給速（sù）度的增加，刀具磨損。
來源：Machinability of additively manufactured titanium alloys: Acomprehensive review, Journal of Manufacturing Processes, doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.01.007
參考（kǎo）文（wén）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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