增材制造鈦合金的可加工性:綜述（1）

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：本文根據(jù)對切削力、表面光潔度和刀具磨損的研究，對各種AM技術(shù)制備的鈦合金的切削性能進(jìn)行了全面的綜述。本文為第一部分。


鈦合金（Ti）由于其優(yōu)異的物理和機(jī)械性能，在許多工業(yè)部門得到廣泛應(yīng)用。然而，這些特性會導(dǎo)致在加工過程中產(chǎn)生較高的切削力和溫度，從而降低鈦合金的可加工性。近年來，增材制造（AM）技術(shù)已被用于制造具有復(fù)雜輪廓的鈦零件。這些AMed零件雖然接近凈形狀，但由于表面完整性差，需要進(jìn)行精加工操作。本文根據(jù)對切削力、表面光潔度和刀具磨損的研究，對各種AM技術(shù)制備的鈦合金的切削性能進(jìn)行了全面的綜述。此外，還分析了冷卻/潤滑方法和材料性能對AMed零件的影響。從該綜述中發(fā)現(xiàn)，AMed 鈦機(jī)械性能的改善導(dǎo)致更大的切削力和更高的溫度，這顯著影響了精加工后加工操作后的刀具磨損和表面質(zhì)量。盡管如此，關(guān)于顯著改善AMed 鈦組件可加工性的文獻(xiàn)非常有限，這需要在未來的研究中予以重視。

1 介紹
鈦（Ti）合金因其優(yōu)異的物理化學(xué)性能在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。它們具有相對較低的密度和優(yōu)異的機(jī)械性能，包括高屈服強度和彈性模量，并且這些性能可以在高溫使用環(huán)境中保持。這些特性適用于大多數(shù)航空航天部件，如起落架總成和發(fā)動機(jī)渦輪葉片。此外，據(jù)報道，具有主導(dǎo)β相的鈦合金是生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的理想選擇，如骨科骨植入物，因為β穩(wěn)定元素應(yīng)改善鈦合金的生物力學(xué)兼容性。雖然鈦合金具有最受歡迎的性能，但它們也被歸類為難加工材料。鈦合金的高強度和低導(dǎo)熱性導(dǎo)致了加工過程中相對較大的切削力和較高的切削溫度。渦輪葉片和骨植入物等鈦部件的一些輪廓非常復(fù)雜，這使得制造具有良好表面光潔度的零件非常耗時。此外，典型的鈦部件制造工藝包括大量的原工件材料加工，這會產(chǎn)生大量的材料浪費以及高能耗和高時間，從而使鈦部件生產(chǎn)成為一種昂貴且不可持續(xù)的工藝。

不同冷卻速率下的微觀結(jié)構(gòu)（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，金相檢驗是研究鈦合金顯微組織演變的更準(zhǔn)確有效的方法之一。上圖 a–g顯示了從150°C/s到0.15°C/s冷卻速度的一系列光學(xué)顯微照片。這些顯微照片顯示了顯微結(jié)構(gòu)如何隨著冷卻速度的降低而變化。這些微觀結(jié)構(gòu)之間的差異包括αp的大小、αs的寬度和邊界α層的厚度的變化，以及微觀結(jié)構(gòu)是否具有菌落結(jié)構(gòu)（屬于單一變體的平行α板簇）。

在過去二十年中，增材制造（AM）工藝已逐漸應(yīng)用于具有復(fù)雜幾何輪廓的金屬零件的生產(chǎn)。在此過程中，通常根據(jù)零件的數(shù)字化設(shè)計，通過逐層熔化和再固結(jié)原材料來制造部件。與傳統(tǒng)的制造工藝（如鑄造、加工、鍛造和粉末冶金工藝）相比，AM可以生產(chǎn)近凈形狀的零件，而無需粗加工，從而避免了工件材料的浪費，并節(jié)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(chǎn)的大多數(shù)零件不能直接使用。這是因為增材制造（AMed）零件的表面完整性是不可預(yù)測的，具體而言，打印零件表面的粗糙度、硬度和殘余應(yīng)力遠(yuǎn)高于鍛造材料。因此，AMed零件的精加工是需要執(zhí)行的關(guān)鍵后處理步驟之一，以獲得零件裝配的光滑表面光潔度。

對不同變形鈦合金的可加工性進(jìn)行了大量的研究。大多數(shù)研究集中在切削力、刀具設(shè)計、冷卻液、刀具磨損和其他一些關(guān)鍵因素上。切削力是關(guān)鍵因素之一，由于鈦合金的高屈服強度，切削力更大。這會導(dǎo)致較高的切削溫度和刀具/芯片界面的嚴(yán)重磨損，從而限制了加工鈦合金的效率。刀具過度磨損會影響工件的表面完整性，包括加工后的粗糙度和殘余應(yīng)力。因此，采用不同的冷卻和潤滑方法，如高壓冷卻液、低溫冷卻液和最小量潤滑（MQL），以降低切削力，減少刀具/切屑和刀具/工件磨損。為了提高鈦合金的加工效率，還可以采用激光輔助加工，從而軟化工件材料的表面，并顯著降低材料去除過程中的加工應(yīng)力，同時，如果激光功率選擇不當(dāng)，刀具磨損仍然不可避免，表面質(zhì)量受到影響。

在LAM過程中，切削溫度隨著進(jìn)給速度的增加而下降的原因可能是，與在低進(jìn)給速度下生產(chǎn)的較小切屑相比，在高進(jìn)給速度下生產(chǎn)的較厚切屑（存在更多的材料，其作用類似于散熱器）中的熱擴(kuò)散更為有效。在這種情況下，由于在高進(jìn)給速度下產(chǎn)生的芯片之間有效導(dǎo)熱而導(dǎo)致的溫度降低克服了由于材料去除率增加而導(dǎo)致的溫度升高。在低進(jìn)給速度下，由于激光光斑尺寸（2 mm）至少是進(jìn)給的10–15倍，因此未加工的材料在下一次切割操作中被重新加熱，從而建立在先前的熱含量基礎(chǔ)上，與下圖（b）所示的高進(jìn)給時較薄的加熱區(qū)相比，顯示出圖（a）所示的較高切割溫度。

(a)進(jìn)料0.054 mm/rev的紅外熱圖像顯示較厚的加熱區(qū)比(b)進(jìn)料0.28 mm/rev的紅外熱圖像。

雖然已經(jīng)對變形鈦合金的加工進(jìn)行了大量的研究，但對AMed鈦合金的可加工性知之甚少。眾所周知，AMed鈦合金的機(jī)械性能不同于鍛造鈦合金；AMed Ti6Al4V的硬度、屈服強度和極限抗拉強度明顯高于鍛造Ti6Al4V。加工AMed鈦合金時，這些增強的機(jī)械性能可能會影響切削力、溫度和刀具磨損的發(fā)展。其次，由于大多數(shù)AM工藝中出現(xiàn)的快速熔化和凝固現(xiàn)象，AMed 鈦合金的微觀結(jié)構(gòu)與鍛造鈦合金相比有顯著差異，這可能會在很大程度上影響加工后工件的表面完整性。第三，不同的AM工藝需要不同級別的加工操作。此外，在加工AMed 鈦合金時，使用等離子或激光輔助加工等預(yù)熱技術(shù)是非常不可取的，因為外部熱源可能對零件性能產(chǎn)生有害影響。因此，有必要研究AMed鈦合金的可加工性，以確保加工表面的質(zhì)量。

目前，關(guān)于不同AM方法制備的鈦合金的機(jī)械性能和顯微組織性能有許多綜述文章。然而，關(guān)于AMed鈦零件可加工性的信息很少。了解不同AM方法的不同固有特性如何影響AMed鈦合金的可加工性是至關(guān)重要的。本文綜述了鈦合金AM工藝及其可加工性。在下一節(jié)中，介紹了主流AM技術(shù)的原理，包括電子束熔煉（EBM）、選擇性激光熔煉（SLM）、線弧增材制造（WAAM）、激光增材沉積（LAD）和冷噴涂增材制造（CSAM）。本節(jié)還介紹了AMed鈦合金的機(jī)械性能和表面特性。在隨后的章節(jié)中，將詳細(xì)介紹AMed鈦合金可加工性的最新知識。最后，通過技術(shù)討論和未來的研究途徑，總結(jié)了本綜述得出的主要結(jié)論。

2、鈦合金的增材制造
增材制造（AM）工藝基于CAD設(shè)計文件的使用，CAD設(shè)計文件可輕松轉(zhuǎn)換為可適應(yīng)的打印文件，允許逐步、逐片和逐層控制將部件打印到凈或近凈形狀。這種可自由設(shè)計的按需制造組件的模式允許在不使用焊接、研磨、板條和銑削等多種制造機(jī)器的情況下生產(chǎn)組件。其他成本削減因素包括昂貴的熟練機(jī)械技師、各種切割和加工工具以及需要精確對準(zhǔn)的資源密集型夾具。

一些常用的金屬增材制造（MAM）工藝包括粉末床熔接（PBF）、粉末喂料熔接（PFF）、線弧增材制造（WAAM）和冷噴涂增材制造（CSAM）。PBF工藝包括直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）、選擇性激光熔化（SLM1）和電子束熔化（EBM）AM技術(shù)，而PFF工藝包括激光添加沉積（LAD2）和熱噴涂。此外，MAM流程可大致分為三個應(yīng)用部門，即：近凈形狀制造、金屬修復(fù)和維持以及涂層，如圖1所示。近凈形狀制造可以定義為相對接近所需尺寸的部件的批量3D打印。金屬修復(fù)涉及更換或翻新在使用過程中出現(xiàn)磨損和性能退化的金屬部件區(qū)域，其中修復(fù)了幾毫米的磨損區(qū)域。涂層通常用于通過表面強化來增強零件的性能，其中厚度從微米到幾毫米的材料沉積在基材/零件表面上。由于工藝的不同，所有MAM工藝都會產(chǎn)生不同的零件特性。這將直接影響不同應(yīng)用所需的后處理，特別是機(jī)加工。因此，不僅要了解MAM工藝，還要了解其應(yīng)用領(lǐng)域，以制定適當(dāng)?shù)募庸げ呗浴?br />

圖1 根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)�MAM流程進(jìn)行分類。

2.1 選擇性激光熔化（SLM）

這種AM技術(shù)使用逐層方法制造具有增強機(jī)械性能的致密3D組件。它被認(rèn)為是最廣泛使用的MAM技術(shù)之一，提供高分辨率和高尺寸精度。

影響SLM打印零件特性的關(guān)鍵工藝參數(shù)是激光功率、掃描速度、圖案填充間距、層厚度、零件方向、掃描策略和制造后熱處理。如果不優(yōu)化這些參數(shù)，可能會導(dǎo)致打印件中出現(xiàn)氣孔和其他有害缺陷。鈦合金的性能取決于一組正確的工藝參數(shù)。工藝參數(shù)的無意變化可導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)變化，直接影響部件的機(jī)械性能。對于商用純（CP）鈦，Attar等人報告了機(jī)械性能的巨大變化，這是由于未優(yōu)化的工藝參數(shù)導(dǎo)致打印零件內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)不均勻性和孔隙造成的。Wysocki等人報告稱，SLM打印鈦零件的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。

研究了三種掃描策略，即掃描“O”、掃描“X”和掃描“H”。對于掃描“O”，激光束分別以與Y軸成45°和-45°的角度掃描交替層。

SLM印刷零件的表面特性取決于工藝參數(shù)以及表面缺陷，如氣孔。這可歸因于快速凝固和偏析現(xiàn)象。這些表面特性極大地影響了成型后的可加工性。

2.2 電子束熔煉（EBM）

EBM工藝采用與SLM相似的技術(shù)，但使用電子束作為熱源。它還使用真空環(huán)境進(jìn)行操作，只需很少的加工步驟即可生成復(fù)雜的形狀。與在惰性氣體環(huán)境中工作的SLM相比，真空環(huán)境防止了由于存在氣體分子而導(dǎo)致的電子束偏轉(zhuǎn)。

SLM Ti–6Al–4V樣品的橫截面（120 W和360 mm/s）。

由于預(yù)熱溫度較高，EBM生產(chǎn)的部件由超細(xì)層狀共晶組織組成。據(jù)報道，EBM Ti6Al4V部件的質(zhì)量幾乎與鍛造和機(jī)加工后鑄造部件的質(zhì)量相當(dāng)。EBM組件確實需要對構(gòu)建參數(shù)進(jìn)行密切控制，以減少孔隙率和不良的微觀結(jié)構(gòu)變化。未優(yōu)化的工藝參數(shù)可能會導(dǎo)致鈦合金的機(jī)械性能發(fā)生變化。光束和掃描速度被認(rèn)為是最關(guān)鍵的控制參數(shù)，直接影響微觀結(jié)構(gòu)層面的缺陷，從而影響印刷零件的機(jī)械性能。對EBM組件的多孔基體Ti6Al4V結(jié)構(gòu)的研究表明，密度的增加會提高強度和楊氏模量。

2.3 絲弧增材制造（WAAM）

WAAM以其快速的構(gòu)建速度和快速的上市時間而聞名。WAAM系統(tǒng)安裝在帶有可編程機(jī)械臂的底板上，以生產(chǎn)具有近凈形狀的全功能部件。它已被廣泛用于生產(chǎn)具有可接受的機(jī)械性能和結(jié)構(gòu)強度的原型和大型部件。

熱處理Ti–6Al–4V（A–D）和Ti–6Al–4V–0.13B（E–G）樣品的EBSD分析：（A）Ti–6Al–4V樣品的低倍反極圖（步長=0.7μm）。（B）（A）中突出顯示區(qū)域的高倍反極圖（步長=0.2μm）。（C） {10–12}和〈10-1-1〉極圖。（D）（B）中箭頭所示區(qū)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(qū)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樣品相對于垂直構(gòu)建方向（VD）和基板（BP）的方向。請注意，壓縮軸位于VD中。

逆極點圖（上圖A和B）揭示了α相的強（0 0 0 1）基底織構(gòu)，這有助于在多個α相板條上進(jìn)行大規(guī)模孿晶傳輸。

材料沉積速率通常達(dá)到50–130 g/min或4 kg/h左右。WAAM使用等離子弧將金屬絲熔化到熔池中，這也是該AM方法的一個挑戰(zhàn)，因為大熔池會導(dǎo)致表面張力效應(yīng)，從而導(dǎo)致印刷零件中出現(xiàn)不良缺陷。WAAM的其他局限性包括難以沿幾何體制造半徑、尖角和曲率，這使得尺寸精度非常差。熱輸入如果控制不當(dāng)，可能會在制造的部件上產(chǎn)生較大的應(yīng)力。這種AM工藝之所以不受歡迎，是因為其精度高、印刷部件中的感應(yīng)殘余應(yīng)力明顯較高、表面光潔度差、沿沉積方向的變化以及沿軌間間隙形成的空洞。

從（a）構(gòu)建1和（b）構(gòu)建2提取拉伸和疲勞試樣的示意圖。在標(biāo)記試樣時，第一類表示方向：V表示試樣加工平行于構(gòu)建方向，H表示垂直。第二類表示試驗類型：T表示拉伸，F(xiàn)表示疲勞。M表示用于微觀結(jié)構(gòu)研究的試樣和空白試樣均為本研究中未使用的試樣

觀察到使用WAAM制備的鈦合金呈現(xiàn)出各向異性的微觀結(jié)構(gòu)，通常由大的柱狀β晶粒呈現(xiàn)。WAAM Ti6Al4V拉伸試樣的延展性和強度與擠壓Ti6Al4V相比變化較小，Wang等人觀察到的延展性表明，隨著強度的增加，水平方向的延展性降低。存在缺陷時，WAAM部件的抗拉強度和疲勞壽命會下降。

據(jù)報道，與SLM相比，使用WAAM制造的零件的表面粗糙度要高得多。同樣，與SLM樣品相比，WAAM樣品顯示出較小的伸長率和拉伸強度，如圖2所示。因此，了解WAAM工藝參數(shù)對表面特性的影響至關(guān)重要，而表面特性將直接影響印刷部件的可加工性。

圖2 與WAAM和SLM樣品相比，拉伸強度、屈服強度和伸長率。

2.4 激光添加沉積（LAD）

LAD工藝?yán)�用激光束輔助金屬粉末材料的熔合。該工藝類似于焊接，因此，將表面重修或沉積應(yīng)用于現(xiàn)有零件的修復(fù)是非常有價值的。Dinda等人報告，LAD打印Ti6Al4V的拉伸強度和屈服強度（分別為1163 MPa和1105 MPa）合理高于Ti6Al4V植入物的ASTM標(biāo)準(zhǔn)，然而，延展性非常低。

2.5 冷噴涂增材制造（CSAM）

CSAM也稱為冷氣體動力噴涂，是一種固態(tài)過程，不涉及金屬粉末的熔化。該過程包括一個氣體預(yù)室，然后是收斂和發(fā)散加速噴嘴。通過載氣引入粉末，并將推進(jìn)氣體引入前室。載氣保持在比推進(jìn)氣體更高的壓力，從而在低溫下推動粉末以極高的速度撞擊目標(biāo)基板。氮氣（N2）和氦氣（He）惰性氣體用于實現(xiàn)這些臨界超音速。

使用CSAM制造鈦組件的一些優(yōu)點是沉積量明顯較大，并且與基板表面的附著力更好。CSAM工藝用于沉積溫度敏感和氧敏感材料，因為在加工過程中只需很少或不需要熱量。與其他MAM流程相比，CSAM對構(gòu)建大小和幾何結(jié)構(gòu)的限制較少。在CSAM工藝中，Ti6Al4V層和Ti6Al4V基板之間的粘結(jié)強度可以達(dá)到60 MPa，但與微觀結(jié)構(gòu)更致密的Cu和Al相比，仍然被認(rèn)為是多孔的。由于難以達(dá)到高抗拉強度，CSAM鈦合金的機(jī)械性能被認(rèn)為較差。

沉積在Ti6Al4V基板上的CSAM Ti6Al4V在打印件自由表面附近顯示出較高的殘余應(yīng)力。發(fā)現(xiàn)的應(yīng)力主要是拉伸應(yīng)力，但在界面區(qū)域附近也記錄了壓應(yīng)力。與SLM和EBM工藝相比，CSAM零件的表面粗糙度更高，因此需要對成品部件進(jìn)行更多的加工，如果引入進(jìn)一步的激光熔煉，則發(fā)現(xiàn)硬度高于最初生產(chǎn)的部件，這將導(dǎo)致其機(jī)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
參考文獻(xiàn)：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