原（yuán）標題：增材製造鈦（tài）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、表麵光潔度和刀具磨損的研究（jiū），對各種AM技術製備的鈦合金的切削性能進行了全麵的綜（zōng）述。本文為******部分。
摘要
鈦合金（Ti）由於（yú）其優異的物理和機械性能，在許多工業部門得到廣泛應用。然而，這些（xiē）特性（xìng）會導（dǎo）致在（zài）加工過程中產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（lái），增材製（zhì）造（AM）技術已（yǐ）被用於製造具有複雜輪廓的鈦零件。這（zhè）些AMed零件雖然接近淨形狀，但由（yóu）於表麵完整（zhěng）性（xìng）差，需要進行精（jīng）加工操作。本文根據對切削力、表麵光潔度和刀（dāo）具磨損的研究，對各種AM技術製備的鈦合金的切削性能（néng）進行了全麵的綜述。此外，還分（fèn）析了冷卻/潤滑（huá）方法和材（cái）料性能對AMed零件的影（yǐng）響。從該綜述中（zhōng）發現，AMed 鈦機械性能的改善導致更大的切削力和更高的溫度，這顯著影響了（le）精加工後加工操作後的刀具磨損（sǔn）和表麵質量。盡管如此，關於顯著（zhe）改善AMed 鈦組件可加工性的文（wén）獻（xiàn）非常有限，這（zhè）需要（yào）在未來的研究中予以重視（shì）。
1 介紹
鈦（Ti）合金因其優異的物理化學性能在工業中得（dé）到了廣泛的（de）應用。它們具有相對較低的密度和優異的機械性能，包括高屈服強度和彈性模量，並且這（zhè）些性能（néng）可（kě）以（yǐ）在高溫使用環境中保持。這些特性適用於大多（duō）數航空航天部件，如起落架總成和發動機渦輪葉片。此外，據報道，具有主導β相的鈦合金是生物醫學應用的（de）理想選擇（zé），如骨科骨植入物，因為β穩定元素應改善（shàn）鈦合金的生物力學（xué）兼容性。雖（suī）然（rán）鈦合金具（jù）有***受歡迎（yíng）的性能，但它們（men）也被歸（guī）類為難加工材料。鈦合金的高強度（dù）和低導熱性導致了加工過程中相對較大的切削（xuē）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（kuò）非常複雜，這（zhè）使得製造具有良好表麵光（guāng）潔度的零件（jiàn）非（fēi）常耗時。此外，典型的鈦部件製造工藝包括大量的原工件材料加工，這會產生大量（liàng）的材料（liào）浪費以及（jí）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（de）工藝。
不同冷卻速率下的微觀結構（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）相檢驗是研究鈦（tài）合金顯微組織演變（biàn）的更準確（què）有效的方（fāng）法之一。上圖（tú） a–g顯示了從150°C/s到（dào）0.15°C/s冷卻速度的一係列光學顯微照片。這些顯微照片顯示了顯（xiǎn）微結構如何隨著冷卻速度的降低而變化。這些微觀（guān）結構之間的差異包括αp的大小、αs的寬度和邊界α層的厚度的變（biàn）化，以及（jí）微觀（guān）結構是否具有菌落（luò）結構（屬於（yú）單一變體的平行α板簇）。
在過去二十年中，增（zēng）材製造（AM）工藝已逐漸應用於（yú）具有複雜（zá）幾何輪廓的金屬零件的生產。在此過程中，通常根據零（líng）件的數字化設計，通過逐層熔化和再固結原材料來製造部件。與（yǔ）傳（chuán）統的製造（zào）工藝（如鑄造、加工、鍛造和粉末冶金工藝）相（xiàng）比，AM可以生產（chǎn）近淨形狀的零件，而無需粗加工（gōng），從而避免了工件材料的浪費（fèi），並節省了冷卻（què）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（bú）能直接使用。這是因為增材（cái）製造（AMed）零（líng）件的表麵完整性是不可預測的，具體而言（yán），打印零件表麵的粗糙度、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（xū）要執行（háng）的關鍵後處理（lǐ）步驟之一，以（yǐ）獲得零件裝（zhuāng）配的光滑表（biǎo）麵光潔度。
對不同變形（xíng）鈦合金的可加工性進行了大量的研究。大多（duō）數研究集中在切削力、刀具設（shè）計、冷卻液、刀具磨損和其他一些關鍵因素上。切削力（lì）是關鍵因素之一，由於鈦合金的高屈服強度，切削力更大。這會導致較高的切削溫度和刀具/芯片（piàn）界麵的嚴重磨損，從而限製了加工鈦合金的效率。刀（dāo）具過度磨損會影響工件的表麵完整性（xìng），包（bāo）括加工後（hòu）的（de）粗糙度和（hé）殘餘應力。因此，采用（yòng）不同的（de）冷卻和潤滑方法，如高壓冷卻液、低溫冷卻液和***小量潤滑（MQL），以降低（dī）切削力（lì），減少刀（dāo）具/切屑和刀具/工件磨損。為了提高鈦合（hé）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麵，並顯著降低材料去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，表麵質量受到影響。
公司是一家集精密機械零部件加工，北京不鏽鋼零件加工,北（běi）京鈦合金（jīn）加工各類工裝夾具、治具、非標設備設計（jì）製（zhì）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（dù）隨著進給速度的增加而下降的（de）原因可能是，與在低（dī）進給速度（dù）下生產的較小切（qiē）屑（xiè）相比，在高進給速度下生產的較厚切屑（存在更多的材料，其作用類似於散熱器）中（zhōng）的熱擴散更為有效。在這種情況下，由於在高進給（gěi）速度（dù）下產生的芯片之間有效導熱而導致的溫度降低克服了由於材料去除率（lǜ）增加而導致的溫度升高。在低進給速度下（xià），由於激光光斑尺寸（2 mm）至少是進給的10–15倍，因此未（wèi）加工的材料在（zài）下一次切割操作（zuò）中被重新加熱，從而建立在先前（qián）的（de）熱（rè）含量基（jī）礎（chǔ）上，與下圖（tú）（b）所示的高進給（gěi）時較薄的加熱區（qū）相比，顯示出圖（a）所示（shì）的較高切割溫度。
(a)進料（liào）0.054 mm/rev的紅（hóng）外熱圖像顯示較厚的加熱區比(b)進（jìn）料0.28 mm/rev的紅外熱圖像（xiàng）。
雖然已（yǐ）經對變形鈦合金的加工進行了大量的研究（jiū），但對AMed鈦合金的可加工性知（zhī）之甚少。眾所周知，AMed鈦合金（jīn）的機械性能不同於鍛造鈦（tài）合金；AMed Ti6Al4V的硬度、屈服強度和極限抗拉強度明顯（xiǎn）高於鍛造（zào）Ti6Al4V。加工（gōng）AMed鈦合金時，這（zhè）些增強的機（jī）械性能（néng）可能會影響切削力（lì）、溫度和刀（dāo）具磨損的發展。其次，由（yóu）於大多數（shù）AM工藝中出現的快速熔化和凝固現象（xiàng），AMed 鈦合金的微觀結構與鍛造（zào）鈦合金相比有顯著差異（yì），這可能會在很（hěn）大程度上影（yǐng）響（xiǎng）加工後（hòu）工件的表麵完整性（xìng）。第三，不同的AM工藝需要不同級別的加工（gōng）操作。此外，在加工AMed 鈦合金時，使用等離子或激（jī）光輔助加工等預（yù）熱技術是非（fēi）常不可取的，因為（wéi）外部熱源（yuán）可能對零（líng）件性能產生有害影響。因此，有必要研究AMed鈦合金的可加工性，以確保加工（gōng）表麵的質量。
目（mù）前，關於不同AM方法製備的鈦合（hé）金的機械性能和顯微組織性能（néng）有許多綜述文章。然（rán）而（ér），關於AMed鈦零件可加（jiā）工性的信息很少。了解（jiě）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重要（yào）的。本文綜述了鈦（tài）合（hé）金AM工藝及其可加（jiā）工性。在下一節（jiē）中，介紹了主流AM技術的原理，包括電子束熔煉（EBM）、選擇性激光（guāng）熔（róng）煉（SLM）、線（xiàn）弧增材製造（WAAM）、激光增材沉積（LAD）和冷噴塗增材製造（CSAM）。本節還介（jiè）紹了AMed鈦合金的機械性能和（hé）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。***後，通過（guò）技術討（tǎo）論和（hé）未來的研究途徑，總結了本綜述得出的主要結論。
2、鈦合金的增材製造
增材製造（AM）工藝基於（yú）CAD設計文件的使用，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（jiāng）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（děng）多種製（zhì）造機器的情況下生（shēng）產組件。其他成本削減因素包括昂（áng）貴的熟練機械技師、各（gè）種切割和加工工具以及需要******對準的資源密集型夾（jiá）具。
一些常用的金屬增（zēng）材製造（MAM）工藝包括粉末床熔接（jiē）（PBF）、粉末喂料熔接（PFF）、線弧增材製造（WAAM）和冷噴塗增材製造（CSAM）。PBF工藝包括直接（jiē）金屬激光（guāng）燒結（DMLS）、選擇性激光熔化（SLM1）和電子束熔化（EBM）AM技術，而PFF工藝包括激光添加沉積（jī）（LAD2）和熱噴塗。此外，MAM流（liú）程可大（dà）致分為三個應用部門，即（jí）：近淨形狀製造、金屬修複和維持以及塗層，如圖1所示。近淨形狀製造可以定義（yì）為相對接近所需尺寸的部件（jiàn）的批量3D打印。金屬修複涉及更換或翻新在使用過程中出現磨（mó）損和性能退化的（de）金（jīn）屬部件區域，其中修複了幾毫米（mǐ）的（de）磨（mó）損區域。塗（tú）層通（tōng）常用於通過（guò）表麵強化來（lái）增強零（líng）件的性能，其（qí）中厚度從微米到（dào）幾毫米的材（cái）料沉積在基材/零件表麵上。由於工藝的不同，所有MAM工（gōng）藝都會產生（shēng）不（bú）同的零件特性。這將直接影響不（bú）同應用所需的後處理，特別是機加工。因此，不僅要（yào）了解（jiě）MAM工藝，還要了解其應用領域，以（yǐ）製定適當的加工策略。
圖1 根據應用領域對MAM流程（chéng）進（jìn）行分類。
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增強機械性能的致密3D組件。它被認為是***廣（guǎng）泛（fàn）使用的MAM技術之（zhī）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、掃描策略和製造（zào）後熱處理。如果不優化這些參數，可能（néng）會導致打印件中出現氣（qì）孔和其他有害（hài）缺陷。鈦合（hé）金的性能取決於一組正（zhèng）確的工藝參（cān）數。工藝參數的無意（yì）變化可（kě）導致微觀結構變化，直接影響部件的機械性能。對（duì）於商用純（CP）鈦，Attar等人報告了機械性能的（de）巨大變（biàn）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等人報告稱，SLM打印鈦零件的UTS比鑄造零件高出三倍；然而（ér），延性顯著降低。同樣，Attar等人也報告了（le）摻氧SLM打（dǎ）印CP Ti的強度顯著提高。
研究了三種掃描策略（luè），即掃描O、掃描X和掃描H。對於掃描O，激光束分（fèn）別以與Y軸成45°和-45°的角度掃描交替層。
SLM印刷零（líng）件的表麵（miàn）特性取（qǔ）決於工藝參數以及表麵缺陷，如（rú）氣（qì）孔。這可歸（guī）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。
2.2 電子（zǐ）束（shù）熔煉（EBM）
EBM工藝采用與SLM相似的技術，但使用（yòng）電子束作為熱源。它還使用真空環境（jìng）進行操作，隻需很少（shǎo）的（de）加工步驟即可生成複雜的形狀。與在惰性氣體環境中工作的SLM相比，真空環境防止了（le）由於存（cún）在氣體分子（zǐ）而導（dǎo）致的電子束偏（piān）轉。
SLM Ti–6Al–4V樣品的橫截麵（120 W和（hé）360 mm/s）。
由於預（yù）熱溫度較（jiào）高，EBM生產的部件由超細層狀共晶（jīng）組織組成（chéng）。據報道，EBM Ti6Al4V部件的質量幾乎與鍛造和（hé）機（jī）加工後（hòu）鑄造部件的質量相（xiàng）當。EBM組件確實需要對構建參數進行密切控製，以減少孔隙率（lǜ）和不良的（de）微（wēi）觀結構變化。未優化的工藝參數可能會導致鈦合金的機械（xiè）性能發（fā）生變化。光束和掃描速度被認為是***關鍵的控製（zhì）參數，直接影響微觀結構層麵的缺陷，從而影響印刷零（líng）件的機械性能。對EBM組件的多孔基體Ti6Al4V結構的研究表明，密度的增加會提高強（qiáng）度和楊氏模量。
2.3 絲弧增材製（zhì）造（WAAM）
WAAM以其快速的構建速度（dù）和快速的上市時（shí）間而聞名。WAAM係統安裝在帶有可編程機械臂的底板（bǎn）上，以生產具有近淨形狀的全功能部件。它（tā）已被廣泛用於生產具（jù）有可接受的機械性能（néng）和結構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（zhǎng）=0.7μm）。（B）（A）中突出顯示區域的高倍反極圖（步長=0.2μm）。（C） {10–12}和〈10-1-1〉極圖（tú）。（D）（B）中（zhōng）箭（jiàn）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（bèi）反極圖（步長=0.5μm）。（F）（E）中（zhōng）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（zhōng）箭頭所示（shì）區域的線跡，顯示孿晶的錯向角度。（I） EBSD樣品相對於垂直構建（jiàn）方向（VD）和基板（BP）的方向。請注意，壓縮（suō）軸位於VD中。
逆極點圖（上圖A和B）揭示了α相的強（qiáng）（0 0 0 1）基底織構，這（zhè）有助於在（zài）多個α相板條（tiáo）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（zuǒ）右。WAAM使用等離子弧將（jiāng）金屬絲熔化（huà）到熔池中，這也是該AM方法的一個挑戰，因為大熔池會導致（zhì）表麵張力效應，從而導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（zhè）使得尺寸精度非常差。熱輸入（rù）如果控（kòng）製不（bú）當，可能會（huì）在製（zhì）造的（de）部（bù）件上產生較大（dà）的應力（lì）。這（zhè）種AM工藝之所以（yǐ）不（bú）受歡迎，是因為其精度高、印刷部件中的感應殘餘應力明顯較高、表麵光潔度差、沿沉積方向的變化以及沿軌間間隙形成的空洞。
從（a）構建1和（b）構建2提取拉伸和疲勞試樣的（de）示意圖（tú）。在標記試樣時，******類表（biǎo）示方向：V表示試樣加工平行於構建方向，H表示垂直。第二類表（biǎo）示試驗類型：T表示拉伸，F表示疲（pí）勞。M表示用於微觀結構研究的試樣（yàng）和空白（bái）試樣均為本研（yán）究中未使用的試樣（yàng）
觀察到使用WAAM製備的鈦合金呈現出各向異性的微觀結（jié）構，通常由大的柱狀β晶粒呈現（xiàn）。WAAM Ti6Al4V拉（lā）伸試樣的延展性（xìng）和強度與擠壓Ti6Al4V相比變化較小，Wang等人觀察到（dào）的延展性（xìng）表明，隨著強度（dù）的增加，水平方向的延展性降低。存在缺陷（xiàn）時，WAAM部件的抗拉強度（dù）和疲勞壽命會下降。
據報道，與SLM相（xiàng）比，使用WAAM製造的零件的表麵（miàn）粗糙度要高得多。同樣，與（yǔ）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（shì）。因（yīn）此，了（le）解WAAM工藝參數對表（biǎo）麵特性的影響至關重要，而表麵特性將直（zhí）接影響（xiǎng）印刷部件（jiàn）的可加工性。
圖（tú）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工藝利用激光束輔（fǔ）助金屬粉末材料的熔合。該工藝（yì）類（lèi）似（sì）於（yú）焊接（jiē），因此，將表麵重修或沉積（jī）應用於現有零（líng）件的修複是非常（cháng）有價值（zhí）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）合理高於Ti6Al4V植入物的ASTM標準，然而，延展性非常低。
2.5 冷噴塗增材製造（CSAM）
CSAM也稱為冷氣體動（dòng）力噴塗，是一（yī）種（zhǒng）固態過程，不涉及金屬粉末的熔化。該過程包括（kuò）一個氣體預室，然後是收斂和發散加速噴嘴（zuǐ）。通過載氣引入粉末，並將推進氣體引入前室。載氣保持在比（bǐ）推進氣（qì）體更高的壓（yā）力（lì），從而在低（dī）溫下推動粉末以極高的速度撞（zhuàng）擊目（mù）標（biāo）基板。氮氣（N2）和氦氣（qì）（He）惰性氣體用於實現這些臨界（jiè）超音速。
使用CSAM製（zhì）造鈦組件（jiàn）的一些優點是沉積量（liàng）明顯較大，並且與基板表麵的附著（zhe）力更好。CSAM工藝用於沉積溫度敏感（gǎn）和氧敏感材料，因為在加工（gōng）過程中隻（zhī）需很少或不需要熱量。與其他MAM流程相比，CSAM對構建大小和幾何（hé）結構（gòu）的限（xiàn）製較少。在CSAM工藝中，Ti6Al4V層和Ti6Al4V基板之間的粘結強度可以達到60 MPa，但與微觀結構更致密的Cu和Al相比，仍然被認為是多孔的。由於難以達到高抗拉強度，CSAM鈦合（hé）金的機械性能被認為較差。
沉積在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。發現的應力主要是拉伸（shēn）應力，但在界麵區域附近也記錄了壓（yā）應力。與SLM和EBM工藝相比，CSAM零件的表麵粗糙度更高，因此需要（yào）對成（chéng）品部件進行更多的加（jiā）工，如果引入進一步的激光熔煉，則（zé）發現硬度高於（yú）***初生產的部件，這將導致其機械性能的（de）變化。
來（lái）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：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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