原標題：增材製造鈦（tài）合金的可加（jiā）工性:綜述（3）
江蘇激（jī）光聯盟陳長軍導讀：
本文根據對切（qiē）削力、表麵光潔度和刀具磨損的研究，對各種AM技術製備的鈦合金（jīn）的切削性能（néng）進行了全（quán）麵的綜述。本文為（wéi）第三部分。
3.4 AMed鈦合金的微加工
隨著精密製造（zào）的發展，微機械加工在微型零件（jiàn）的生產中迅速發展（zhǎn）。由於易用性、工藝靈活性、低（dī）安（ān）裝成本和無限製的零件材料等優點，微機械加工已成為大規模生產具有複雜三維輪廓零件（如微傳感器、生物醫學零件、微模具和模具）的***有前景的技術。然而，與傳統尺度（毫米級）下的切削過程相比，當加工參數（主要是進給速度）減小到微米級（jí）時，一（yī）些經常被忽略的因素變得非常重要。
在傳統的宏觀（guān）加工中，切削刃通常被（bèi）認為是鋒利的，這意味著切削刃的半徑遠小於進給速度。在微機械加工中，切削深度在1 mm以內（nèi），進給速度通常在微米級。在這種情況（kuàng）下，切（qiē）削刃的半徑通常與***小未變形切屑厚度相（xiàng）似，甚至（zhì）更（gèng）大（圖18）。從正交切削的角度來（lái）看，這意味著切屑流的形成是由切削刃的犁削（或彈性恢複）而不是切削引起的。微加工中的另一個關鍵因素是毛刺的形成。毛刺是影響滿足所需尺寸公差和幾何形狀能（néng）力的缺陷。在銑削過程中，由於工件（jiàn）材料的推壓，在切削路徑的入口和出口形成毛（máo）刺。傳統的去毛刺方法（fǎ）不適用於微尺（chǐ）度加工的零件，因（yīn）為它可能會損壞加工表麵以及尺寸精度。因此，為了保證加工表麵（miàn）的質量，限製微加工中毛刺的（de）形成是非常重要的。
圖18 不同切削深度下微細銑削中切屑形成（chéng）的機理：（a）切（qiē）削深（shēn）度<切削刃半徑，（b）切削深度=切削刃半徑，（c）切削深度>切削刃（rèn）半徑。
已經開展了多項研（yán）究，以（yǐ）研究AMed鈦合金的微觀切削性能。Le Coz等人研究了SLMed Ti6Al4V在幹切（qiē）削條件下的（de）微車削過程，切削力、硬度和殘餘應力是分析的主要響應。Bonaiti等人研究了LAD在不同軸向切削深度（dù）和進給速度下（xià）製造的Ti6Al4V的微（wēi）銑削。他們（men）提出，硬度是影響（xiǎng）微細加工中（zhōng）切削力和毛刺形成的關鍵（jiàn）因素。具體而言，切（qiē）削力和毛刺數量從樣品A增加到樣品C（圖19（A）），這與硬度的增（zēng）加一致（zhì）。Le Coz等人（rén）研究了SLMed Ti6Al4V的微切削（xuē）過程，並分析了不同切削參數下的切屑形態。如圖19（b）所（suǒ）示，切屑的形狀從6 m/min的長錐形螺旋切屑變為102 m/min的螺旋狀錐形切屑。在500 m/min的（de）較（jiào）高速度下，切屑為螺（luó）旋狀帶狀，但易碎。較低（dī）的未切割切（qiē）屑厚度會形（xíng）成螺旋狀的（de）錐形切屑，較高的進（jìn）給速度會形成較長的切屑。
圖19 （a） AMed Ti6Al4V微銑削中的毛刺形成，（b）不同工件材（cái）料微（wēi）切削中的切屑（xiè）形態，（c）在（zài）不同切削參數（shù）下鑽削DMLSed工件時（shí）的孔質量，（d）通過CT（計算機斷層掃描）掃描的螺紋孔形態。
Rysava等研究了由DMLS通過牙釘的微鑽孔和螺紋製造的Ti6Al4V的可加工性。對不同（tóng）軸向位置的孔徑精度進行了分析，發現由於主軸（zhóu）的（de）跳動，孔徑隨深度的增（zēng）加略（luè）有增大。鑽孔和螺紋操作中，不同切（qiē）削參數下的毛刺（cì）大小和形狀差異不（bú）顯著（圖19（c）和圖19（d））。
在另一項研究中，Hojati等人係統地研究了鍛造和EBMed鈦合金在（zài）微銑（xǐ）削中的可加工性。分析了切削過程中的（de）比能和毛刺形成。結果表明，由於尺寸效（xiào）應，當切屑厚度（dù）小於7.4μm時，切削EBMed工件的比能量高出5-15%。加（jiā）工變形材料時，毛刺（cì）形成是連續的，並且具（jù）有波形特征（zhēng）。相比之下，由於AMed零件粗糙（cāo）表麵的不規則特性，EBMed零件上形成的毛刺（cì）不連續且尺寸較小。此外，盡管硬度較高（gāo），但EBMed零（líng）件上形成了更多（duō）的毛（máo）刺。此外，還發現（xiàn）在較低的未切割切屑厚度下會形成更多的毛刺（圖20）。這是因為犁削現（xiàn）象顯著，導致比能量較大，剪切變形占主導地位，導致形成更寬和更厚的毛刺。
圖（tú）20 0EBMed Ti6Al4V的比切削能（néng）量與毛刺形（xíng）成之間的相關性。
3.5 AMed鈦合金材料性能的影響
3.5.1. 孔隙度的影響
加工後接近完全（quán）致密（mì）的AMed鈦部件表現出（chū）優異的機械性能。然而，即使存在***輕微的孔隙，這些零件的機械性能也會顯著（zhe）降低。AMed零件表麵的氣孔顯（xiǎn）著影響此類零件（jiàn）的可加工性。Varghese等人報告（gào）說，切削力和表（biǎo）麵光潔度取決（jué）於AMed試樣（yàng）的（de）孔隙度水平。他們（men）發現，平均切削力（lì）隨著孔隙度的增加而降低，而表麵光潔度***初隨著孔隙度的增加而惡化，隨著孔隙度值的增加而改善，如（rú）圖21所示。多孔AMed 鈦工件的不均勻性導致切削力隨著切削深度的增加而增（zēng）加。他們還發現，與鍛造（zào）零件（jiàn）相比，多孔AMed Ti6Al4V零件的表麵光潔度非常差。
圖21 (a)切削力和(b)表麵粗（cū）糙度隨切割（gē）深度(DOC)從60 μm增加（jiā）到100 μm的變化。鍛造(WT)，全致密(AM0)， 30%多孔(AM30)， 46%多孔(AM46) AMed Ti6Al4V工件完（wán）全致密（AM0）、30%多（duō）孔（AM30）和46%多孔（AM46）AMed Ti6Al4V工件。
加工多（duō）孔或孔隙（xì）誘導的工件材料的過程可被視為一個中斷的切削操作，其中工件的一段是用於（yú）連續切削（xuē）的固體塊狀材料，工件表麵上（shàng）的孔隙代表刀具脫離切削的區域，如圖22（a）所示；從而形成短（duǎn）長（zhǎng）度的切屑。當然而（ér），在AMed工件的（de）情況下，在大多數（shù）情況下，孔隙率都（dōu）是微（wēi）尺度的，可以應用變形誘導切削機製，其中切（qiē）削刀具刃與表麵孔隙附近的工件區（qū）域的相（xiàng）互作用可以導致孔隙閉合和機加（jiā）工表麵的表麵加工硬化，如圖22（b，c）所示。然而，在這兩種切割機製中，表麵和（hé）/或地下孔隙度的存在導致切割力下降。
圖22 （a）含有（yǒu）宏觀孔隙的工件表麵的中斷切割機製，以及含有微觀（guān）孔隙的工件表麵的變形誘導切割機製，導（dǎo）致（a）孔隙閉合和（b）加工硬化機（jī）加工表（biǎo）麵。
Caustan和Cimino認（rèn）為，多孔（kǒng）工件造成的中斷切削可（kě）能會（huì）在刀具上產生循環載荷，這種連續的加載和卸載循（xún）環可能會導致刀具邊緣出現微裂紋。
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3.5.2 各向異性的影響
AM誘導（dǎo）的材料性能各向異性是分析AMed鈦合金可加工性時不可忽視的另一個因素。關於各向異性對AMed零件加工性（xìng）能影響的（de）文獻非常有限。Shunmugavel等人通過（guò）正交切削實驗（yàn），研究了SLM在不同建築取向下製備的Ti6Al4V的可切削性，得出結論，可切削性受β晶粒取向（xiàng）的影響。
在與工藝過（guò）程（chéng）中形成的層流和柱狀優先β晶粒方向相關的不同方向上移（yí）除一毫米厚的表麵材料層。在（zài）垂直於層（céng）流優先（xiān）β晶粒的X-Y平麵（圖23（A））中沿Y方向進給（gěi）（情況1），在Y-Z平麵（圖23（b））中沿Y方向進給，穿過柱狀優先β晶粒（情（qíng）況2），並在平行於層流優先β晶粒的（de）Y-X平（píng）麵上沿X方向（xiàng）進給（圖23（c））（情況（kuàng）3）。當切削進（jìn）給方向與層流優先β晶粒垂直時，切削力（主切削力和推力）***大（情況（kuàng）1），而當切削穿過柱狀優先（xiān）β晶粒時，切削力***小（情況2）。至於表麵完整性，發（fā）現情況1的機加工表麵***光滑，而在其他兩種情（qíng）況的機加工表麵上（shàng）發現鋸齒狀刀具軌跡（圖24（a-c））。由於刀具上的BUE，鍛造Ti6Al4V的機加工表麵***差（圖24（d））。
圖（tú）23 研究了SLMed Ti6Al4V試樣（yàng）的顯微組織特征和（hé）正交切（qiē）削策略；（a）案例1：垂直於建築（zhù）方向（沿X-Y平麵的Y方向），（b）案例2：垂直於建築方向（沿Z-Y平麵的Y方向（xiàng）），（c）案例3：平行於建築方向（沿X-Y平麵的X方向）。
圖24 加（jiā）工表麵的光學圖像；（a） SLMed Ti6Al4V的情況1、（b）情況2、（c）情況3，以及d）鍛造Ti6Al4V樣品。
Lizzul等人研究了AM工藝引起的各向異性對刀具磨損的影響（xiǎng）。他們得出結論，α-晶界（αGB）的方向是影響工件可加工性的關鍵因素。實驗通（tōng）過（guò）銑削（xuē）AMed Ti6Al4V試塊進行，該試塊在αGB層的四個堆積方向（0°、36°、72°和90°）製備（bèi）。由於（yú）所有切削參數都是恒定的（進給速度：0.02 mm/齒，切削（xuē）速度：75 m/min，軸向/徑向切削（xuē）深度：0.2 mm/2 mm），因此工件的各（gè）向異性被認為是影響刀具磨損發展的******因素。結果表明，當（dāng）αGB層傾角從0°增加到90°時（shí），刀具（jù）壽命逐漸降低到40%。在AMed 鈦合金的切削過程中，αGB層（céng）代表了微觀結構中（zhōng）的不連續性（xìng）和可能（néng）產生裂紋的薄弱點。如圖25所示，銑刀的旋轉邊緣以對準角κ切（qiē）入工（gōng）件。當層的方向角為0°時，配準角為90°。在這種情況下，切削刃的旋轉方向與αGB層平行，這有助於形成切屑，從而去除材料（liào），減少作用在切削刃上的力，提高刀具壽命（mìng）。相反，當切削（xuē）90°-αGB層試樣時，切削過程穿過αGB層，增加了切削力，導致更（gèng）嚴重的刀具磨損。
圖25 （a）相對於0°樣品先前β晶粒方向的刀具齧合，以及（b）顯示αGB層相（xiàng）對於刀具對（duì）準角κ的取向角的縮放圖片。
3.5.3 後處理熱處理的效果
一般而言，AMed構件采用後處理（lǐ）熱處（chù）理，以獲得更好的延展性（xìng）和強度（dù）。然而，Littlefair等人報告稱，由於SLMed Ti6Al4V的（de）熱處理，微觀結構發生變化，強度增加，導致刀具在高速（sù）切（qiē）削時出現嚴重磨損和災（zāi）難性刀具失（shī）效，如圖26（a）所示。此外，由於熱處理後工（gōng）件的（de）延展性增加，鈦材料與刀具的附著力顯著（zhe）增加，導致加工表麵更粗糙，如圖26（b）所示。他們還報告說，切割（gē）速度的（de）增加導致加工（gōng）工件表麵下的塑性變形深度增加，如（rú）圖26（c）所示。
圖26 （a）刀具磨損，（b）機加（jiā）工表麵粗糙度，以及（jí）（c）不同切削速度下鍛造（zào）和SLMed Ti6Al4V工件（jiàn）的亞表麵塑性變（biàn）形的變化。
Ahmadi等人研究了具有不同α和β相組成的熱處理Ti6Al4V的微銑削（xuē）。他們發現，由（yóu）於工件的硬（yìng）度更高，刀具邊緣的BUE更大，含有兩種相的（de）較小晶粒尺寸和β相的較低分數的樣品導致更高的切削力。他們還發現，加工工件表麵的紋理取決於銑削策略，無論是上銑還是下銑，下銑都會產（chǎn）生更多的壓縮次表麵變形。應力消除熱處理還（hái）增加了AM製造組件上的壓縮應力，這也解釋了與竣工和鍛造條件（jiàn）相比，應力消除組件（jiàn）的切削力（lì）增加的原因（圖（tú）27）。
圖27 鍛造（常規）、SLM竣工（SLM-AB）和SLM應力消除（SLM-SR）Ti6Al4V工件的合成切削力隨切削長度的變（biàn）化。
與（yǔ）鍛造工件（jiàn）相比，LAD製造的Ti6Al4V需（xū）要更高的切（qiē）削力進行加工。熱處理（lǐ）與加（jiā）工參數對變形鈦合金的影響可導致疲勞壽命方麵的裂紋（wén）萌生率（lǜ）。了解後熱處（chù）理工藝對加工過程的影響至關重要，無論是鍛造零件還是AMed零件。在某（mǒu）些情況下，熱處理不僅可以通（tōng）過提高延展性、耐磨性、強度來提高AMed 鈦合金的機械性能，而且可以降低切削力和延長刀具壽命。然而，每種AM工藝都需要特定的工藝相關熱處理，以實現熱處理AMed鈦合金工件（jiàn）的***佳可加工性。
3.6 AMed鈦合金加工建模
近年來，許多研究人員成功地證明，金（jīn）屬增（zēng）材製（zhì）造工藝已經成熟，可以生產出具有可靠和可重複（fù）機械性能的金（jīn）屬零件，適合特定應用。盡管如（rú）此，大多數研究從成形（xíng）過程的角度報告了研究結果，並（bìng）沒有探（tàn）索後續後處理（如機加工操作）對部件性能的影響。因此（cǐ），了解加工對AMed 鈦工（gōng）件性能的影響至（zhì）關重要。***重（chóng）要的是，需要開發（fā）AMed部件（jiàn）後加工操作的數值模型，以便在一定範圍內預測（cè）零件（jiàn）性能。
通過比較計算結果和實（shí）驗結果（圖28），發現主切削力、推力和切削溫度的誤差在1%~10%之間。然而，可以看出，進給速度（dù）為0.05 mm/rev時，切削力的誤（wù）差更大。此外，與預測（cè）切削力相比，不同切削參數下的預（yù）測溫度誤（wù）差更大（通常超過15%）。這歸因於模（mó）型（xíng）參數的優化，因為（wéi）EBMed Ti6Al4V的材料性能與鍛造材料非常不同。類似地，Bordin等人應用相（xiàng）同的模（mó）型來模擬EBMed Ti6Al4V的半精車削過程。結果表明，主切削力預測值在可接受範（fàn）圍內（誤差7%）。然而，預測的進給力和切（qiē）削溫度值遠（yuǎn）高於實（shí）驗（yàn）數據，如圖29所示。
圖28 EBMed Ti6Al4V工件正交切削建模中主切削力、推力（lì）和溫度的驗證。
圖29 EBMed Ti6Al4V幹車削和低溫半精車削過程中（a）主切削力、（b）進給力和（c）溫（wēn）度的預測數據與實驗數據的比較。
在切削過程的模擬中，采用了局部（bù）重劃方法，提高了加工表麵應力分布的精度。如圖30所（suǒ）示，報告了考慮α片層應變、α片層（céng）厚度和α片層納米硬度變（biàn）化的切屑形成（chéng）模擬，這與實驗結果非常一致（zhì）。此外，還發現，由於應變（biàn）軟化，使用低溫冷卻劑的塑性應變較高（gāo）；然而，發現低（dī）溫冷卻劑條件下的α-片層厚度小於幹切削工藝的厚度，如圖31（a，b）所示。納米硬度受α片層厚度和應變的影響（圖31（c，d））。具體而言，當α片層厚（hòu）度較低時，在低溫冷卻劑環境下可以看到較高的硬（yìng）度。在較高的切削速度下，隨著α片層應變的增加，亞表（biǎo）層納米硬度增（zēng）加。
圖30 模擬結果顯示了EBMed Ti6Al4V工件幹加工過程（chéng）中預測的（a）α片層應變、（b）α片層厚度和（hé）（c）α片層的納米硬度。
圖31 在（c）幹燥和（d）低溫加工條件下，預測和實驗（a）α片層塑性應變、（b）α片層厚度和加工表麵（miàn）納米硬度之（zhī）間的比較。
圖32表示由五個覆（fù）層組成的薄壁零件的LAD模擬。可以觀察到，當初始層（céng）被熔覆時，殘餘應（yīng）力較（jiào）大，並且由於後續層的溫度（dù）分布均（jun1）勻，新熔覆層下（xià）方的熱應力減小。熔覆完成後，由於熱端效應，殘餘應力分布變得均勻，但在薄壁的中間（jiān）部分更高。圖33顯示了不同加工間隔下的殘餘應力分布。銑削***底層後，殘餘應力發生顯著變（biàn）化。研究發現，去除表（biǎo）麵材（cái）料後，表麵的初始拉伸殘（cán）餘應力狀態降低，加工後表麵（miàn）變得壓縮。模擬結果表明，在機械加工和AM條件下，殘餘應力平均（jun1）降低約47%。
圖32 打印（yìn）後，通過（guò）激光添加（jiā）沉積工（gōng）藝製造薄壁零件時產生（shēng）的應力場：（a）一層；（b）兩（liǎng）層；（c）三層；（d）四（sì）層；（e）完整部分（fèn）
圖33 不同後處理加工時間後的應力分布：（a）0 s，（b）0.037 s，（c）0.074 s，（d）0.111 s，（e）0.148 s，和（f）0.185 s。
4 討論及未來工作
本文全麵回顧了增材製（zhì）造的鈦合金及其機械加工性能。在用於製造鈦組件的各種AM工藝中，確定了五種***廣泛使用的MAM工藝，即：SLM、EBM、LAD、WAAM和CSAM。在（zài）過去十年（nián）中，對AMed 鈦加工特性的研究越來越多，已發表的文獻研究了與印刷零件材料特性相關的（de）切削性能變化。
眾所周知，鈦合金由於（yú）其（qí）高彈性模量和（hé）屈服強度，其機械加工性能較差。在加工鈦合金時，切削區內嚴重的刀具磨損（sǔn）和高溫會導致嚴重的刀具磨損。在加工AMed鈦合金時也報告了類似的觀察結果。與加工變形鈦合金時的冷卻和潤滑方法（fǎ）類似，冷卻液和替代方法（如低溫冷卻和MQL）被用於（yú）降（jiàng）低切削溫度和隨後的刀具磨損，***終改善了加工工件的表麵完整性（xìng）。
切削參數的選擇是需要進一步研究的另一個方麵。切削深度的選擇可能會對AMed Ti組（zǔ）件的表麵完整性產生重大影響。切（qiē）削過程中刀具/工件（jiàn）的相互作用會導致加工表麵上的殘餘應力（lì）以及次表麵變形，而這些不可見的影響直接受到切削參數選擇的影響。在AMed Ti部件的微（wēi）加工中，了解（jiě）使用常規（guī）微加工工（gōng）藝可以實現的公差和（hé）表麵粗糙度至關重要。
***重要的是，孔隙（xì）率（lǜ）和各向異性導致材料性能沿（yán）不同方向和不同位置發生變化，這是AMed鈦合金的一個特征。此外，後處理熱處理使AMed鈦合金（jīn）的（de）微觀結構和機械特性（xìng）發（fā）生顯著變化（huà）。在多（duō）軸加工中，刀具軌跡的優化（huà）應考慮印刷/切削方向，這有助於提高已加工AMed零（líng）件的表麵光潔度和尺寸精度。
除了所有這些關於（yú）切（qiē）削參數的研究工作外，對於適合加工AMed零件的刀具及其設計還沒（méi）有太多的關注。應明確關注刀具刃（rèn）口的前角、卸壓角和間隙角。因此，必須更加重視刀具的研發，以獲得更好的AMed零件精加工質量。
5 結論（lùn）
本文對鈦（tài）合金的切削加工性能（néng）進行了綜述和討論。在宏觀/微觀尺度上切削AMed鈦合金時，切削力、溫度、表麵光潔度、亞表麵微觀結構、切屑形貌和刀具磨（mó）損均較高。還總結了冷卻/潤滑方（fāng）法（包括MQL和深冷）對切削響應的影響。討論了孔隙率、各向（xiàng）異性和熱處理後材料性能對AMed鈦合金切削（xuē）性（xìng）能的影響。還簡要討論了使用建模技術評估（gū）AMed Ti工件的可加工性。從*********的研究中得出的結論總結（jié）如下：
（1）在不同的AM方法中，基於PBF的方法，SLM和EBM由於其設計靈活（huó）性，在鈦合金零（líng）件的製造中占據主導地位。然而（ér），這些AM工藝僅限於其機室尺（chǐ）寸；因此（cǐ），它們適用於尺寸（cùn）小、產量低的零件。或者，其他AM工藝（如LAD、WAAM和CSAM）正越來越多地應用於以更快的生產率製造更大尺寸的鈦組件。然而（ér），這些工藝生產的零件需要後續的後加工。迄今為止，與鍛造（zào）工件相比，關於AMed 鈦（tài）工件可加工（gōng）性的信息非常少，其中大部分與SLM和（hé）EBM打印零件有關，僅限於一種類型的鈦合金（Ti6Al4V）。因此，進一步探索AMed鈦合金的加（jiā）工特性還有很（hěn）大的研究（jiū）差距。
（2）與鍛造鈦合（hé）金（jīn）相比，AMed鈦合金的機械性能（néng）（包括硬度、屈服強度和極限抗拉強度）更高，這導致更高的切（qiē）削力（lì）和切削（xuē）溫度，增（zēng）加了AMed鈦合金的加工難度。
（3）在加工AMed 鈦零件時（shí），惡劣的切削（xuē）條件直接導致較高的刀具磨損率，從而進一步影響已加工工件的表麵完整性，導致較高的表麵粗糙度和高硬度的塑性變形亞（yà）表層。
（4）采用低（dī）溫冷卻和MQL等交替冷（lěng）卻和潤滑方法來降低切削溫（wēn）度和隨後的刀（dāo）具磨損，從而***終改善已加工AMed工件的（de）表麵完整性。然而，在微加工過程中，由於產生的熱量（liàng）很小，冷卻劑的影響很小。
（5）材料性能的孔隙率和各向異性顯著影響AMed 鈦組件的可加工性（xìng）。此外，後處理熱處（chù）理引起微觀結構特征的變化，進一步動態影響加工響應。因此，應（yīng）進一步（bù）研究AMed 鈦工件的（de）切削性能（néng）與顯微組織特征之間的關係。
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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