原標（biāo）題：增材製造鈦合金（jīn）的可加（jiā）工性:綜述（1）
江蘇激（jī）光（guāng）聯盟陳長（zhǎng）軍導讀：
本文根據對切削力、表麵光潔度和刀具磨損的研（yán）究，對各種AM技術製（zhì）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（tài）合金（Ti）由於其優異的物理和機械性能，在許多工（gōng）業部門得到廣泛應用。然而，這些特性會導致（zhì）在加工過程中產生較高（gāo）的切（qiē）削力和溫度，從而降低（dī）鈦合金的可加工性。近年來，增材製造（AM）技（jì）術已被用於製造具有複雜輪廓的鈦零件。這些（xiē）AMed零件（jiàn）雖然接近淨形（xíng）狀，但（dàn）由於表麵完整性（xìng）差，需要進行精加工操（cāo）作。本文根據對切削力、表麵光潔度和刀具磨損的研究，對各種AM技（jì）術製（zhì）備的鈦合金的切削性能進行了全（quán）麵的綜述。此（cǐ）外，還分析了冷卻/潤滑方法和材料性能對AMed零件（jiàn）的影（yǐng）響。從該綜述中發現，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（jù）磨損和表麵質量。盡管如此，關於顯著改善AMed 鈦組件可加（jiā）工性的文獻非常有限，這需要在未來的研究中予以重視。
1 介紹
鈦（tài）（Ti）合金（jīn）因其優異的物理化學性能在工業中得到了廣泛的應用。它（tā）們具有相（xiàng）對較低的密度和優（yōu）異的機械性（xìng）能，包括高屈服強度和彈性模量，並且這些性能可以在高溫（wēn）使用環境中保持（chí）。這些特性適用於大（dà）多數航空航天部件，如起落架總（zǒng）成和發動機渦輪葉（yè）片。此外，據報道，具有主導β相的（de）鈦合（hé）金是生物醫學應（yīng）用的理想選擇（zé），如骨（gǔ）科骨（gǔ）植入物，因為β穩定元素應改善鈦合金的生物力學（xué）兼容性。雖然鈦（tài）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（tài）合金的高強度和低導熱性（xìng）導致了加工過程中相對較大的切削力和較高的切（qiē）削溫度。渦輪葉片和骨植入物等鈦部件的一些輪廓非常複雜，這（zhè）使得製造具有良（liáng）好表麵（miàn）光潔度的零件非常耗時。此外，典型的鈦部件製造工藝（yì）包括大量的原工件材料加工，這會產生大量的（de）材料浪費以及高能耗和（hé）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，金相檢驗是研究鈦合（hé）金（jīn）顯微組織演變的更（gèng）準確有效的方法之一。上圖 a–g顯（xiǎn）示（shì）了從（cóng）150°C/s到0.15°C/s冷卻（què）速度（dù）的一係列光學顯微照片。這些顯微照片顯示了顯微結構如何隨著冷卻速度的降低而變化。這些微觀結構之間的差異包括αp的大小、αs的寬度和邊（biān）界α層的厚度的變化，以及微（wēi）觀結構（gòu）是否具有菌（jun1）落結構（屬於單一變體的平行α板簇（cù））。
在過去二十年中，增材製（zhì）造（AM）工藝已逐漸應用於具有複雜幾何輪廓的金屬零件的生產。在此過程（chéng）中，通常根據（jù）零件的數（shù）字化設計，通過逐層熔化和再固結原材料來製造部件。與傳統（tǒng）的製造工藝（如鑄造、加（jiā）工（gōng）、鍛（duàn）造和粉（fěn）末冶金工藝）相比（bǐ），AM可以生產近淨形狀的零件，而無需粗加工，從而避免了（le）工件材料的浪費，並節省了冷卻液、刀具（jù）和加工夾具等加工資源（yuán）的消耗。然而，AM工藝生產的大多數零件不能直接使（shǐ）用。這（zhè）是（shì）因為增材製造（AMed）零件的表麵完整性是不可預測的，具體而言，打印零件表麵的粗（cū）糙度、硬（yìng）度（dù）和殘餘應力遠高於（yú）鍛（duàn）造（zào）材料。因此，AMed零件的精（jīng）加工是需要執行的關鍵後處理步驟之一，以獲得零件（jiàn）裝配的光滑（huá）表麵（miàn）光潔度。
對不同變形鈦合金的（de）可加（jiā）工性進行了大量的研究。大多數（shù）研（yán）究集中（zhōng）在切削力、刀具設計、冷卻液、刀具磨損和（hé）其他一些關鍵因素（sù）上。切削力是關（guān）鍵因素之一，由（yóu）於鈦（tài）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/芯片界麵的嚴重磨損，從而限製了加工鈦（tài）合金的效率。刀具過度磨損會影響工（gōng）件的表麵完整性，包括加工後的粗糙度和殘餘應力（lì）。因此，采用不同的冷卻（què）和潤滑方法（fǎ），如高壓冷卻液、低溫（wēn）冷卻液和***小量潤滑（MQL），以降低切削（xuē）力，減少刀具/切屑和刀具/工（gōng）件（jiàn）磨損。為了提高（gāo）鈦合金的加工效（xiào）率，還可以（yǐ）采用激光（guāng）輔助加工，從（cóng）而軟化工件材料的表麵，並顯著降低材料（liào）去除過程中的加（jiā）工應力（lì），同（tóng）時，如果激光功率選擇不當，刀具磨損仍然不可避（bì）免，表麵質量受到影響。
公司是（shì）一家集精密機械零部件（jiàn）加工，北京不鏽鋼零件加工（gōng）,北京鈦合金加工各類工裝夾具、治具、非標設備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（guó）模具協會會員企業。
在LAM過程中，切削溫度（dù）隨著進給速度的增加而下降的原因可（kě）能是，與在（zài）低進給速度下生產的較小切屑相比，在高進給速度下生產的較厚切屑（存在更多的材料（liào），其作用類似於散熱器）中的熱擴散更為有效。在這種情況下，由於在高進給速度（dù）下產生的芯片之間（jiān）有（yǒu）效導熱而導致的溫度降低克服了（le）由於材料去除率增（zēng）加而導致的溫度升高。在低進給速度（dù）下，由於激光光斑尺寸（2 mm）至少是進給的10–15倍，因此（cǐ）未加工的材料在下一次切（qiē）割操作中被重新加熱，從而建立在先前的（de）熱含量基礎上，與下圖（b）所（suǒ）示的高進給（gěi）時較薄的加熱區相比，顯示出圖（a）所示的（de）較高（gāo）切（qiē）割溫度（dù）。
(a)進料0.054 mm/rev的紅外熱圖（tú）像顯（xiǎn）示較厚的加熱區比(b)進（jìn）料0.28 mm/rev的紅外熱圖像（xiàng）。
雖（suī）然已經對變（biàn）形鈦合金（jīn）的加工（gōng）進行了（le）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（hé）金的機械性能（néng）不同於鍛造鈦合金；AMed Ti6Al4V的硬度、屈服強度和極限抗拉強度明顯高於鍛造Ti6Al4V。加工AMed鈦合（hé）金時，這些增強的機械（xiè）性能可能會影響切削力、溫度和刀具磨損（sǔn）的發展。其次，由於（yú）大多數AM工藝中出現的（de）快速熔化和凝固現象，AMed 鈦合金的微觀（guān）結構與鍛造（zào）鈦（tài）合金相比有顯著差異，這可能會在很（hěn）大程度上影響加工（gōng）後工件的表（biǎo）麵（miàn）完（wán）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（lí）子或激光輔助加（jiā）工等預熱技術是非常不可取的，因為（wéi）外部熱源可能對零件性能產生有害（hài）影響。因此（cǐ），有必要研究AMed鈦合金的可（kě）加工性，以確（què）保加工表麵的質量。
目前，關於不（bú）同AM方法製備的鈦（tài）合金（jīn）的機械性能和（hé）顯微組織性能有許（xǔ）多綜述文章。然而，關於AMed鈦零（líng）件可加工性（xìng）的信息很少。了（le）解不同AM方法的不同固有特（tè）性如何影響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（kě）加工性。在下一節中，介（jiè）紹（shào）了主流AM技術的原理，包括電子束熔煉（EBM）、選擇性激光熔煉（SLM）、線弧增材製造（WAAM）、激光增材沉積（LAD）和冷噴塗（tú）增材製造（CSAM）。本節（jiē）還介紹了AMed鈦合金的機械性（xìng）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。***後，通（tōng）過技術討論和未（wèi）來的研究途徑，總結了本綜述得出的主要結論。
2、鈦合金（jīn）的增材製造
增材製造（AM）工藝基於CAD設計文（wén）件的使用，CAD設計（jì）文件可輕鬆轉換為可適應的打印文件（jiàn），允許逐（zhú）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（shì）允許在不使用焊接、研磨、板條和銑（xǐ）削等多（duō）種製造（zào）機器的情況下生產組件。其他成（chéng）本削減因素包括昂貴的熟練（liàn）機械技師、各種切割和加工工具以及需要（yào）******對準的資源密集型夾具。
一些常用的（de）金屬增材製（zhì）造（MAM）工藝包括（kuò）粉末床熔接（PBF）、粉（fěn）末喂料熔接（PFF）、線弧（hú）增材製造（WAAM）和冷噴塗增材製造（CSAM）。PBF工藝包括直接金屬（shǔ）激光燒結（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（tiān）加沉積（jī）（LAD2）和熱噴塗。此外，MAM流程可大致分為（wéi）三（sān）個應（yīng）用部（bù）門，即：近淨形狀（zhuàng）製造、金屬修複和維持以及塗層，如圖（tú）1所示。近淨形狀製造可（kě）以定義為相對接近所（suǒ）需尺寸的（de）部件的批（pī）量3D打印。金屬修複涉及更換或翻新在使用過程中出現（xiàn）磨損（sǔn）和性能（néng）退化的金屬部件區域，其（qí）中修複了幾毫米的磨損區域。塗層通常用於通過表麵（miàn）強化來增（zēng）強零件的性能，其中厚度從微米到（dào）幾毫米的材料沉積在基材（cái）/零件表麵上。由於（yú）工藝的不（bú）同，所有MAM工藝都會產生不同的零（líng）件特性。這將直接影（yǐng）響不同應用所需的（de）後處理，特別是機加工。因此，不僅（jǐn）要了解MAM工藝（yì），還要了解其應用領域，以製定適當的加工策略。
圖1 根據應用領域對MAM流（liú）程進行（háng）分類（lèi）。
2.1 選擇性激光熔化（SLM）
這種AM技術使用逐層方法製（zhì）造（zào）具有增強機械性（xìng）能的致密3D組件。它被認為是***廣泛（fàn）使用的MAM技（jì）術之一，提供高分辨率和高尺寸（cùn）精度。
影響SLM打印零件特性的關鍵（jiàn）工藝參數是激光（guāng）功率、掃描速度、圖案填充間（jiān）距、層厚度、零件方向、掃描策略和製造後熱處理。如果不優化這些參數，可能會導致打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（zǔ）正（zhèng）確的工藝參數。工藝參數的無意變化可導致微觀結構變化，直接影響部件的機械性能。對（duì）於（yú）商用純（CP）鈦，Attar等人報告了機械性能的巨大變化，這是由於未優化的工（gōng）藝參（cān）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（dǎ）印（yìn）鈦零件的UTS比鑄造零件高出三倍；然（rán）而（ér），延性顯著降低。同樣（yàng），Attar等人也報告了摻氧SLM打印CP Ti的（de）強度顯著提高。
研究了三種掃描策略，即掃描O、掃描X和（hé）掃描H。對於掃描O，激光（guāng）束分別以與Y軸成（chéng）45°和-45°的（de）角度掃描交替層。
SLM印刷零件的表麵特性取決於工藝參數以及表麵缺陷，如氣孔。這可歸因於快速凝（níng）固和偏析現象。這些表麵特性極大地影響了成型後的可加工性。
2.2 電子束熔（róng）煉（EBM）
EBM工（gōng）藝采用與SLM相似的技（jì）術，但使用電子束作為熱（rè）源。它還使用真空環境進行操（cāo）作（zuò），隻需很少的加工步驟即可生（shēng）成複雜的形狀。與在惰性氣體環境中工作的SLM相比，真空環境防止了由於存在氣體分子而導致的電子束偏轉。
SLM Ti–6Al–4V樣（yàng）品的橫截麵（120 W和360 mm/s）。
由於預熱溫度較高，EBM生（shēng）產的部件由超細層狀共晶（jīng）組織組成。據報道，EBM Ti6Al4V部件的質量幾乎與鍛造和機加工後鑄造部件的質量相當。EBM組件確實需要對（duì）構建（jiàn）參（cān）數進行密切控製，以減少孔隙率和（hé）不良的微觀結構變化。未優化的（de）工藝參數可能會（huì）導（dǎo）致（zhì）鈦合金的機械性能發生變化。光束和（hé）掃描速度被認為是***關鍵的（de）控製參數，直接影響微觀結構層麵的（de）缺陷，從而影響印刷零件的機械性能。對EBM組件的多孔基體Ti6Al4V結構的研（yán）究表明，密度的增加會提高強度和楊氏模量。
2.3 絲弧增（zēng）材製造（WAAM）
WAAM以其快速的構建速度和快（kuài）速的上市時間而聞名。WAAM係統安裝在帶有可編程機械臂的底（dǐ）板（bǎn）上，以生產具有近淨（jìng）形狀的全功能部（bù）件（jiàn）。它已被廣泛用（yòng）於生產具（jù）有可接受的機械性能和（hé）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（yàng）品的低倍（bèi）反極圖（步長=0.7μm）。（B）（A）中突出顯（xiǎn）示區域（yù）的高倍反極（jí）圖（步（bù）長=0.2μm）。（C） {10–12}和〈10-1-1〉極圖。（D）（B）中箭頭所（suǒ）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（bù）長=0.1μm）。（g） {10–12}和（hé）〈10-1-1〉極（jí）圖（tú）。（H）（F）中箭頭所示區域的線跡，顯（xiǎn）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）的方向。請注意，壓縮軸位於（yú）VD中。
逆極點圖（上圖A和B）揭示了（le）α相的強（0 0 0 1）基底織構（gòu），這有助於在（zài）多個α相（xiàng）板條上進行大（dà）規模孿晶傳輸。
材（cái）料沉積速率通（tōng）常達到50–130 g/min或4 kg/h左右。WAAM使用等離子弧將金（jīn）屬絲熔化到熔池中，這也是該AM方法的一個挑（tiāo）戰，因為大熔池會導致表麵張力（lì）效應，從而導致印刷零件（jiàn）中出現不（bú）良缺（quē）陷。WAAM的其他局（jú）限（xiàn）性（xìng）包括難以沿幾何體製造半（bàn）徑（jìng）、尖角（jiǎo）和曲率，這使得尺寸精度非常差。熱輸入如果控（kòng）製不（bú）當，可能會在製造的部件上產生較大的應力。這種AM工藝之所以不受歡（huān）迎，是因為其精度（dù）高、印刷（shuā）部件中（zhōng）的感應殘餘應力（lì）明顯較高、表麵光潔度差、沿沉積方向的變化以及沿軌間（jiān）間隙形成的空洞。
從（a）構（gòu）建1和（b）構建2提取拉伸（shēn）和疲勞試樣的示意圖。在標記試樣時（shí），******類表示方向：V表示試樣加工平行於構建方向，H表示垂直。第二類表示試驗類型：T表示拉伸，F表示疲勞。M表示用於微觀結構（gòu）研究的試（shì）樣（yàng）和（hé）空白試（shì）樣均為本研究中未使用的試樣
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（dà）的柱狀β晶粒呈現。WAAM Ti6Al4V拉伸試樣的（de）延展性和強度（dù）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。
據報道，與SLM相比，使用WAAM製造的零件的表麵粗（cū）糙度要高得多。同樣，與（yǔ）SLM樣品相比，WAAM樣品顯示出（chū）較小的伸長（zhǎng）率（lǜ）和拉伸強度，如圖2所（suǒ）示。因（yīn）此，了（le）解WAAM工藝參數對表麵特（tè）性的影響（xiǎng）至關重要，而表麵特（tè）性將直接影響印刷部件的可加工性。
圖2 與WAAM和SLM樣（yàng）品相比，拉伸強（qiáng）度、屈服強度和伸長率。
2.4 激光添加沉積（jī）（LAD）
LAD工藝（yì）利用激光束輔助金屬粉末材料的熔合。該工藝類似於焊接，因此，將表（biǎo）麵重修或沉（chén）積應用於現有零（líng）件的修複（fù）是非常有價值的。Dinda等人報告，LAD打印Ti6Al4V的拉伸強（qiáng）度和（hé）屈服強度（dù）（分別為（wéi）1163 MPa和1105 MPa）合理高（gāo）於Ti6Al4V植入物的ASTM標（biāo）準，然而，延（yán）展性非常（cháng）低。
2.5 冷噴（pēn）塗增材製造（zào）（CSAM）
CSAM也稱為冷氣體動力噴塗，是一種固態過程，不涉及金屬粉末的（de）熔化。該過程包括一個氣體預室，然後（hòu）是收斂和發散加速噴嘴。通過載氣引（yǐn）入粉末，並將推進氣體（tǐ）引入前室。載氣保（bǎo）持在比推進氣體更高的壓力（lì），從而在（zài）低溫下推動粉末（mò）以極高的速度（dù）撞擊（jī）目標基板。氮氣（N2）和（hé）氦氣（qì）（He）惰（duò）性氣體（tǐ）用於實現這些臨界（jiè）超（chāo）音速。
使用（yòng）CSAM製造鈦組件的一些優點是沉積量明顯較大，並且與基板表麵的附著力更好（hǎo）。CSAM工藝用於沉積溫度（dù）敏感和氧敏感材料，因（yīn）為在加工過程中（zhōng）隻需很少或不需要熱量。與其他MAM流程相比，CSAM對構建大小（xiǎo）和（hé）幾何結構的限製較少（shǎo）。在CSAM工（gōng）藝中，Ti6Al4V層和Ti6Al4V基板之間的粘結（jié）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（dá）到高抗拉強度，CSAM鈦合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（chū）較高的殘餘應力。發現的應力主要是拉伸應力，但在界麵區域附近（jìn）也記錄了壓應力。與SLM和EBM工藝相比，CSAM零件的表麵粗（cū）糙度更高（gāo），因此需要對成品（pǐn）部件進行更多的加工，如果引入進一步的激光熔煉，則發現硬度高（gāo）於***初生產的（de）部件，這將導致（zhì）其機械性能（néng）的變化（huà）。
來源（yuán）：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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