原標題：增材製造鈦合金的（de）可加工性:綜述（2）
江蘇激光聯盟（méng）陳（chén）長劇你（nǐ）導讀：
本文根據對切削力、表（biǎo）麵光潔度和刀具磨損的（de）研（yán）究，對各種AM技術製備的鈦合金的切（qiē）削性能進行了全麵的綜述。本文為第二（èr）部（bù）分。
3 增材製造鈦合金的可加工性
眾所（suǒ）周知，AM的優（yōu）點之一是能夠快速獲得（dé）近淨形狀零件。然而，AMed零件不能在製造過程後直接使用或（huò）組裝。這是因為AMed零件的表麵光潔度不光（guāng）滑，特別（bié）是（shì）AMed表麵（miàn）的表麵粗糙度、硬度和（hé）殘（cán）餘應力甚（shèn）至高於鍛造材料。因此，在大多數情況下，AMed零件的精加工是必（bì）要的後處理（lǐ）步驟（zhòu）。然而，眾所周知，鈦合金是難（nán）加工（gōng）材料。因此（cǐ），了解AMed鈦合金的切削性能（néng）對其應用非常重要。
公司在國內（nèi）知名專（zhuān）家教授的（de）引領帶動下，組建了一支國內（nèi）******的超（chāo）精密技術研發團隊，研發團（tuán）隊在超精（jīng）密機床的單元技術、切削機理和工藝（yì）、成套技術及應用工藝（yì）方麵具備豐富的技術（shù）經驗和實（shí）踐積累。可為北京精密零件加工，北京鋁合金異型件加工製造相關產業提供優質的技術服務。
蝕刻的光學顯微鏡(a) AM成（chéng）型，(b) AM在700°C退火1小時，(C)變（biàn）形（xíng）材料。AM材質（zhì）的構建方向垂直（zhí）於圖像（xiàng）。
切削力、刀具磨損和表麵完整性是反映任何材料（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、表麵完整性和刀（dāo）具（jù）磨損發展的因素。切削過程中的力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（jiè）麵（miàn）上。如（rú）上所述，與鍛（duàn）造材料相比，AMed鈦合金的硬度、屈服強度和（hé）極限抗拉強度更高。這些增強的機械（xiè）性能顯著影響刀具-工件相互作用和切屑形（xíng）成的塑性變形過程，從而影響切削（xuē）力，***終影響（xiǎng）加工表麵的完整性。
刀具磨（mó）損是評估金屬材料（liào）可加工性的另一個主要因（yīn）素（sù）。與鋁合金的切割工藝相比（bǐ），鈦（tài）合金的切割難度更大，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。具體而言，一次變形區中工件的絕熱剪（jiǎn）切和（hé）二次變形區中的刀具/切屑接觸產生大量熱（rè）量，這加速了粘著擴散磨損過程（chéng），這是粘著磨損的主要刺（cì）激因（yīn）素，如刀具表麵的堆積邊緣（BUE）和堆積層（BUL）。此外，刀具（jù）/切屑界麵（miàn）和刀具/工件界（jiè）麵的嚴重磨損導致側麵磨損和弧坑磨損，這是影響刀具壽命的主要因素。在分（fèn）析加（jiā）工AMed鈦合金時刀具磨（mó）損的發展時，應考（kǎo）慮性能（強度和硬度）變（biàn）化以及微觀結構（gòu）改變所產生的影響。
3.1 切削力（lì）和表麵完整性
對AMed鈦合金的切削力和表麵完整性進行（háng）了（le）一些實驗研究。Polishetty等人（rén）通過分析切削力和表麵（miàn）粗糙度（如圖3所示），比較了鍛造和SLMed Ti6Al4V的可加工性。結果發現（xiàn），加工SLMed Ti6Al4V時，由於屈服強度較高，切削力可大200 N。SLMed零件的（de）機加工表麵粗糙（cāo）度比鍛造零件低約20%，這是由於AMed材料的硬度較高，延展性降低，從而限製了機加（jiā）工表麵峰（fēng）值的側向塑性流動（dòng）。在一項研究中，Shunmugavel等還比較（jiào）了鍛造和SLMed Ti6Al4V之間的可加工性。研究發（fā）現，加（jiā）工AMed Ti6Al4V時的（de）切削力較高（gāo），從而提（tí）高了切削溫度和刀具（jù）/切屑磨損，導致嚴重（chóng）的粘著磨損。Rotella等人研究了（le）由EBM和DMLS製造的AMed Ti6Al4V的表麵完整性（xìng）。在不同切（qiē）削速度下車削後，發現AMed零件的粗糙度比（bǐ）鍛造（zào）零件的粗糙度高出（chū）約10%-20%，這與Polishetty等人的結果不同。在加工（gōng）表麵發現了塑性變形晶粒（lì）的（de）影響層，並（bìng）且層的厚度隨著切削速度（dù）的增加而增加。在每個切削（xuē）速度下，EBMed零件的影響層厚度***大（21μm至24μm），其次是DMLSed零件（18μm至22μm）和鍛造工件（小於17μm）。
圖（tú）3 （a）加工AMed 鈦合金時不同進給速度下的切削力（lì），（b）AMed 鈦合金的表麵粗糙（cāo）度，（c）在不同切削速度下加（jiā）工AMed 鈦合金後（hòu）影響層的厚度。
3.2 AMed鈦合金的幹式加工
幹加工是一種眾所周知的綠色製造方法，多（duō）年來一直受到學（xué）術界和工業界人士的關注。幹式切（qiē）割不需（xū）要（yào）油基或乳化劑基金（jīn）屬加工液，減少甚至消除了（le）環境汙染以及與之相關（guān）的皮膚病、呼吸障礙等健康問題，符合綠色工業的要求。然而，鈦合金的高強度和高反應（yīng）性（xìng）化學特性使其幹加工變得困難。如果不（bú）使用冷卻液和潤滑（huá），切削力會很（hěn）高，導致切削溫度高，刀具（jù）/切屑和刀具/工件界麵磨損（sǔn）更嚴重。因此，鈦（tài）合金幹切削過程（chéng）中的刀具磨損率很快，這嚴（yán）重限製了加工效率和表麵質量。在切削AMed鈦合（hé）金時（shí），硬度和極限抗拉強度的提高會進一步提高切削力和溫度，從而使AMed鈦合金的幹切削更加困難。
Zhang等人研究了AMed Ti6Al4V在幹切（qiē）削條件下（高達250米/分鍾）使用（yòng）陶瓷銑刀高速銑削時的可加工性（xìng）。分析了切削力、溫度、表麵粗糙度和切屑形貌等切削響應。發現當切割速（sù）度從150 m/min增加到200 m/min時，合成切割力***初減小，然後當切割（gē）速度進一步增加到250 m/min時，合成切割力增大（dà）。這是因為由於熱軟化，工件材料在較低的切割速度下更容易去除，而在（zài）較高（gāo）的切削速度下，應變硬化占（zhàn）主導地位，導致流動應力和（hé）切削力增加。溫度（dù）分布表明，切屑周圍的溫度（dù）***高，可以看出，隨著切削溫（wēn）度的升高，切屑的（de）形狀從長（連續）變（biàn）為短（斷裂）（圖（tú）4），因為（wéi）較高的溫度促進了（le）切屑流的斷裂（liè）。在（zài）銑削表麵上觀察到刀（dāo）具和工件相對運動產生的固有進給痕跡，並且在使用陶瓷（cí）刀具加工DMLSed Ti6Al4V合金時，對產生的光潔（jié）度沒有不利影響。
圖4 （i）進給速度為0.05 mm/齒，切削速度為250 m/min，切削長（zhǎng）度為（a）10 mm，（b）20 mm，（c）30 mm和（d）40 mm，（ii）進給速度為0.07 mm/齒，切削速（sù）度為250 m/min，切削長度為（a）10 mm，（b）20 mm，（c）30 mm和（d）40 mm時的（de）切削（xuē）溫度（dù）場。
研究表明，在鍛造Ti6Al4V幹切削過程中，高切削溫度和大剪切應力的（de）結合導致了機加工表麵下方微觀（guān）結構的（de）變化。同樣，在不同切削速度下加（jiā）工後，觀察到了次表麵變形。如圖5所示，在機加工表麵下（xià）方形成了三個不同（tóng）的區域：靠近（jìn）機加工表麵的（de）層A被稱為白色層，這是由於刀具側麵和機加工表（biǎo）麵之間的擠壓而形成的；在白（bái）層之（zhī）下，晶粒在（zài）B層中伸長變形，稱為變質層；在C區（qū），晶粒的形態與接收到的工件材料（liào）相同（tóng）。此外，隨著主軸轉速的增加（jiā），變質層的厚度逐漸增加（jiā）。這可歸因於由於與刀具邊緣的相互作用而（ér）對機加（jiā）工表（biǎo）麵產生的犁（lí）拉效應，從而導致二次剪（jiǎn）切塑性變形。
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幹鑽中的孔質量和碎屑形（xíng）成進行了實驗研究。通過分析切屑的（de）剪切角，發現剪切角隨進給速度的增加而線性減小（圖（tú）6）。在較大的進給速度（dù）下，較高的切削溫度軟化了工件材料，使主剪切（qiē）帶（主（zhǔ）變（biàn）形區）的移動更加容易。切屑相交處的微觀（guān）結構表明，一次剪（jiǎn）切帶和二次剪切帶附近的β相被拉（lā）長。此外，在切屑背麵附近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（gōng）孔質量方麵，表（biǎo）麵不光滑，孔出口附近有嚴（yán）重劃痕。這種（zhǒng）現象是由於在鑽（zuàn）孔過程中，未（wèi）破碎的切屑堵塞（sāi）了刀具的切削麵造（zào）成的。通過（guò）檢查（chá）孔表麵的微觀形態，發現孔表（biǎo）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（zhuǎn）速下剪切角隨進給速度的變化；（b）變形片（piàn）層的微觀結構。
圖7 鑽孔表麵特征的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。
在另一項研究中，Dang等人研究了固（gù）體Al2O3/Si3N4陶瓷（Sialon）刀具在AMed Ti6Al4V高速銑削過程（chéng）中的磨損機理。如（rú）圖8所示（shì），切（qiē）削距離為500 mm後，刀具表麵變（biàn）得（dé）粗糙，刀具邊緣（yuán）出現碎（suì）屑。當切削距離增加到800 mm時（shí），刀具刃的剝落和（hé）對工件的附著力顯著增加。還觀察到沿刀具側（cè）麵的凹坑。具體而言，工件材料粘附在前刀麵和（hé）後刀麵上，表明在加工AMed Ti6Al4V時，高溫導致Sialon刀具發生粘（zhān）著磨（mó）損（sǔn）。這種現象還（hái）表明（míng），由於加工（gōng）過程中采用的高切削速度，導致加工（gōng）材料的高應變率（lǜ）和高切（qiē）削溫度。碎屑是由（yóu）施加在切削刃上的高頻（pín）動態切削力引起的（de）。雖然陶瓷刀具的硬度高於碳化（huà）鎢刀具（jù），但陶瓷刀具的脆性使其（qí）刃口更容易斷裂和破損，尤其是在幹切削過程中。
圖8 （i） 0 mm、500 mm和800 mm槽銑削試驗後刀具前刀麵和後刀麵的SEM顯微照片，（ii）A、B、C和D段的高倍SEM顯（xiǎn）微照片。
Shunmugavel等人分析了DMLSed Ti6Al4V幹車削過程中切屑形成的機理。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（dù）的增加，觀察到從非周期性鋸齒切屑過渡（dù）到周期性鋸齒切屑，而與工件材料的狀（zhuàng）況無關。在所有條件下，剪切角隨著切（qiē）割速度的增加而增加。較高的切割（gē）速度導致較高的切割溫度、較高的法（fǎ）向應力和剪切應力，從而導致嚴重變形。瞬（shùn）態塑性變形（xíng）引起的變形能幾乎轉化為剪切變形層（céng）的熱能（néng），導致二次剪切帶溫度顯著升高，剪切帶發生變化。此外，還研（yán）究了剪切帶（dài）上的硬度分布（bù）。
圖9不同切削速度下不同工件材料的切屑形態（注（zhù）：A.B為竣工，H.T為熱處理工件狀態。所有圖像中的比例尺代表（biǎo）100μm。）
圖10（a） SLMed Ti6Al4V（H.T）切屑（xiè）樣品中的顯微硬度壓痕，（b）不同條件下工作材（cái）料剪切帶的顯微硬度數（shù）據（jù），以60 m/min的速度加工。
在絕熱剪切帶上以25μm的等間（jiān）距進行（háng）顯微硬度壓痕（圖10（a））。可以（yǐ）看（kàn）出（chū），無論機加工（gōng）材料（liào）條件如何（hé），絕熱（rè）剪切區的硬度都顯著增加（圖10（b））。鍛造Ti6Al4V在剪切帶中的（de）硬度增幅***大，約為14%，而SLMed Ti6Al4V在竣工（A.B）和熱處理（lǐ）（H.T）條件下的（de）硬度增幅分別僅為7%和9%。剪切帶硬度的增加是（shì）由於剪切局部化和相變導致這些材料的加工硬化特（tè）性。與SLMed Ti6Al4V相比，鍛造Ti6Al4V的剪切帶硬度增加百分比較高，表明（míng）這些材料的剪切帶中發生（shēng）了嚴重的剪（jiǎn）切局部化和變形，這是由於剪切變形阻力較低。
3.3 冷卻液和潤滑的影響（xiǎng）
加工鈦合金時，通常使用冷卻液，以降低切削溫度，提供潤滑並延長刀具（jù）壽命。然而，在鈦（tài）合金的（de）高速加工（gōng）（HSM）中，使用傳統的（de）溢流冷卻並不是那麽有效，因為切削液（yè）不能（néng）有效地滲透到切削區域，因此不能提供預期（qī）的潤滑和冷卻功能（néng）。***近，為了減（jiǎn）少大量金屬加工液的使用，以滿足綠色和清潔生產的要求，采用了替代冷（lěng）卻和潤滑方法。在不同的冷卻方法中，通過大（dà）量研究，對***小量潤滑（MQL）和（hé）低（dī）溫冷卻（圖11）進行了（le）研究。
圖11切割機的實驗裝置，使用（yòng）：（a）低溫冷卻（b）MQL進行加工。
低溫冷（lěng）卻利（lì）用液態惰性（xìng）氣體（如氦氣和氮氣）的氣化來降低溫度，這可以提供以下低溫環境−切割區域（yù）直接溫度為（wéi）150°C。低溫冷卻劑的應用可（kě）以顯著降低切削（xuē）溫度，從（cóng）而限製嚴重刀具磨損的發（fā）展。這使得采用極限切削參數成為可能，從而提高（gāo）了加工效（xiào）率。MQL是一種環保方法，在切割過程中使（shǐ）用少量冷卻液進（jìn）行潤滑。在MQL加工中，冷（lěng）卻和潤滑介（jiè）質（植物油、礦物油和乳化液）的混合物在壓縮空氣和切削液（yè）的（de）微（wēi）滴流中噴射（shè）到切削區域。MQL加工可（kě）以增強切削液通過高（gāo）壓的（de）穿透能力，尤其是對於HSM而言。與典（diǎn）型的浸沒（méi）加工和幹加工技術相比，可以在切削表麵形成相對穩定的潤滑膜，從而改善潤滑條件。使用低溫、高壓冷卻劑（jì）和（hé）低溫冷卻空氣（qì）加工鍛造Ti6Al4V的工作證明，這些冷卻劑和（hé）潤滑劑的應用（yòng）對切削力、表麵（miàn）完整性（xìng）和刀具磨損有顯著影響。這對於理解（jiě）加工AMed鈦合金時不（bú）同冷卻液和潤（rùn）滑劑的（de）影響至關重要。
Bordin等人研究了低（dī）溫（wēn）冷（lěng）卻作為加工EBMedTi6Al4V的可持續策略（luè）的可行性。在三種切削（xuē）條件下，在不同的（de）切削速度（dù）和進給（gěi）速度下進行了車削實驗；幹式、濕式和（hé）低溫冷卻。采用深冷冷卻後，不同參（cān）數下的表（biǎo）麵粗糙度（dù）略有降低。通（tōng）過SEM進一步分析加工表麵的微觀形貌（圖12）。發現了包括側流、粘附、撕裂和鋸齒狀進給痕跡在內的缺陷，這些缺（quē）陷是由（yóu）刀具在工件材料表麵的犁削作用引起（qǐ）的。還研究（jiū）了芯片形態（圖13）。一般來說，加工過程中應避免長卷曲切屑，以防止纏繞在工件周圍。結果表明，使用低溫冷卻時會產生分段切屑卷（juàn）曲，而在（zài）其他切削條件下會產生長卷曲切屑。低溫冷卻的應用有效地降低了切割溫度（dù），這也限製了切割（gē）過（guò）程中工件的塑性和延展性。
圖12 采用濕、幹、低溫冷卻策略車削8分鍾後的主要表麵缺（quē）陷。
圖13 在低（dī）溫、幹濕車削條件下，切（qiē）割8分鍾後，切割速度為80 m/min時的切（qiē）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（děng）人還分析了鈦AlN塗層刀（dāo）具在幹燥和低溫冷卻條件下車（chē）削EBMed Ti6Al4V後的磨損情況。在幹燥條件下，發現粘附是（shì）刀（dāo）具表麵的主要磨損模式。還觀察到高（gāo）溫引（yǐn）起的弧坑磨損、堆（duī）積邊緣/層和（hé）切（qiē）削刃剝落。由於切削溫度降低，低溫冷卻液的應用顯著減少了刀具磨損。此外，粘合力的降低（dī）防止了切削刃和側麵的磨損，從而限製了側麵磨損和切削刃剝落的發展。此外，低溫冷卻減少（shǎo）了刀具/切屑接觸長度，這是限製前刀麵刀具磨損發（fā）展的另一個因素。當應（yīng）用深冷冷卻時，刀具/切屑接（jiē）觸長度***初（chū）減少（shǎo）了20%，並在（zài）切割15分鍾後進一步減少到約42.8%。通過檢查次表麵（miàn）的微觀結構，發現在幹切削條件下車削時，晶粒向切割方向拉長，然而，在（zài）低溫冷卻（què）條件下，未觀察（chá）到亞表麵微觀結（jié）構的實質性變化（圖14），這與其他已發表的（de）低溫加（jiā）工文獻一（yī）致。
圖14 低溫冷卻對機加工表（biǎo）麵（miàn）以下（xià）材料微觀（guān）結（jié）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工性（xìng）。工件分別由鍛造（zào）、EBM、DMLS和熱處理DMLS製成。結果發現，DMLSed Ti6Al4V的硬度較高，而其他三（sān）種工件的硬度相似。眾所周知（zhī），使用WC刀具切削Ti6Al4V時，粘著磨料過程是主要磨（mó）損機製，磨損率（lǜ）與切削溫度（熱導率）有關，如圖15所示。然而（ér），在本研究中，低溫冷卻的應用降低了切削溫度，防（fáng）止了工件材料在刀具表（biǎo）麵（miàn）的粘（zhān）附。因此，側麵磨損（sǔn）和弧坑磨損主要由刀具/切屑和（hé）刀具/工件界麵引起，這與工件材料的硬度有（yǒu）關。通過對刀具磨損形貌的分析，發現（xiàn）在幹切削由DMLS製造的工件時，刀具上的凹坑磨損***嚴重，因為其硬度***高，導熱係數***低。在低溫冷卻劑輔助下加工時，刀（dāo）具上的弧坑磨損深度減少到幹切削後（hòu）觀察到的深（shēn）度的（de）58%。切削刀具的側麵（miàn）磨損也有類似的趨勢。加工DMLSed工件時，刀具的側麵磨損寬度比其他（tā）三種刀具高10%，並且通過應（yīng）用低溫冷卻（què）（在加工EBMed Ti6Al4V的情況下）觀察到磨損（sǔn）減少高達（dá）20%。
圖15 幹切削和低溫冷卻條（tiáo）件下車削15分鍾後磨損刀具前（qián）刀麵的SEM圖像。
Bruschi等人研究了在（zài）生物醫學應（yīng）用中加工EBMedTi6Al4V時，冷卻策略對刀具磨損的影響。他們發（fā）現，由於熱軟化效應的降低，鍛造材料和EBMed工件的顯微硬度和殘餘應力隨著深冷冷卻的應用而增加。對滑動試驗後（hòu）磨損表麵的微（wēi）觀形貌（mào）進行（háng）了檢查，以分析工件材料在不（bú）同冷卻條件（jiàn）下的磨損行為（圖16）。在幹燥條件（jiàn）下加（jiā）工的工件表麵（miàn）上，無論工件特性如何，磨痕都更寬、更破（pò）碎。幹切（qiē）削後，由於犁削效應，在加工表麵（miàn）上發（fā）現（xiàn）更寬（kuān）的凹（āo）槽（cáo）。在這些切削條件下，使用液氮作為冷卻介質主要影響磨損行為。在低（dī）溫冷（lěng）卻條件下，粘著是主要的磨損機製，在生物醫學應用中，粘著磨損是******磨損，而不是磨料磨損，因為（wéi）植入後磨損碎屑的釋放可能會（huì）造（zào）成有害的磨損（sǔn）。
圖16 不同加工條件下加工表麵的微觀結構：（a）EBMed Ti6Al4V和（b）鍛造Ti6Al4V。
Bertolini等人研究了利用低溫冷卻改善（shàn）EBMedTi6Al4V加工表麵的完整性和（hé）耐腐（fǔ）蝕性。采用低溫冷卻時，HDL厚度***大，其（qí）次是（shì）流體和幹切削。通過使用流體冷卻劑和低溫（wēn）冷（lěng）卻，切削溫度降低，從而產生更大的切削力。因此，低溫冷卻（què）的較大切削力會導致加工表麵下的HDL變厚。
雖（suī）然（rán）人們對MQL在金屬加工中的應用進（jìn）行（háng）了廣泛的研究，但很少有研究關注MQL在加工AMed鈦合金時的作用。Khaliq等人研究了幹切削和MQL條（tiáo）件下SLMed鈦合金（jīn）微銑削中刀具的磨損。使用植物基切削油作為潤滑劑，消除了與礦物油（yóu）相關的汙染和健康問題（tí）。幹切削條件下的（de）粘（zhān）著磨損仍然很嚴重，這會去除刀具表麵，降低刀具（jù）表麵的硬度，***終導致切削刃失效（圖17）。與幹切削（xuē）後的磨損（sǔn）情（qíng）況（kuàng）相（xiàng）比，MQL的應用減少了27%的側（cè）麵磨損。由於犁削效應的彈塑性變形，采用較低的進（jìn）給速度增加了機加工表麵的殘餘應力（lì）。
圖17 在（a）幹燥條件和（b）MQL冷（lěng）卻液條件下，隨著進給速度的增加，刀（dāo）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
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