增材制造钛合金的可加工性:综述（1）

来源：江苏激光联盟

导读：本文根据对切削力、表面光洁度和刀具磨损的研究，对各种AM技术制备的钛合金的切削性能进行了全面的综述。本文为第一部分。


钛合金（Ti）由于其优异的物理和机械性能，在许多工业部门得到广泛应用。然而，这些特性会导致在加工过程中产生较高的切削力和温度，从而降低钛合金的可加工性。近年来，增材制造（AM）技术已被用于制造具有复杂轮廓的钛零件。这些AMed零件虽然接近净形状，但由于表面完整性差，需要进行精加工操作。本文根据对切削力、表面光洁度和刀具磨损的研究，对各种AM技术制备的钛合金的切削性能进行了全面的综述。此外，还分析了冷却/润滑方法和材料性能对AMed零件的影响。从该综述中发现，AMed 钛机械性能的改善导致更大的切削力和更高的温度，这显著影响了精加工后加工操作后的刀具磨损和表面质量。尽管如此，关于显著改善AMed 钛组件可加工性的文献非常有限，这需要在未来的研究中予以重视。

1 介绍
钛（Ti）合金因其优异的物理化学性能在工业中得到了广泛的应用。它们具有相对较低的密度和优异的机械性能，包括高屈服强度和弹性模量，并且这些性能可以在高温使用环境中保持。这些特性适用于大多数航空航天部件，如起落架总成和发动机涡轮叶片。此外，据报道，具有主导β相的钛合金是生物医学应用的理想选择，如骨科骨植入物，因为β稳定元素应改善钛合金的生物力学兼容性。虽然钛合金具有最受欢迎的性能，但它们也被归类为难加工材料。钛合金的高强度和低导热性导致了加工过程中相对较大的切削力和较高的切削温度。涡轮叶片和骨植入物等钛部件的一些轮廓非常复杂，这使得制造具有良好表面光洁度的零件非常耗时。此外，典型的钛部件制造工艺包括大量的原工件材料加工，这会产生大量的材料浪费以及高能耗和高时间，从而使钛部件生产成为一种昂贵且不可持续的工艺。

不同冷却速率下的微观结构（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。

毫无疑问，金相检验是研究钛合金显微组织演变的更准确有效的方法之一。上图 a–g显示了从150°C/s到0.15°C/s冷却速度的一系列光学显微照片。这些显微照片显示了显微结构如何随着冷却速度的降低而变化。这些微观结构之间的差异包括αp的大小、αs的宽度和边界α层的厚度的变化，以及微观结构是否具有菌落结构（属于单一变体的平行α板簇）。

在过去二十年中，增材制造（AM）工艺已逐渐应用于具有复杂几何轮廓的金属零件的生产。在此过程中，通常根据零件的数字化设计，通过逐层熔化和再固结原材料来制造部件。与传统的制造工艺（如铸造、加工、锻造和粉末冶金工艺）相比，AM可以生产近净形状的零件，而无需粗加工，从而避免了工件材料的浪费，并节省了冷却液、刀具和加工夹具等加工资源的消耗。然而，AM工艺生产的大多数零件不能直接使用。这是因为增材制造（AMed）零件的表面完整性是不可预测的，具体而言，打印零件表面的粗糙度、硬度和残余应力远高于锻造材料。因此，AMed零件的精加工是需要执行的关键后处理步骤之一，以获得零件装配的光滑表面光洁度。

对不同变形钛合金的可加工性进行了大量的研究。大多数研究集中在切削力、刀具设计、冷却液、刀具磨损和其他一些关键因素上。切削力是关键因素之一，由于钛合金的高屈服强度，切削力更大。这会导致较高的切削温度和刀具/芯片界面的严重磨损，从而限制了加工钛合金的效率。刀具过度磨损会影响工件的表面完整性，包括加工后的粗糙度和残余应力。因此，采用不同的冷却和润滑方法，如高压冷却液、低温冷却液和最小量润滑（MQL），以降低切削力，减少刀具/切屑和刀具/工件磨损。为了提高钛合金的加工效率，还可以采用激光辅助加工，从而软化工件材料的表面，并显著降低材料去除过程中的加工应力，同时，如果激光功率选择不当，刀具磨损仍然不可避免，表面质量受到影响。

在LAM过程中，切削温度随着进给速度的增加而下降的原因可能是，与在低进给速度下生产的较小切屑相比，在高进给速度下生产的较厚切屑（存在更多的材料，其作用类似于散热器）中的热扩散更为有效。在这种情况下，由于在高进给速度下产生的芯片之间有效导热而导致的温度降低克服了由于材料去除率增加而导致的温度升高。在低进给速度下，由于激光光斑尺寸（2 mm）至少是进给的10–15倍，因此未加工的材料在下一次切割操作中被重新加热，从而建立在先前的热含量基础上，与下图（b）所示的高进给时较薄的加热区相比，显示出图（a）所示的较高切割温度。

(a)进料0.054 mm/rev的红外热图像显示较厚的加热区比(b)进料0.28 mm/rev的红外热图像。

虽然已经对变形钛合金的加工进行了大量的研究，但对AMed钛合金的可加工性知之甚少。众所周知，AMed钛合金的机械性能不同于锻造钛合金；AMed Ti6Al4V的硬度、屈服强度和极限抗拉强度明显高于锻造Ti6Al4V。加工AMed钛合金时，这些增强的机械性能可能会影响切削力、温度和刀具磨损的发展。其次，由于大多数AM工艺中出现的快速熔化和凝固现象，AMed 钛合金的微观结构与锻造钛合金相比有显著差异，这可能会在很大程度上影响加工后工件的表面完整性。第三，不同的AM工艺需要不同级别的加工操作。此外，在加工AMed 钛合金时，使用等离子或激光辅助加工等预热技术是非常不可取的，因为外部热源可能对零件性能产生有害影响。因此，有必要研究AMed钛合金的可加工性，以确保加工表面的质量。

目前，关于不同AM方法制备的钛合金的机械性能和显微组织性能有许多综述文章。然而，关于AMed钛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响AMed钛合金的可加工性是至关重要的。本文综述了钛合金AM工艺及其可加工性。在下一节中，介绍了主流AM技术的原理，包括电子束熔炼（EBM）、选择性激光熔炼（SLM）、线弧增材制造（WAAM）、激光增材沉积（LAD）和冷喷涂增材制造（CSAM）。本节还介绍了AMed钛合金的机械性能和表面特性。在随后的章节中，将详细介绍AMed钛合金可加工性的最新知识。最后，通过技术讨论和未来的研究途径，总结了本综述得出的主要结论。

2、钛合金的增材制造
增材制造（AM）工艺基于CAD设计文件的使用，CAD设计文件可轻松转换为可适应的打印文件，允许逐步、逐片和逐层控制将部件打印到净或近净形状。这种可自由设计的按需制造组件的模式允许在不使用焊接、研磨、板条和铣削等多种制造机器的情况下生产组件。其他成本削减因素包括昂贵的熟练机械技师、各种切割和加工工具以及需要精确对准的资源密集型夹具。

一些常用的金属增材制造（MAM）工艺包括粉末床熔接（PBF）、粉末喂料熔接（PFF）、线弧增材制造（WAAM）和冷喷涂增材制造（CSAM）。PBF工艺包括直接金属激光烧结（DMLS）、选择性激光熔化（SLM1）和电子束熔化（EBM）AM技术，而PFF工艺包括激光添加沉积（LAD2）和热喷涂。此外，MAM流程可大致分为三个应用部门，即：近净形状制造、金属修复和维持以及涂层，如图1所示。近净形状制造可以定义为相对接近所需尺寸的部件的批量3D打印。金属修复涉及更换或翻新在使用过程中出现磨损和性能退化的金属部件区域，其中修复了几毫米的磨损区域。涂层通常用于通过表面强化来增强零件的性能，其中厚度从微米到几毫米的材料沉积在基材/零件表面上。由于工艺的不同，所有MAM工艺都会产生不同的零件特性。这将直接影响不同应用所需的后处理，特别是机加工。因此，不仅要了解MAM工艺，还要了解其应用领域，以制定适当的加工策略。

图1 根据应用领域对MAM流程进行分类。

2.1 选择性激光熔化（SLM）

这种AM技术使用逐层方法制造具有增强机械性能的致密3D组件。它被认为是最广泛使用的MAM技术之一，提供高分辨率和高尺寸精度。

影响SLM打印零件特性的关键工艺参数是激光功率、扫描速度、图案填充间距、层厚度、零件方向、扫描策略和制造后热处理。如果不优化这些参数，可能会导致打印件中出现气孔和其他有害缺陷。钛合金的性能取决于一组正确的工艺参数。工艺参数的无意变化可导致微观结构变化，直接影响部件的机械性能。对于商用纯（CP）钛，Attar等人报告了机械性能的巨大变化，这是由于未优化的工艺参数导致打印零件内部的微观结构不均匀性和孔隙造成的。Wysocki等人报告称，SLM打印钛零件的UTS比铸造零件高出三倍；然而，延性显著降低。同样，Attar等人也报告了掺氧SLM打印CP Ti的强度显著提高。

研究了三种扫描策略，即扫描“O”、扫描“X”和扫描“H”。对于扫描“O”，激光束分别以与Y轴成45°和-45°的角度扫描交替层。

SLM印刷零件的表面特性取决于工艺参数以及表面缺陷，如气孔。这可归因于快速凝固和偏析现象。这些表面特性极大地影响了成型后的可加工性。

2.2 电子束熔炼（EBM）

EBM工艺采用与SLM相似的技术，但使用电子束作为热源。它还使用真空环境进行操作，只需很少的加工步骤即可生成复杂的形状。与在惰性气体环境中工作的SLM相比，真空环境防止了由于存在气体分子而导致的电子束偏转。

SLM Ti–6Al–4V样品的横截面（120 W和360 mm/s）。

由于预热温度较高，EBM生产的部件由超细层状共晶组织组成。据报道，EBM Ti6Al4V部件的质量几乎与锻造和机加工后铸造部件的质量相当。EBM组件确实需要对构建参数进行密切控制，以减少孔隙率和不良的微观结构变化。未优化的工艺参数可能会导致钛合金的机械性能发生变化。光束和扫描速度被认为是最关键的控制参数，直接影响微观结构层面的缺陷，从而影响印刷零件的机械性能。对EBM组件的多孔基体Ti6Al4V结构的研究表明，密度的增加会提高强度和杨氏模量。

2.3 丝弧增材制造（WAAM）

WAAM以其快速的构建速度和快速的上市时间而闻名。WAAM系统安装在带有可编程机械臂的底板上，以生产具有近净形状的全功能部件。它已被广泛用于生产具有可接受的机械性能和结构强度的原型和大型部件。

热处理Ti–6Al–4V（A–D）和Ti–6Al–4V–0.13B（E–G）样品的EBSD分析：（A）Ti–6Al–4V样品的低倍反极图（步长=0.7μm）。（B）（A）中突出显示区域的高倍反极图（步长=0.2μm）。（C） {10–12}和〈10-1-1〉极图。（D）（B）中箭头所示区域的线迹，显示孪晶的错向角。（E） Ti–6Al–4V–0.13B样品的低倍反极图（步长=0.5μm）。（F）（E）中突出显示区域的高倍反极图（步长=0.1μm）。（g） {10–12}和〈10-1-1〉极图。（H）（F）中箭头所示区域的线迹，显示孪晶的错向角度。（I） EBSD样品相对于垂直构建方向（VD）和基板（BP）的方向。请注意，压缩轴位于VD中。

逆极点图（上图A和B）揭示了α相的强（0 0 0 1）基底织构，这有助于在多个α相板条上进行大规模孪晶传输。

材料沉积速率通常达到50–130 g/min或4 kg/h左右。WAAM使用等离子弧将金属丝熔化到熔池中，这也是该AM方法的一个挑战，因为大熔池会导致表面张力效应，从而导致印刷零件中出现不良缺陷。WAAM的其他局限性包括难以沿几何体制造半径、尖角和曲率，这使得尺寸精度非常差。热输入如果控制不当，可能会在制造的部件上产生较大的应力。这种AM工艺之所以不受欢迎，是因为其精度高、印刷部件中的感应残余应力明显较高、表面光洁度差、沿沉积方向的变化以及沿轨间间隙形成的空洞。

从（a）构建1和（b）构建2提取拉伸和疲劳试样的示意图。在标记试样时，第一类表示方向：V表示试样加工平行于构建方向，H表示垂直。第二类表示试验类型：T表示拉伸，F表示疲劳。M表示用于微观结构研究的试样和空白试样均为本研究中未使用的试样

观察到使用WAAM制备的钛合金呈现出各向异性的微观结构，通常由大的柱状β晶粒呈现。WAAM Ti6Al4V拉伸试样的延展性和强度与挤压Ti6Al4V相比变化较小，Wang等人观察到的延展性表明，随着强度的增加，水平方向的延展性降低。存在缺陷时，WAAM部件的抗拉强度和疲劳寿命会下降。

据报道，与SLM相比，使用WAAM制造的零件的表面粗糙度要高得多。同样，与SLM样品相比，WAAM样品显示出较小的伸长率和拉伸强度，如图2所示。因此，了解WAAM工艺参数对表面特性的影响至关重要，而表面特性将直接影响印刷部件的可加工性。

图2 与WAAM和SLM样品相比，拉伸强度、屈服强度和伸长率。

2.4 激光添加沉积（LAD）

LAD工艺利用激光束辅助金属粉末材料的熔合。该工艺类似于焊接，因此，将表面重修或沉积应用于现有零件的修复是非常有价值的。Dinda等人报告，LAD打印Ti6Al4V的拉伸强度和屈服强度（分别为1163 MPa和1105 MPa）合理高于Ti6Al4V植入物的ASTM标准，然而，延展性非常低。

2.5 冷喷涂增材制造（CSAM）

CSAM也称为冷气体动力喷涂，是一种固态过程，不涉及金属粉末的熔化。该过程包括一个气体预室，然后是收敛和发散加速喷嘴。通过载气引入粉末，并将推进气体引入前室。载气保持在比推进气体更高的压力，从而在低温下推动粉末以极高的速度撞击目标基板。氮气（N2）和氦气（He）惰性气体用于实现这些临界超音速。

使用CSAM制造钛组件的一些优点是沉积量明显较大，并且与基板表面的附着力更好。CSAM工艺用于沉积温度敏感和氧敏感材料，因为在加工过程中只需很少或不需要热量。与其他MAM流程相比，CSAM对构建大小和几何结构的限制较少。在CSAM工艺中，Ti6Al4V层和Ti6Al4V基板之间的粘结强度可以达到60 MPa，但与微观结构更致密的Cu和Al相比，仍然被认为是多孔的。由于难以达到高抗拉强度，CSAM钛合金的机械性能被认为较差。

沉积在Ti6Al4V基板上的CSAM Ti6Al4V在打印件自由表面附近显示出较高的残余应力。发现的应力主要是拉伸应力，但在界面区域附近也记录了压应力。与SLM和EBM工艺相比，CSAM零件的表面粗糙度更高，因此需要对成品部件进行更多的加工，如果引入进一步的激光熔炼，则发现硬度高于最初生产的部件，这将导致其机械性能的变化。

来源：Machinability of additively manufactured titanium alloys: Acomprehensive review, Journal of Manufacturing Processes, doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.01.007
参考文献：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