發(fā)布日期：2023-8-15 22:44:52
《中國制造 2025 藍(lán)皮書》將空天裝備列為未來 10 年的重要突破目標(biāo)[1]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)的心臟，其研制能力是一國綜合能力、工業(yè)基礎(chǔ)和科技實(shí)力的集中體現(xiàn)。隨著航空 發(fā)動(dòng)機(jī)高服役性能要求，對其材料與制造技術(shù)提出了更高的要求[2]。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制過程中，先進(jìn)材料是發(fā)展高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的物質(zhì)基礎(chǔ)[3]，而制造技術(shù)則是滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)超長服役壽命的保障[4]。1964 年，美國學(xué)者 Field 等[5] 首次提出表面完整性概念，系統(tǒng)地對機(jī)械加工后表面幾何與表面物理性質(zhì)進(jìn)行了闡述，并將其定義為：“通過控制機(jī)械加工、非傳統(tǒng)加工工藝形成無損傷的表面形態(tài)或強(qiáng)化的加工表面”。隨后，美國國防部對常見加工工藝下航空合金加工表面完整性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并建立了龐大的表面完整性數(shù)據(jù)庫。然而，起初在我國航空關(guān)鍵構(gòu)件機(jī)械制造技術(shù)領(lǐng)域中的表面完整性問題并沒有得到應(yīng)有的重視。在《2018—2019機(jī)械工程學(xué)科發(fā)展報(bào)告機(jī)械制造》[6]中指出：我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件的制造精度方面已經(jīng)接近或達(dá)到了與國外產(chǎn)品相同的水平，而其服役壽命卻不及國外同類產(chǎn)品的 50%。隨著近年來航空發(fā)動(dòng)機(jī)事故與故障失效等事故頻發(fā)，我國的航空制造技術(shù)才逐漸從以往的“成形”制造階段向表面完整性抗疲勞制造階段躍升[7]，并取得了長足的進(jìn)步。因此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件的加工表面完整性成為評價(jià)其加工質(zhì)量的重要依據(jù)。
鈦合金作為一種高強(qiáng)度合金材料，因其具有優(yōu)異的高比強(qiáng)度、良好的抗腐蝕性、超強(qiáng)的斷裂韌性與抗疲勞性能，已廣泛應(yīng)用于航空航天等高端裝備領(lǐng)域，被譽(yù)為 21 世紀(jì)最具有價(jià)值的戰(zhàn)略性金屬材料[8]。鈦合金的用量常被當(dāng)作衡量飛機(jī)選材先進(jìn)程度和航空工業(yè)發(fā)展水平的指標(biāo)，與飛機(jī)作戰(zhàn)能力密切相關(guān)。機(jī)械制造的目的是為了制造出滿足形狀精度與服役性能的構(gòu)件。然而，由于鈦合金材料的高強(qiáng)度、低導(dǎo)熱系數(shù)、易粘刀以及與刀具親和力強(qiáng)等特性[8–9]，在加工過程中很容易造成較差的表面加工質(zhì)量。比如，在其加工過程中產(chǎn)生的切削熱不易傳出，往往集中在某些較小區(qū)域內(nèi)，導(dǎo)致局部切削溫度過高，從而造成表面燒傷，繼而影響其表面完整性[10]。因此，如何保證鈦合金材料的高表面完整性制造，成為擺在科研工作者面前亟待解決的科學(xué)難題。
本文旨在對航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金材料常見工藝（切削加工、磨削加工、復(fù)合加工以及特種加工）表面完整性的研究現(xiàn)狀進(jìn)行全面梳理，并在此基礎(chǔ)上對未來的研究重點(diǎn)進(jìn)行展望， 以期為實(shí)現(xiàn)鈦合金材料超長服役壽命的制造需求提供理論指導(dǎo)。
1 、鈦合金切削加工技術(shù)
由于鈦合金在加工過程中切削溫度高[11]，刀具磨損嚴(yán)重[9]，進(jìn)而引起表面質(zhì)量惡化，如圖 1 所示[11–13]。因此，有必要對鈦合金切削加工過程中不同工藝條件下產(chǎn)生的表面完整性進(jìn)行詳細(xì)闡述。
鈦合金材料在切削加工過程中，刀具 – 切屑接觸界面發(fā)生劇烈的材料變形與摩擦，導(dǎo)致局部高溫和較大的熱梯度，進(jìn)而引起刀具在加工過程中的快速磨損與過早失效。為此， Liang 等[14] 對鈦合金 Ti–6Al–4V 切削過程中超細(xì)硬質(zhì)合金刀具的失效模式和磨損機(jī)制進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，在切削過程中，刀具磨損區(qū)域的磨損機(jī)制，是由機(jī)械引起的磨 損、熱引起的黏附和擴(kuò)散、化學(xué)引起的氧化等多重因素造成的。此外，加工形貌包括表面特征規(guī)律性與表面缺陷的隨機(jī)性，是刀具幾何形狀和切削刃運(yùn)動(dòng)軌跡在工件的映射。一些研究人員指出，在加工過程中，刀具的磨損對表面粗糙度有著顯著的影響，然而，刀具磨損對表面粗糙度影響的相關(guān)性仍存在爭議，如圖 2 所示[15]。為此，Liang 等[16] 詳細(xì)研究了刀具磨損對其相應(yīng)加工表面形貌的影響，結(jié)果表明，后刀面的磨損狀態(tài)對其表面加工質(zhì)量影響較大，隨著后刀面磨損加劇，加工表面缺陷由犁溝、測流向表面燒傷過渡。相應(yīng)的，Sui 等[17]也發(fā)現(xiàn)了類似的試驗(yàn)現(xiàn)象。
材料的去除行為對其加工表面完整性的影響較大。在鈦合金切削加工過程中，切削速度與進(jìn)給速度對切屑的形態(tài)影響較為明顯。當(dāng)切削速度較低時(shí)，產(chǎn)生非周期性鋸齒狀切屑；隨著切削速度與進(jìn)給速度的增加，切屑的周期性鋸齒狀效應(yīng)得到加強(qiáng)，而產(chǎn)生鋸齒狀切屑[18]；然而，當(dāng)切削速度增加到一定值時(shí)，鈦合金材料會(huì)發(fā)生脆性，繼而引起材料的脆性去 除[19]，如圖 3 所示[20]。Yang 等[21] 選用切削速度、進(jìn)給速度與徑向切削深度 3 個(gè)工藝參數(shù)探究 Ti–6Al–4V 圓周銑削加工表面形貌的演變規(guī)律，并進(jìn)行了多元線性回歸分析，結(jié)果表明，進(jìn)給速度是影響表面粗糙度的主要因素，其次為徑向切削深度和切削速度。Zhang 等[22] 基于改進(jìn)的 Split–Hopkinson 壓桿切削裝置，對Ti–6Al–4V 的高速切削加工質(zhì)量進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切削速度在 420~1020m/min 范圍內(nèi)，表面加工粗糙度隨切削速度的增加而降低。
此外，大量的研究表明，隨著切削速度的增加，表面缺陷由塑性變形誘導(dǎo)演變?yōu)榇嘈詳嗔颜T導(dǎo)[23]。因此，切削速度的提高，縮短了加工表面發(fā)生塑性變形的時(shí)間，進(jìn)而提高了其表面加工質(zhì)量。然而，隨著切削速度的進(jìn)一步提高，表面質(zhì)量將會(huì)發(fā)生惡化[24]。
鈦合金切削過程中，鈦合金切削加工表面經(jīng)過擠壓與剪切變形使得表層組織發(fā)生細(xì)化，并伴隨著高密度位錯(cuò)、孿晶與晶粒的拉長與破碎[25]，稱之為“表面變質(zhì)層”。其中，對加 工表面近表層在顯微照片中顯示為白色的區(qū)域稱之為白層[26]。據(jù)報(bào)道，在極端服役條件下，加工表面存在白層可將零部件的低周疲勞壽命降低近 30 倍[27]。因此，對鈦合金切削過程中白層的問題在現(xiàn)代加工制造中變得越來越重要。Griffiths[28] 指出，目前關(guān)于白層形成的機(jī)制有以下 3種主流觀點(diǎn)，即： （1）相變； （2）塑性變形驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶； （3）表面化學(xué)反應(yīng)。Haron 等[29] 在采用未涂層硬質(zhì)合金刀具對 Ti–6Al–4V 進(jìn)行切削加工過程中發(fā)現(xiàn)，隨著切削時(shí)間的增加，因刀具磨損程度加劇而產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形，并在加工表面上產(chǎn)生塑性變形層（擾動(dòng)層），如圖 4 所示。
Xu 等[30] 對 Ti–6Al–4V 高速切削過程中表面變質(zhì)層的形成機(jī)制進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明，白層形成的主要機(jī)制為高應(yīng)變率下材料塑性變形驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，位錯(cuò)與孿晶的影 響次之。此外，Du 等[31] 指出提高切削速度可有效減少白層的厚度。
加工表面的冶金變化是決定表面服役性能的一個(gè)重要參數(shù)。為此，Guo 等[32] 選取加工過程中變形率、應(yīng)變及溫度 3 個(gè)參數(shù)，繪制了顯微組織變化與顯微硬度對 3 者的依賴關(guān) 系，如圖 5 所示�；� 于 此，Velásquez 等[33] 對 Ti–6Al–4V 在 20m/min、260m/min 兩種切削速度下的加工表面和亞表面的橫截面進(jìn)行了表征，如圖 6 所示，結(jié)果表明，隨著切削速度的增加，加工表面橫截面的中等塑性變形層與超細(xì)晶粒層的深度增加。然而，Zhang等[34] 將切削速度提高至材料脆化臨界值以上發(fā)現(xiàn)，加工表面損傷層厚度隨切削速度的增加而降低，即表現(xiàn)出亞表面損傷的“趨膚效應(yīng)”。因此，在加工過程中，切削速度對加工表面超細(xì)晶粒層的影響還有待于進(jìn)一步深入研究。
此外，近年來，為了在微觀尺度上獲得更高分辨率的表面完整性數(shù)據(jù)，在光學(xué)顯微鏡 （OM）與電子掃描顯微鏡 （SEM）的基礎(chǔ)上，透射電鏡（TEM）[35]、電子背散射（EBSD）[36]以及聚焦離子束顯微鏡（FIB）[37] 等先進(jìn)表征手段逐漸被廣泛應(yīng)用，如圖7 所示[35–37]。
殘余應(yīng)力對航空零部件的服役性能，特別是疲勞性能有著重要影響[38]。其中，加工表面殘余壓應(yīng)力對于提高零部件疲勞壽命有著積極作用，而殘余拉應(yīng)力則不利于其疲勞性能。通常，殘余應(yīng)力對零部件服役性能的影響程度由 3 個(gè)指標(biāo)來判斷，即工件表面殘余應(yīng)力、殘余應(yīng)力峰值及殘余應(yīng)力影響層深度，其分布與大小由切削過程中機(jī)械載荷與熱載荷共同決定的。王明海等[39] 對不同主軸轉(zhuǎn)速（4500~12000r/min）下 Ti–6Al–4V 銑削加工表面殘余應(yīng)力的分布進(jìn)行了探究，結(jié)果表明，銑削加工表面的殘余應(yīng)力呈現(xiàn)出由表層的殘余拉應(yīng)力向殘余壓應(yīng)力過渡的分布特征，這是由于加工表面的梯度溫度場引起的。
其中，加工過程中的切削熱以及相關(guān)熱效應(yīng)易引起殘余拉應(yīng)力，而與塑性變形相關(guān)的機(jī)械載荷往往會(huì)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。然而，對于高速加工技術(shù)而言，提高切削速度可增加更多的機(jī)械能而導(dǎo)致殘余壓應(yīng)力。同時(shí)，劇烈的塑性變形會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，進(jìn)而導(dǎo)致殘余拉應(yīng)力。因此，對于切削加工過程中的速度效應(yīng)對殘余應(yīng)力的影響仍是一個(gè)值得深入探究的科學(xué)難題。
Liang 等[40] 系統(tǒng)研究了刀具不同磨損狀態(tài)對 Ti–6Al–4V 加工表面殘余應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn) Ti–6Al–4V 加工表面的殘余拉應(yīng)力和最大殘余壓應(yīng)力均表現(xiàn)出隨著刀具磨損狀態(tài)的加劇而增大，如圖 8 所示。
Liang 等[41]提出了一個(gè)考慮磨損引起刀具幾何變化的多物理模型，并對 Ti–6Al–4V正交切削加工表面殘余應(yīng)力的分布情況進(jìn)行了預(yù)測，試驗(yàn)驗(yàn)證了該模型 能夠有效評估刀具磨損條件下的殘余應(yīng)力分布特性，如圖 9 所示。
影響殘余應(yīng)力的因素眾多且復(fù)雜。僅通過優(yōu)化加工參數(shù)難以實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力的調(diào)整。因此，開發(fā)一種可用且方便的殘余應(yīng)力主動(dòng)控制方法對于提高難切削材料的加工效率至關(guān)重要。Song 等[42] 采用有限元軟件 Abaqus 建立鈦合金切削二維有限元仿真模型，并通過正交切削試驗(yàn)對其進(jìn)行了驗(yàn)證。然后基于仿真分析模型對單步切削、多步切削、預(yù)應(yīng)力單步切削以及預(yù)應(yīng)力多步切削 4 種切削加工條件，對 Ti–6Al–4V 加工表面殘余應(yīng)力分布進(jìn)行了探究，結(jié)果表明，多步切削和預(yù)應(yīng)力切削工藝均會(huì)增加殘余壓應(yīng)力，而多步切削會(huì)改變 沿深度方向最小殘余應(yīng)力的位置，增加切屑分割度。在 4 種切削加工工況中，預(yù)應(yīng)力多步切削可以最大限度地提高殘余壓應(yīng)力值（圖 10[42]）。
基于上述討論，盡管選擇合適的工藝參數(shù)可有助于獲得較高表面完整性的鈦合金切削加工，但隨著對航空高端零部件使役性能要求的不斷提高，運(yùn)用先進(jìn)的表征手段對微觀或納觀水平的表面完整性參數(shù)進(jìn)行定性或定量分析將成為重要的研究課題。
2 、鈦合金磨削加工技術(shù)
磨削是用硬磨料顆粒作為切削工具，以負(fù)前角微切削的形式進(jìn)行材料去除的過程[43–44]。因此，加工過程會(huì)伴隨大量的能量消耗，產(chǎn)生較大的磨削力、磨削溫度以及磨具的磨損，進(jìn)而影響被加工工件的表面完整性[45–47]。磨削表面的粗糙度是表面完整性的重要參數(shù)之一，且被廣泛研究。曹克等[48] 使用大氣孔與普通氣孔兩種微晶剛玉砂輪開展鈦合金磨削試驗(yàn)，研究氣孔尺寸對TC17 表面完整性的影響，如圖 11 所示�？芍伜辖鹉ハ鞅砻婢嬖诖罅克毫褷钊毕菁安y，但大氣孔砂輪磨削后表面的缺陷程度較輕，且試驗(yàn) 表明，大氣孔砂輪磨削后表面的粗糙度較低。
Xi 等[49] 綜合研究了 Ti2AlNb 的磨削特性，包括磨削力、磨削比能、表面組織、粗糙度以及磨具磨損狀況，結(jié)果表明，隨著材料去除率的提高，Ti2AlNb 工件亞表面出現(xiàn)了一層厚度小于 2μm 的白層，并且非連續(xù)形態(tài)（圖 12（a）） 演變?yōu)橄鄬B續(xù)形態(tài) （圖12（b））。胥軍等[50] 在 Profimat MT 408 平面精密磨床上進(jìn)行低速和高速磨削TC4–DT 試驗(yàn)，并通過 SEM 電鏡獲得磨削后鈦合金的表面形貌，如圖 13所示。低速磨削時(shí)，試樣表面有明顯的加工紋路但未出現(xiàn)燒傷；高速磨削（80m/s）表面加工紋路較清晰，且存在 塑性變形，未發(fā)現(xiàn)燒傷，表面形貌良好；當(dāng)砂輪線速度達(dá) 100m/s 時(shí)，表面出現(xiàn)嚴(yán)重?zé)齻ハ骷庸ぜy路模糊，并出現(xiàn)大面積網(wǎng)狀裂紋。
Kadivar 等[51] 探究了不同磨削速度下 Ti–6Al–4V 表面的殘余應(yīng)力和比磨削能，結(jié)果表明，將磨削速度從 6m/s 提高到 10m/s，可降低殘余壓應(yīng)力，在 6m/s 的磨削速度下，磨削表面存在研磨軌跡，表面無缺陷；當(dāng)切削速度由 10m/s 提高到 14m/s 時(shí)，殘余應(yīng)力變化不明顯，但磨削速度提高到 14m/s 時(shí)，由于表面產(chǎn)生較大的塑性變形和更高的溫度，磨削表面存在計(jì)較多的空洞和污漬。張國軍等[52] 采用正交試驗(yàn)對 TiAl 基合金的砂帶磨削表面完整性進(jìn)行研究，圖14 為 TiAl 基合金平板在最優(yōu)工藝參數(shù)條件下，磨削前后工件的表面形貌圖�？芍�，磨削后的表面光滑、幾乎無缺陷，表面質(zhì)量改善，表面粗糙度值為 0.2μm，與原始表面相比降低了近 300%。
Li 等[53] 從磨削燒傷的角度研究了 CBN 砂輪對 Ti–6Al–4V 鈦合金的臨界磨削溫度，發(fā)現(xiàn)當(dāng)平均溫度超過470℃的閾值時(shí)，工件發(fā)生輕微磨削燒傷；而當(dāng)平均溫度超過 750℃時(shí)， 工件表面出現(xiàn)嚴(yán)重的磨削燒傷，并伴有嚴(yán)重的變形。Ding 等[54] 研究了砂輪表面的磨粒分布對 Ti–6Al–4V磨削效果的影響，結(jié)果表明，具有特定紋路晶粒分布的 CBN 砂輪和帶有隨機(jī)顆粒分布的電鍍 CBN 砂輪相比，磨削力和磨削功率明顯小很多。
這主要是由于在磨削過程中，砂輪 –工件接觸區(qū)的瞬時(shí)活性磨粒數(shù)量減少，從而導(dǎo)致更大的磨屑存儲(chǔ)空間和更少的摩擦熱。Zeppenfeld 等[55] 發(fā)現(xiàn)，在高速磨削過程中，隨著磨屑體積的增加，磨具與工件的接觸長度的增加，法向磨削力大幅度增加，進(jìn)而造成工件表面的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力不斷增大，如圖 15 所示，對于鈦鋁合金，當(dāng)進(jìn)給速度為 50m/min 時(shí)，在 γ–TiAl 相中獲得的拉伸殘余應(yīng)力可達(dá)σ = 400MPa，當(dāng)進(jìn)給速度為 100m/min和 200m/min 時(shí)，會(huì)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。
為了提高磨削過程中鈦合金的加工表面完整性，一些柔性研磨加工工藝相繼被開發(fā)并得以工程應(yīng)用。
宋偉偉等[56] 對砂帶磨削鈦合金的加工過程進(jìn)行了系統(tǒng)研究，揭示了工藝參數(shù) （進(jìn)給速度、砂帶線速度與下壓量）對表面粗糙度的影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明，表面粗糙度隨砂帶的線速度的增大呈現(xiàn)出先減小后增大，隨進(jìn)給速度的增大而增大，隨下壓量的增大呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢。黃云等[57] 利用機(jī)器人浮動(dòng)砂帶對航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金葉片進(jìn)行磨削，試驗(yàn)平臺如圖 16 所示。該試驗(yàn)通過控制機(jī)器人各個(gè)軸的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換來控制葉片的運(yùn)動(dòng)軌跡，自適應(yīng)浮動(dòng)磨頭可根據(jù)被加工工件實(shí)際線型進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，以達(dá)到最佳的磨削效果。與磨削前相比，磨削后的葉片均可獲得0.4μm 以下表面粗糙度。
Gong 等[58] 針對砂帶磨削過程中磨具難以進(jìn)行有效修正等難題，創(chuàng)新性地提出了一種基于空心球的新型結(jié)構(gòu)磨粒砂帶，并對其自銳性能進(jìn)行了探究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，空心球砂帶的 自銳性能優(yōu)于傳統(tǒng)砂帶。進(jìn)一步驗(yàn)證空心球砂帶的自銳性對其磨削性能的影響，如圖 17 所示[58]（ape 為實(shí)際磨削深度；ap 為磨削深度）。當(dāng)使用傳統(tǒng)氧化鋁砂帶時(shí)，由于鈦合金表面劇烈的塑性流動(dòng)而引起表面缺陷和黏粘碎屑，而使用空心球氧化鋁砂帶時(shí)則未出現(xiàn)上述加工質(zhì)量問題，表面粗糙度值達(dá) 0.39μm。
王燎原等[59–60] 和陳法宇[61] 等設(shè)計(jì)出一種針對 3D 打印的異形波導(dǎo)管件（圖 18），采用振動(dòng)復(fù)合、高壓氣流復(fù)合等多物理場復(fù)合磁力研磨加工技術(shù)進(jìn)行光整，初步獲得了達(dá)到航空應(yīng)用技術(shù)要求的試驗(yàn)結(jié)果，為異形件內(nèi)表面的光整加工提供了關(guān)鍵的技術(shù)參考。
目前，南京航空航天大學(xué)徐九華團(tuán)隊(duì)通過多年的積累已相繼開發(fā)出釬焊超硬磨料磨具與熱管砂輪，并配合基于高效換熱作用的磨削加工工藝，在鈦合金材料磨削加工表面完整性控制方面取得了一定的成果。然而，磨削熱仍是制約鈦合金材料高性能磨削加工的主要因素，為此，未來開發(fā)高性能新型磨料磨具將成為行業(yè)內(nèi)的研究熱點(diǎn)。
3、 鈦合金復(fù)合加工技術(shù)
隨著鈦合金切磨削加工和特種加工過程的認(rèn)知深化和工藝實(shí)踐的豐富，鈦合金車削、銑削、磨削和特種加工技術(shù)在航空結(jié)構(gòu)件制造中得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)，以提質(zhì)增效為工藝目標(biāo)的復(fù)合加工工藝在鈦合金加工中的應(yīng)用也日益引起人們的關(guān)注。
復(fù)合加工是將兩種及兩種以上加工工藝集成在同一加工過程中，借助多種形式的能量（聲、光、電、熱、化學(xué)等）提高加工對象的可加工性、表面質(zhì)量或加工效率，減小刀具損耗。本節(jié)主要介紹超聲振動(dòng)輔助切削加工技術(shù)、激光輔助切削工藝、超低溫加工工藝、電流輔助切削工藝 3 種復(fù)合加工工藝在鈦合金加工中的研究進(jìn)展。
3.1 超聲振動(dòng)輔助切削加工技術(shù)
作為一種非傳統(tǒng)加工技術(shù)，超聲振動(dòng)輔助加工技術(shù)是在常規(guī)切削（車削、銑削、磨削）中為工件或者刀具施加一個(gè)以上維度的高頻（約 20kHz）微米級振動(dòng)，用周期性“分離 – 切削”代替常規(guī)工藝的連續(xù)切削作用[62]。
Chen 等[63] 通過螺旋銑削和超聲振動(dòng)螺旋銑削兩種工藝下 Ti–6Al–4V合金孔加工行為進(jìn)行研究，如圖 19所示，結(jié)果表明，與螺旋銑削相比，超聲振動(dòng)螺旋銑削加工的孔徑誤差減小、表面微觀硬度增加，且在超聲振動(dòng)輔助螺旋銑削加工孔表面的橫截面 SEM 上觀察到了大約 4~6μm 的β 相變形層。此外，由于超聲波振動(dòng)載荷在加工孔的表面和亞表面產(chǎn)生更多的材料塑性變形，進(jìn)而增加了其表面加工硬化效果。
在超聲振動(dòng)輔助切削的基礎(chǔ)上，為了提高超聲振動(dòng)切削加工的效率，研究者提出了高速旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動(dòng)銑削工藝和高速超聲波動(dòng)式切削方法。高速旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動(dòng)銑削工藝將橢圓運(yùn)動(dòng)形式引入超聲振動(dòng)輔助銑削，劉佳佳等[64] 研究了鈦合金的高速旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動(dòng)銑削工藝，試驗(yàn)結(jié)果表明，超聲振幅越大，銑削平均徑向切削力值越小，表面粗糙度 值、銑削表面殘余壓應(yīng)力值、變形層厚度以及晶粒細(xì)化程度越大（圖 20）。
Peng 等[65] 采用硬質(zhì)合金刀具對Ti–6Al–4V 合金進(jìn)行傳統(tǒng)切削（CC）和高速超聲波振動(dòng)輔助切削（HUVC），對其加工過程中表面完整性的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，如圖 21 所示，試驗(yàn)結(jié)果表明，高速超聲波振動(dòng)輔助切削可有效提高 Ti–6Al–4V 合金加工性能、工藝穩(wěn)定性和表面完整性。
3.2 激光輔助切削加工技術(shù)
激光輔助切削是在常規(guī)切削（車削、銑削、磨削）過程中，在工件的待加工表面施加與刀具作同步進(jìn)給的激光照射，利用激光能量對工件待加工表面材料進(jìn)行預(yù)處理。如圖 22 所示[66]，對比研究表明相對于常規(guī)車削和銑削加工，激光輔助加工用于鈦合金時(shí)能夠通過表面材料氧化、表層亞表層材料軟化和相變等作用提高材料的可加工性，顯著降低刀具的切削力，減緩刀具磨損，獲得較低的表面粗糙度。針對激光砂帶加工的研究表明復(fù)合加工中同時(shí)發(fā)生磨粒磨削的材料塑性去除和材料氣化及熔化去除，可以提升加工表面的耐磨 損性能。通過激光參數(shù)和切削參數(shù)優(yōu)化匹配，激光輔助切削在提高鈦合金加工質(zhì)量方面已經(jīng)取得了積極的學(xué)術(shù)成果，在加工效率提升和低能耗生產(chǎn)方面的應(yīng)用潛力也初見成效。
3.3 超低溫切削加工技術(shù)
超低溫（低于 –153℃）切削技術(shù)，是指一種在材料去除過程中采用液氮等強(qiáng)冷卻介質(zhì)的綠色加工工藝方法。強(qiáng)冷卻介質(zhì)在噴射壓力作用下進(jìn)入加工區(qū)域，依靠熱傳導(dǎo)、熱對流 等換熱方式降低切削熱。
Dhananchezian 等[67] 針 對 TC4鈦合金開展了液氮超低溫車削試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，超低溫加工環(huán)境能夠降低切削溫度、切削力、表面粗糙度和刀具磨損。Shokrani 等[68] 對比了TC4 的常溫端銑、漫灌式切削液冷卻銑削和超低溫端銑加工，發(fā)現(xiàn)超低溫環(huán)境顯著降低了加工后的表面粗糙度值，減少了塑形變形和切屑二次沉積引起的加工表面損傷。如圖 23 所示[69–70]，超低溫銑削能夠提高加工表面微觀硬度[70]，降低切削變質(zhì)層的深度。梁旭等[71] 發(fā)現(xiàn)在干切削、超臨界 CO2（scCO2）以及 scCO2 與油膜附水滴 （OoW）混合 3 種切削方式中，scCO2 與微量油膜附水滴混合冷卻方式能有效減小切削力和降低切削溫度，因而獲得良好的加工表面，并研究了切削參數(shù)對切削力和切削溫度的影響規(guī)律。在超低溫加工的基礎(chǔ)上，針對低剛度薄壁鈦合金蜂窩結(jié)構(gòu)在常規(guī)銑削中的卷曲、開焊、塌邊等缺陷，文獻(xiàn) [72–73] 提出了冰固持低溫銑削，以脆硬的剪切斷裂方式代替強(qiáng)韌的拉伸斷裂，提高了工件剛度和銑削力，能夠有效抑制加工缺陷，提高表面質(zhì)量。
3.4 電流輔助切削加工技術(shù)
電流輔助切削是在常規(guī)切削加工中利用導(dǎo)電工件在通入電流時(shí)產(chǎn)生的塑性變化來提高工件材料加工質(zhì)量的復(fù)合加工方法。Lou 等[74] 結(jié)合仿真和試驗(yàn)研究了 TC4 鈦合金電脈沖輔助加工，結(jié)果表明，電脈沖作用能夠減小鈦合金的硬度和屈服應(yīng)力，提高切削過程的平穩(wěn)性，利于形成連續(xù)切屑，從而降低刀具切削力、加工表面缺陷和表面粗糙度值，如圖 24 所示。
路冬等[75] 對比了普通車削與電塑性車削兩種不同加工方法下的切削力和表面粗糙度，發(fā)現(xiàn)電塑性輔助車削加工的工件表面質(zhì)量得到明顯改善且切削力顯著降低，并提出了選用較 高的放電電壓及較低的放電頻率的工藝控制策略。在此基礎(chǔ)上，廖鵬飛等[76]進(jìn)一步對比了 TC4 鈦合金普通車削、超聲振動(dòng)輔助車削及電塑性 – 超聲振動(dòng)耦合輔助車削，試驗(yàn)結(jié)果表明，電塑性－超聲振動(dòng)耦合輔助車削的切削力最小，并且表面質(zhì)量改善最為顯著，較大的放電電壓及較高的放電頻率有利于降低切削力，獲得較好的表面質(zhì)量。作為一種綠色輔助手段，電流輔助切削為鈦合金高質(zhì)量加工提供了一種有前景的工藝方案。
總體來說，通過能量場輔助能夠有效改善鈦合金材料的加工表面完整性。但是，各能量場作用下的材料去除機(jī)制等科學(xué)問題還有待深入研究。
4、 鈦合金特種加工技術(shù)
特種加工是泛指用電能、熱能、光能、電化學(xué)能、化學(xué)能、聲能及特殊機(jī)械能等能量達(dá)到去除或增加材料的加工方法[77]，具體可分為成形加工技術(shù)、表面光整加工技術(shù)和表面強(qiáng) 化技術(shù)。本研究主要論述的鈦合金特種加工技術(shù)包括精密電火花成形加工技術(shù)、精密電解加工技術(shù)、磨粒流光整加工技術(shù)、表面噴丸強(qiáng)化技術(shù)和表面激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)。
4.1 精密電火花成形加工技術(shù)
電火花成形加工技術(shù)是一種拷貝式加工，它利用工具電極和工件電極間最小間隙處或者絕緣強(qiáng)度最低處，在高壓脈沖電壓下形成的脈沖放電對工件表面材料實(shí)現(xiàn)微量蝕除，工具電極的形狀逐步拷貝到工件待加工表面，以此實(shí)現(xiàn)成形加工[78]。電火花成形加工技術(shù)特別適合難加工合金材料和難加工結(jié)構(gòu)，且技術(shù)較為成熟，因而在航空航天高性能鈦合金零部件生產(chǎn)中具有廣泛應(yīng)用，也不斷延伸出新的研究方向。
利用煤油介質(zhì)和銅工具電極加工鈦合金時(shí)，電火花加工表面較為粗糙并覆蓋有白層，白層包含各種碳化物和氧化物，其硬度較基體材料大，且脈沖能量越大，再鑄層越厚。峰值 電流越大時(shí)，材料去除率和工具電極損耗越快，表面裂紋也越嚴(yán)重[79–81]。
圖 25[77] 為電火花成形加工 TC4 鈦合金的表面完整性。此外，過大的脈寬會(huì)引起放電表面嚴(yán)重積碳（煤油分解），因而降低加工表面質(zhì)量和加工效率。Tang 等[82] 通過電火花單點(diǎn)放電特性的仿真來研究鈦合金電火花加工機(jī)理，結(jié)果表明，再鑄層和熱影響層厚度沿著放電蝕坑中心到蝕坑邊緣逐漸增加，再鑄層和熱影響層的金相組織不同，但同時(shí)存在較大的殘余應(yīng)力值。脈沖電流影響蝕坑的應(yīng)力狀態(tài)，脈寬則對再鑄層深度和最大拉應(yīng)力深度有顯著影響。Rahul 等[83] 研究了工具電極材料對 TC4 鈦合金電火花成形加工表面完整性、工具電極損耗和加工效率的影響，發(fā)現(xiàn)深冷處理銅工具電極比常規(guī)銅工具電極和鎢工具電極在加工效率、表面質(zhì)量和工具電極損耗上都有更好的表現(xiàn)。
Shokrani 等[68] 以表面粗糙度和加工效率為目標(biāo)，通過優(yōu)化脈沖電流、脈寬、占空比、抬刀周期等電參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了鈦合金的高效高質(zhì)量電火花成形加工，為鈦合金電火花成形加工的工程化應(yīng)用提供了可行的技術(shù)方案。
4.2 磨粒流加工技術(shù)
鈦合金工件經(jīng)過車削、銑削、電火花加工、增材制造等技術(shù)加工后的表面完整性往往難以滿足使用要求，而黏彈性磨粒流光整加工 （Abrasiveflow machining，AFM）是一種行之有效的鈦合金表面光整技術(shù)，在該技術(shù)中，半流動(dòng)的黏彈性磨料在擠壓力作用下流經(jīng)工件表面，驅(qū)動(dòng)其中的硬質(zhì)磨粒切削工件表層的“微凸起”特征來實(shí)現(xiàn)拋光目標(biāo)。
Yu 等[84–85] 利用磨粒流光整加工技術(shù)拋光精密電火花加工后的 TC4鈦合金表面，結(jié)果表明，磨粒流光整加工能夠顯著降低工件表面粗糙度（圖 26[84]），去除電火花加工中形成的再鑄層，提高加工后表面的硬度分布一致性，引入表層殘余壓應(yīng)力。通過工序間余量優(yōu)化分配，磨粒流光整加工技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)提質(zhì)增效的綜合工藝目標(biāo)。
鈦合金工件在磨粒流光整加工后的表面粗糙度一致性是當(dāng)前該技術(shù)在工程應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)之一。對于初始表面形貌均勻性的工件，粗糙度作為表層材料去除的宏觀效果之一，粗糙度一致性可以歸結(jié)為材料去除一致性，而后者的關(guān)鍵技術(shù)之一是工件表面材料在磨粒流加工中的去除量分布預(yù)測。Fu 等[86] 采用多磨粒摩擦磨損的疊加作用構(gòu)建了磨粒流加工工藝的材料去除率預(yù)測模型，并將之用于鈦合金葉片的雙向磨粒流加工預(yù)測，并針對存在的材料去除一致性低問題 （圖 27），提出了優(yōu)化夾具結(jié)構(gòu)的工藝控制策略 （圖 28）。
Bouland 等[87] 利用解析法和流場仿真輔助工具構(gòu)建了對應(yīng)的磨粒流加工材料去除率預(yù)測模型，提出了利用預(yù)試驗(yàn)得到的修正函數(shù)來減小由于磨粒流拋光效率衰減導(dǎo)致的材料去除率預(yù)測誤差的建模策略，并將該模型用于預(yù)測增材制造鈦合金工件的磨粒流光整加工效果。
4.3 精密電解加工技術(shù)
精密電解加工技術(shù)是基于電化學(xué)原理的一種非接觸式特種加工技術(shù)，具有工具無損耗、無殘余應(yīng)力、材料以離子狀態(tài)溶解等優(yōu)點(diǎn)，在難切削、復(fù)雜形狀、低剛度的航空結(jié)構(gòu)件大余量去除中得到廣泛應(yīng)用[88–90]。
Choungthong 等[91] 將電解加工工藝用于去除激光銑削加工的鈦合金工件表面重鑄結(jié)構(gòu)，并重點(diǎn)觀察了電解加工前后激光研磨腔的表面、亞表面和尺寸的變化，結(jié)果表明，電解加工可以去除大部分重鑄結(jié)構(gòu)，且腔深隨加工時(shí)間的延長而增大。高激光功率的使用不僅增加了重鑄量，而且還增加了工件表面的微孔、裂紋等缺陷。這些缺陷可以通過電解再現(xiàn)，從而擴(kuò)大微孔和裂紋，并使工作表面加工質(zhì)量發(fā)生惡化。相關(guān)研究結(jié)果為激光切割表面的重鑄去除和去毛刺提供了理論指導(dǎo)。
孫曉宇等[92] 采用了電解加工技術(shù)制造鈦合金心血管支架，試驗(yàn)表明，該工藝制造鎳鈦合金心血管支架的表面完整性和生物相容性明顯改善，如圖 29 所示。同時(shí)提高了電解加工技術(shù)的環(huán)境友好性，為制造性能優(yōu)異的心血管支架提供了理論指導(dǎo)。
李越等[93] 分析了極間距和溫度等參數(shù)對鈦合金管電解加工效果的影響，試驗(yàn)表明，較佳的極間距和溫度分別為 15mm 和 25℃，如圖 30 所示，在該參數(shù)下電解拋光 90s 后，鎳 鈦合金管表面光潔平整，電蝕坑和突起較少，表面粗糙度最�。�54.8nm），表面殘余壓應(yīng)力最大（191.7MPa）。
不可忽視的是當(dāng)下比較缺乏對精密電解加工多物理場耦合機(jī)理研究[94]，國內(nèi)外現(xiàn)有大多數(shù)多物理場耦合研究進(jìn)行了模型簡化處理[95]，建立相對準(zhǔn)確的精密電解加工多物理場模型仍較困難。脈沖與振動(dòng)精確匹配時(shí)，加工間隙內(nèi)流場、電場、溫度場、電化學(xué)溶解速度場耦合作用極為復(fù)雜。以后的研究需要通過揭示多物理場作用規(guī)律，掌握電解加工成形規(guī)律，并實(shí)現(xiàn)成形過程準(zhǔn)確預(yù)測。
4.4 表面噴丸強(qiáng)化技術(shù)
噴丸加工中，高速彈丸流以 20~100m/s 的速度撞擊工件表面，如圖31 所示[96]，彈丸流的機(jī)械撞擊使工件表層材料產(chǎn)生一定深度的塑性變形區(qū)，并將殘余壓應(yīng)力引入表面塑性 變形層，有效阻止工件在服役過程中的裂紋萌生和擴(kuò)展，提高其疲勞壽命和抗應(yīng)力腐蝕能力[97]。同時(shí)，撞擊能改變工件表層微觀組織結(jié)構(gòu)，在工件表面產(chǎn)生高密度的晶格缺陷和位錯(cuò)，表層晶粒得到明顯細(xì)化[98–99]。
Li等[100]采用X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）對 TC17 鈦合金噴丸強(qiáng)化表面進(jìn)行了綜合表征，研究了TC17 表面形貌演變和晶粒尺寸隨深度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)噴丸加工表面的劇烈塑性變形誘發(fā)了位錯(cuò)活動(dòng)，位錯(cuò)活動(dòng)具有很高的層錯(cuò)能，從而實(shí)現(xiàn)了材料表層晶粒的細(xì)化，顯微硬度從工件表面到基體逐漸增加（440HV0.02提高到 629HV0.02），呈現(xiàn)出遞減的梯度變化規(guī)律。孫輝[101] 對 TC4 鈦合金葉片噴丸過程進(jìn)行數(shù)值分析及試驗(yàn)研究，確定了噴丸速度等工藝條件和工藝路徑，研究了葉片經(jīng)加工后的表面狀態(tài)，指出了在葉片機(jī)加工時(shí)應(yīng)給予一定的預(yù)補(bǔ)償量，可使葉片噴丸變形后達(dá)到預(yù)定的形狀，如圖32所示。
在工程應(yīng)用中，應(yīng)該通過噴丸工藝參數(shù)優(yōu)化來兼顧加工表面質(zhì)量和加工效率，同時(shí)避免加工表面剝層和褶皺異常缺陷對工件服役性能產(chǎn)生的不利影響。此外，通過將噴丸表面強(qiáng)化與其他技術(shù)復(fù)合，在保證工件表面力學(xué)性能的同時(shí)降低粗糙度，是噴丸表面強(qiáng)化技術(shù)研究和應(yīng)用的關(guān)注點(diǎn)之一[102–103]。
4.5 表面激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)
激光沖擊強(qiáng)化加工技術(shù)是近年來發(fā)展起來的新型強(qiáng)化技術(shù)[104]。該技術(shù)利用激光束產(chǎn)生等離子體誘發(fā)的沖擊波在工件次表面引起局部塑性變形，并使其產(chǎn)生高度位錯(cuò)，進(jìn)而提高零部件的整體服役性能（圖33[102]）。Li 等[105] 對 TC4 的激光沖擊強(qiáng)化效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)強(qiáng)化試樣的振動(dòng)疲勞斷裂區(qū)的裂紋源位于表面以下約 100μm 深度處，而經(jīng)過激光沖擊強(qiáng)化試樣的振動(dòng)疲勞斷裂區(qū)的裂紋源位于次表面（圖 34[105]）。
進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，激光沖擊強(qiáng)化次數(shù)對疲勞壽命具有積極的影響。隨著強(qiáng)化次數(shù)的增加，初始晶粒將細(xì)化為許多亞晶粒，甚至是納米晶粒（圖 35[105]）。
昝垚旭等[106] 使用 X 射線衍射儀、顯微硬度計(jì)等分析了激光沖擊強(qiáng)化處理后 Ti834 合金，并用掃描電子顯微鏡等觀察被終極區(qū)域的表面形貌和顯微組織，結(jié)果表明，第 1 次處 理和第 2 次處理后形成的強(qiáng)化層厚度分別為 170μm 和 265μm，殘余壓應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在次表層。孫汝劍等[105] 采用 20J、25J 和 30J 級別的脈沖激光沖擊 TC17 鈦合金，觀察并歸納其微觀組織演變、表面形貌及粗糙度變化、殘余應(yīng)力分布和拉升性能改變規(guī)律。得出了試樣表面粗糙度降低，表面殘余應(yīng)力增大，鈦合金屈服強(qiáng)度提升 30~70MPa 的結(jié)論，但激光沖擊強(qiáng)化對 TC17 鈦合金抗拉強(qiáng)度影響不大，如圖 36 所示[107]。
綜上所述，針對鈦合金難加工材料而言，特種加工技術(shù)可解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)等裝備制造中常規(guī)加工方法無法實(shí)現(xiàn)的加工難題。此外，由此衍生出的特種加工與傳統(tǒng)制造技術(shù)相結(jié)合的組合式加工新概念與新工藝是未來需要研究的重要課題。
5 、結(jié)論
本研究針對鈦合金切削溫度高，刀具磨損嚴(yán)重等問題，從切削加工、磨削加工、復(fù)合加工以及特種加工 4個(gè)工藝角度對鈦合金加工表面完整性的發(fā)展現(xiàn)狀展開綜述，分析了工藝 參數(shù)對表面完整性狀態(tài)特征的影響規(guī)律。其中，鈦合金材料在不同加工方式下所獲得的表面完整性不盡相同，進(jìn)而導(dǎo)致其服役性能產(chǎn)生顯著差異。為此，針對目前鈦合金加工技術(shù) 發(fā)展現(xiàn)狀，為了獲得有效表面完整性加工，鈦合金材料加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展趨勢主要集中在以下 4 個(gè)方面。
（1）鈦合金材料在切削、磨削、復(fù)合加工與特種加工等工藝過程中均會(huì)承受不同的機(jī)械 / 熱載荷，并引起其加工表面微觀組織及機(jī)械特性的變化，繼而對其服役性能造成不同 程度的影響。然而，就目前而言，還沒有合適的理論方法來對不同服役性能要求的鈦合金材料選擇最佳的加工工藝。因此，未來的工作有必要從不同加工工藝下鈦合金的表面完 整性與功能性的影響機(jī)制著手進(jìn)行深入探究。
（2）鈦合金精密加工正朝著高效、精密、低損傷的方向發(fā)展，隨著高速 / 超高速加工技術(shù)與多能場復(fù)合精密加工技術(shù)的快速發(fā)展，使得鈦合金高效低損傷精密加工成為了可能。然而，對于超高速加工技術(shù)而言，高應(yīng)變下的材料去除模式對其加工表面質(zhì)量的影響機(jī)理還有待于深入研究。此外，基于力 – 熱耦合場下表面完整性的演變已進(jìn)行了深入研究。然而，在多能場輔助復(fù)合加工技術(shù)中，需要充分考慮復(fù)雜場效應(yīng)對其表面完整性的影響，并在此基礎(chǔ)上完善相關(guān)理論模型。
（3）在鈦合金精密加工過程中，刀具 / 磨具磨損是制約鈦合金高表面完整性加工的核心瓶頸問題，其磨損程度又會(huì)復(fù)映到表面完整性，致使表面完整性一致性較差。未來應(yīng)基 于時(shí)間維度，將刀具 / 磨損問題納入表面完整性演變規(guī)律中，并開發(fā)出相應(yīng)的理論模型。此外，高性能刀具 /磨具的開發(fā)也是目前值得深入研究的工程科學(xué)問題。
（4）目前，大多數(shù)研究集中于某一種加工技術(shù)下表面完整性的演變規(guī)律問題。然而，一個(gè)零部件從毛坯到成品，往往需要經(jīng)歷多種加工工藝，如切削 – 磨削 –（特種加工）– 研 拋 – 表層強(qiáng)化等工藝流程。因此，需要建立面向整個(gè)工藝鏈中工藝參數(shù)與表面完整性的映射模型，并以鈦合金關(guān)鍵零部件的服役性能需求為目標(biāo)，獲得其滿足服役性能需求的工藝 特征域，對引導(dǎo)和推動(dòng)鈦合金關(guān)鍵構(gòu)件高表面完整性制造技術(shù)的發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)。
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通訊作者：孫玉利，教授，博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)榫芘c超精密加工技術(shù)、航空航天復(fù)雜結(jié)構(gòu)件精密光整加工技術(shù)與裝備、現(xiàn)代表面工程技術(shù)。