原标题：增材制造钛合金的可加工性:综述（2）
江苏激光联盟陈长剧你导读：
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。本文为第二部分。
3 增材制造钛合金的可加工性
众所周知，AM的优点之一是能够快速获得近净形状零件。然而，AMed零件不能在制造过程后直接使用或组装。这是因为AMed零件的表面光洁度不光滑，特别是AMed表面的表面粗糙度、硬度和残余应力甚至高于锻造材料。因此，在大多数情况下，AMed零件的精加工是必要的后处理步骤。然而，众所周知，钛合金是难加工材料。因此，了解AMed钛合金的切削性能对其应用非常重要。
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蚀刻的光学显微镜(a) AM成型，(b) AM在700°C退火1小时，(C)变形材料。AM材质的构建方向垂直于图像。
切削力、刀具磨损和表面完整性是反映任何材料（包括钛）可加工性的主要指标，因为切削力的变化是影响温度、表面完整性和刀具磨损发展的因素。切削过程中的力是由于加工切屑的形成而产生的，并施加在刀具/切屑接触界面上。如上所述，与锻造材料相比，AMed钛合金的硬度、屈服强度和极限抗拉强度更高。这些增强的机械性能显著影响刀具-工件相互作用和切屑形成的塑性变形过程，从而影响切削力，***终影响加工表面的完整性。
刀具磨损是评估金属材料可加工性的另一个主要因素。与铝合金的切割工艺相比，钛合金的切割难度更大，因为其具有高强度和低导热性，导致刀具磨损情况更为严重。具体而言，一次变形区中工件的绝热剪切和二次变形区中的刀具/切屑接触产生大量热量，这加速了粘着扩散磨损过程，这是粘着磨损的主要刺激因素，如刀具表面的堆积边缘（BUE）和堆积层（BUL）。此外，刀具/切屑界面和刀具/工件界面的严重磨损导致侧面磨损和弧坑磨损，这是影响刀具寿命的主要因素。在分析加工AMed钛合金时刀具磨损的发展时，应考虑性能（强度和硬度）变化以及微观结构改变所产生的影响。
3.1 切削力和表面完整性
对AMed钛合金的切削力和表面完整性进行了一些实验研究。Polishetty等人通过分析切削力和表面粗糙度（如图3所示），比较了锻造和SLMed Ti6Al4V的可加工性。结果发现，加工SLMed Ti6Al4V时，由于屈服强度较高，切削力可大200 N。SLMed零件的机加工表面粗糙度比锻造零件低约20%，这是由于AMed材料的硬度较高，延展性降低，从而限制了机加工表面峰值的侧向塑性流动。在一项研究中，Shunmugavel等还比较了锻造和SLMed Ti6Al4V之间的可加工性。研究发现，加工AMed Ti6Al4V时的切削力较高，从而提高了切削温度和刀具/切屑磨损，导致严重的粘着磨损。Rotella等人研究了由EBM和DMLS制造的AMed Ti6Al4V的表面完整性。在不同切削速度下车削后，发现AMed零件的粗糙度比锻造零件的粗糙度高出约10%-20%，这与Polishetty等人的结果不同。在加工表面发现了塑性变形晶粒的影响层，并且层的厚度随着切削速度的增加而增加。在每个切削速度下，EBMed零件的影响层厚度***大（21μm至24μm），其次是DMLSed零件（18μm至22μm）和锻造工件（小于17μm）。
图3 （a）加工AMed 钛合金时不同进给速度下的切削力，（b）AMed 钛合金的表面粗糙度，（c）在不同切削速度下加工AMed 钛合金后影响层的厚度。
3.2 AMed钛合金的干式加工
干加工是一种众所周知的绿色制造方法，多年来一直受到学术界和工业界人士的关注。干式切割不需要油基或乳化剂基金属加工液，减少甚至消除了环境污染以及与之相关的皮肤病、呼吸障碍等健康问题，符合绿色工业的要求。然而，钛合金的高强度和高反应性化学特性使其干加工变得困难。如果不使用冷却液和润滑，切削力会很高，导致切削温度高，刀具/切屑和刀具/工件界面磨损更严重。因此，钛合金干切削过程中的刀具磨损率很快，这严重限制了加工效率和表面质量。在切削AMed钛合金时，硬度和极限抗拉强度的提高会进一步提高切削力和温度，从而使AMed钛合金的干切削更加困难。
Zhang等人研究了AMed Ti6Al4V在干切削条件下（高达250米/分钟）使用陶瓷铣刀高速铣削时的可加工性。分析了切削力、温度、表面粗糙度和切屑形貌等切削响应。发现当切割速度从150 m/min增加到200 m/min时，合成切割力***初减小，然后当切割速度进一步增加到250 m/min时，合成切割力增大。这是因为由于热软化，工件材料在较低的切割速度下更容易去除，而在较高的切削速度下，应变硬化占主导地位，导致流动应力和切削力增加。温度分布表明，切屑周围的温度***高，可以看出，随着切削温度的升高，切屑的形状从长（连续）变为短（断裂）（图4），因为较高的温度促进了切屑流的断裂。在铣削表面上观察到刀具和工件相对运动产生的固有进给痕迹，并且在使用陶瓷刀具加工DMLSed Ti6Al4V合金时，对产生的光洁度没有不利影响。
图4 （i）进给速度为0.05 mm/齿，切削速度为250 m/min，切削长度为（a）10 mm，（b）20 mm，（c）30 mm和（d）40 mm，（ii）进给速度为0.07 mm/齿，切削速度为250 m/min，切削长度为（a）10 mm，（b）20 mm，（c）30 mm和（d）40 mm时的切削温度场。
研究表明，在锻造Ti6Al4V干切削过程中，高切削温度和大剪切应力的结合导致了机加工表面下方微观结构的变化。同样，在不同切削速度下加工后，观察到了次表面变形。如图5所示，在机加工表面下方形成了三个不同的区域：靠近机加工表面的层A被称为白色层，这是由于刀具侧面和机加工表面之间的挤压而形成的；在白层之下，晶粒在B层中伸长变形，称为变质层；在C区，晶粒的形态与接收到的工件材料相同。此外，随着主轴转速的增加，变质层的厚度逐渐增加。这可归因于由于与刀具边缘的相互作用而对机加工表面产生的犁拉效应，从而导致二次剪切塑性变形。
图5在f=0.12 mm/rev，主轴转速（a）9.97 m/min，（b）15.95 m/min，（c）24.97 m/min和（d）29.92 m/min的情况下，刻度层的显微镜图像。
Ming等人对DMLS制造的热处理Ti6Al4V干钻中的孔质量和碎屑形成进行了实验研究。通过分析切屑的剪切角，发现剪切角随进给速度的增加而线性减小（图6）。在较大的进给速度下，较高的切削温度软化了工件材料，使主剪切带（主变形区）的移动更加容易。切屑相交处的微观结构表明，一次剪切带和二次剪切带附近的β相被拉长。此外，在切屑背面附近发现针状马氏体结构，表明在加工过程中很少有细小的β相分解为马氏体。加工孔质量方面，表面不光滑，孔出口附近有严重划痕。这种现象是由于在钻孔过程中，未破碎的切屑堵塞了刀具的切削面造成的。通过检查孔表面的微观形态，发现孔表面上形成的碎屑和碎屑的粘附和涂抹发生在孔出口附近（图7）。
图6 切屑剪切角随进给量和剪切带变化的演变特征：（a）恒定主轴转速下剪切角随进给速度的变化；（b）变形片层的微观结构。
图7 钻孔表面特征的扫描电子显微镜（SEM）图像。
在另一项研究中，Dang等人研究了固体Al2O3/Si3N4陶瓷（Sialon）刀具在AMed Ti6Al4V高速铣削过程中的磨损机理。如图8所示，切削距离为500 mm后，刀具表面变得粗糙，刀具边缘出现碎屑。当切削距离增加到800 mm时，刀具刃的剥落和对工件的附着力显著增加。还观察到沿刀具侧面的凹坑。具体而言，工件材料粘附在前刀面和后刀面上，表明在加工AMed Ti6Al4V时，高温导致Sialon刀具发生粘着磨损。这种现象还表明，由于加工过程中采用的高切削速度，导致加工材料的高应变率和高切削温度。碎屑是由施加在切削刃上的高频动态切削力引起的。虽然陶瓷刀具的硬度高于碳化钨刀具，但陶瓷刀具的脆性使其刃口更容易断裂和破损，尤其是在干切削过程中。
图8 （i） 0 mm、500 mm和800 mm槽铣削试验后刀具前刀面和后刀面的SEM显微照片，（ii）A、B、C和D段的高倍SEM显微照片。
Shunmugavel等人分析了DMLSed Ti6Al4V干车削过程中切屑形成的机理。图9显示了切割速度对切屑形态的影响。具体而言，随着切割速度的增加，观察到从非周期性锯齿切屑过渡到周期性锯齿切屑，而与工件材料的状况无关。在所有条件下，剪切角随着切割速度的增加而增加。较高的切割速度导致较高的切割温度、较高的法向应力和剪切应力，从而导致严重变形。瞬态塑性变形引起的变形能几乎转化为剪切变形层的热能，导致二次剪切带温度显著升高，剪切带发生变化。此外，还研究了剪切带上的硬度分布。
图9不同切削速度下不同工件材料的切屑形态（注：A.B为竣工，H.T为热处理工件状态。所有图像中的比例尺代表100μm。）
图10（a） SLMed Ti6Al4V（H.T）切屑样品中的显微硬度压痕，（b）不同条件下工作材料剪切带的显微硬度数据，以60 m/min的速度加工。
在绝热剪切带上以25μm的等间距进行显微硬度压痕（图10（a））。可以看出，无论机加工材料条件如何，绝热剪切区的硬度都显著增加（图10（b））。锻造Ti6Al4V在剪切带中的硬度增幅***大，约为14%，而SLMed Ti6Al4V在竣工（A.B）和热处理（H.T）条件下的硬度增幅分别仅为7%和9%。剪切带硬度的增加是由于剪切局部化和相变导致这些材料的加工硬化特性。与SLMed Ti6Al4V相比，锻造Ti6Al4V的剪切带硬度增加百分比较高，表明这些材料的剪切带中发生了严重的剪切局部化和变形，这是由于剪切变形阻力较低。
3.3 冷却液和润滑的影响
加工钛合金时，通常使用冷却液，以降低切削温度，提供润滑并延长刀具寿命。然而，在钛合金的高速加工（HSM）中，使用传统的溢流冷却并不是那么有效，因为切削液不能有效地渗透到切削区域，因此不能提供预期的润滑和冷却功能。***近，为了减少大量金属加工液的使用，以满足绿色和清洁生产的要求，采用了替代冷却和润滑方法。在不同的冷却方法中，通过大量研究，对***小量润滑（MQL）和低温冷却（图11）进行了研究。
图11切割机的实验装置，使用：（a）低温冷却（b）MQL进行加工。
低温冷却利用液态惰性气体（如氦气和氮气）的气化来降低温度，这可以提供以下低温环境−切割区域直接温度为150°C。低温冷却剂的应用可以显著降低切削温度，从而限制严重刀具磨损的发展。这使得采用极限切削参数成为可能，从而提高了加工效率。MQL是一种环保方法，在切割过程中使用少量冷却液进行润滑。在MQL加工中，冷却和润滑介质（植物油、矿物油和乳化液）的混合物在压缩空气和切削液的微滴流中喷射到切削区域。MQL加工可以增强切削液通过高压的穿透能力，尤其是对于HSM而言。与典型的浸没加工和干加工技术相比，可以在切削表面形成相对稳定的润滑膜，从而改善润滑条件。使用低温、高压冷却剂和低温冷却空气加工锻造Ti6Al4V的工作证明，这些冷却剂和润滑剂的应用对切削力、表面完整性和刀具磨损有显著影响。这对于理解加工AMed钛合金时不同冷却液和润滑剂的影响至关重要。
Bordin等人研究了低温冷却作为加工EBMedTi6Al4V的可持续策略的可行性。在三种切削条件下，在不同的切削速度和进给速度下进行了车削实验；干式、湿式和低温冷却。采用深冷冷却后，不同参数下的表面粗糙度略有降低。通过SEM进一步分析加工表面的微观形貌（图12）。发现了包括侧流、粘附、撕裂和锯齿状进给痕迹在内的缺陷，这些缺陷是由刀具在工件材料表面的犁削作用引起的。还研究了芯片形态（图13）。一般来说，加工过程中应避免长卷曲切屑，以防止缠绕在工件周围。结果表明，使用低温冷却时会产生分段切屑卷曲，而在其他切削条件下会产生长卷曲切屑。低温冷却的应用有效地降低了切割温度，这也限制了切割过程中工件的塑性和延展性。
图12 采用湿、干、低温冷却策略车削8分钟后的主要表面缺陷。
图13 在低温、干湿车削条件下，切割8分钟后，切割速度为80 m/min时的切屑形态；进给速度为（a、b、c）0.1 mm/rev和（d、e、f）0.2 mm/rev。
Bordin等人还分析了钛AlN涂层刀具在干燥和低温冷却条件下车削EBMed Ti6Al4V后的磨损情况。在干燥条件下，发现粘附是刀具表面的主要磨损模式。还观察到高温引起的弧坑磨损、堆积边缘/层和切削刃剥落。由于切削温度降低，低温冷却液的应用显著减少了刀具磨损。此外，粘合力的降低防止了切削刃和侧面的磨损，从而限制了侧面磨损和切削刃剥落的发展。此外，低温冷却减少了刀具/切屑接触长度，这是限制前刀面刀具磨损发展的另一个因素。当应用深冷冷却时，刀具/切屑接触长度***初减少了20%，并在切割15分钟后进一步减少到约42.8%。通过检查次表面的微观结构，发现在干切削条件下车削时，晶粒向切割方向拉长，然而，在低温冷却条件下，未观察到亚表面微观结构的实质性变化（图14），这与其他已发表的低温加工文献一致。
图14 低温冷却对机加工表面以下材料微观结构的影响（左侧-干燥状态；右侧-低温冷却状态）。
Sartori等人进一步研究了不同AMedTi6Al4V材料在干燥和低温条件下的可加工性。工件分别由锻造、EBM、DMLS和热处理DMLS制成。结果发现，DMLSed Ti6Al4V的硬度较高，而其他三种工件的硬度相似。众所周知，使用WC刀具切削Ti6Al4V时，粘着磨料过程是主要磨损机制，磨损率与切削温度（热导率）有关，如图15所示。然而，在本研究中，低温冷却的应用降低了切削温度，防止了工件材料在刀具表面的粘附。因此，侧面磨损和弧坑磨损主要由刀具/切屑和刀具/工件界面引起，这与工件材料的硬度有关。通过对刀具磨损形貌的分析，发现在干切削由DMLS制造的工件时，刀具上的凹坑磨损***严重，因为其硬度***高，导热系数***低。在低温冷却剂辅助下加工时，刀具上的弧坑磨损深度减少到干切削后观察到的深度的58%。切削刀具的侧面磨损也有类似的趋势。加工DMLSed工件时，刀具的侧面磨损宽度比其他三种刀具高10%，并且通过应用低温冷却（在加工EBMed Ti6Al4V的情况下）观察到磨损减少高达20%。
图15 干切削和低温冷却条件下车削15分钟后磨损刀具前刀面的SEM图像。
Bruschi等人研究了在生物医学应用中加工EBMedTi6Al4V时，冷却策略对刀具磨损的影响。他们发现，由于热软化效应的降低，锻造材料和EBMed工件的显微硬度和残余应力随着深冷冷却的应用而增加。对滑动试验后磨损表面的微观形貌进行了检查，以分析工件材料在不同冷却条件下的磨损行为（图16）。在干燥条件下加工的工件表面上，无论工件特性如何，磨痕都更宽、更破碎。干切削后，由于犁削效应，在加工表面上发现更宽的凹槽。在这些切削条件下，使用液氮作为冷却介质主要影响磨损行为。在低温冷却条件下，粘着是主要的磨损机制，在生物医学应用中，粘着磨损是******磨损，而不是磨料磨损，因为植入后磨损碎屑的释放可能会造成有害的磨损。
图16 不同加工条件下加工表面的微观结构：（a）EBMed Ti6Al4V和（b）锻造Ti6Al4V。
Bertolini等人研究了利用低温冷却改善EBMedTi6Al4V加工表面的完整性和耐腐蚀性。采用低温冷却时，HDL厚度***大，其次是流体和干切削。通过使用流体冷却剂和低温冷却，切削温度降低，从而产生更大的切削力。因此，低温冷却的较大切削力会导致加工表面下的HDL变厚。
虽然人们对MQL在金属加工中的应用进行了广泛的研究，但很少有研究关注MQL在加工AMed钛合金时的作用。Khaliq等人研究了干切削和MQL条件下SLMed钛合金微铣削中刀具的磨损。使用植物基切削油作为润滑剂，消除了与矿物油相关的污染和健康问题。干切削条件下的粘着磨损仍然很严重，这会去除刀具表面，降低刀具表面的硬度，***终导致切削刃失效（图17）。与干切削后的磨损情况相比，MQL的应用减少了27%的侧面磨损。由于犁削效应的弹塑性变形，采用较低的进给速度增加了机加工表面的残余应力。
图17 在（a）干燥条件和（b）MQL冷却液条件下，随着进给速度的增加，刀具磨损。
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
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