鈦合金微製造技術（shù）研究進展與微加工技術展望

鈦合金具有比強度高、耐蝕性強以及生物相容性好等特性，是製造金屬微（wēi）構造件的理想資料。但是，鈦（tài）合金導熱係數低、彈性模量（liàng）小且化學親和力強，亦是典型的（de）難加工資料。在剖析鈦合金微構造件加工特（tè）性的根底上，按增材、等材和減材的成形方（fāng）式對鈦合金微製造技術停止了綜述，引見了各自的成形原理與工（gōng）藝 特性，並對鈦合金微製造技術的將來（lái）開展方向（xiàng）提出了（le）瞻望。

1  序文

精細化、微型化是現代製造業的重（chóng）要開展方向（xiàng）。鈦合金作（zuò）為（wéi）一種重要的（de）輕質合金，具有比強（qiáng）度高、耐蝕性強以及生物相容性好等特性（xìng），被以為是製造金屬微構造件的（de）理想資料[1]。隨著製造（zào）技術的開展，鈦合金（jīn）必將在航空航天、生物醫療和精細（xì）儀器等範疇得到更多的應用。

但是，鈦合金（jīn）自身導熱係數低、彈性模（mó）量小且高溫下化學親和力強（qiáng），屬於典（diǎn）型難加工資料。同時，金屬微構造件體積小、特征複雜，對精度及外表質量請求高，采用傳統加工工藝普遍存在加工質量差、刀具磨損快等現象。因而，研討和探尋高（gāo）效、高質量的鈦合金微製造技術已成為當前的（de）一（yī）個熱點（diǎn）。

本文按增材、等材和減（jiǎn）材成形類別對現有的鈦合金微製造辦法與技術停止了綜述，引見了它們的成形原理（lǐ）與工藝特性，並對鈦合金微製造技術的將來開展方向提出了瞻望。

2  鈦合（hé）金增材微（wēi）製造技術

鈦合金增材微製造技術以數（shù）字化模型（xíng）為根（gēn）底，在（zài）維護氛圍（wéi）下打印（yìn）出二維截麵，堆積連續的二維截麵進而取得（dé）三（sān）維實體。常見的鈦合金增材製（zhì）造技術有選區激光熔融（róng）（SLM）、選區電子束凝結（EBM）等。

經過SLM技術（shù）製備出圖1所示的鈦（tài）鉭合金多孔（kǒng）試樣，發現多孔構造的尺寸精度、力學性能對激光功率更為敏感；研討了SLM技術加工薄（báo）壁零（líng）件的才能，經過數學（xué）模型剖析了加工參數的影響，並以Ti6Al4V為原料製備（bèi）出微板、微（wēi）柱構造；經過EBM製備出具有優秀組織構造的Ti2448多孔試（shì）樣，且該試樣有較高的（de）強度模數比。

增材微製造（zào）技術消費的零件存（cún）在內部孔隙（xì），對（duì）其（qí）機械性能有不（bú）利影響。此外，該技術以（yǐ）圖層堆積方式（shì）停止加工（gōng），廢品零件外表粗糙度欠（qiàn）佳，局部場所需求後續處（chù）置以（yǐ）滿足實踐需求。

3  鈦合（hé）金等材微製造技術

鈦合金（jīn）等（děng）材微製造（zào）技術主要為粉末注射微成形技術。該技術加工時將粉末與粘結劑混煉製成加工原料，成形出特定外形，經（jīng）脫脂、燒結等環（huán）節得到所需（xū）求（qiú）的（de）產品。該（gāi）技術製備的工件成分平（píng）均、後期廢料少，具備（bèi）批量（liàng）消費才能。

由於該（gāi）技術消費原料——低（dī）氧超細球形鈦粉本錢較高，因而MANSHADI等（děng）[8]研討了低本錢替（tì）代原料（liào）——氫化物脫氫（HDH）鈦粉的加工可行性，並（bìng）肯定了該原料的關鍵工藝參數，最終廢品收縮平均，但含氧量高於預期；以水 溶性聚乙二醇（PEG）為主要成分，聚碳酸亞內酯（PPC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）為主鏈成分開發了適（shì）用於鈦合（hé）金粉末注射微成形的新型粘結劑體（tǐ）係，新型粘結劑（jì）可顯著進步成形件的（de）生坯強度，有利於（yú）後續加工。

鈦合金粉末（mò）注射微成形技術具（jù）有批量消費才能，但是較高（gāo）的原料本錢限製了該技術（shù）的（de）推行，需求進一步（bù）開發低氧超細球形粉末的製備工藝，或展開低本（běn）錢替代原料的加工性能研討。另外，鈦合金（jīn）粉末注射微成形的粘結劑通常是自創其（qí）他粉末的加工工（gōng）藝（yì），特性無法與鈦合金（jīn）完整匹配，需求進一（yī）步開發合適（shì）鈦合金的新型粘結劑以取得更好（hǎo）的加工效果。

4  鈦合金減材微製造技術

4.1  機械微加工技術（shù）

機械微加工（gōng）技術（shù）經（jīng）過刀具的微量切削作用去（qù）除資料，具有加工精度高、外表（biǎo）完好性好、加（jiā）工柔性強和外表成分（fèn）穩定等（děng）優點。

經過球頭微銑削技術在Ti6Al4V外表（biǎo）製備出了微凹坑與（yǔ）微（wēi）網格構造（局部微（wēi）構造見圖3），並研討了不同構造的摩擦學性能；ZIBEROV等[11]研討了鈦合金微切削時刀具塗層對刀具磨損的影響，結果標明，在幹式（shì）切削（xuē）條件（jiàn）下，采用類金剛石塗層刀具（jù）、TiAlN塗層刀具切（qiē）削Ti6Al4V資料時刀具磨損可分（fèn）別降低640%、267%。

由於鈦合金的切削加工性能較差（chà），加工過（guò）程易（yì）呈現刀具磨損、外表毛刺等現象（xiàng），因而鈦合金的機械微加工相（xiàng）較於常規金屬而言難度更大。雖然近（jìn）期關於鈦合金機械微加工（gōng）的研討論文迸（bèng）發式增長，但其工業化應用的案例實踐上十分稀少。

4.2  熱能微加工（gōng）技術

（1）激光微加工技術  激光（guāng）微加工技術經過高能量密度激光蝕除工件資料，與常規激光加工技術相比精度更高，熱影響（xiǎng）區更小，特別合適工件部分的熱燒蝕處置。

在高（gāo）掃描速度條件下對鈦合（hé）金停止了激光微加工，加工效果如圖4所示；經過激光（guāng）微加工技術在Ti6Al4V外表製備出連通的蜂窩狀構造，經處置的零件外表光（guāng）學（xué）反射率（lǜ）降（jiàng）低了90%。

激光微加工過程通常在空氣中停止，工件（jiàn）外表易發作氧化蛻（tuì）變，且熱能作（zuò）用下鈦合金外表易產生（shēng）熱損傷。該技術采用的短脈衝激光發作（zuò）器本錢較高，需求進一（yī）步研發高效、牢靠且低本錢的短脈衝激光（guāng）發作器，以促進該技術的工業化應用。

（2）電火花微加工（gōng）技術  電火（huǒ）花加（jiā）工技術選用微米級工具電極，經過控（kòng）製工具電極與工件之間的電（diàn）火（huǒ）花來去除資料。該技術加工精度高，且（qiě）具備加工深邃寬（kuān）比微構造的才能。

提出了雙（shuāng）軸聯動、單軸伺服的電火花（huā）微加工新工（gōng）藝，經過（guò）新（xīn）工藝勝（shèng）利加工出NiTi合金微零件（見圖5）；探究了不同工具電極轉速下工（gōng）作間隙介質的速（sù）度場以及產物散布狀況，發（fā）現高速旋轉的（de）電極有助於肅清產物並進步加工過程（chéng）的穩定性。

電火花微（wēi）加工技術同樣基於熱（rè）效（xiào）應去（qù）除工件資料，加工時（shí）易產生熱缺陷。由於其加工過程頻繁放電，所以電極會不可防止地發作損耗，降低加工精度。此外，在（zài）加工深邃寬比微構造時，加工產物易附著在工（gōng）件外表，對加工穩定性存在（zài）不（bú）利影響。

4.3   電解（jiě）微加工技術

電解微加工技術以電化學溶解技術為原理，經過陽極金屬氧化溶解去除工件資料。該技（jì）術無電（diàn）極損耗，加工過（guò）程（chéng）無內（nèi）應力，廢品外表粗糙度好，且工件資料以離子方式去除，理論精度可達納米級。

為研討鈦合金電解微加工的可能性，測試了不同電解質條件下鈦合金的溶解特性，發現乙二醇-溴化鈉組合的電解液表（biǎo）現出優良的加工效果；研討了電解微加工中工藝（yì）參數對加工精度的影響，並經過層層電解銑削的方式在純鈦外表製備出如圖6所示的方形螺旋微通（tōng）道通槽構造；在采（cǎi）用氯化鈉-乙（yǐ）二醇電解液的根底上引（yǐn）入了（le）高速旋轉的（de）螺旋電極以加速電解產物的去除，在鈦（tài）板上加工出了高精度、高外表質量的（de）微縫構造。

鈦合金具（jù）有易鈍化的特性，其在水基溶液中易構成鈍化層，會招致溶解過程難以持續穩定停止。同時，電解微加工中的非加工區雜散腐蝕、加工外表再腐蝕等現（xiàn）象也會（huì）對廢品的加工效果產生不利影響。固然科技界（jiè）對鈦合金（jīn）電解微加工極有興味並充溢等待，但該技術在適用化之前還（hái）需相當長的探究之路。

4.4  複合微（wēi）加工技術

由於鈦合金具有諸多難加（jiā）工特性，單一（yī）資料去除原理的加工辦法存在一定局限，因而，為取得（dé）更好的加（jiā）工效果（guǒ），常常將兩種或兩種以上不同原理的工藝組合構成複合加工。

為處理鈦合金切削性能差等問題，提出激光誘導氧化銑削工藝，控製激光（guāng）與氧氣保送，誘導鈦合金外表構成鬆懈的氧化層（céng），後經過微銑削完成資料去（qù）除（chú）。該技術可取得更好的（de）加工外表質量（liàng），且刀具磨損率極低。針對電火花加工產物排出艱難等問題，開發出一種超聲輔助電火花（huā）微加工（gōng）安（ān）裝，發現超聲振動（dòng）對電火花微加工的（de）資料（liào）去除率、刀具磨損率和孔（kǒng）錐度具有顯著影響（xiǎng）。為改善鈦合金鈍化招致的加工穩定性（xìng）降低等問題（tí），研討了機械電解銑削過程中資料的去除機（jī）製，樹立了數學模型以權衡加工期間電化學銑削與（yǔ）常規銑（xǐ）削的占比（bǐ），與傳統的電解加工相比，機械電解（jiě）銑削加工具有更高的加工效率。

複合微加工技術的原（yuán）理性限製更少，具有更高的開展潛力。但是（shì）其加工過程相對複雜，不同能量結合作用下資料的（de）去除機理尚不完整分明，因而（ér）鈦合金複合微加工技術目前多處於概念開發和原型開發階段，需求進一步（bù）研討以完（wán）成高效、高質量的鈦合金微加工。

5  完（wán）畢語

本文綜述了幾種重要的鈦合金微製造辦法與技術，總結了（le）各工藝的優勢與缺乏。由於鈦合金具有諸多難加工特性，單一資料（liào）去除原理的加工方式存（cún）在一定的局限，而複合微加工技術目前處於起步階段，有待進一步研討，因而，將來的研討重點應聚焦至以下方麵。

1）關於減材微製造技術，需加深對資料去除機理的了解，改善加工過程中呈現（xiàn）的（de）不利要素。此（cǐ）外，需進一步推進複合微加工技術的研討，充沛應用不同的加工機理（lǐ）完成鈦合金高質量加工。

2）關於增材微製（zhì）造技術，需進一步探究低孔隙率的微加工技術及高效的微構造件（jiàn）後處置技術，逐漸推進鈦合（hé）金增材微製造技術在工業範疇的開展。

3）關（guān）於等材微製造（zào）技（jì）術，需展開（kāi）低（dī）本錢鈦粉的可行性研討，研發適配鈦合金資料特性的加工工藝以（yǐ）完成批量化（huà）的高質量加工。