钛合金微制造技术研究进展与微加工技术展望

钛合金具有比强度高、耐蚀性强以及生物相容性好等特性，是制造金属微构造件的理想资料。但是，钛合金导热系数低、弹性模量小且化学亲和力强，亦是典型的难加工资料。在剖析钛合金微构造件加工特性的根底上，按增材、等材和减材的成形方式对钛合金微制造技术停止了综述，引见了各自的成形原理与工艺 特性，并对钛合金微制造技术的将来开展方向提出了瞻望。

1  序文

精细化、微型化是现代制造业的重要开展方向。钛合金作为一种重要的轻质合金，具有比强度高、耐蚀性强以及生物相容性好等特性，被以为是制造金属微构造件的理想资料[1]。随着制造技术的开展，钛合金必将在航空航天、生物医疗和精细仪器等范畴得到更多的应用。

但是，钛合金自身导热系数低、弹性模量小且高温下化学亲和力强，属于典型难加工资料。同时，金属微构造件体积小、特征复杂，对精度及外表质量请求高，采用传统加工工艺普遍存在加工质量差、刀具磨损快等现象。因而，研讨和探寻高效、高质量的钛合金微制造技术已成为当前的一个热点。

本文按增材、等材和减材成形类别对现有的钛合金微制造办法与技术停止了综述，引见了它们的成形原理与工艺特性，并对钛合金微制造技术的将来开展方向提出了瞻望。

2  钛合金增材微制造技术

钛合金增材微制造技术以数字化模型为根底，在维护氛围下打印出二维截面，堆积连续的二维截面进而取得三维实体。常见的钛合金增材制造技术有选区激光熔融（SLM）、选区电子束凝结（EBM）等。

经过SLM技术制备出图1所示的钛钽合金多孔试样，发现多孔构造的尺寸精度、力学性能对激光功率更为敏感；研讨了SLM技术加工薄壁零件的才能，经过数学模型剖析了加工参数的影响，并以Ti6Al4V为原料制备出微板、微柱构造；经过EBM制备出具有优秀组织构造的Ti2448多孔试样，且该试样有较高的强度模数比。

增材微制造技术消费的零件存在内部孔隙，对其机械性能有不利影响。此外，该技术以图层堆积方式停止加工，废品零件外表粗糙度欠佳，局部场所需求后续处置以满足实践需求。

3  钛合金等材微制造技术

钛合金等材微制造技术主要为粉末注射微成形技术。该技术加工时将粉末与粘结剂混炼制成加工原料，成形出特定外形，经脱脂、烧结等环节得到所需求的产品。该技术制备的工件成分平均、后期废料少，具备批量消费才能。

由于该技术消费原料——低氧超细球形钛粉本钱较高，因而MANSHADI等[8]研讨了低本钱替代原料——氢化物脱氢（HDH）钛粉的加工可行性，并肯定了该原料的关键工艺参数，最终废品收缩平均，但含氧量高于预期；以水 溶性聚乙二醇（PEG）为主要成分，聚碳酸亚内酯（PPC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）为主链成分开发了适用于钛合金粉末注射微成形的新型粘结剂体系，新型粘结剂可显著进步成形件的生坯强度，有利于后续加工。

钛合金粉末注射微成形技术具有批量消费才能，但是较高的原料本钱限制了该技术的推行，需求进一步开发低氧超细球形粉末的制备工艺，或展开低本钱替代原料的加工性能研讨。另外，钛合金粉末注射微成形的粘结剂通常是自创其他粉末的加工工艺，特性无法与钛合金完整匹配，需求进一步开发合适钛合金的新型粘结剂以取得更好的加工效果。

4  钛合金减材微制造技术

4.1  机械微加工技术

机械微加工技术经过刀具的微量切削作用去除资料，具有加工精度高、外表完好性好、加工柔性强和外表成分稳定等优点。

经过球头微铣削技术在Ti6Al4V外表制备出了微凹坑与微网格构造（局部微构造见图3），并研讨了不同构造的摩擦学性能；ZIBEROV等[11]研讨了钛合金微切削时刀具涂层对刀具磨损的影响，结果标明，在干式切削条件下，采用类金刚石涂层刀具、TiAlN涂层刀具切削Ti6Al4V资料时刀具磨损可分别降低640%、267%。

由于钛合金的切削加工性能较差，加工过程易呈现刀具磨损、外表毛刺等现象，因而钛合金的机械微加工相较于常规金属而言难度更大。虽然近期关于钛合金机械微加工的研讨论文迸发式增长，但其工业化应用的案例实践上十分稀少。

4.2  热能微加工技术

（1）激光微加工技术  激光微加工技术经过高能量密度激光蚀除工件资料，与常规激光加工技术相比精度更高，热影响区更小，特别合适工件部分的热烧蚀处置。

在高扫描速度条件下对钛合金停止了激光微加工，加工效果如图4所示；经过激光微加工技术在Ti6Al4V外表制备出连通的蜂窝状构造，经处置的零件外表光学反射率降低了90%。

激光微加工过程通常在空气中停止，工件外表易发作氧化蜕变，且热能作用下钛合金外表易产生热损伤。该技术采用的短脉冲激光发作器本钱较高，需求进一步研发高效、牢靠且低本钱的短脉冲激光发作器，以促进该技术的工业化应用。

（2）电火花微加工技术  电火花加工技术选用微米级工具电极，经过控制工具电极与工件之间的电火花来去除资料。该技术加工精度高，且具备加工深邃宽比微构造的才能。

提出了双轴联动、单轴伺服的电火花微加工新工艺，经过新工艺胜利加工出NiTi合金微零件（见图5）；探究了不同工具电极转速下工作间隙介质的速度场以及产物散布状况，发现高速旋转的电极有助于肃清产物并进步加工过程的稳定性。

电火花微加工技术同样基于热效应去除工件资料，加工时易产生热缺陷。由于其加工过程频繁放电，所以电极会不可防止地发作损耗，降低加工精度。此外，在加工深邃宽比微构造时，加工产物易附着在工件外表，对加工稳定性存在不利影响。

4.3   电解微加工技术

电解微加工技术以电化学溶解技术为原理，经过阳极金属氧化溶解去除工件资料。该技术无电极损耗，加工过程无内应力，废品外表粗糙度好，且工件资料以离子方式去除，理论精度可达纳米级。

为研讨钛合金电解微加工的可能性，测试了不同电解质条件下钛合金的溶解特性，发现乙二醇-溴化钠组合的电解液表现出优良的加工效果；研讨了电解微加工中工艺参数对加工精度的影响，并经过层层电解铣削的方式在纯钛外表制备出如图6所示的方形螺旋微通道通槽构造；在采用氯化钠-乙二醇电解液的根底上引入了高速旋转的螺旋电极以加速电解产物的去除，在钛板上加工出了高精度、高外表质量的微缝构造。

钛合金具有易钝化的特性，其在水基溶液中易构成钝化层，会招致溶解过程难以持续稳定停止。同时，电解微加工中的非加工区杂散腐蚀、加工外表再腐蚀等现象也会对废品的加工效果产生不利影响。固然科技界对钛合金电解微加工极有兴味并充溢等待，但该技术在适用化之前还需相当长的探究之路。

4.4  复合微加工技术

由于钛合金具有诸多难加工特性，单一资料去除原理的加工办法存在一定局限，因而，为取得更好的加工效果，常常将两种或两种以上不同原理的工艺组合构成复合加工。

为处理钛合金切削性能差等问题，提出激光诱导氧化铣削工艺，控制激光与氧气保送，诱导钛合金外表构成松懈的氧化层，后经过微铣削完成资料去除。该技术可取得更好的加工外表质量，且刀具磨损率极低。针对电火花加工产物排出艰难等问题，开发出一种超声辅助电火花微加工安装，发现超声振动对电火花微加工的资料去除率、刀具磨损率和孔锥度具有显著影响。为改善钛合金钝化招致的加工稳定性降低等问题，研讨了机械电解铣削过程中资料的去除机制，树立了数学模型以权衡加工期间电化学铣削与常规铣削的占比，与传统的电解加工相比，机械电解铣削加工具有更高的加工效率。

复合微加工技术的原理性限制更少，具有更高的开展潜力。但是其加工过程相对复杂，不同能量结合作用下资料的去除机理尚不完整分明，因而钛合金复合微加工技术目前多处于概念开发和原型开发阶段，需求进一步研讨以完成高效、高质量的钛合金微加工。

5  完毕语

本文综述了几种重要的钛合金微制造办法与技术，总结了各工艺的优势与缺乏。由于钛合金具有诸多难加工特性，单一资料去除原理的加工方式存在一定的局限，而复合微加工技术目前处于起步阶段，有待进一步研讨，因而，将来的研讨重点应聚焦至以下方面。

1）关于减材微制造技术，需加深对资料去除机理的了解，改善加工过程中呈现的不利要素。此外，需进一步推进复合微加工技术的研讨，充沛应用不同的加工机理完成钛合金高质量加工。

2）关于增材微制造技术，需进一步探究低孔隙率的微加工技术及高效的微构造件后处置技术，逐渐推进钛合金增材微制造技术在工业范畴的开展。

3）关于等材微制造技术，需展开低本钱钛粉的可行性研讨，研发适配钛合金资料特性的加工工艺以完成批量化的高质量加工。