鈦合金（jīn）微製造技術研究進展（zhǎn）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，是製造金屬微構（gòu）造件（jiàn）的理想資料。但是，鈦（tài）合金導熱（rè）係數低、彈性模量小且化學親（qīn）和力強，亦是典型的難（nán）加工資料。在剖析鈦合金微構造件（jiàn）加工特性的根底上，按增材、等材和減材的成（chéng）形方式對鈦合金微製造技術停（tíng）止了綜述，引見了各自的成（chéng）形（xíng）原理與工藝 特性，並對鈦合（hé）金微製造技（jì）術的將來開（kāi）展方向提出了瞻望。

1  序文

精細（xì）化、微型化是現代製造業的重（chóng）要開展方向。鈦合金作為一（yī）種重要的輕質合金（jīn），具有比強度（dù）高（gāo）、耐蝕性強以及生物相容性好等特性，被以為是（shì）製造（zào）金屬微構（gòu）造件的理想資料[1]。隨著製造技術的開展（zhǎn），鈦合（hé）金必將在航空航天、生物醫療和精細儀器（qì）等範疇得到更多的應用。

但是，鈦合金自身導熱係數低（dī）、彈性模量小且高溫（wēn）下化學親和力強，屬於典型（xíng）難加工資料。同時，金屬微構造件（jiàn）體積小、特征複雜，對精度及外表質量請求高，采用傳統加工（gōng）工藝普（pǔ）遍存在加工質（zhì）量差、刀具磨損快等（děng）現象。因而，研討和探尋高效、高質量的（de）鈦合金微製（zhì）造技術已成為當前的一個熱點。

本文按增材、等材（cái）和減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（xíng）原理與工藝特性，並對鈦合金微製造技術的將來開（kāi）展方向提出（chū）了瞻望。

2  鈦合金增材（cái）微製造（zào）技術

鈦合金增材微製（zhì）造技術（shù）以數字（zì）化模型為根底，在維護氛圍下打印（yìn）出二（èr）維截麵，堆積連續的二維截麵進而（ér）取得三維實體。常見的鈦合金（jīn）增材製造技術（shù）有選區激光（guāng）熔融（SLM）、選區電子束凝結（EBM）等。

經過SLM技術製備出圖1所示的鈦鉭合金多孔試樣，發（fā）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（jiā）工薄壁零（líng）件（jiàn）的才能，經過數學模型剖析（xī）了加工參數的影響（xiǎng），並以Ti6Al4V為原料製備出微板、微柱構造；經（jīng）過（guò）EBM製（zhì）備出（chū）具有優秀組織構造的Ti2448多孔試樣，且該試樣有較高的強度模數比。

增材微製造技術消費的零件存在內部孔隙，對其機械性（xìng）能有（yǒu）不利影響。此外，該技術以圖（tú）層堆積方式停止加工，廢品零件外表粗糙度欠佳，局部場所需求後（hòu）續處置以滿（mǎn）足實踐需求。

3  鈦合金等材微製造技術

鈦合金等材微製造（zào）技術主要為粉末注（zhù）射微成形技術。該（gāi）技術加工時將粉末與粘結劑混煉（liàn）製成加工原料，成形出特定外形，經脫脂（zhī）、燒結等環節得（dé）到（dào）所需求的產品。該技術製備的工件成分平均、後期廢料少，具備批量消費才能。

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

鈦（tài）合金粉末注（zhù）射微成（chéng）形技術具有批量消費才能，但是較高的原料本錢限製了該技術的推行，需求進一步開發低氧超細球形粉末的製備工藝，或展開低本錢替代原料的加工（gōng）性能研討。另外，鈦合金粉末注射微成形的粘結劑通常是自創其（qí）他粉（fěn）末的加工（gōng）工藝，特（tè）性無法與鈦合金完（wán）整匹配，需求進一步開發合適鈦合金的新型粘結劑以取得更好的加（jiā）工效果。

4  鈦合金減材微製造技術

4.1  機械微加工（gōng）技術

機械微加工（gōng）技（jì）術經過刀具的（de）微量切削作用（yòng）去除資料（liào），具有加工精（jīng）度高、外表完好性好、加工柔性強和外表成分（fèn）穩定（dìng）等優點。

經過球頭微銑削技術在Ti6Al4V外表製備出了（le）微凹坑與微網格構造（局部微構造見圖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（de）影響，結果標明，在幹式切削（xuē）條件下，采用類（lèi）金剛石塗層刀具、TiAlN塗層刀具切削Ti6Al4V資料時刀具磨損可分（fèn）別降低640%、267%。

由於鈦（tài）合金的切（qiē）削加工性能較差，加工過程易呈（chéng）現刀具磨損、外表毛刺等現象，因而鈦合金的機械（xiè）微加工相（xiàng）較於常規金屬而言難度更大。雖然近期關於鈦合金機（jī）械微加（jiā）工的研討論文迸發式增長，但其工業化應用（yòng）的案例實踐（jiàn）上十分稀少。

4.2  熱能微加工技術

（1）激光微加工技術  激光（guāng）微加工技術經過高能量（liàng）密度激光（guāng）蝕除工件資料（liào），與常規激光加工技術相比精度（dù）更高，熱影（yǐng）響區更小，特別合適工件（jiàn）部（bù）分的熱燒蝕處置。

在高掃描速度條件（jiàn）下對鈦合金停止了激光微加工，加工效果如圖4所（suǒ）示（shì）；經過激光微加工技術（shù）在（zài）Ti6Al4V外表製備出連通的蜂窩狀構造，經處置（zhì）的零件外表光學反射率（lǜ）降低了90%。

激光微加工過程通常在空氣中（zhōng）停止，工件外表易發作氧化蛻變，且熱能作用下鈦合金外表易產生熱損傷。該（gāi）技（jì）術采用的短脈衝激（jī）光發作器本（běn）錢較高，需求進一步研發高效、牢靠且低本錢的（de）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（huā）微加工技術  電（diàn）火花加工技術選用微米級工具電極，經過（guò）控製工具（jù）電極與工件之間的（de）電火花來去除（chú）資料。該技術加工精（jīng）度高，且（qiě）具備加工深邃寬比微構（gòu）造的才能。

提出了雙軸聯動、單軸伺服的（de）電火（huǒ）花微加工新工藝，經過新工藝（yì）勝利加工出NiTi合金微零（líng）件（見圖5）；探究了不同工具（jù）電極轉速下工作間隙介質的速度場以及產物散布狀況，發現高速旋轉的電（diàn）極有助於肅清產物並進步加工過程的穩定性。

電火花微加工技術同樣基於熱效應去除（chú）工件資料，加工時易產生（shēng）熱缺陷。由於其加工過程頻繁放電（diàn），所以電極會不可防止地發作損耗，降低加工精度。此外（wài），在加工深邃寬比微構造時，加工（gōng）產物易附著在工件外表，對加工穩定性存在不（bú）利影響。

4.3   電解微加工技術

電（diàn）解微加工技術以電化（huà）學溶解（jiě）技術為原理，經過陽極（jí）金屬氧（yǎng）化溶解去除工件資料。該技術無電極（jí）損耗，加工過程無內應力，廢品外表粗糙度（dù）好，且工件資料以（yǐ）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（jiā）工的可能性，測試了不同電解質條件下（xià）鈦合金的溶解特性（xìng），發現乙（yǐ）二醇-溴化鈉組合的電（diàn）解液表現出優良的加工效果；研討了電解微加工中工藝參數對（duì）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道通槽構造；在采用氯化鈉-乙二醇電解液的根底上引入了高速旋轉的（de）螺（luó）旋電極以加速電解產物的去除，在鈦板上加工出了高精度、高（gāo）外表質量的微縫構（gòu）造。

鈦合金具有易鈍化的特性（xìng），其在水基溶（róng）液中（zhōng）易構成鈍化層，會招致溶解過程難以持（chí）續（xù）穩定停止。同時，電解微（wēi）加工中的非加（jiā）工區雜散腐蝕、加工（gōng）外表再腐蝕等現象也會（huì）對廢品的加工效果產（chǎn）生不利影響。固然科技界對鈦（tài）合金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需相當長的探究之路。

4.4  複（fù）合微加工技術

由於鈦合金具有諸多難加工特（tè）性，單一資料去除原理的加工（gōng）辦法存在（zài）一定局限，因（yīn）而，為取得更好的加工效果，常常將兩種或兩種以上不同（tóng）原理的工（gōng）藝組合構成複合加工。

為處理鈦合金切（qiē）削性能（néng）差等問題，提出激光（guāng）誘導氧（yǎng）化銑削工藝，控製激光與氧氣保送，誘導鈦合金外表構成（chéng）鬆懈的氧化層，後經過微銑削（xuē）完（wán）成資料去除。該技（jì）術可取得更好的加工外（wài）表質量，且刀具（jù）磨損率極低。針對電火花加工產物排出艱難（nán）等問（wèn）題，開發出一種超聲輔助電火花微加工（gōng）安裝（zhuāng），發（fā）現超（chāo）聲振動對電火花微加工的資料去除率、刀具磨損率和孔錐度具有（yǒu）顯著影響。為改（gǎi）善鈦合金鈍化招致的加工穩定性降低等問題（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（xué）模型以權衡加（jiā）工期間電化學銑削與常規銑削的占比，與傳統（tǒng）的電解加（jiā）工相比（bǐ），機械電解銑削（xuē）加工具有更高的加工效（xiào）率（lǜ）。

複合微加工技術的原理性限製（zhì）更少，具有更高的開展潛（qián）力。但是其加工過程相對複雜（zá），不同能量結合（hé）作用（yòng）下資料的去除機理尚不完整分（fèn）明，因而鈦合金複合微加（jiā）工技術目前多處於概念開發和原型（xíng）開發階段，需求進一步研討以完成高效、高質量的鈦合金微加（jiā）工。

5  完畢語

本文綜述（shù）了（le）幾種重要的鈦合金微製（zhì）造辦法與技術，總結（jié）了各工（gōng）藝的優勢與缺乏（fá）。由於（yú）鈦合金具有諸（zhū）多難加工特性，單一資料去除原理的加工方式存（cún）在一定的（de）局限，而複合微加工技術（shù）目前處於（yú）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（miàn）。

1）關（guān）於（yú）減材微製造（zào）技術，需加深對資料去（qù）除機（jī）理的了解，改善加工過（guò）程中呈現的不利要（yào）素。此外，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完（wán）成（chéng）鈦合金高質量加工（gōng）。

2）關於增材微製造技術，需進一（yī）步（bù）探究低孔隙（xì）率的微加工技（jì）術及高效的微構造件後處置（zhì）技術，逐（zhú）漸推進鈦合金增材微製造技術在工（gōng）業（yè）範疇的開展。

3）關於等材微製造技（jì）術，需展開低本錢（qián）鈦（tài）粉的可行性研討，研發適配鈦合金（jīn）資料特性的加工工（gōng）藝以完成批量化的（de）高質量加工。