鈦合金微制造技術研究進展與展望

王建樹，牛屾，明平美，丁達付，鄭興帥

1. 河南理工大學機械與動力工程學院 河南焦作 454000

2. 洛陽樂方重工機械有限公司 河南洛陽 471300

1 序言

精密化、微型化是現代制造業的重要發展方向。鈦合金作為一種重要的輕質合金，具有比強度高、耐蝕性強以及生物相容性好等特點，被認為是制造金屬微結構件的理想材料[1]。隨著制造技術的發展，鈦合金必將在航空航天、生物醫療和精密儀器等領域得到更多的應用。

然而，鈦合金本身導熱系數低、彈性模量小且高溫下化學親和力強，屬于典型難加工材料[2，3]。同時，金屬微結構件體積小、特征復雜，對精度及表面質量要求高，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。因此，研究和探尋高效、高品質的鈦合金微制造技術已成為當前的一個熱點。

本文按增材、等材和減材成形類別對現有的鈦合金微制造方法與技術進行了綜述，介紹了它們的成形原理與工藝特點，并對鈦合金微制造技術的未來發展方向提出了展望。

2 鈦合金增材微制造技術

鈦合金增材微制造技術以數字化模型為基礎，在保護氣氛下打印出二維截面，堆積連續的二維截面進而獲得三維實體。常見的鈦合金增材制造技術有選區激光熔融（SLM）、選區電子束熔化（EBM）等。

SING等[4]通過SLM技術制備出圖1所示的鈦鉭合金多孔試樣，發現多孔結構的尺寸精度、力學性能對激光功率更為敏感；MIRANDA等[5]研究了SLM技術加工薄壁零件的能力，通過數學模型分析了加工參數的影響，并以Ti6Al4V為原料制備出微板、微柱結構；LIU等[6]通過EBM制備出具有優良組織結構的Ti2448多孔試樣，且該試樣有較高的強度模數比。

圖1 SLM技術加工的鈦鉭合金多孔試樣

增材微制造技術生產的零件存在內部孔隙，對其機械性能有不利影響。此外，該技術以圖層堆積方式進行加工，成品零件表面粗糙度欠佳，部分場合需要后續處理以滿足實際需求。

3 鈦合金等材微制造技術

鈦合金等材微制造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制成加工原料，成形出特定形狀，經脫脂、燒結等環節得到所需要的產品。該技術制備的工件成分均勻、后期廢料少，具備批量生產能力，其部分加工實例如圖2所示[7]。

圖2 粉末注射微成形制備的鈦合金微零件

由于該技術生產原料——低氧超細球形鈦粉成本較高，因此MANSHADI等[8]研究了低成本替代原料——氫化物脫氫（HDH）鈦粉的加工可行性，并確定了該原料的關鍵工藝參數，最終成品收縮均勻，但含氧量高于預期；HAYAT等[9]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用于鈦合金粉末注射微成形的新型粘結劑體系，新型粘結劑可顯著提高成形件的生坯強度，有利于后續加工。

鈦合金粉末注射微成形技術具有批量生產能力，然而較高的原料成本限制了該技術的推廣，需要進一步開發低氧超細球形粉末的制備工藝，或開展低成本替代原料的加工性能研究。另外，鈦合金粉末注射微成形的粘結劑通常是借鑒其他粉末的加工工藝，特性無法與鈦合金完全匹配，需要進一步開發適合鈦合金的新型粘結劑以獲得更好的加工效果。

4 鈦合金減材微制造技術

4.1 機械微加工技術

機械微加工技術通過刀具的微量切削作用去除材料，具有加工精度高、表面完整性好、加工柔性強和表面成分穩定等優點。

PRATAP等[10]通過球頭微銑削技術在Ti6Al4V表面制備出了微凹坑與微網格結構（部分微結構見圖3），并研究了不同結構的摩擦學性能；ZIBEROV等[11]研究了鈦合金微切削時刀具涂層對刀具磨損的影響，結果表明，在干式切削條件下，采用類金剛石涂層刀具、TiAlN涂層刀具切削Ti6Al4V材料時刀具磨損可分別降低640%、267%。

圖3 微銑削加工的Ti6Al4V微結構

由于鈦合金的切削加工性能較差，加工過程易出現刀具磨損、表面毛刺等現象，因此鈦合金的機械微加工相較于常規金屬而言難度更大。盡管近期關于鈦合金機械微加工的研究論文爆發式增長，但其工業化應用的案例實際上非常稀少。

4.2 熱能微加工技術

（1）激光微加工技術 激光微加工技術通過高能量密度激光蝕除工件材料，與常規激光加工技術相比精度更高，熱影響區更小，尤其適合工件局部的熱燒蝕處理。

TEMMLER等[12]在高掃描速度條件下對鈦合金進行了激光微加工，加工效果如圖4所示；WANG等[13]通過激光微加工技術在Ti6Al4V表面制備出連通的蜂窩狀結構，經處理的零件表面光學反射率降低了90%。

圖4 激光微加工的鈦合金表面微結構

激光微加工過程通常在空氣中進行，工件表面易發生氧化變質，且熱能作用下鈦合金表面易產生熱損傷。該技術采用的短脈沖激光發生器成本較高，需要進一步研發高效、可靠且低成本的短脈沖激光發生器，以促進該技術的工業化應用。

（2）電火花微加工技術 電火花加工技術選用微米級工具電極，通過控制工具電極與工件之間的電火花來去除材料。該技術加工精度高，且具備加工高深寬比微結構的能力。

TONG等[14]提出了雙軸聯動、單軸伺服的電火花微加工新工藝，通過新工藝成功加工出NiTi合金微零件（見圖5）；FENG等[15]探索了不同工具電極轉速下工作間隙介質的速度場以及產物分布情況，發現高速旋轉的電極有助于清除產物并提高加工過程的穩定性。

圖5 電火花微加工的NiTi微零件

電火花微加工技術同樣基于熱效應去除工件材料，加工時易產生熱缺陷。由于其加工過程頻繁放電，所以電極會不可避免地發生損耗，降低加工精度。此外，在加工高深寬比微結構時，加工產物易附著在工件表面，對加工穩定性存在不利影響。

4.3 電解微加工技術

電解微加工技術以電化學溶解技術為原理，通過陽極金屬氧化溶解去除工件材料。該技術無電極損耗，加工過程無內應力，成品表面粗糙度好，且工件材料以離子形式去除，理論精度可達納米級。

為研究鈦合金電解微加工的可能性，ANASANE等[16]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現出優異的加工效果；ANASANE等[17]研究了電解微加工中工藝參數對加工精度的影響，并通過層層電解銑削的方式在純鈦表面制備出如圖6所示的方形螺旋微通道通槽結構；YU等[18]在采用氯化鈉-乙二醇電解液的基礎上引入了高速旋轉的螺旋電極以加速電解產物的去除，在鈦板上加工出了高精度、高表面質量的微縫結構。

圖6 電解微加工技術制備的方形螺旋微通道通槽

鈦合金具有易鈍化的特性，其在水基溶液中易形成鈍化層，會導致溶解過程難以持續穩定進行。同時，電解微加工中的非加工區雜散腐蝕、加工表面再腐蝕等現象也會對成品的加工效果產生不利影響。雖然科技界對鈦合金電解微加工極有興趣并充滿期待，但該技術在實用化之前還需相當長的探索之路。

4.4 復合微加工技術

由于鈦合金具有諸多難加工特性，單一材料去除原理的加工方法存在一定局限，因此，為獲得更好的加工效果，常常將兩種或兩種以上不同原理的工藝組合形成復合加工。

為解決鈦合金切削性能差等問題，XIA等[19]提出激光誘導氧化銑削工藝，控制激光與氧氣輸送，誘導鈦合金表面形成松散的氧化層，后通過微銑削實現材料去除。該技術可獲得更好的加工表面質量，且刀具磨損率極低。針對電火花加工產物排出困難等問題，SINGH等[20]開發出一種超聲輔助電火花微加工裝置，發現超聲振動對電火花微加工的材料去除率、刀具磨損率和孔錐度具有顯著影響。為改善鈦合金鈍化導致的加工穩定性降低等問題，WANG等[21]研究了機械電解銑削過程中材料的去除機制，建立了數學模型以衡量加工期間電化學銑削與常規銑削的占比，與傳統的電解加工相比，機械電解銑削加工具有更高的加工效率。

復合微加工技術的原理性限制更少，具有更高的發展潛力。然而其加工過程相對復雜，不同能量聯合作用下材料的去除機理尚不完全清楚，因此鈦合金復合微加工技術目前多處于概念開發和原型開發階段，需要進一步研究以實現高效、高品質的鈦合金微加工。

5 結束語

本文綜述了幾種重要的鈦合金微制造方法與技術，總結了各工藝的優勢與不足。由于鈦合金具有諸多難加工特性，單一材料去除原理的加工方式存在一定的局限，而復合微加工技術目前處于起步階段，有待進一步研究，因此，未來的研究重點應聚焦至以下方面。

1）對于減材微制造技術，需加深對材料去除機理的理解，改善加工過程中出現的不利因素。此外，需進一步推進復合微加工技術的研究，充分利用不同的加工機理實現鈦合金高質量加工。

2）對于增材微制造技術，需進一步探索低孔隙率的微加工技術及高效的微結構件后處理技術，逐步推進鈦合金增材微制造技術在工業領域的發展。

3）對于等材微制造技術，需開展低成本鈦粉的可行性研究，研發適配鈦合金材料特性的加工工藝以實現批量化的高質量加工。