加工參數對激光沉積制造鈦合金Ti6Al4V表面完整性的影響

吳 男，張 棋

(沈陽航空航天大學 a.電子信息工程學院，b.機電工程學院，沈陽 110136)

鈦合金材料具有比強度高、耐蝕性和耐熱性好等性能優勢，被廣泛應用于航空航天、武器裝備等國防工業和石油化工、生物醫療等民用領域.由于鈦合金具有熱導率低、高溫化學活性高和彈性模量小等特點，在切削加工過程中存在切削溫度高、切削變形和冷硬現象嚴重及易粘刀等現象，導致刀具易磨損且表面加工質量差，使鈦合金成為典型的難加工材料[1].研究表明，激光沉積制造技術具有成形速度較快、周期較短、近凈成形等優勢特點，但成形件也存在著表面粗糙且存在缺陷，表層組織分布不均勻等缺點，使其疲勞性能受到限制[2].

對于現代生產來說，除了確保加工精度之外，還應該保證加工后工件具有良好的力學性能.表面完整性是一種強化的或者無損傷的表面狀態，這種表面狀態是通過控制加工工藝方法形成的，它是零件表層材料在加工過程中發生的一系列變化以及這些變化對零件服役性能影響的總體描述.傳統生產過程中主要以零件的形狀精度為檢測目標，該檢測方法不足以評價加工質量的優劣，更無法保證零件的疲勞壽命，這就需要進一步對材料的加工表面完整性進行檢測.

目前，部分國內外專家、學者研究了傳統鈦合金的銑削優化方法.杜舜堯[3]通過對TB17鈦合金進行不同加工參數的銑削試驗，分析了銑削參數對工件的加工表面完整性產生較大影響的原因，其中對工件表面粗糙度影響比較明顯的參數包括每齒進給量fz、切削深度ap、切削速度vc.在加工硬化方面，刀具結構尺寸也會對其產生一定影響，同時通過冷卻處理可以使加工硬化程度降低.劉占起等[4]對TC4鈦合金進行了激光3D打印，確定了最佳打印參數，利用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡對TC4鈦合金單道打印層的成形質量等進行觀測與分析.研究結果表明，TC4鈦合金在最佳工藝參數情況下打印成形良好.閆凱強等[5]應用單因素試驗法，在不同背吃刀量、銑削速度等條件下，研究了刀齒切削力的變化情況.結果表明，在面銑刀銑削鈦合金時，改變背吃刀量的大小對切削力影響最大.Al-Shimaa等[6]對不同工藝參數和刀具材料的Ti6Al4V合金進行干車削研究.在相同的進給率、切削速度、切削深度等條件下，比較使用CBN和涂層陶瓷刀片車削Ti6Al4V合金時的表面粗糙度，其中使用涂層陶瓷刀片時表面粗糙度提高了34%.CBN刀片在最小切深、低進給率和高切削速度下獲得更好的結果.Sun等[7]對TB6鈦合金正交車削加工表面完整性進行了研究，主要內容為切削參數和工藝系統振動對已加工表面粗糙度和缺陷的影響.結果表明，進給速度對表面粗糙度、殘余應力和顯微硬度有顯著影響.加工系統的振動頻率與表面粗糙度輪廓相似，證明加工系統的振動也是限制加工表面質量的重要因素之一.

目前，針對傳統鈦合金Ti6Al4V加工的研究較多，但是對沉積鈦合金的切削、銑削加工研究較少，加工過程中大多依然采用傳統鍛造鈦合金的加工參數加工增材鈦合金.本文針對激光沉積制造鈦合金Ti6Al4V試件，采用正交試驗的方法對其進行銑削試驗，重點觀測了試驗樣塊的切削力、表面形貌、表面粗糙度、亞表面損傷.研究影響工件加工表面完整性的工藝參數，對于在加工過程中如何改善激光沉積制造鈦合金Ti6Al4V表面完整性具有重要意義.

1 銑削試驗設計

1.1 材料性能

在本試驗中，所用到的材料為激光沉積制造鈦合金Ti6Al4V樣塊，制備過程采用激光同軸送粉工藝，以Ti6Al4V球形粉末為原料，利用激光沉積制造系統完成.采用單道多層的沉積制造技術，試驗時沿z軸方向沉積Ti6Al4V粉末，激光功率為2.4 kW，掃描速度為10 mm/s，熱處理溫度為600 ℃，時間為4 h.材料的性能參數[8-9]如表1所示.

表1 試驗材料性能參數

1.2 試驗系統

銑削試驗主要采用三坐標機床VMC850B.在銑削試驗過程中，連接三向壓電陶瓷測力儀(KISTLER9257B)，可以記錄切削力的大小；采用ZYGO New View9000白光干涉儀對樣塊表面粗糙度進行檢測；應用掃描電子顯微鏡HITACHI、VHX超景深三維顯微鏡對銑削試驗工件的表面形貌進行觀測；利用掃描電子顯微鏡HITACHI對樣塊的亞表面損傷進行檢測.在本試驗中，主要使用的刀具為硬質合金刀具(YG類).

1.3 加工參數

本文主要采用四因素三水平的正交試驗L9(34)，結合鈦合金的加工經驗制定試驗參數[10].在正交試驗中，試驗設置的切削速度為30、50、70 m/min，每齒進給量為0.03、0.05、0.07 mm，切削深度選擇0.5、0.7、0.9 mm，切削寬度為4.0、4.5、5.0 mm.具體選擇的參數如表2所示.

表2 正交試驗方案

2 結果與分析

2.1 切削力

在對鈦合金進行銑削試驗時，利用三向壓電陶瓷測力儀和DynoWare軟件對每一組的銑削過程進行切削力的記錄.穩定切削力階段Fx的平均值及極差分析如圖1和表3所示.

圖1 激光沉積制造鈦合金Ti6Al4V的Fx平均值

由表3可知，銑削加工參數對切削力Fx的影響由大到小依次為：每齒進給量、切削深度、切削速度、切削寬度.以切削力Fx最小為優化目標獲得的各工藝參數優化水平為：fz=0.03 mm、vc=70 m/min、ap=0.7 mm、ac=5 mm.

表3 切削力極差分析計算

圖2為各加工參數對切屑力的影響.由圖2可以看到各加工參數對軸向力的影響趨勢.每齒進給量、切削速度、切削寬度對進給力影響效果相似，即增加這幾個參數的大小，進給力均是先增大后減小.隨著每齒進給量、切削速度、切削寬度的增大，切削力也會增大；但是每齒進給量繼續增大時，摩擦系數會變小，剪切角會增大，變形系數也會減小；此時，切削力會不斷減小[11].此外，研究發現切削深度與上述參數對軸向力有正好相反的影響效果，即增大切削深度，進給力是先減小而后不斷增大.主要原因是在增大切削深度的過程中，切削熱增加到一定程度時，加工試件發生了熱軟化現象，導致切削力不斷變小；但是繼續增大切削深度，加工試件變形抗力也隨之變大，導致切削力不斷變大[12].根據試驗結果可知，在銑削加工過程中，每齒進給量和切削深度要選擇較小些，而切削速度和切削寬度可以選擇較大些，這樣可以保證在加工激光沉積制造鈦合金時進給力較小.

圖2 各加工參數對切削力的影響

2.2 表面形貌

在觀測時均采用中心處的表面形貌，如圖3所示.增材制造Ti6Al4V材料由于其組織及力學性能發生改變，而導致其缺陷特征與傳統鈦合金Ti6Al4V材料有所差異，其中缺陷的種類、分布、大小都受到材料性能的影響.在所有加工參數下，試樣或多或少的均會出現進給劃痕、金屬屑粘結和硬質點缺陷.由圖3a可知，隨著切削過程的進行，在切削刃上會形成一定量的積屑瘤；在不斷增加切削寬度與深度的過程中，加工試件的銑削表面上也會出現一些周期性的劃痕缺陷現象.由圖3b可知，在加工試件的表面上可能存有一定量的積屑瘤和切屑，由于后刀面擠壓、摩擦等一些因素的影響下，在加工表面上也會形成粘結缺陷[13].由圖3c可知，在加工過程中一些碳化物顆粒會隨著刀具的磨損和工件的加工附著在材料表面上，形成硬質點缺陷.這將導致切削過程中的剪切應力突然增加，進而導致在加工表面內部形成殘留的空腔和裂紋，使材料性能降低.

圖3 銑削后出現的典型缺陷

圖4為增材鈦合金表面未熔化粉末顆粒缺陷.由圖4可知，在利用掃描電子顯微鏡對增材樣塊的銑削表面進行觀察時，還會看到未熔化的粉末顆粒，這是增材鈦合金在加工過程中所獨有的一種表面缺陷.造成這種缺陷主要與增材件的制備過程有關，在成形過程中會存在激光能量輸入不足的情況.當激光能量不足時，各掃描線間不能形成良好的搭接，導致相鄰掃描線間存在未熔顆粒，在后一層的沉積過程中，如果保持前一層所用的能量輸入不變，則很難將掃描線之間的殘余粉末熔化，從而形成形狀不規則、尺寸大小不一的缺陷.同時，在已生成未熔化粉末顆粒缺陷的地方，隨著后續沉積過程的進行，缺陷處表面質量較差，熔融金屬流動性較差，會使得缺陷逐漸向上擴展，有可能形成尺寸較大的穿層缺陷，導致材料的使用性能下降[14].

圖4 增材鈦合金表面未熔化粉末顆粒缺陷

2.3 表面粗糙度

在銑削加工試件的過程中，由于加工試件具有較高的表面粗糙度，所以摩擦力會增大；另外，在循環載荷發揮作用影響下，表面凹谷處一般容易發生應力比較集中的現象，這樣會促使降低零件的抗疲勞性能.對于樣塊的銑削表面利用ZYGO白光干涉儀進行表面粗糙度的測量，為保證精度，采用多次測量取平均值的方法.激光沉積制造鈦合金的表面粗糙度的測量結果如圖5所示，表面粗糙度極差的分析計算情況如表4所示.

圖5 激光沉積制造鈦合金表面粗糙度

由表4可以看出，銑削加工參數對表面粗糙度Ra的影響效果是不同的，影響效果由大到小依次為：切削深度、切削速度、每齒進給量、切削寬度.當表面粗糙度Ra最小為優化目標時，各工藝參數的大小可以分別選擇為：fz=0.07 mm、vc=30 m/min、ap=0.7 mm、ac=5 mm.

表4 表面粗糙度極差分析計算

不同加工參數對表面粗糙度的影響如圖6所示，表面粗糙度的變化趨勢與進給力大致相同.隨著每齒進給量增大，表面粗糙度先增大后減小.通過分析可知，在每齒進給量增大過程中，刀具產生撓度變形而引起系統振動；隨著每齒進給量繼續增大，表面粗糙度降低，這主要是因為進給力逐漸減小使得刀具與工件間的摩擦也隨之減小[15].隨著切削深度的增加，表面粗糙度最終呈現增大的趨勢，原因在于隨著切削深度的增加，進給力增大，產生較大振動[16].在切削速度不斷增加的過程中，表面粗糙度呈現出先不斷變大而后逐漸變小的趨勢.這主要是因為當切削速度較小或較高時，積屑瘤不容易產生，能夠在很大程度上使得表面粗糙度先增大后減小.根據試驗結果可知，在銑削加工過程中，每齒進給量、切削速度要選擇較大值，而切削深度要選擇較小值，可以保證在加工激光沉積制造鈦合金時得到較好的表面粗糙度.同時，在增材件的制備過程中由于粉末材料堆積，會導致成形件的內部出現球形氣孔缺陷.在掃描過程中，起始端和末端會出現激光功率不穩定、掃描速度較低、能量輸入較高等現象，導致熔池不穩定，這些均會導致增材件表面缺陷增多，表面粗糙度惡化[17].

圖6 各加工參數對表面粗糙度的影響

2.4 亞表面損傷

利用掃描電子顯微鏡HITACHI對樣塊進行觀察，在銑削后的亞表面觀察到的裂紋及裂紋深度如圖7所示.由圖7可知，與第三組相比，第五組的裂紋擴展深度更深一些，達到33.28 μm.

圖7 兩種鈦合金樣塊裂紋深度

增材件一方面由于在制造過程中激光的能量較大且集中，材料局部區域能量輸入較高，使得熔池及其附近部位被迅速加熱，并局部熔化.這部分因受熱而膨脹的材料受到周圍溫度較低的約束，產生壓應力.同時，在凝固冷卻時受到基體材料冷卻收縮的約束，在熔覆層中容易形成較大的殘余應力.當殘余應力超過材料強度極限時，裂紋隨之產生.因為第五組在加工過程中切削力最大，所以產生的切削熱也最多，材料的表面層部分經過快速的升溫和冷卻，處于收縮狀態，而此時的基體部分卻是膨脹狀態，在很大程度上會使得表面層產生較大的壓應力，促使在材料的表面形成一些裂紋.材料的裂紋擴展越嚴重，成形件的疲勞壽命越低.

3 結 論

本文通過對激光沉積制造鈦合金Ti6Al4V進行銑削試驗，探究不同加工參數對沉積鈦合金Ti6Al4V加工表面完整性的影響，主要參數包括切削力、表面形貌、表面粗糙度、亞表面損傷.得出的具體結論如下：

1)在切削力的測量過程中：每齒進給量、切削深度對切削力的影響都是比較大的，但是切削寬度對表面粗糙度的影響不是很明顯.一般來說，為了保證在加工激光沉積制造鈦合金時進給力較小，在不影響加工效率的情況下，應盡量選擇較小的切削深度，同時選擇較大的切削速度和切削寬度.

2)在表面形貌的檢測過程中，劃痕、粘結及硬質點缺陷在沉積鈦合金的加工中也會出現，同時沉積鈦合金還會出現未熔化的粉末顆粒缺陷，會在很大程度上影響成形質量.在對加工試件進行銑削中，應合理優化工藝參數和制備過程，減少表面缺陷的產生.

3)在表面粗糙度的檢測過程中，切削深度對加工試件的表面粗糙度的影響效果最為明顯，但是切削寬度對加工試件表面粗糙度的影響效果最小.一般來說，為了能夠保證加工試件具有良好的表面粗糙度，在不影響加工效率的情況下，應保證使用較大的每齒進給量和切削速度，同時選擇較小的切削深度.

4)在亞表面損傷的檢測過程中，工藝參數的選擇會對沉積鈦合金的加工產生重要影響.當選擇每齒進給量fz=0.03 mm、切削速度vc=70 m/min、切削深度ap=0.9 mm、切削寬度ac=5 mm時，裂紋擴展深度較小；而每齒進給量fz=0.05 mm、切削速度vc=50 m/min、切削深度ap=0.9 mm、切削寬度ac=4 mm時，裂紋擴展深度較大.