鈦合金及其激光加工技術的應用
鈦合金及其激光加工技術的應用
輕量化是產品設計制造水平的評價標志，是運載工具達到節能減排目標的重要方法，選用輕質材 料是實現輕量化的便捷途徑。鈦合金作為輕質金屬材料的典范，在航空航天、汽車以及船艦等領域得到了廣泛應用。針對鈦合金的加工方法，尤其在激光加工技術領域中的應用展開論述，尤其是鈦合金材料在海陸空領域中的應用和研究現狀，激光焊接、激光表面處理、激光切割等加工鈦合金材料的應用和研究成果，并對應用中發現的問題提供了對策。
鈦合金是一種新型輕質金屬材料，具有比強度高、耐腐蝕性強、密度低、生物相容性好、低溫性能好以及疲勞強度高等優良特性，已經被廣泛應用于航空航天、船舶、汽車、兵器、石油能源、冶金、醫療以及日常生活等領域，享有“深海金屬”、“空間金屬”以及 “生物金屬”等美譽。我國在鈦材料方面的應用快速增加，僅從 2015 年到 2019 年間，我國鈦材產量由 4. 86 萬噸增加到了 7. 53 萬噸，增長了 55%。
隨著鈦及其合金使用越來越廣泛，鈦合金的機械加工、電火花線切割加工、短電弧銑削加工以及激光加工等加工方式逐步成熟。但是不可避免地發現了一些難題。例如機械加工中，由于鈦合金硬度高和導熱性能差，加劇刀刃磨損并容易造成刀具崩刃，且鈦合金化學親和性大，會在摩擦表面出現粘刀; 在電火花線切割中，出現了切割速度較慢、效率低以及頻繁斷絲等現象; 在短電弧銑削加工中，電極間容易產生熔融物堆積，若沖刷不及時會出現二次放電或者短路現象，直接影響加工效率、電極損耗和表面質量等。在激光加工中，激光與工件無接觸、無“刀 具”磨損和無“切削力”作用于工件，具有熱影響區較小、工件熱變形小、激光束易于導向、加工生產效率高等優點。與其他加工方法相比，激光加工鈦合金的優點明顯，具有廣闊的應用前景。
隨著激光加工鈦合金技術應用研究的不斷深入，相關難題逐步涌現。從兩方面對鈦合金和激光加工鈦合金的幾種常用方法及應用，尤其是學者的研究成果進行介紹，分析了各種方法的優點和應用中存在的問題，展望了鈦合金及其加工技術的發展趨勢，對鈦合金激光加工中出現的問題提出了一些對策。
鈦合金材料的應用
上世紀中期，美國首次成功研制出一種具有優良特性的實用鈦合金 Ti－6AI－4V，牌號為 TC4。由于突出的優良特性，定義新型鈦合金性能的優劣通常以 TC4 鈦合金作為參考進行對比。目前，各個領域都在趨向輕量化的方向發展，具有突出輕量化特質的鈦合金材料已經逐步取代了傳統的高強度鋼、鋁和鎂等金屬及其合金材料。下面重點介紹鈦合金在海、陸、空領域中的應用及其研究情況。
2. 1 鈦合金在海域中應用
在海域中，潛艇一直是海軍裝備的核心。鈦合金因其比強度高、抗腐蝕性和低溫性能好等突出優點，已被應用到魚雷、潛艇以及艦船等產品的制造中。據英國媒體防務報道，我國研發的新型魚雷的彈體由鈦合金材料制成，不僅整體重量大幅減輕，而且最大射程大幅增加。在深潛艇中，應用鈦合金材料的部件主要有耐壓殼體、推進器、管系、閥門以及聲學裝置等，如俄羅斯的“北風之神”級潛水器、中國的“蛟龍”號載人潛水器、美國的 Alvin 號以及日本的 Shinkai 6500 號等深潛艇都通過鈦合金材料制作耐壓殼體。在艦船中，鈦合金的應用主要集中在美國、日本、俄羅斯以及中國等，主要應用于泵、過濾器、管路、電器元件、緊固件、外殼骨架以及推進系統等部件或者設備中， 美國的核動力航母、前蘇聯的“列寧號”破冰船、日本的民用游船和漁船等。
2. 2 鈦合金在陸域中應用
鈦合金已經在汽車、裝甲、醫用以及日常生活中廣泛應用。在汽車行業中，使用鈦合金生產的零部件有排氣系統中的排氣門組件，發動機中的氣門、曲柄、連桿以及氣門座等，減振系統中的彈簧以及汽車底盤中的制動器卡鉗活塞、外殼以及車檔支架等。如新型雪佛蘭 Corvette Z206 汽車中回氣管、保時捷汽車的發動機連桿以及三菱汽車發動機中氣門彈簧座等都使用鈦合金制造。
坦克裝甲車在陸基武器中占有重要的地位，通過利用鈦合金的抗彈性能和工藝性能，替代了傳統裝甲鋼、裝甲鋁合金等裝甲金屬材料，如今裝甲鈦合金不僅具有較強的抗彈性能，還可以抵抗多次彈丸的沖擊。美國已成功將 TC4 鈦合金用于裝甲板，并取代了部分鋼制部件，俄羅斯的 T－35 坦克采用了全鈦合金模塊化裝甲，提高了抗擊能力。
在醫療技術領域，基于鈦合金的生物相容性、不易腐蝕以及對人體無害等優良特性，已經在外科、內科、齒科以及手術器械中都有應用。外科用于人體腕關節、膝關節和接骨板等人工替代物，內科中可幫助患有心臟跳動率較低的患者通過植入心臟起搏器確保心臟達到正常心跳次數，齒科中可用于補齒，在手術器械中幫助高負荷手術工作者減輕不必要的重量。
此外，鈦合金材料已經出現在民用健康產品市場，鈦鍋取代了以前的鋁鍋和鐵鍋，鈦合金桿取代了實木或不銹鋼制的羽毛球、高爾夫球桿等。
2. 3 鈦合金在空間領域中的應用
目前，鈦合金航空與航天領域已經得到廣泛的應用，我國在航空工業中的鈦材用量已經達到世界鈦材市場總量的 50%以上。如今，鈦合金的用量被作為衡量航空工業發展水平的指標。
在航空領域中，鈦合金被用作航空緊固件、發動機結構件以及飛機結構件等。航空緊固件主要包括螺栓、螺釘和鉚釘等。發動機的鈦合金結構件主要包括葉片、機匣、鼓筒以及壓氣機等。飛機結構件 主要包括機身蒙皮、起落架部件、梁和尾翼等。當今的美國與俄羅斯在先進戰斗機方面對鈦合金的應用較多，美國的 F－15 戰斗機對鈦合金材料使用率占整個結構重量的 26. 1%，量產的 F－22 戰斗機使用鈦合金的比重增加到 41%，俄羅斯的 Su－27 戰斗機中鈦合金占整體結構總量的 15%。當然，我國也將鈦合金材料應用于戰斗機中，更多的用于民用飛機，商用客機 AＲJ21 用鈦量為 4. 8%，而 C919 客機的用鈦量已經達到 9. 3%，比波音 777 的用鈦量 8% 還略高。
在航天領域中，主要應用于宇宙飛船的船艙火箭、發動機殼體以及噴嘴導管等。美國、日本、俄羅斯以及我國對鈦合金都有重要的應用，美國的“阿波羅”宇宙飛船中 50 個壓力容器的用鈦率達到 85%， 日本的第一顆試驗衛星“大角”號中使用了 Ti－2AI－2Mn 鈦合金材料，俄羅斯的“暴風雪”號、“金星”號以及“月球”號航天器都使用了鈦合金，我國的運載火箭和神舟飛船都使用了鈦材。
鈦合金的激光加工技術
隨著鈦合金應用領域的不斷拓展，對鈦合金加工質量的要求也越來越苛刻，早期鈦材的機械加工已經不能滿足產品的精度和強度要求，激光加工技術的引入滿足了產品的高性能要求。激光通過原子受激輻射發光和共振形成，作為一種新的加工技術，經過六十多年的研究與發展，激光加工技術已經與多個學科相結合，逐步適應多個應用技術領域。現今的激光加工鈦合金技術主要包括激光焊接、激光切割、激光打孔和激光表面處理技術。主要針對激光焊接技術、激光表面處理技術和激光切割技術的應用進行深入論述，并分析激光加工技術中遇到的問題和研究成果。
3. 1 激光焊接技術
激光焊接具有變形小、無輻射、能量密度高、焊接精度高、焊接效率高、焊接速度快、空間位置轉換靈活、無需真空環境等優點，已經在航空和艦船制造領域中廣泛應用，如飛機蒙皮的拼接、蒙皮與長桁的焊接、機翼與內隔板的焊接以及船艦大型材的焊接等，航空結構件的激光焊接
從國內外的研究成果來看，激光焊接主要集中在鈦合金薄板方面，因為在大、中厚度鈦合金焊接中激光的能量轉換率較低，相對吸光率偏低，同時焊接時容易出現咬邊、氣孔、被氧化、脆化以及焊接裂紋等缺陷，焊接質量不穩定。
為了消除這些缺陷，李川等人通過對鈦合金蒙皮骨架結構進行焊縫質量優化，研究表明，通過使用惰性氣體保護法防止焊接過程中鈦合金被氧化，同時優化保護氣流量參數可保證高質量的焊縫在焊接過程中不被氧化。對于焊縫咬邊的問題，可利用散焦激光修飾焊的方法和消除，修飾焊前、后的焊縫表面形貌
3. 2 激光表面處理技術
3. 2. 1 激光熔覆技術
盡管鈦合金的優點明顯，但是也存在硬度低、耐磨性差、高溫易氧化以及生物活性低等缺點。因此，利用激光熔覆技術可將鈦合金的基體材料優點和增強相關材料的耐磨、耐蝕、抗氧化性能進行有機結合，從而提高鈦合金在各領域中的使用壽命。
激光熔覆是一種新型表面改性技術，可以增強鈦合金的耐磨性能，具有冷卻速度快、瞬間加熱溫度高、熔覆層和基材相容性好、對工件熱影響小、效率高、節省材料、環保等優點。主要應用在航空航天的零件的加工中，如制作飛機螺旋槳葉片和發動機渦輪葉片。
3. 3 激光切割技術
激光切割技術是利用聚焦的高功率密度激光束照射到工件表面上，使得被照射的材料迅速熔化、汽化、達到燃點并形成孔洞，然后借助輔助氣體吹除熔融物質并隨著光束與工件作相對運動最終使其形成切縫。該技術具有切割速度快、切縫小、加工后變形小以及可切割復雜難加工工件等優點，主要用于航空發動機和飛機蒙皮，如航空發動機進氣道、尾氣噴口以及機身蒙皮切割。
研究人員對激光切割技術的研究主要集中在切割溫度場的模擬仿真、微觀組織、切割質量工藝優化、力學性 能等。吳睿等人利用激光切割技術，對 TA15 鈦合金進行熱影響區組織與性能研究，結果表明，熱影響區由熔化區和非熔化區兩部分組成，且由非熔化區向熔化區逐漸變大; 顯微硬度從熱影響區到基體呈下降趨勢，且板材的熱影響區深度上表面小于下表面。熱影響區對鈦合金板材的拉伸性能有一定的影響，因為有熱影響區板材的屈服強度和抗拉強度低于無熱影響區的板材。侯紅玲等人通過對 TC4 鈦合金分別進行激光打孔與切割的模擬與試驗研究，結果表明，在模擬中，使用 1 kW 功率對 1. 2 mm 板材 進行激光打孔，用時最短為 0. 12 s，且孔徑比切縫寬，隨著切割速度變慢，板材吸收熱量越多，越容易切透，但切縫變寬; 在試驗中，使用空氣作為輔助氣體時激光難以切透鈦合金板材，而使用氮氣作為輔助氣體時可切透板材，切割質量良好，且起始孔徑為切縫寬度 的 1. 35 倍，切縫形貌
雖然鈦合金材料和激光加工技術已經在某些領域中得到了廣泛的應用，但仍存在一些問題。
盡管鈦合金是一種高性能材料，但因成本較高，依舊不能普及到各個領域，因此，降低鈦合金成本是以后的發展趨勢之一。其中鈦合金材料中具有昂貴的 Nb、Mo 以及 V 等元素，可用其性能近的 Fe 元素替代這些昂貴的元素，也可使用近凈成形技術降低成本。
如今，在航空領域鈦合金仍不能完全滿足高性能的要求，研究更高性能的鈦合金材料也必將是一種趨勢。
在激光加工鈦合金技術方面，從提高鈦合金加工表面質量方面的研究居多，關于焊接、熔覆以及沖擊強化等表面產生裂紋問題研究顯示: 激光焊接時，可采用激光電弧復合焊接方法消除焊縫表面氣孔和裂紋等問題; 激光熔覆時，可利用激光重熔處理進行二次熔覆，排除第一次熔覆時所產生的雜質并消除裂紋源，或在配置熔覆粉末時，加入適量的稀土元素細化熔覆層組織并改善其韌性，降低裂紋率; 對于激光沖擊強化時，利用不同面積多層疊加沖擊的方法，提高沖擊強化后材料表層的疲勞性能，并定向控制裂紋萌生的位置; 對于激光切割時，通過優化算法進行多目標工藝參數優化提高切割質量，推薦優化算法有遺傳算法、響應面法、粒子群算法以及田口方法等。
