TC4钛合金及其激光加工技术的应用

1、引言

钛合金是一种新型轻质金属材料，具有比强度高、耐腐蚀性强、密度低、生物相容性好、低温性能好以及疲劳强度高等优良特性，已经被广泛应用于航空航天、船舶、汽车、兵器、石油能源、冶金、医疗以及日常生活等领域，享有“深海金属”、“空间金属”以及“生物金属”等美誉［1－2］。我国在钛材料方面的应用快速增加，仅从2015 年到2019年间，我国钛材产量由4. 86 万吨增加到了7. 53 万吨，增长了55%［3］。

随着钛及其合金使用越来越广泛，钛合金的机械加工、电火花线切割加工、短电弧铣削加工以及激光加工等加工方式逐步成熟。但是不可避免地发现了一些难题。例如机械加工中，由于钛合金硬度高和导热性能差，加剧刀刃磨损并容易造成刀具崩刃，且钛合金化学亲和性大，会在摩擦表面出现粘刀［4－6］; 在电火花线切割中，出现了切割速度较慢、效率低以及频繁断丝等现象［7］; 在短电弧铣削加工中，电极间容易产生熔融物堆积，若冲刷不及时会出现二次放电或者短路现象，直接影响加工效率、电极损耗和表面质量等［8－9］。在激光加工中，激光与工件无接触、无“刀具”磨损和无“切削力”作用于工件，具有热影响区较小、工件热变形小、激光束易于导向、加工生产效率高等优点［10］。与其他加工方法相比，激光加工钛合金的优点明显，具有广阔的应用前景。

随着激光加工钛合金技术应用研究的不断深入，相关难题逐步涌现。从两方面对钛合金和激光加工钛合金的几种常用方法及应用，尤其是学者的研究成果进行介绍，分析了各种方法的优点和应用中存在的问题，展望了钛合金及其加工技术的发展趋势，对钛合金激光加工中出现的问题提出了一些对策。

2、钛合金材料的应用

上世纪中期，美国首次成功研制出一种具有优良特性的实用钛合金Ti-6AI-4V［11］，牌号为TC4。由于突出的优良特性，定义新型钛合金性能的优劣通常以TC4钛合金作为参考进行对比。目前，各个领域都在趋向轻量化的方向发展，具有突出轻量化特质的钛合金材料已经逐步取代了传统的高强度钢、铝和镁等金属及其合金材料。下面重点介绍钛合金在海、陆、空领域中的应用及其研究情况。

2. 1 钛合金在海域中应用

在海域中，潜艇一直是海军装备的核心。钛合金因其比强度高、抗腐蚀性和低温性能好等突出优点，已被应用到鱼雷、潜艇以及舰船等产品的制造中。据英国媒体防务报道，我国研发的新型鱼雷的弹体由钛合金材料制成，不仅整体重量大幅减轻，而且最大射程大幅增加。在深潜艇中，应用钛合金材料的部件主要有耐压壳体、推进器、管系、阀门以及声学装置等，如俄罗斯的“北风之神”级潜水器、中国的“蛟龙”号载人潜水器、美国的Alvin 号以及日本的Shinkai 6500号等深潜艇都通过钛合金材料制作耐压壳体。在舰船中，钛合金的应用主要集中在美国、日本、俄罗斯以及中国等，主要应用于泵、过滤器、管路、电器元件、紧固件、外壳骨架以及推进系统等部件或者设备中，如美国的核动力航母、前苏联的“列宁号”破冰船、日本的民用游船和渔船等［12－14］。

2. 2 钛合金在陆域中应用

钛合金已经在汽车、装甲、医用以及日常生活中广泛应用。在汽车行业中，使用钛合金生产的零部件有排气系统中的排气门组件，发动机中的气门、曲柄、连杆以及气门座等，减振系统中的弹簧以及汽车底盘中的制动器卡钳活塞、外壳以及车档支架等。如新型雪佛兰Corvette Z206 汽车中回气管、保时捷汽车的发动机连杆以及三菱汽车发动机中气门弹簧座等都使用钛合金制造［15］。

坦克装甲车在陆基武器中占有重要的地位，通过利用钛合金的抗弹性能和工艺性能，替代了传统装甲钢、装甲铝合金等装甲金属材料，如今装甲钛合金不仅具有较强的抗弹性能，还可以抵抗多次弹丸的冲击［16］。美国已成功将TC4 钛合金用于装甲板，并取代了部分钢制部件，俄罗斯的T－35 坦克采用了全钛合金模块化装甲，提高了抗击能力［17］。

在医疗技术领域，基于钛合金的生物相容性、不易腐蚀以及对人体无害等优良特性，已经在外科、内科、齿科以及手术器械中都有应用。外科用于人体腕关节、膝关节和接骨板等人工替代物，内科中可帮助患有心脏跳动率较低的患者通过植入心脏起搏器确保心脏达到正常心跳次数，齿科中可用于补齿，在手术器械中帮助高负荷手术工作者减轻不必要的重量［18－19］。

此外，钛合金材料已经出现在民用健康产品市场，钛锅取代了以前的铝锅和铁锅，钛合金杆取代了实木或不锈钢制的羽毛球、高尔夫球杆等。

2. 3 钛合金在空间领域中的应用

目前，钛合金航空与航天领域已经得到广泛的应用，我国在航空工业中的钛材用量已经达到世界钛材市场总量的50%以上。如今，钛合金的用量被作为衡量航空工业发展水平的指标。

在航空领域中，钛合金被用作航空紧固件［20］、发动机结构件［21］以及飞机结构件等。航空紧固件主要包括螺栓、螺钉和铆钉等。发动机的钛合金结构件主要包括叶片、机匣、鼓筒以及压气机等。飞机结构件主要包括机身蒙皮、起落架部件、梁和尾翼等［22］。当今的美国与俄罗斯在先进战斗机方面对钛合金的应用较多［23］，美国的F－15 战斗机对钛合金材料使用率占整个结构重量的26. 1%［24］，量产的F－22 战斗机使用钛合金的比重增加到41%，俄罗斯的Su－27 战斗机中钛合金占整体结构总量的15%［25］。当然，我国也将钛合金材料应用于战斗机中，更多的用于民用飞机，商用客机AＲJ21 用钛量为4. 8%，而C919 客机的用钛量已经达到9. 3%［26］，比波音777 的用钛量8%还略高。

在航天领域中，主要应用于宇宙飞船的船舱火箭、发动机壳体以及喷嘴导管等［27］。美国、日本、俄罗斯以及我国对钛合金都有重要的应用，美国的“阿波罗”宇宙飞船中50 个压力容器的用钛率达到85%，日本的第一颗试验卫星“大角”号中使用了Ti-2AI-2Mn 钛合金材料，俄罗斯的“暴风雪”号、“金星”号以及“月球”号航天器都使用了钛合金，我国的运载火箭和神舟飞船都使用了钛材［28］。

3、钛合金的激光加工技术

随着钛合金应用领域的不断拓展，对钛合金加工质量的要求也越来越苛刻，早期钛材的机械加工已经不能满足产品的精度和强度要求，激光加工技术的引入满足了产品的高性能要求。激光通过原子受激辐射发光和共振形成，作为一种新的加工技术，经过六十多年的研究与发展，激光加工技术已经与多个学科相结合，逐步适应多个应用技术领域。现今的激光加工钛合金技术主要包括激光焊接、激光切割、激光打孔和激光表面处理技术。主要针对激光焊接技术、激光表面处理技术和激光切割技术的应用进行深入论述，并分析激光加工技术中遇到的问题和研究成果。

3. 1 激光焊接技术

激光焊接具有变形小、无辐射、能量密度高、焊接精度高、焊接效率高、焊接速度快、空间位置转换灵活、无需真空环境等优点，已经在航空和舰船制造领域中广泛应用，如飞机蒙皮的拼接、蒙皮与长桁的焊接、机翼与内隔板的焊接以及船舰大型材的焊接等［29－31］，航空结构件的激光焊接如图1 所示。

从国内外的研究成果来看，激光焊接主要集中在钛合金薄板方面，因为在大、中厚度钛合金焊接中激光的能量转换率较低，相对吸光率偏低，同时焊接时容易出现咬边、气孔、被氧化、脆化以及焊接裂纹等缺陷［32］，焊接质量不稳定。

为了消除这些缺陷，李川等人［33］通过对钛合金蒙皮骨架结构进行焊缝质量优化，研究表明，通过使用惰性气体保护法防止焊接过程中钛合金被氧化，同时优化保护气流量参数可保证高质量的焊缝在焊接过程中不被氧化。对于焊缝咬边的问题，可利用散焦激光修饰焊的方法和消除，修饰焊前、后的焊缝表面形貌如图2 所示。

王翔宇等人［34］通过对TC4 钛合金激光窄间隙焊接的第一道激光自熔焊和第二到五道激光填丝焊的工艺参数优化进行研究，结果表明，在最优工艺参数下，TC4钛合金板材焊缝成形良好，消除了未融合缺陷，有效减小了气孔，优化后的焊接工艺参数如表1所示，焊接接头的截面形貌如图3 所示。

赵晓龙等人［35］对厚度2 mm 的钛合金TC4 板材激光焊接接头进行性能研究，结果表明，当激光功率在2 kW～3. 5 kW，焊接速度为1. 5 m/min～8. 0 m/min， 离焦量为±1. 5 mm 时，均可得到良好成形焊缝表面。表面和内部无气孔等缺陷的高质量焊缝。Li 等人［36］采用激光－电弧复合焊接方法( LAMIG) 对钛合金薄板进行实验研究，结果表明，LAMIG 焊接可使焊缝中没有表面氧化、气孔、裂纹以及未焊透等缺陷; LAMIG 方法通过增加焊丝和增加热输入来改善焊缝成形。

3. 2 激光表面处理技术

3. 2. 1 激光熔覆技术

尽管钛合金的优点明显，但是也存在硬度低、耐磨性差、高温易氧化以及生物活性低等缺点。因此，利用激光熔覆技术可将钛合金的基体材料优点和增强相关材料的耐磨、耐蚀、抗氧化性能进行有机结合，从而提高钛合金在各领域中的使用寿命。

激光熔覆是一种新型表面改性技术，可以增强钛合金的耐磨性能，具有冷却速度快、瞬间加热温度高、熔覆层和基材相容性好、对工件热影响小、效率高、节省材料、环保等优点［37－38］。主要应用在航空航天的零件的加工中，如制作飞机螺旋桨叶片和发动机涡轮叶片。

如今，激光熔覆已经得到广泛研究。孙琳［39］利用激光熔覆技术在钛合金表面熔覆SiC 增强TiNi 基复合涂层，并研究了SiC 含量和SiC 颗粒尺寸对TiNi基复合涂层的组织和性能的影响，结果表明，随着SiC含量增加耐磨性呈现递增趋势，当SiC 含量为10wt．%时达到最佳，是钛合金基体的2. 1 倍; 微米SiC 熔覆层表面硬度和耐磨性分别提高到钛合金基体的2. 1倍和2. 082 倍，纳米SiC 熔覆层表面硬度和耐磨性分别提高到基体的2. 4 倍和1. 475 倍，微米SiC 颗粒更有助于提高熔覆层的耐磨性，而纳米SiC 颗粒更有助于提高熔覆层的硬度值。熔覆层的磨损结果对比如表2 所示，熔覆层到钛合金基体显微硬度测试结果如图4 所示。

覃鑫等人［40］利用激光熔覆技术在TC4 钛合金表面制备NiCrCoAIY－Cr3C2复合涂层，结果表明，采用合适的激光熔覆工艺参数可制备成形良好，没有裂纹、气孔等缺陷的熔覆层; 激光熔覆层的高温抗氧化性能比基本显著提高，恒温850 ℃氧化100 h 后，激光熔覆层氧化增重6.01 mg·cm^-2，约为钛合金基体氧化增重25.10mg·cm^-2的24%。基体与熔覆层氧化动力曲线如图5 所示。

陈岁元等人［41］利用激光熔覆技术，通过涂层成分设计与梯度制备方法在TC4 钛合金基体上制备生物陶瓷梯度涂层并进行研究，结果表明，优化工艺参数后成功制备出与界面冶金结合且无裂纹缺陷的梯度涂层，激光多道熔覆涂层的金相照片如图6 所示，基体与涂层结合界面如图7 所示。对涂层采用钛成分含量梯度设计，可避免基体与涂层，以及层与层间的材料因热膨胀系数和弹性模量差异过大而造成界面出现裂纹现象。

Diao 等人［42］采用激光熔覆技术在TC2 钛合金表面制备复合涂层并研究其组织和耐腐蚀性，结果表明，涂层的显微硬度高于钛合金，激光熔覆层最大硬度达到1 100 HV，比基材高出3 倍以上。通过测量基体材料和处理样品在氯化钠水溶液中的腐蚀性，结果显示激光熔覆的试样的腐蚀性能明显优于基体。

3. 2. 2 激光冲击强化技术

激光冲击强化技术是利用激光冲击波对材料表面进行改性，使得在材料表面产生残余应力，从而提高材料的抗疲劳、硬度、疲劳寿命等性能。目前，在航空制造业中激光冲击强化技术应用和批量生产逐步走向成熟，主要应用包括飞机机身、发动机叶片、机匣以及导管等焊接部件; 现今美国不仅将该技术应用到战机上，还应用到军机和民用生产线［43－44］。相对于传统的强化技术，激光冲击强化的优势尤为明显，激光能够精确控制和定位，可调光斑形状和大小适合应力集中的焊缝、小孔以及沟槽部位的处理，可控工艺参数且无热损伤，不改变表面光洁度。

在激光冲击强化钛合金方面的研究包括，昝垚旭等人［45］利用激光冲击强化技术，对Ti834 合金的残余应力和显微组织进行研究，结果表明，钛合金激光冲击处理后的表面粗糙度、显微硬度以及残余应力均随着激光冲击次数增加而增大，第1 次和第2 次冲击后形成的强化层深度分别为170 μm 和265 μm; 激光冲击强化材料表层残留具有高的压应力场，且压应力峰值均在次表层，分别为－369 MPa 和－511 MPa; 在冲击波诱导形成塑性变形层中有大量位错缠结现象，钛合金表层位错密度增加和形变孪晶形成可提升材料性 能，激光冲击前后Ti834 合金显微组织照片如图8所示。

陈正阁等人［46］对片层TC11 钛合金进行激光冲击强化后的性能影响研究，结果表明，在激光冲击强化后钛合金表层存在最大残余应力和显微硬度值，且随着距表层距离的增大，相应的数值均呈现逐渐减小的趋势，激光冲击强化前、后TC11 钛合金距表层不同深度的残余应力分布如图9 所示，显微硬度－距表层深度的关系如图10 所示。

邓维维［47］采用不同冲击面积对层叠加的方式，对TC4 双相钛合金表面诱导梯度结构进行激光冲击强化技术研究，结果表明，随着冲击层数的增加，材料表层的疲劳性能有所提高。利用不同面积多层叠加冲击比相同面积多层叠加冲击的方式更有效，既能提高材料疲劳强度，又可以定向控制裂纹萌生的位置。

3. 3 激光切割技术

激光切割技术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、达到燃点并形成孔洞，然后借助辅助气体吹除熔融物质并随着光束与工件作相对运动最终使其形成切缝［48］。该技术具有切割速度快、切缝小、加工后变形小以及可切割复杂难加工工件等优点，主要用于航空发动机和飞机蒙皮，如航空发动机进气道、尾气喷口以及机身蒙皮切割。

研究人员对激光切割技术的研究主要集中在切割温度场的模拟仿真、微观组织、切割质量工艺优化、力学性能等。吴睿等人［49］ 利用激光切割技术，对TA15 钛合金进行热影响区组织与性能研究，结果表明，热影响区由熔化区和非熔化区两部分组成，且由非熔化区向熔化区逐渐变大; 显微硬度从热影响区到基体呈下降趋势，且板材的热影响区深度上表面小于下表面。热影响区对钛合金板材的拉伸性能有一定的影响，因为有热影响区板材的屈服强度和抗拉强度低于无热影响区的板材。侯红玲等人［50］通过对TC4钛合金分别进行激光打孔与切割的模拟与试验研究，结果表明，在模拟中，使用1 kW 功率对1. 2 mm 板材进行激光打孔，用时最短为0. 12 s，且孔径比切缝宽，随着切割速度变慢，板材吸收热量越多，越容易切透，但切缝变宽; 在试验中，使用空气作为辅助气体时激光难以切透钛合金板材，而使用氮气作为辅助气体时可切透板材，切割质量良好，且起始孔径为切缝宽度的1. 35 倍，切缝形貌如图11 所示。

顾俊等人［51］研究分析了激光切割对TC4钛合金热影响区和性能影响。结果表明，热影响区的深度越深，拉伸性能越差。不论试样有无热影响区，断口的形貌都属于塑性断裂。Pandey 等人［52］采用实验设计和遗传算法相结合的方法对钛合金板材进行激光切割参数优化，以切缝锥度和表面粗糙度作为响应指标，发现表面粗糙度的最主要影响因素是脉冲频率，其次是切削速度，而切缝锥度的重要因素是脉冲宽度和辅助气体压力; 在最优切割参数组合下测得切口锥度值和表面粗糙度值分别提高19. 16%和17. 32%，切缝锥度的响应曲线如图12 所示，表面粗糙度的响应曲线如图13 所示。

Singh 等人［53］利用田口方法对钛合金板材进行激光切割参数优化，以辅助气压、脉冲宽度、频率和切割速度作为影响因子，切缝宽度和切口偏差作为响应指标，建立二次回归模型，并进行分析、参数优化及指标预测，最终通过试验验证了最优参数组合的合理性。

4、结语

虽然钛合金材料和激光加工技术已经在某些领域中得到了广泛的应用，但仍存在一些问题。尽管钛合金是一种高性能材料，但因成本较高，依旧不能普及到各个领域，因此，降低钛合金成本是以后的发展趋势之一。其中钛合金材料中具有昂贵的Nb、Mo 以及V 等元素，可用其性能近的Fe 元素替代这些昂贵的元素，也可使用近净成形技术降低成本。

如今，在航空领域钛合金仍不能完全满足高性能的要求，研究更高性能的钛合金材料也必将是一种趋势。

在激光加工钛合金技术方面，从提高钛合金加工表面质量方面的研究居多，关于焊接、熔覆以及冲击强化等表面产生裂纹问题研究显示: 激光焊接时，可采用激光电弧复合焊接方法消除焊缝表面气孔和裂纹等问题; 激光熔覆时，可利用激光重熔处理进行二次熔覆，排除第一次熔覆时所产生的杂质并消除裂纹源，或在配置熔覆粉末时，加入适量的稀土元素细化熔覆层组织并改善其韧性，降低裂纹率; 对于激光冲击强化时，利用不同面积多层叠加冲击的方法，提高冲击强化后材料表层的疲劳性能，并定向控制裂纹萌生的位置; 对于激光切割时，通过优化算法进行多目标工艺参数优化提高切割质量，推荐优化算法有遗传算法、响应面法、粒子群算法以及田口方法等。

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