1、引言
鈦合金是一種新型輕質(zhì)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(yōu)良特性，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、汽車、兵器、石油能源、冶金、醫(yī)療以及日常生活等領(lǐng)域，享有“深海金屬”、“空間金屬”以及“生物金屬”等美譽［1－2］。我國在鈦材料方面的應(yīng)用快速增加，僅從2015 年到2019年間，我國鈦材產(chǎn)量由4. 86 萬噸增加到了7. 53 萬噸，增長了55%［3］。
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(fā)現(xiàn)了一些難題。例如機械加工中，由于鈦合金硬度高和導(dǎo)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(xué)親和性大，會在摩擦表面出現(xiàn)粘刀［4－6］; 在電火花線切割中，出現(xiàn)了切割速度較慢、效率低以及頻繁斷絲等現(xiàn)象［7］; 在短電弧銑削加工中，電極間容易產(chǎn)生熔融物堆積，若沖刷不及時會出現(xiàn)二次放電或者短路現(xiàn)象，直接影響加工效率、電極損耗和表面質(zhì)量等［8－9］。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(qū)較小、工件熱變形小、激光束易于導(dǎo)向、加工生產(chǎn)效率高等優(yōu)點［10］。與其他加工方法相比，激光加工鈦合金的優(yōu)點明顯，具有廣闊的應(yīng)用前景。
隨著激光加工鈦合金技術(shù)應(yīng)用研究的不斷深入，相關(guān)難題逐步涌現(xiàn)。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(yīng)用，尤其是學(xué)者的研究成果進行介紹，分析了各種方法的優(yōu)點和應(yīng)用中存在的問題，展望了鈦合金及其加工技術(shù)的發(fā)展趨勢，對鈦合金激光加工中出現(xiàn)的問題提出了一些對策。
2、鈦合金材料的應(yīng)用
上世紀中期，美國首次成功研制出一種具有優(yōu)良特性的實用鈦合金Ti-6AI-4V［11］，牌號為TC4。由于突出的優(yōu)良特性，定義新型鈦合金性能的優(yōu)劣通常以TC4鈦合金作為參考進行對比。目前，各個領(lǐng)域都在趨向輕量化的方向發(fā)展，具有突出輕量化特質(zhì)的鈦合金材料已經(jīng)逐步取代了傳統(tǒng)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(lǐng)域中的應(yīng)用及其研究情況。
2. 1 鈦合金在海域中應(yīng)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(yōu)點，已被應(yīng)用到魚雷、潛艇以及艦船等產(chǎn)品的制造中。據(jù)英國媒體防務(wù)報道，我國研發(fā)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(yīng)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(xué)裝置等，如俄羅斯的“北風(fēng)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(yīng)用主要集中在美國、日本、俄羅斯以及中國等，主要應(yīng)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(tǒng)等部件或者設(shè)備中，如美國的核動力航母、前蘇聯(lián)的“列寧號”破冰船、日本的民用游船和漁船等［12－14］。
2. 2 鈦合金在陸域中應(yīng)用
鈦合金已經(jīng)在汽車、裝甲、醫(yī)用以及日常生活中廣泛應(yīng)用。在汽車行業(yè)中，使用鈦合金生產(chǎn)的零部件有排氣系統(tǒng)中的排氣門組件，發(fā)動機中的氣門、曲柄、連桿以及氣門座等，減振系統(tǒng)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(fā)動機連桿以及三菱汽車發(fā)動機中氣門彈簧座等都使用鈦合金制造［15］。
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(tǒng)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［16］。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［17］。
在醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)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(yōu)良特性，已經(jīng)在外科、內(nèi)科、齒科以及手術(shù)器械中都有應(yīng)用。外科用于人體腕關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和接骨板等人工替代物，內(nèi)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(shù)，齒科中可用于補齒，在手術(shù)器械中幫助高負荷手術(shù)工作者減輕不必要的重量［18－19］。
此外，鈦合金材料已經(jīng)出現(xiàn)在民用健康產(chǎn)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(lǐng)域中的應(yīng)用
目前，鈦合金航空與航天領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，我國在航空工業(yè)中的鈦材用量已經(jīng)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(yè)發(fā)展水平的指標。
在航空領(lǐng)域中，鈦合金被用作航空緊固件［20］、發(fā)動機結(jié)構(gòu)件［21］以及飛機結(jié)構(gòu)件等。航空緊固件主要包括螺栓、螺釘和鉚釘?shù)?。發(fā)動機的鈦合金結(jié)構(gòu)件主要包括葉片、機匣、鼓筒以及壓氣機等。飛機結(jié)構(gòu)件主要包括機身蒙皮、起落架部件、梁和尾翼等［22］。當今的美國與俄羅斯在先進戰(zhàn)斗機方面對鈦合金的應(yīng)用較多［23］，美國的F－15 戰(zhàn)斗機對鈦合金材料使用率占整個結(jié)構(gòu)重量的26. 1%［24］，量產(chǎn)的F－22 戰(zhàn)斗機使用鈦合金的比重增加到41%，俄羅斯的Su－27 戰(zhàn)斗機中鈦合金占整體結(jié)構(gòu)總量的15%［25］。當然，我國也將鈦合金材料應(yīng)用于戰(zhàn)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(jīng)達到9. 3%［26］，比波音777 的用鈦量8%還略高。
在航天領(lǐng)域中，主要應(yīng)用于宇宙飛船的船艙火箭、發(fā)動機殼體以及噴嘴導(dǎo)管等［27］。美國、日本、俄羅斯以及我國對鈦合金都有重要的應(yīng)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(wèi)星“大角”號中使用了Ti-2AI-2Mn 鈦合金材料，俄羅斯的“暴風(fēng)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［28］。
3、鈦合金的激光加工技術(shù)
隨著鈦合金應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，對鈦合金加工質(zhì)量的要求也越來越苛刻，早期鈦材的機械加工已經(jīng)不能滿足產(chǎn)品的精度和強度要求，激光加工技術(shù)的引入滿足了產(chǎn)品的高性能要求。激光通過原子受激輻射發(fā)光和共振形成，作為一種新的加工技術(shù)，經(jīng)過六十多年的研究與發(fā)展，激光加工技術(shù)已經(jīng)與多個學(xué)科相結(jié)合，逐步適應(yīng)多個應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域?，F(xiàn)今的激光加工鈦合金技術(shù)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(shù)。主要針對激光焊接技術(shù)、激光表面處理技術(shù)和激光切割技術(shù)的應(yīng)用進行深入論述，并分析激光加工技術(shù)中遇到的問題和研究成果。
3. 1 激光焊接技術(shù)
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(zhuǎn)換靈活、無需真空環(huán)境等優(yōu)點，已經(jīng)在航空和艦船制造領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，如飛機蒙皮的拼接、蒙皮與長桁的焊接、機翼與內(nèi)隔板的焊接以及船艦大型材的焊接等［29－31］，航空結(jié)構(gòu)件的激光焊接如圖1 所示。
從國內(nèi)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(zhuǎn)換率較低，相對吸光率偏低，同時焊接時容易出現(xiàn)咬邊、氣孔、被氧化、脆化以及焊接裂紋等缺陷［32］，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。
為了消除這些缺陷，李川等人［33］通過對鈦合金蒙皮骨架結(jié)構(gòu)進行焊縫質(zhì)量優(yōu)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(yōu)化保護氣流量參數(shù)可保證高質(zhì)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、后的焊縫表面形貌如圖2 所示。
王翔宇等人［34］通過對TC4 鈦合金激光窄間隙焊接的第一道激光自熔焊和第二到五道激光填絲焊的工藝參數(shù)優(yōu)化進行研究，結(jié)果表明，在最優(yōu)工藝參數(shù)下，TC4鈦合金板材焊縫成形良好，消除了未融合缺陷，有效減小了氣孔，優(yōu)化后的焊接工藝參數(shù)如表1所示，焊接接頭的截面形貌如圖3 所示。
趙曉龍等人［35］對厚度2 mm 的鈦合金TC4 板材激光焊接接頭進行性能研究，結(jié)果表明，當激光功率在2 kW～3. 5 kW，焊接速度為1. 5 m/min～8. 0 m/min，
離焦量為±1. 5 mm 時，均可得到良好成形焊縫表面。表面和內(nèi)部無氣孔等缺陷的高質(zhì)量焊縫。Li 等人［36］采用激光－電弧復(fù)合焊接方法( LAMIG) 對鈦合金薄板進行實驗研究，結(jié)果表明，LAMIG 焊接可使焊縫中沒有表面氧化、氣孔、裂紋以及未焊透等缺陷; LAMIG 方法通過增加焊絲和增加熱輸入來改善焊縫成形。
3. 2 激光表面處理技術(shù)
3. 2. 1 激光熔覆技術(shù)
盡管鈦合金的優(yōu)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(shù)可將鈦合金的基體材料優(yōu)點和增強相關(guān)材料的耐磨、耐蝕、抗氧化性能進行有機結(jié)合，從而提高鈦合金在各領(lǐng)域中的使用壽命。
激光熔覆是一種新型表面改性技術(shù)，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(jié)省材料、環(huán)保等優(yōu)點［37－38］。主要應(yīng)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(fā)動機渦輪葉片。
如今，激光熔覆已經(jīng)得到廣泛研究。孫琳［39］利用激光熔覆技術(shù)在鈦合金表面熔覆SiC 增強TiNi 基復(fù)合涂層，并研究了SiC 含量和SiC 顆粒尺寸對TiNi基復(fù)合涂層的組織和性能的影響，結(jié)果表明，隨著SiC含量增加耐磨性呈現(xiàn)遞增趨勢，當SiC 含量為10wt．%時達到最佳，是鈦合金基體的2. 1 倍; 微米SiC 熔覆層表面硬度和耐磨性分別提高到鈦合金基體的2. 1倍和2. 082 倍，納米SiC 熔覆層表面硬度和耐磨性分別提高到基體的2. 4 倍和1. 475 倍，微米SiC 顆粒更有助于提高熔覆層的耐磨性，而納米SiC 顆粒更有助于提高熔覆層的硬度值。熔覆層的磨損結(jié)果對比如表2 所示，熔覆層到鈦合金基體顯微硬度測試結(jié)果如圖4 所示。
覃鑫等人［40］利用激光熔覆技術(shù)在TC4 鈦合金表面制備NiCrCoAIY－Cr3C2復(fù)合涂層，結(jié)果表明，采用合適的激光熔覆工藝參數(shù)可制備成形良好，沒有裂紋、氣孔等缺陷的熔覆層; 激光熔覆層的高溫抗氧化性能比基本顯著提高，恒溫850 ℃氧化100 h 后，激光熔覆層氧化增重6.01 mg·cm-2，約為鈦合金基體氧化增重25.10mg·cm-2的24%?；w與熔覆層氧化動力曲線如圖5 所示。
陳歲元等人［41］利用激光熔覆技術(shù)，通過涂層成分設(shè)計與梯度制備方法在TC4 鈦合金基體上制備生物陶瓷梯度涂層并進行研究，結(jié)果表明，優(yōu)化工藝參數(shù)后成功制備出與界面冶金結(jié)合且無裂紋缺陷的梯度涂層，激光多道熔覆涂層的金相照片如圖6 所示，基體與涂層結(jié)合界面如圖7 所示。對涂層采用鈦成分含量梯度設(shè)計，可避免基體與涂層，以及層與層間的材料因熱膨脹系數(shù)和彈性模量差異過大而造成界面出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。
Diao 等人［42］采用激光熔覆技術(shù)在TC2 鈦合金表面制備復(fù)合涂層并研究其組織和耐腐蝕性，結(jié)果表明，涂層的顯微硬度高于鈦合金，激光熔覆層最大硬度達到1 100 HV，比基材高出3 倍以上。通過測量基體材料和處理樣品在氯化鈉水溶液中的腐蝕性，結(jié)果顯示激光熔覆的試樣的腐蝕性能明顯優(yōu)于基體。
3. 2. 2 激光沖擊強化技術(shù)
激光沖擊強化技術(shù)是利用激光沖擊波對材料表面進行改性，使得在材料表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力，從而提高材料的抗疲勞、硬度、疲勞壽命等性能。目前，在航空制造業(yè)中激光沖擊強化技術(shù)應(yīng)用和批量生產(chǎn)逐步走向成熟，主要應(yīng)用包括飛機機身、發(fā)動機葉片、機匣以及導(dǎo)管等焊接部件; 現(xiàn)今美國不僅將該技術(shù)應(yīng)用到戰(zhàn)機上，還應(yīng)用到軍機和民用生產(chǎn)線［43－44］。相對于傳統(tǒng)的強化技術(shù)，激光沖擊強化的優(yōu)勢尤為明顯，激光能夠精確控制和定位，可調(diào)光斑形狀和大小適合應(yīng)力集中的焊縫、小孔以及溝槽部位的處理，可控工藝參數(shù)且無熱損傷，不改變表面光潔度。
在激光沖擊強化鈦合金方面的研究包括，昝垚旭等人［45］利用激光沖擊強化技術(shù)，對Ti834 合金的殘余應(yīng)力和顯微組織進行研究，結(jié)果表明，鈦合金激光沖擊處理后的表面粗糙度、顯微硬度以及殘余應(yīng)力均隨著激光沖擊次數(shù)增加而增大，第1 次和第2 次沖擊后形成的強化層深度分別為170 μm 和265 μm; 激光沖擊強化材料表層殘留具有高的壓應(yīng)力場，且壓應(yīng)力峰值均在次表層，分別為－369 MPa 和－511 MPa; 在沖擊波誘導(dǎo)形成塑性變形層中有大量位錯纏結(jié)現(xiàn)象，鈦合金表層位錯密度增加和形變孿晶形成可提升材料性
能，激光沖擊前后Ti834 合金顯微組織照片如圖8所示。
陳正閣等人［46］對片層TC11 鈦合金進行激光沖擊強化后的性能影響研究，結(jié)果表明，在激光沖擊強化后鈦合金表層存在最大殘余應(yīng)力和顯微硬度值，且隨著距表層距離的增大，相應(yīng)的數(shù)值均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，激光沖擊強化前、后TC11 鈦合金距表層不同深度的殘余應(yīng)力分布如圖9 所示，顯微硬度－距表層深度的關(guān)系如圖10 所示。
鄧維維［47］采用不同沖擊面積對層疊加的方式，對TC4 雙相鈦合金表面誘導(dǎo)梯度結(jié)構(gòu)進行激光沖擊強化技術(shù)研究，結(jié)果表明，隨著沖擊層數(shù)的增加，材料表層的疲勞性能有所提高。利用不同面積多層疊加沖擊比相同面積多層疊加沖擊的方式更有效，既能提高材料疲勞強度，又可以定向控制裂紋萌生的位置。
3. 3 激光切割技術(shù)
激光切割技術(shù)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(zhì)并隨著光束與工件作相對運動最終使其形成切縫［48］。該技術(shù)具有切割速度快、切縫小、加工后變形小以及可切割復(fù)雜難加工工件等優(yōu)點，主要用于航空發(fā)動機和飛機蒙皮，如航空發(fā)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(shù)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(zhì)量工藝優(yōu)化、力學(xué)性能等。吳睿等人［49］ 利用激光切割技術(shù)，對TA15 鈦合金進行熱影響區(qū)組織與性能研究，結(jié)果表明，熱影響區(qū)由熔化區(qū)和非熔化區(qū)兩部分組成，且由非熔化區(qū)向熔化區(qū)逐漸變大; 顯微硬度從熱影響區(qū)到基體呈下降趨勢，且板材的熱影響區(qū)深度上表面小于下表面。熱影響區(qū)對鈦合金板材的拉伸性能有一定的影響，因為有熱影響區(qū)板材的屈服強度和抗拉強度低于無熱影響區(qū)的板材。侯紅玲等人［50］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(jié)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(zhì)量良好，且起始孔徑為切縫寬度的1. 35 倍，切縫形貌如圖11 所示。
顧俊等人［51］研究分析了激光切割對TC4鈦合金熱影響區(qū)和性能影響。結(jié)果表明，熱影響區(qū)的深度越深，拉伸性能越差。不論試樣有無熱影響區(qū)，斷口的形貌都屬于塑性斷裂。Pandey 等人［52］采用實驗設(shè)計和遺傳算法相結(jié)合的方法對鈦合金板材進行激光切割參數(shù)優(yōu)化，以切縫錐度和表面粗糙度作為響應(yīng)指標，發(fā)現(xiàn)表面粗糙度的最主要影響因素是脈沖頻率，其次是切削速度，而切縫錐度的重要因素是脈沖寬度和輔助氣體壓力; 在最優(yōu)切割參數(shù)組合下測得切口錐度值和表面粗糙度值分別提高19. 16%和17. 32%，切縫錐度的響應(yīng)曲線如圖12 所示，表面粗糙度的響應(yīng)曲線如圖13 所示。
Singh 等人［53］利用田口方法對鈦合金板材進行激光切割參數(shù)優(yōu)化，以輔助氣壓、脈沖寬度、頻率和切割速度作為影響因子，切縫寬度和切口偏差作為響應(yīng)指標，建立二次回歸模型，并進行分析、參數(shù)優(yōu)化及指標預(yù)測，最終通過試驗驗證了最優(yōu)參數(shù)組合的合理性。
4、結(jié)語
雖然鈦合金材料和激光加工技術(shù)已經(jīng)在某些領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)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(lǐng)域，因此，降低鈦合金成本是以后的發(fā)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(shù)降低成本。
如今，在航空領(lǐng)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(shù)方面，從提高鈦合金加工表面質(zhì)量方面的研究居多，關(guān)于焊接、熔覆以及沖擊強化等表面產(chǎn)生裂紋問題研究顯示: 激光焊接時，可采用激光電弧復(fù)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(chǎn)生的雜質(zhì)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(yōu)化算法進行多目標工藝參數(shù)優(yōu)化提高切割質(zhì)量，推薦優(yōu)化算法有遺傳算法、響應(yīng)面法、粒子群算法以及田口方法等。
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