钛合金及其激光加工技术的应用
钛合金及其激光加工技术的应用
轻量化是产品设计制造水平的评价标志，是运载工具达到节能减排目标的重要方法，选用轻质材 料是实现轻量化的便捷途径。钛合金作为轻质金属材料的典范，在航空航天、汽车以及船舰等领域得到了广泛应用。针对钛合金的加工方法，尤其在激光加工技术领域中的应用展开论述，尤其是钛合金材料在海陆空领域中的应用和研究现状，激光焊接、激光表面处理、激光切割等加工钛合金材料的应用和研究成果，并对应用中发现的问题提供了对策。
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。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%。
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; 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; 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。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。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。
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，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， 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。
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。
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。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。
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。
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、发动机结构件以及飞机结构件等。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。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，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%，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%。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%，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。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。
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，航空结构件的激光焊接
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，焊接质量不稳定。
为了消除这些缺陷，李川等人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
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。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。
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。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
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。
