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          鈦合金微制造技術研究進展與微加工技術展望

          發布日期:2022-09-15 09:20:54  點擊次數:6948

          鈦合金具有比強度高、耐蝕性強以及生物相容性好等特性,是制造金屬微構造件的理想資料。但是,鈦合金導熱系數低、彈性模量小且化學親和力強,亦是典型的難加工資料。在剖析鈦合金微構造件加工特性的根底上,按增材、等材和減材的成形方式對鈦合金微制造技術停止了綜述,引見了各自的成形原理與工藝 特性,并對鈦合金微制造技術的將來開展方向提出了瞻望。

          1  序文

          精細化、微型化是現代制造業的重要開展方向。鈦合金作為一種重要的輕質合金,具有比強度高、耐蝕性強以及生物相容性好等特性,被以為是制造金屬微構造件的理想資料[1]。隨著制造技術的開展,鈦合金必將在航空航天、生物醫療和精細儀器等范疇得到更多的應用。

          但是,鈦合金自身導熱系數低、彈性模量小且高溫下化學親和力強,屬于典型難加工資料。同時,金屬微構造件體積小、特征復雜,對精度及外表質量請求高,采用傳統加工工藝普遍存在加工質量差、刀具磨損快等現象。因而,研討和探尋高效、高質量的鈦合金微制造技術已成為當前的一個熱點。

          本文按增材、等材和減材成形類別對現有的鈦合金微制造辦法與技術停止了綜述,引見了它們的成形原理與工藝特性,并對鈦合金微制造技術的將來開展方向提出了瞻望。

          2  鈦合金增材微制造技術

          鈦合金增材微制造技術以數字化模型為根底,在維護氛圍下打印出二維截面,堆積連續的二維截面進而取得三維實體。常見的鈦合金增材制造技術有選區激光熔融(SLM)、選區電子束凝結(EBM)等。

          經過SLM技術制備出圖1所示的鈦鉭合金多孔試樣,發現多孔構造的尺寸精度、力學性能對激光功率更為敏感;研討了SLM技術加工薄壁零件的才能,經過數學模型剖析了加工參數的影響,并以Ti6Al4V為原料制備出微板、微柱構造;經過EBM制備出具有優秀組織構造的Ti2448多孔試樣,且該試樣有較高的強度模數比。

          增材微制造技術消費的零件存在內部孔隙,對其機械性能有不利影響。此外,該技術以圖層堆積方式停止加工,廢品零件外表粗糙度欠佳,局部場所需求后續處置以滿足實踐需求。

          3  鈦合金等材微制造技術

          鈦合金等材微制造技術主要為粉末注射微成形技術。該技術加工時將粉末與粘結劑混煉制成加工原料,成形出特定外形,經脫脂、燒結等環節得到所需求的產品。該技術制備的工件成分平均、后期廢料少,具備批量消費才能。

          由于該技術消費原料——低氧超細球形鈦粉本錢較高,因而MANSHADI等[8]研討了低本錢替代原料——氫化物脫氫(HDH)鈦粉的加工可行性,并肯定了該原料的關鍵工藝參數,最終廢品收縮平均,但含氧量高于預期;以水 溶性聚乙二醇(PEG)為主要成分,聚碳酸亞內酯(PPC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)為主鏈成分開發了適用于鈦合金粉末注射微成形的新型粘結劑體系,新型粘結劑可顯著進步成形件的生坯強度,有利于后續加工。

          鈦合金粉末注射微成形技術具有批量消費才能,但是較高的原料本錢限制了該技術的推行,需求進一步開發低氧超細球形粉末的制備工藝,或展開低本錢替代原料的加工性能研討。另外,鈦合金粉末注射微成形的粘結劑通常是自創其他粉末的加工工藝,特性無法與鈦合金完整匹配,需求進一步開發合適鈦合金的新型粘結劑以取得更好的加工效果。

          4  鈦合金減材微制造技術

          4.1  機械微加工技術

          機械微加工技術經過刀具的微量切削作用去除資料,具有加工精度高、外表完好性好、加工柔性強和外表成分穩定等優點。

          經過球頭微銑削技術在Ti6Al4V外表制備出了微凹坑與微網格構造(局部微構造見圖3),并研討了不同構造的摩擦學性能;ZIBEROV等[11]研討了鈦合金微切削時刀具涂層對刀具磨損的影響,結果標明,在干式切削條件下,采用類金剛石涂層刀具、TiAlN涂層刀具切削Ti6Al4V資料時刀具磨損可分別降低640%、267%。

          由于鈦合金的切削加工性能較差,加工過程易呈現刀具磨損、外表毛刺等現象,因而鈦合金的機械微加工相較于常規金屬而言難度更大。雖然近期關于鈦合金機械微加工的研討論文迸發式增長,但其工業化應用的案例實踐上十分稀少。

          4.2  熱能微加工技術

          (1)激光微加工技術  激光微加工技術經過高能量密度激光蝕除工件資料,與常規激光加工技術相比精度更高,熱影響區更小,特別合適工件部分的熱燒蝕處置。

          在高掃描速度條件下對鈦合金停止了激光微加工,加工效果如圖4所示;經過激光微加工技術在Ti6Al4V外表制備出連通的蜂窩狀構造,經處置的零件外表光學反射率降低了90%。

          激光微加工過程通常在空氣中停止,工件外表易發作氧化蛻變,且熱能作用下鈦合金外表易產生熱損傷。該技術采用的短脈沖激光發作器本錢較高,需求進一步研發高效、牢靠且低本錢的短脈沖激光發作器,以促進該技術的工業化應用。

          (2)電火花微加工技術  電火花加工技術選用微米級工具電極,經過控制工具電極與工件之間的電火花來去除資料。該技術加工精度高,且具備加工深邃寬比微構造的才能。

          提出了雙軸聯動、單軸伺服的電火花微加工新工藝,經過新工藝勝利加工出NiTi合金微零件(見圖5);探究了不同工具電極轉速下工作間隙介質的速度場以及產物散布狀況,發現高速旋轉的電極有助于肅清產物并進步加工過程的穩定性。

          電火花微加工技術同樣基于熱效應去除工件資料,加工時易產生熱缺陷。由于其加工過程頻繁放電,所以電極會不可防止地發作損耗,降低加工精度。此外,在加工深邃寬比微構造時,加工產物易附著在工件外表,對加工穩定性存在不利影響。

          4.3   電解微加工技術

          電解微加工技術以電化學溶解技術為原理,經過陽極金屬氧化溶解去除工件資料。該技術無電極損耗,加工過程無內應力,廢品外表粗糙度好,且工件資料以離子方式去除,理論精度可達納米級。

          為研討鈦合金電解微加工的可能性,測試了不同電解質條件下鈦合金的溶解特性,發現乙二醇-溴化鈉組合的電解液表現出優良的加工效果;研討了電解微加工中工藝參數對加工精度的影響,并經過層層電解銑削的方式在純鈦外表制備出如圖6所示的方形螺旋微通道通槽構造;在采用氯化鈉-乙二醇電解液的根底上引入了高速旋轉的螺旋電極以加速電解產物的去除,在鈦板上加工出了高精度、高外表質量的微縫構造。

          鈦合金具有易鈍化的特性,其在水基溶液中易構成鈍化層,會招致溶解過程難以持續穩定停止。同時,電解微加工中的非加工區雜散腐蝕、加工外表再腐蝕等現象也會對廢品的加工效果產生不利影響。固然科技界對鈦合金電解微加工極有興味并充溢等待,但該技術在適用化之前還需相當長的探究之路。

          4.4  復合微加工技術

          由于鈦合金具有諸多難加工特性,單一資料去除原理的加工辦法存在一定局限,因而,為取得更好的加工效果,常常將兩種或兩種以上不同原理的工藝組合構成復合加工。

          為處理鈦合金切削性能差等問題,提出激光誘導氧化銑削工藝,控制激光與氧氣保送,誘導鈦合金外表構成松懈的氧化層,后經過微銑削完成資料去除。該技術可取得更好的加工外表質量,且刀具磨損率極低。針對電火花加工產物排出艱難等問題,開發出一種超聲輔助電火花微加工安裝,發現超聲振動對電火花微加工的資料去除率、刀具磨損率和孔錐度具有顯著影響。為改善鈦合金鈍化招致的加工穩定性降低等問題,研討了機械電解銑削過程中資料的去除機制,樹立了數學模型以權衡加工期間電化學銑削與常規銑削的占比,與傳統的電解加工相比,機械電解銑削加工具有更高的加工效率。

          復合微加工技術的原理性限制更少,具有更高的開展潛力。但是其加工過程相對復雜,不同能量結合作用下資料的去除機理尚不完整分明,因而鈦合金復合微加工技術目前多處于概念開發和原型開發階段,需求進一步研討以完成高效、高質量的鈦合金微加工。

          5  完畢語

          本文綜述了幾種重要的鈦合金微制造辦法與技術,總結了各工藝的優勢與缺乏。由于鈦合金具有諸多難加工特性,單一資料去除原理的加工方式存在一定的局限,而復合微加工技術目前處于起步階段,有待進一步研討,因而,將來的研討重點應聚焦至以下方面。

          1)關于減材微制造技術,需加深對資料去除機理的了解,改善加工過程中呈現的不利要素。此外,需進一步推進復合微加工技術的研討,充沛應用不同的加工機理完成鈦合金高質量加工。

          2)關于增材微制造技術,需進一步探究低孔隙率的微加工技術及高效的微構造件后處置技術,逐漸推進鈦合金增材微制造技術在工業范疇的開展。

          3)關于等材微制造技術,需展開低本錢鈦粉的可行性研討,研發適配鈦合金資料特性的加工工藝以完成批量化的高質量加工。


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