張桂冠，孫玉利，范武林，王燎原，楊范軒，盛 一，盧文壯，左敦穩(wěn)

（1.南京航空航天大學(xué)，南京 210016；2.南京星合精密智能制造研究院有限公司，南京 211106）

《中國(guó)制造2025 藍(lán)皮書(shū)》將空天裝備列為未來(lái)10 年的重要突破目標(biāo)[1]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)的心臟，其研制能力是一國(guó)綜合能力、工業(yè)基礎(chǔ)和科技實(shí)力的集中體現(xiàn)。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)高服役性能要求，對(duì)其材料與制造技術(shù)提出了更高的要求[2]。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制過(guò)程中，先進(jìn)材料是發(fā)展高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的物質(zhì)基礎(chǔ)[3]，而制造技術(shù)則是滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)超長(zhǎng)服役壽命的保障[4]。1964 年，美國(guó)學(xué)者Field 等[5]首次提出表面完整性概念，系統(tǒng)地對(duì)機(jī)械加工后表面幾何與表面物理性質(zhì)進(jìn)行了闡述，并將其定義為：“通過(guò)控制機(jī)械加工、非傳統(tǒng)加工工藝形成無(wú)損傷的表面形態(tài)或強(qiáng)化的加工表面”。隨后，美國(guó)國(guó)防部對(duì)常見(jiàn)加工工藝下航空合金加工表面完整性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并建立了龐大的表面完整性數(shù)據(jù)庫(kù)。然而，起初在我國(guó)航空關(guān)鍵構(gòu)件機(jī)械制造技術(shù)領(lǐng)域中的表面完整性問(wèn)題并沒(méi)有得到應(yīng)有的重視。在《2018—2019機(jī)械工程學(xué)科發(fā)展報(bào)告機(jī)械制造》[6]中指出：我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件的制造精度方面已經(jīng)接近或達(dá)到了與國(guó)外產(chǎn)品相同的水平，而其服役壽命卻不及國(guó)外同類產(chǎn)品的50%。隨著近年來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)事故與故障失效等事故頻發(fā)，我國(guó)的航空制造技術(shù)才逐漸從以往的“成形”制造階段向表面完整性抗疲勞制造階段躍升[7]，并取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。因此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件的加工表面完整性成為評(píng)價(jià)其加工質(zhì)量的重要依據(jù)。

鈦合金作為一種高強(qiáng)度合金材料，因其具有優(yōu)異的高比強(qiáng)度、良好的抗腐蝕性、超強(qiáng)的斷裂韌性與抗疲勞性能，已廣泛應(yīng)用于航空航天等高端裝備領(lǐng)域，被譽(yù)為21 世紀(jì)最具有價(jià)值的戰(zhàn)略性金屬材料[8]。鈦合金的用量常被當(dāng)作衡量飛機(jī)選材先進(jìn)程度和航空工業(yè)發(fā)展水平的指標(biāo)，與飛機(jī)作戰(zhàn)能力密切相關(guān)。機(jī)械制造的目的是為了制造出滿足形狀精度與服役性能的構(gòu)件。然而，由于鈦合金材料的高強(qiáng)度、低導(dǎo)熱系數(shù)、易粘刀以及與刀具親和力強(qiáng)等特性[8-9]，在加工過(guò)程中很容易造成較差的表面加工質(zhì)量。比如，在其加工過(guò)程中產(chǎn)生的切削熱不易傳出，往往集中在某些較小區(qū)域內(nèi)，導(dǎo)致局部切削溫度過(guò)高，從而造成表面燒傷，繼而影響其表面完整性[10]。因此，如何保證鈦合金材料的高表面完整性制造，成為擺在科研工作者面前亟待解決的科學(xué)難題。

本文旨在對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金材料常見(jiàn)工藝（切削加工、磨削加工、復(fù)合加工以及特種加工）表面完整性的研究現(xiàn)狀進(jìn)行全面梳理，并在此基礎(chǔ)上對(duì)未來(lái)的研究重點(diǎn)進(jìn)行展望，以期為實(shí)現(xiàn)鈦合金材料超長(zhǎng)服役壽命的制造需求提供理論指導(dǎo)。

1 鈦合金切削加工技術(shù)

由于鈦合金在加工過(guò)程中切削溫度高[11]，刀具磨損嚴(yán)重[9]，進(jìn)而引起表面質(zhì)量惡化，如圖1所示[11-13]。因此，有必要對(duì)鈦合金切削加工過(guò)程中不同工藝條件下產(chǎn)生的表面完整性進(jìn)行詳細(xì)闡述。

鈦合金材料在切削加工過(guò)程中，刀具-切屑接觸界面發(fā)生劇烈的材料變形與摩擦，導(dǎo)致局部高溫和較大的熱梯度，進(jìn)而引起刀具在加工過(guò)程中的快速磨損與過(guò)早失效。為此，Liang 等[14]對(duì)鈦合金Ti-6Al-4V 切削過(guò)程中超細(xì)硬質(zhì)合金刀具的失效模式和磨損機(jī)制進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，在切削過(guò)程中，刀具磨損區(qū)域的磨損機(jī)制，是由機(jī)械引起的磨損、熱引起的黏附和擴(kuò)散、化學(xué)引起的氧化等多重因素造成的。此外，加工形貌包括表面特征規(guī)律性與表面缺陷的隨機(jī)性，是刀具幾何形狀和切削刃運(yùn)動(dòng)軌跡在工件的映射。一些研究人員指出，在加工過(guò)程中，刀具的磨損對(duì)表面粗糙度有著顯著的影響，然而，刀具磨損對(duì)表面粗糙度影響的相關(guān)性仍存在爭(zhēng)議，如圖2所示[15]。為此，Liang 等[16]詳細(xì)研究了刀具磨損對(duì)其相應(yīng)加工表面形貌的影響，結(jié)果表明，后刀面的磨損狀態(tài)對(duì)其表面加工質(zhì)量影響較大，隨著后刀面磨損加劇，加工表面缺陷由犁溝、測(cè)流向表面燒傷過(guò)渡。相應(yīng)的，Sui 等[17]也發(fā)現(xiàn)了類似的試驗(yàn)現(xiàn)象。

圖2 不同刀具磨損程度下表面形貌SEM 圖像[15]Fig.2 Surface defects depending on tool flank wear[15]

材料的去除行為對(duì)其加工表面完整性的影響較大。在鈦合金切削加工過(guò)程中，切削速度與進(jìn)給速度對(duì)切屑的形態(tài)影響較為明顯。當(dāng)切削速度較低時(shí)，產(chǎn)生非周期性鋸齒狀切屑；隨著切削速度與進(jìn)給速度的增加，切屑的周期性鋸齒狀效應(yīng)得到加強(qiáng)，而產(chǎn)生鋸齒狀切屑[18]；然而，當(dāng)切削速度增加到一定值時(shí)，鈦合金材料會(huì)發(fā)生脆性，繼而引起材料的脆性去除[19]，如圖3所示[20]。Yang 等[21]選用切削速度、進(jìn)給速度與徑向切削深度3 個(gè)工藝參數(shù)探究Ti-6Al-4V 圓周銑削加工表面形貌的演變規(guī)律，并進(jìn)行了多元線性回歸分析，結(jié)果表明，進(jìn)給速度是影響表面粗糙度的主要因素，其次為徑向切削深度和切削速度。Zhang 等[22]基于改進(jìn)的Split-Hopkinson 壓桿切削裝置，對(duì)Ti-6Al-4V 的高速切削加工質(zhì)量進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切削速度在420～1020m/min 范圍內(nèi)，表面加工粗糙度隨切削速度的增加而降低。此外，大量的研究表明，隨著切削速度的增加，表面缺陷由塑性變形誘導(dǎo)演變?yōu)榇嘈詳嗔颜T導(dǎo)[23]。因此，切削速度的提高，縮短了加工表面發(fā)生塑性變形的時(shí)間，進(jìn)而提高了其表面加工質(zhì)量。然而，隨著切削速度的進(jìn)一步提高，表面質(zhì)量將會(huì)發(fā)生惡化[24]。

圖3 不同切削速度下切屑形貌的變化[20]Fig.3 Variation of chip morphologies under different cutting speeds[20]

鈦合金切削過(guò)程中，鈦合金切削加工表面經(jīng)過(guò)擠壓與剪切變形使得表層組織發(fā)生細(xì)化，并伴隨著高密度位錯(cuò)、孿晶與晶粒的拉長(zhǎng)與破碎[25]，稱之為“表面變質(zhì)層”。其中，對(duì)加工表面近表層在顯微照片中顯示為白色的區(qū)域稱之為白層[26]。據(jù)報(bào)道，在極端服役條件下，加工表面存在白層可將零部件的低周疲勞壽命降低近30 倍[27]。因此，對(duì)鈦合金切削過(guò)程中白層的問(wèn)題在現(xiàn)代加工制造中變得越來(lái)越重要。Griffiths[28]指出，目前關(guān)于白層形成的機(jī)制有以下3種主流觀點(diǎn)，即：（1）相變；（2）塑性變形驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；（3）表面化學(xué)反應(yīng)。Haron 等[29]在采用未涂層硬質(zhì)合金刀具對(duì)Ti-6Al-4V 進(jìn)行切削加工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，隨著切削時(shí)間的增加，因刀具磨損程度加劇而產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形，并在加工表面上產(chǎn)生塑性變形層（擾動(dòng)層），如圖4所示。Xu 等[30]對(duì)Ti-6Al-4V 高速切削過(guò)程中表面變質(zhì)層的形成機(jī)制進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明，白層形成的主要機(jī)制為高應(yīng)變率下材料塑性變形驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，位錯(cuò)與孿晶的影響次之。此外，Du 等[31]指出提高切削速度可有效減少白層的厚度。

圖4 不同切削時(shí)間下Ti-6Al-4V 加工表面微觀結(jié)構(gòu)的SEM 圖像Fig.4 Microstructure of Ti-6Al-4V machined surface under different cutting time

加工表面的冶金變化是決定表面服役性能的一個(gè)重要參數(shù)。為此，Guo 等[32]選取加工過(guò)程中變形率、應(yīng)變及溫度3 個(gè)參數(shù)，繪制了顯微組織變化與顯微硬度對(duì)3 者的依賴關(guān)系，如圖5所示。

圖5 顯微組織變化與顯微硬度對(duì)變形率、應(yīng)變及溫度3 者的變化規(guī)律[32]Fig.5 Variation of microstructure and microhardness with deformation rate,strain and temperature[32]

基于此，Velásquez 等[33]對(duì)Ti-6Al-4V 在20m/min、260m/min 兩種切削速度下的加工表面和亞表面的橫截面進(jìn)行了表征，如圖6所示，結(jié)果表明，隨著切削速度的增加，加工表面橫截面的中等塑性變形層與超細(xì)晶粒層的深度增加。然而，Zhang等[34]將切削速度提高至材料脆化臨界值以上發(fā)現(xiàn)，加工表面損傷層厚度隨切削速度的增加而降低，即表現(xiàn)出亞表面損傷的“趨膚效應(yīng)”。因此，在加工過(guò)程中，切削速度對(duì)加工表面超細(xì)晶粒層的影響還有待于進(jìn)一步深入研究。

圖6 Ti-6Al-4V 加工表面橫截面組織SEM 圖像[33]Fig.6 SEM images of cross sections of Ti-6Al-4V machined surfaces[33]

此外，近年來(lái)，為了在微觀尺度上獲得更高分辨率的表面完整性數(shù)據(jù)，在光學(xué)顯微鏡 （OM）與電子掃描顯微鏡 （SEM）的基礎(chǔ)上，透射電鏡（TEM）[35]、電子背散射（EBSD）[36]以及聚焦離子束顯微鏡（FIB）[37]等先進(jìn)表征手段逐漸被廣泛應(yīng)用，如圖7所示[35-37]。

圖7 通過(guò)不同技術(shù)對(duì)微觀尺度加工表面完整性分析[35-37]Fig.7 Example of machined surface integrity analysis through different techniques at microstructural scale[35-37]

殘余應(yīng)力對(duì)航空零部件的服役性能，特別是疲勞性能有著重要影響[38]。其中，加工表面殘余壓應(yīng)力對(duì)于提高零部件疲勞壽命有著積極作用，而殘余拉應(yīng)力則不利于其疲勞性能。通常，殘余應(yīng)力對(duì)零部件服役性能的影響程度由3 個(gè)指標(biāo)來(lái)判斷，即工件表面殘余應(yīng)力、殘余應(yīng)力峰值及殘余應(yīng)力影響層深度，其分布與大小由切削過(guò)程中機(jī)械載荷與熱載荷共同決定的。王明海等[39]對(duì)不同主軸轉(zhuǎn)速（4500～12000r/min）下Ti-6Al-4V 銑削加工表面殘余應(yīng)力的分布進(jìn)行了探究，結(jié)果表明，銑削加工表面的殘余應(yīng)力呈現(xiàn)出由表層的殘余拉應(yīng)力向殘余壓應(yīng)力過(guò)渡的分布特征，這是由于加工表面的梯度溫度場(chǎng)引起的。其中，加工過(guò)程中的切削熱以及相關(guān)熱效應(yīng)易引起殘余拉應(yīng)力，而與塑性變形相關(guān)的機(jī)械載荷往往會(huì)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。然而，對(duì)于高速加工技術(shù)而言，提高切削速度可增加更多的機(jī)械能而導(dǎo)致殘余壓應(yīng)力。同時(shí)，劇烈的塑性變形會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，進(jìn)而導(dǎo)致殘余拉應(yīng)力。因此，對(duì)于切削加工過(guò)程中的速度效應(yīng)對(duì)殘余應(yīng)力的影響仍是一個(gè)值得深入探究的科學(xué)難題。

Liang 等[40]系統(tǒng)研究了刀具不同磨損狀態(tài)對(duì)Ti-6Al-4V 加工表面殘余應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)Ti-6Al-4V 加工表面的殘余拉應(yīng)力和最大殘余壓應(yīng)力均表現(xiàn)出隨著刀具磨損狀態(tài)的加劇而增大，如圖8所示。Liang 等[41]提出了一個(gè)考慮磨損引起刀具幾何變化的多物理模型，并對(duì)Ti-6Al-4V正交切削加工表面殘余應(yīng)力的分布情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)，試驗(yàn)驗(yàn)證了該模型能夠有效評(píng)估刀具磨損條件下的殘余應(yīng)力分布特性，如圖9所示。

圖8 新刀具與磨損狀態(tài)刀具加工表面的殘余應(yīng)力分布[40]Fig.8 Residual stress depth profiles for new and worn tools[40]

圖9 考慮刀具磨損的Ti-6Al-4 V 正交車(chē)削多物理模型[41]Fig.9 Multi-physics model with the considerations of wear induced tool geometrical alterations for orthogonal turning Ti-6Al-4V[41]

影響殘余應(yīng)力的因素眾多且復(fù)雜。僅通過(guò)優(yōu)化加工參數(shù)難以實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力的調(diào)整。因此，開(kāi)發(fā)一種可用且方便的殘余應(yīng)力主動(dòng)控制方法對(duì)于提高難切削材料的加工效率至關(guān)重要。Song 等[42]采用有限元軟件Abaqus 建立鈦合金切削二維有限元仿真模型，并通過(guò)正交切削試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。然后基于仿真分析模型對(duì)單步切削、多步切削、預(yù)應(yīng)力單步切削以及預(yù)應(yīng)力多步切削4 種切削加工條件，對(duì)Ti-6Al-4V 加工表面殘余應(yīng)力分布進(jìn)行了探究，結(jié)果表明，多步切削和預(yù)應(yīng)力切削工藝均會(huì)增加殘余壓應(yīng)力，而多步切削會(huì)改變沿深度方向最小殘余應(yīng)力的位置，增加切屑分割度。在4 種切削加工工況中，預(yù)應(yīng)力多步切削可以最大限度地提高殘余壓應(yīng)力值（圖10[42]）。

圖10 4 種切削加工條件下加工表面殘余應(yīng)力的變化[42]Fig.10 Variation of residual stress downward machined surface under four cutting processing conditions[42]

基于上述討論，盡管選擇合適的工藝參數(shù)可有助于獲得較高表面完整性的鈦合金切削加工，但隨著對(duì)航空高端零部件使役性能要求的不斷提高，運(yùn)用先進(jìn)的表征手段對(duì)微觀或納觀水平的表面完整性參數(shù)進(jìn)行定性或定量分析將成為重要的研究課題。

2 鈦合金磨削加工技術(shù)

磨削是用硬磨料顆粒作為切削工具，以負(fù)前角微切削的形式進(jìn)行材料去除的過(guò)程[43-44]。因此，加工過(guò)程會(huì)伴隨大量的能量消耗，產(chǎn)生較大的磨削力、磨削溫度以及磨具的磨損，進(jìn)而影響被加工工件的表面完整性[45-47]。磨削表面的粗糙度是表面完整性的重要參數(shù)之一，且被廣泛研究。曹克等[48]使用大氣孔與普通氣孔兩種微晶剛玉砂輪開(kāi)展鈦合金磨削試驗(yàn)，研究氣孔尺寸對(duì)TC17表面完整性的影響，如圖11所示?？芍?，鈦合金磨削表面均存在大量撕裂狀缺陷及波紋，但大氣孔砂輪磨削后表面的缺陷程度較輕，且試驗(yàn)表明，大氣孔砂輪磨削后表面的粗糙度較低。

圖11 典型磨削表面形貌[48]Fig.11 Typical grinding surface morphology[48]

Xi 等[49]綜合研究了Ti2AlNb 的磨削特性，包括磨削力、磨削比能、表面組織、粗糙度以及磨具磨損狀況，結(jié)果表明，隨著材料去除率的提高，Ti2AlNb 工件亞表面出現(xiàn)了一層厚度小于2μm 的白層，并且非連續(xù)形態(tài)（圖12（a）） 演變?yōu)橄鄬?duì)連續(xù)形態(tài) （圖12（b））。

圖12 磨削后的Ti2AlNb 金相顯微圖[49]Fig.12 Metallographic micrograph of Ti2AlNb after grinding[49]

胥軍等[50]在Profimat MT 408 平面精密磨床上進(jìn)行低速和高速磨削TC4-DT 試驗(yàn)，并通過(guò)SEM 電鏡獲得磨削后鈦合金的表面形貌，如圖13所示。低速磨削時(shí)，試樣表面有明顯的加工紋路但未出現(xiàn)燒傷；高速磨削（80m/s）表面加工紋路較清晰，且存在塑性變形，未發(fā)現(xiàn)燒傷，表面形貌良好；當(dāng)砂輪線速度達(dá)100m/s 時(shí)，表面出現(xiàn)嚴(yán)重?zé)齻ハ骷庸ぜy路模糊，并出現(xiàn)大面積網(wǎng)狀裂紋。

圖13 磨削加工表面形貌SEM 圖像[50]Fig.13 SEM image of grinding surface morphology[50]

Kadivar 等[51]探究了不同磨削速度下Ti-6Al-4V 表面的殘余應(yīng)力和比磨削能，結(jié)果表明，將磨削速度從6m/s 提高到10m/s，可降低殘余壓應(yīng)力，在6m/s 的磨削速度下，磨削表面存在研磨軌跡，表面無(wú)缺陷；當(dāng)切削速度由10m/s 提高到14m/s 時(shí)，殘余應(yīng)力變化不明顯，但磨削速度提高到14m/s 時(shí)，由于表面產(chǎn)生較大的塑性變形和更高的溫度，磨削表面存在計(jì)較多的空洞和污漬。張國(guó)軍等[52]采用正交試驗(yàn)對(duì)TiAl 基合金的砂帶磨削表面完整性進(jìn)行研究，圖14為T(mén)iAl 基合金平板在最優(yōu)工藝參數(shù)條件下，磨削前后工件的表面形貌圖。可知，磨削后的表面光滑、幾乎無(wú)缺陷，表面質(zhì)量改善，表面粗糙度值為0.2μm，與原始表面相比降低了近300%。

圖14 磨削前后工件的表面形貌圖Fig.14 Surface topography of workpiece before and after grinding

Li 等[53]從磨削燒傷的角度研究了CBN 砂輪對(duì)Ti-6Al-4V 鈦合金的臨界磨削溫度，發(fā)現(xiàn)當(dāng)平均溫度超過(guò)470℃的閾值時(shí)，工件發(fā)生輕微磨削燒傷；而當(dāng)平均溫度超過(guò)750℃時(shí)，工件表面出現(xiàn)嚴(yán)重的磨削燒傷，并伴有嚴(yán)重的變形。Ding 等[54]研究了砂輪表面的磨粒分布對(duì)Ti-6Al-4V磨削效果的影響，結(jié)果表明，具有特定紋路晶粒分布的CBN 砂輪和帶有隨機(jī)顆粒分布的電鍍CBN 砂輪相比，磨削力和磨削功率明顯小很多。這主要是由于在磨削過(guò)程中，砂輪-工件接觸區(qū)的瞬時(shí)活性磨粒數(shù)量減少，從而導(dǎo)致更大的磨屑存儲(chǔ)空間和更少的摩擦熱。Zeppenfeld 等[55]發(fā)現(xiàn)，在高速磨削過(guò)程中，隨著磨屑體積的增加，磨具與工件的接觸長(zhǎng)度的增加，法向磨削力大幅度增加，進(jìn)而造成工件表面的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力不斷增大，如圖15所示，對(duì)于鈦鋁合金，當(dāng)進(jìn)給速度為50m/min 時(shí)，在γ-TiAl 相中獲得的拉伸殘余應(yīng)力可達(dá)σ=400MPa，當(dāng)進(jìn)給速度為100m/min和200m/min 時(shí)，會(huì)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。

圖15 高速磨削時(shí)工件表層的殘余應(yīng)力[55]Fig.15 Residual stress on workpiece surface during high speed grinding[55]

為了提高磨削過(guò)程中鈦合金的加工表面完整性，一些柔性研磨加工工藝相繼被開(kāi)發(fā)并得以工程應(yīng)用。宋偉偉等[56]對(duì)砂帶磨削鈦合金的加工過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)研究，揭示了工藝參數(shù) （進(jìn)給速度、砂帶線速度與下壓量）對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明，表面粗糙度隨砂帶的線速度的增大呈現(xiàn)出先減小后增大，隨進(jìn)給速度的增大而增大，隨下壓量的增大呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)。黃云等[57]利用機(jī)器人浮動(dòng)砂帶對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金葉片進(jìn)行磨削，試驗(yàn)平臺(tái)如圖16所示。該試驗(yàn)通過(guò)控制機(jī)器人各個(gè)軸的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換來(lái)控制葉片的運(yùn)動(dòng)軌跡，自適應(yīng)浮動(dòng)磨頭可根據(jù)被加工工件實(shí)際線型進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，以達(dá)到最佳的磨削效果。與磨削前相比，磨削后的葉片均可獲得0.4μm 以下表面粗糙度。

圖16 機(jī)器人浮動(dòng)砂帶磨削平臺(tái)及其磨削結(jié)果[57]Fig.16 Robot floating belt grinding platform and grinding results[57]

Gong 等[58]針對(duì)砂帶磨削過(guò)程中磨具難以進(jìn)行有效修正等難題，創(chuàng)新性地提出了一種基于空心球的新型結(jié)構(gòu)磨粒砂帶，并對(duì)其自銳性能進(jìn)行了探究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，空心球砂帶的自銳性能優(yōu)于傳統(tǒng)砂帶。進(jìn)一步驗(yàn)證空心球砂帶的自銳性對(duì)其磨削性能的影響，如圖17所示[58]（ape為實(shí)際磨削深度；ap為磨削深度）。當(dāng)使用傳統(tǒng)氧化鋁砂帶時(shí)，由于鈦合金表面劇烈的塑性流動(dòng)而引起表面缺陷和黏粘碎屑，而使用空心球氧化鋁砂帶時(shí)則未出現(xiàn)上述加工質(zhì)量問(wèn)題，表面粗糙度值達(dá)0.39μm。

圖17 空心球砂帶磨削原理及其鈦合金模型表面SEM 圖像[58]Fig.17 Principle diagram of belt grinding and SEM images of titanium alloy sample[58]

王燎原等[59-60]和陳法宇[61]等設(shè)計(jì)出一種針對(duì)3D 打印的異形波導(dǎo)管件（圖18），采用振動(dòng)復(fù)合、高壓氣流復(fù)合等多物理場(chǎng)復(fù)合磁力研磨加工技術(shù)進(jìn)行光整，初步獲得了達(dá)到航空應(yīng)用技術(shù)要求的試驗(yàn)結(jié)果，為異形件內(nèi)表面的光整加工提供了關(guān)鍵的技術(shù)參考。

圖18 異形波導(dǎo)管及其剖面示意圖Fig.18 Diagram of profiled waveguide and section

3 鈦合金復(fù)合加工技術(shù)

隨著鈦合金切磨削加工和特種加工過(guò)程的認(rèn)知深化和工藝實(shí)踐的豐富，鈦合金車(chē)削、銑削、磨削和特種加工技術(shù)在航空結(jié)構(gòu)件制造中得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)，以提質(zhì)增效為工藝目標(biāo)的復(fù)合加工工藝在鈦合金加工中的應(yīng)用也日益引起人們的關(guān)注。復(fù)合加工是將兩種及兩種以上加工工藝集成在同一加工過(guò)程中，借助多種形式的能量（聲、光、電、熱、化學(xué)等）提高加工對(duì)象的可加工性、表面質(zhì)量或加工效率，減小刀具損耗。本節(jié)主要介紹超聲振動(dòng)輔助切削加工技術(shù)、激光輔助切削工藝、超低溫加工工藝、電流輔助切削工藝3 種復(fù)合加工工藝在鈦合金加工中的研究進(jìn)展。

3.1 超聲振動(dòng)輔助切削加工技術(shù)

作為一種非傳統(tǒng)加工技術(shù)，超聲振動(dòng)輔助加工技術(shù)是在常規(guī)切削（車(chē)削、銑削、磨削）中為工件或者刀具施加一個(gè)以上維度的高頻（約20kHz）微米級(jí)振動(dòng)，用周期性“分離-切削”代替常規(guī)工藝的連續(xù)切削作用[62]。Chen 等[63]通過(guò)螺旋銑削和超聲振動(dòng)螺旋銑削兩種工藝下Ti-6Al-4V合金孔加工行為進(jìn)行研究，如圖19所示，結(jié)果表明，與螺旋銑削相比，超聲振動(dòng)螺旋銑削加工的孔徑誤差減小、表面微觀硬度增加，且在超聲振動(dòng)輔助螺旋銑削加工孔表面的橫截面SEM 上觀察到了大約4～6μm 的β 相變形層。此外，由于超聲波振動(dòng)載荷在加工孔的表面和亞表面產(chǎn)生更多的材料塑性變形，進(jìn)而增加了其表面加工硬化效果。

圖19 螺旋銑削和超聲振動(dòng)螺旋銑削加工對(duì)比[63]Fig.19 Comparison of machined hole-surfaces by HM and UVHM[63]

在超聲振動(dòng)輔助切削的基礎(chǔ)上，為了提高超聲振動(dòng)切削加工的效率，研究者提出了高速旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動(dòng)銑削工藝和高速超聲波動(dòng)式切削方法。高速旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動(dòng)銑削工藝將橢圓運(yùn)動(dòng)形式引入超聲振動(dòng)輔助銑削，劉佳佳等[64]研究了鈦合金的高速旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動(dòng)銑削工藝，試驗(yàn)結(jié)果表明，超聲振幅越大，銑削平均徑向切削力值越小，表面粗糙度值、銑削表面殘余壓應(yīng)力值、變形層厚度以及晶粒細(xì)化程度越大（圖20）。

圖20 高速超聲橢圓振動(dòng)銑削表面完整性[64]Fig.20 Surface integrity of high speed ultrasonic elliptical vibration milling[64]

Peng 等[65]采用硬質(zhì)合金刀具對(duì)Ti-6Al-4V 合金進(jìn)行傳統(tǒng)切削（CC）和高速超聲波振動(dòng)輔助切削（HUVC），對(duì)其加工過(guò)程中表面完整性的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，如圖21所示，試驗(yàn)結(jié)果表明，高速超聲波振動(dòng)輔助切削可有效提高Ti-6Al-4V 合金加工性能、工藝穩(wěn)定性和表面完整性。

圖21 Ti-6Al-4V 合金高速超聲波振動(dòng)輔助切削加工表面完整性[65]Fig.21 Ti-6Al-4V alloy surface integrity of high-speed ultrasonic vibration cutting[65]

3.2 激光輔助切削加工技術(shù)

激光輔助切削是在常規(guī)切削（車(chē)削、銑削、磨削）過(guò)程中，在工件的待加工表面施加與刀具作同步進(jìn)給的激光照射，利用激光能量對(duì)工件待加工表面材料進(jìn)行預(yù)處理。如圖22所示[66]，對(duì)比研究表明相對(duì)于常規(guī)車(chē)削和銑削加工，激光輔助加工用于鈦合金時(shí)能夠通過(guò)表面材料氧化、表層亞表層材料軟化和相變等作用提高材料的可加工性，顯著降低刀具的切削力，減緩刀具磨損，獲得較低的表面粗糙度。針對(duì)激光砂帶加工的研究表明復(fù)合加工中同時(shí)發(fā)生磨粒磨削的材料塑性去除和材料氣化及熔化去除，可以提升加工表面的耐磨損性能。通過(guò)激光參數(shù)和切削參數(shù)優(yōu)化匹配，激光輔助切削在提高鈦合金加工質(zhì)量方面已經(jīng)取得了積極的學(xué)術(shù)成果，在加工效率提升和低能耗生產(chǎn)方面的應(yīng)用潛力也初見(jiàn)成效。

圖22 激光誘導(dǎo)氧化輔助車(chē)削工藝效果[66]Fig.22 Effect of laser induced oxidation assisted turning process[66]

3.3 超低溫切削加工技術(shù)

超低溫（低于-153℃）切削技術(shù)，是指一種在材料去除過(guò)程中采用液氮等強(qiáng)冷卻介質(zhì)的綠色加工工藝方法。強(qiáng)冷卻介質(zhì)在噴射壓力作用下進(jìn)入加工區(qū)域，依靠熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流等換熱方式降低切削熱。

Dhananchezian 等[67]針 對(duì)TC4鈦合金開(kāi)展了液氮超低溫車(chē)削試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，超低溫加工環(huán)境能夠降低切削溫度、切削力、表面粗糙度和刀具磨損。Shokrani 等[68]對(duì)比了TC4 的常溫端銑、漫灌式切削液冷卻銑削和超低溫端銑加工，發(fā)現(xiàn)超低溫環(huán)境顯著降低了加工后的表面粗糙度值，減少了塑形變形和切屑二次沉積引起的加工表面損傷。如圖23所示[69-70]，超低溫銑削能夠提高加工表面微觀硬度[70]，降低切削變質(zhì)層的深度。梁旭等[71]發(fā)現(xiàn)在干切削、超臨界CO2（scCO2）以及scCO2與油膜附水滴 （OoW）混合3 種切削方式中，scCO2與微量油膜附水滴混合冷卻方式能有效減小切削力和降低切削溫度，因而獲得良好的加工表面，并研究了切削參數(shù)對(duì)切削力和切削溫度的影響規(guī)律。在超低溫加工的基礎(chǔ)上，針對(duì)低剛度薄壁鈦合金蜂窩結(jié)構(gòu)在常規(guī)銑削中的卷曲、開(kāi)焊、塌邊等缺陷，文獻(xiàn)[72-73]提出了冰固持低溫銑削，以脆硬的剪切斷裂方式代替強(qiáng)韌的拉伸斷裂，提高了工件剛度和銑削力，能夠有效抑制加工缺陷，提高表面質(zhì)量。

圖23 不同加工工藝下表面完整性對(duì)比[69-70]Fig.23 Comparison of surface integrity under different processing techniques[69-70]

3.4 電流輔助切削加工技術(shù)

電流輔助切削是在常規(guī)切削加工中利用導(dǎo)電工件在通入電流時(shí)產(chǎn)生的塑性變化來(lái)提高工件材料加工質(zhì)量的復(fù)合加工方法。Lou 等[74]結(jié)合仿真和試驗(yàn)研究了TC4 鈦合金電脈沖輔助加工，結(jié)果表明，電脈沖作用能夠減小鈦合金的硬度和屈服應(yīng)力，提高切削過(guò)程的平穩(wěn)性，利于形成連續(xù)切屑，從而降低刀具切削力、加工表面缺陷和表面粗糙度值，如圖24所示。

圖24 電流輔助車(chē)削表面形貌[74]Fig.24 Current assisted turning surface topography[74]

路冬等[75]對(duì)比了普通車(chē)削與電塑性車(chē)削兩種不同加工方法下的切削力和表面粗糙度，發(fā)現(xiàn)電塑性輔助車(chē)削加工的工件表面質(zhì)量得到明顯改善且切削力顯著降低，并提出了選用較高的放電電壓及較低的放電頻率的工藝控制策略。在此基礎(chǔ)上，廖鵬飛等[76]進(jìn)一步對(duì)比了TC4 鈦合金普通車(chē)削、超聲振動(dòng)輔助車(chē)削及電塑性-超聲振動(dòng)耦合輔助車(chē)削，試驗(yàn)結(jié)果表明，電塑性-超聲振動(dòng)耦合輔助車(chē)削的切削力最小，并且表面質(zhì)量改善最為顯著，較大的放電電壓及較高的放電頻率有利于降低切削力，獲得較好的表面質(zhì)量。作為一種綠色輔助手段，電流輔助切削為鈦合金高質(zhì)量加工提供了一種有前景的工藝方案。

免疫組化上,組織細(xì)胞表達(dá)S-100強(qiáng)陽(yáng)性10例（90.91%）（圖 1E），CD68強(qiáng)陽(yáng)性 10例（90.91%）（圖1F），而CD1a陰性11例（100%）。CD20和CD3染色呈現(xiàn)B、T淋巴細(xì)胞混雜的背景。

總體來(lái)說(shuō)，通過(guò)能量場(chǎng)輔助能夠有效改善鈦合金材料的加工表面完整性。但是，各能量場(chǎng)作用下的材料去除機(jī)制等科學(xué)問(wèn)題還有待深入研究。

4 鈦合金特種加工技術(shù)

特種加工是泛指用電能、熱能、光能、電化學(xué)能、化學(xué)能、聲能及特殊機(jī)械能等能量達(dá)到去除或增加材料的加工方法[77]，具體可分為成形加工技術(shù)、表面光整加工技術(shù)和表面強(qiáng)化技術(shù)。本研究主要論述的鈦合金特種加工技術(shù)包括精密電火花成形加工技術(shù)、精密電解加工技術(shù)、磨粒流光整加工技術(shù)、表面噴丸強(qiáng)化技術(shù)和表面激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)。

4.1 精密電火花成形加工技術(shù)

電火花成形加工技術(shù)是一種拷貝式加工，它利用工具電極和工件電極間最小間隙處或者絕緣強(qiáng)度最低處，在高壓脈沖電壓下形成的脈沖放電對(duì)工件表面材料實(shí)現(xiàn)微量蝕除，工具電極的形狀逐步拷貝到工件待加工表面，以此實(shí)現(xiàn)成形加工[78]。電火花成形加工技術(shù)特別適合難加工合金材料和難加工結(jié)構(gòu)，且技術(shù)較為成熟，因而在航空航天高性能鈦合金零部件生產(chǎn)中具有廣泛應(yīng)用，也不斷延伸出新的研究方向。

利用煤油介質(zhì)和銅工具電極加工鈦合金時(shí)，電火花加工表面較為粗糙并覆蓋有白層，白層包含各種碳化物和氧化物，其硬度較基體材料大，且脈沖能量越大，再鑄層越厚。峰值電流越大時(shí)，材料去除率和工具電極損耗越快，表面裂紋也越嚴(yán)重[79-81]。圖25[77]為電火花成形加工TC4 鈦合金的表面完整性。此外，過(guò)大的脈寬會(huì)引起放電表面嚴(yán)重積碳（煤油分解），因而降低加工表面質(zhì)量和加工效率。Tang 等[82]通過(guò)電火花單點(diǎn)放電特性的仿真來(lái)研究鈦合金電火花加工機(jī)理，結(jié)果表明，再鑄層和熱影響層厚度沿著放電蝕坑中心到蝕坑邊緣逐漸增加，再鑄層和熱影響層的金相組織不同，但同時(shí)存在較大的殘余應(yīng)力值。脈沖電流影響蝕坑的應(yīng)力狀態(tài)，脈寬則對(duì)再鑄層深度和最大拉應(yīng)力深度有顯著影響。Rahul 等[83]研究了工具電極材料對(duì)TC4 鈦合金電火花成形加工表面完整性、工具電極損耗和加工效率的影響，發(fā)現(xiàn)深冷處理銅工具電極比常規(guī)銅工具電極和鎢工具電極在加工效率、表面質(zhì)量和工具電極損耗上都有更好的表現(xiàn)。Shokrani 等[68]以表面粗糙度和加工效率為目標(biāo)，通過(guò)優(yōu)化脈沖電流、脈寬、占空比、抬刀周期等電參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了鈦合金的高效高質(zhì)量電火花成形加工，為鈦合金電火花成形加工的工程化應(yīng)用提供了可行的技術(shù)方案。

圖25 電火花成形加工表面完整性[77]Fig.25 Surface integrity of electrical-discharge-machining workpiece[77]

4.2 磨粒流加工技術(shù)

鈦合金工件經(jīng)過(guò)車(chē)削、銑削、電火花加工、增材制造等技術(shù)加工后的表面完整性往往難以滿足使用要求，而黏彈性磨粒流光整加工 （Abrasive flow machining，AFM）是一種行之有效的鈦合金表面光整技術(shù)，在該技術(shù)中，半流動(dòng)的黏彈性磨料在擠壓力作用下流經(jīng)工件表面，驅(qū)動(dòng)其中的硬質(zhì)磨粒切削工件表層的“微凸起”特征來(lái)實(shí)現(xiàn)拋光目標(biāo)。

Yu 等[84-85]利用磨粒流光整加工技術(shù)拋光精密電火花加工后的TC4鈦合金表面，結(jié)果表明，磨粒流光整加工能夠顯著降低工件表面粗糙度（圖26[84]），去除電火花加工中形成的再鑄層，提高加工后表面的硬度分布一致性，引入表層殘余壓應(yīng)力。通過(guò)工序間余量?jī)?yōu)化分配，磨粒流光整加工技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)提質(zhì)增效的綜合工藝目標(biāo)。

圖26 TC4 鈦合金磨粒流光整加工表面完整性[84]Fig.26 Surface integrity after AFM[84]

鈦合金工件在磨粒流光整加工后的表面粗糙度一致性是當(dāng)前該技術(shù)在工程應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)之一。對(duì)于初始表面形貌均勻性的工件，粗糙度作為表層材料去除的宏觀效果之一，粗糙度一致性可以歸結(jié)為材料去除一致性，而后者的關(guān)鍵技術(shù)之一是工件表面材料在磨粒流加工中的去除量分布預(yù)測(cè)。Fu 等[86]采用多磨粒摩擦磨損的疊加作用構(gòu)建了磨粒流加工工藝的材料去除率預(yù)測(cè)模型，并將之用于鈦合金葉片的雙向磨粒流加工預(yù)測(cè)，并針對(duì)存在的材料去除一致性低問(wèn)題 （圖27），提出了優(yōu)化夾具結(jié)構(gòu)的工藝控制策略 （圖28）。

圖27 磨粒流光整加工表面粗糙度一致性[86]Fig.27 Surface roughness uniformity after AFM[86]

圖28 鈦合金葉片材料去除一致性控制方案（mm）[86]Fig.28 Strategy for improving MRR uniformity of titanium blade (mm)[86]

Bouland 等[87]利用解析法和流場(chǎng)仿真輔助工具構(gòu)建了對(duì)應(yīng)的磨粒流加工材料去除率預(yù)測(cè)模型，提出了利用預(yù)試驗(yàn)得到的修正函數(shù)來(lái)減小由于磨粒流拋光效率衰減導(dǎo)致的材料去除率預(yù)測(cè)誤差的建模策略，并將該模型用于預(yù)測(cè)增材制造鈦合金工件的磨粒流光整加工效果。

4.3 精密電解加工技術(shù)

精密電解加工技術(shù)是基于電化學(xué)原理的一種非接觸式特種加工技術(shù)，具有工具無(wú)損耗、無(wú)殘余應(yīng)力、材料以離子狀態(tài)溶解等優(yōu)點(diǎn)，在難切削、復(fù)雜形狀、低剛度的航空結(jié)構(gòu)件大余量去除中得到廣泛應(yīng)用[88-90]。Choungthong 等[91]將電解加工工藝用于去除激光銑削加工的鈦合金工件表面重鑄結(jié)構(gòu)，并重點(diǎn)觀察了電解加工前后激光研磨腔的表面、亞表面和尺寸的變化，結(jié)果表明，電解加工可以去除大部分重鑄結(jié)構(gòu)，且腔深隨加工時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。高激光功率的使用不僅增加了重鑄量，而且還增加了工件表面的微孔、裂紋等缺陷。這些缺陷可以通過(guò)電解再現(xiàn)，從而擴(kuò)大微孔和裂紋，并使工作表面加工質(zhì)量發(fā)生惡化。相關(guān)研究結(jié)果為激光切割表面的重鑄去除和去毛刺提供了理論指導(dǎo)。

孫曉宇等[92]采用了電解加工技術(shù)制造鈦合金心血管支架，試驗(yàn)表明，該工藝制造鎳鈦合金心血管支架的表面完整性和生物相容性明顯改善，如圖29所示。同時(shí)提高了電解加工技術(shù)的環(huán)境友好性，為制造性能優(yōu)異的心血管支架提供了理論指導(dǎo)。

圖29 激光加工后支架和電解拋光后支架Fig.29 Stent by fiber laser and stent by electro polishing

李越等[93]分析了極間距和溫度等參數(shù)對(duì)鈦合金管電解加工效果的影響，試驗(yàn)表明，較佳的極間距和溫度分別為15mm 和25℃，如圖30所示，在該參數(shù)下電解拋光90s 后，鎳鈦合金管表面光潔平整，電蝕坑和突起較少，表面粗糙度最?。?4.8nm），表面殘余壓應(yīng)力最大（191.7MPa）。

圖30 極間間距與溫度對(duì)鎳鈦合金管表面粗糙度的影響[93]Fig.30 Effect of electrode spacing and temperature on surface roughness of nitinol alloy tube[93]

不可忽視的是當(dāng)下比較缺乏對(duì)精密電解加工多物理場(chǎng)耦合機(jī)理研究[94]，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有大多數(shù)多物理場(chǎng)耦合研究進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化處理[95]，建立相對(duì)準(zhǔn)確的精密電解加工多物理場(chǎng)模型仍較困難。脈沖與振動(dòng)精確匹配時(shí)，加工間隙內(nèi)流場(chǎng)、電場(chǎng)、溫度場(chǎng)、電化學(xué)溶解速度場(chǎng)耦合作用極為復(fù)雜。以后的研究需要通過(guò)揭示多物理場(chǎng)作用規(guī)律，掌握電解加工成形規(guī)律，并實(shí)現(xiàn)成形過(guò)程準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

4.4 表面噴丸強(qiáng)化技術(shù)

噴丸加工中，高速?gòu)椡枇饕?0～100m/s 的速度撞擊工件表面，如圖31所示[96]，彈丸流的機(jī)械撞擊使工件表層材料產(chǎn)生一定深度的塑性變形區(qū)，并將殘余壓應(yīng)力引入表面塑性變形層，有效阻止工件在服役過(guò)程中的裂紋萌生和擴(kuò)展，提高其疲勞壽命和抗應(yīng)力腐蝕能力[97]。同時(shí)，撞擊能改變工件表層微觀組織結(jié)構(gòu)，在工件表面產(chǎn)生高密度的晶格缺陷和位錯(cuò)，表層晶粒得到明顯細(xì)化[98-99]。

圖31 噴丸表面強(qiáng)化技術(shù)示意圖[96]Fig.31 Schematic diagram of shot peening process[96]

Li等[100]采用X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）對(duì)TC17 鈦合金噴丸強(qiáng)化表面進(jìn)行了綜合表征，研究了TC17 表面形貌演變和晶粒尺寸隨深度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)噴丸加工表面的劇烈塑性變形誘發(fā)了位錯(cuò)活動(dòng)，位錯(cuò)活動(dòng)具有很高的層錯(cuò)能，從而實(shí)現(xiàn)了材料表層晶粒的細(xì)化，顯微硬度從工件表面到基體逐漸增加（440HV0.02提高到629HV0.02），呈現(xiàn)出遞減的梯度變化規(guī)律。孫輝[101]對(duì)TC4 鈦合金葉片噴丸過(guò)程進(jìn)行數(shù)值分析及試驗(yàn)研究，確定了噴丸速度等工藝條件和工藝路徑，研究了葉片經(jīng)加工后的表面狀態(tài)，指出了在葉片機(jī)加工時(shí)應(yīng)給予一定的預(yù)補(bǔ)償量，可使葉片噴丸變形后達(dá)到預(yù)定的形狀，如圖32所示。

圖32 TC4 葉片噴丸后表面狀態(tài)[101]Fig.32 Surface state of TC4 blade after shot peening[101]

在工程應(yīng)用中，應(yīng)該通過(guò)噴丸工藝參數(shù)優(yōu)化來(lái)兼顧加工表面質(zhì)量和加工效率，同時(shí)避免加工表面剝層和褶皺異常缺陷對(duì)工件服役性能產(chǎn)生的不利影響。此外，通過(guò)將噴丸表面強(qiáng)化與其他技術(shù)復(fù)合，在保證工件表面力學(xué)性能的同時(shí)降低粗糙度，是噴丸表面強(qiáng)化技術(shù)研究和應(yīng)用的關(guān)注點(diǎn)之一[102-103]。

4.5 表面激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)

激光沖擊強(qiáng)化加工技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型強(qiáng)化技術(shù)[104]。該技術(shù)利用激光束產(chǎn)生等離子體誘發(fā)的沖擊波在工件次表面引起局部塑性變形，并使其產(chǎn)生高度位錯(cuò)，進(jìn)而提高零部件的整體服役性能（圖33[102]）。

圖33 激光噴丸強(qiáng)化示意圖[102]Fig.33 Schematic diagram of laser shot peening[102]

Li 等[105]對(duì)TC4 的激光沖擊強(qiáng)化效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)強(qiáng)化試樣的振動(dòng)疲勞斷裂區(qū)的裂紋源位于表面以下約100μm 深度處，而經(jīng)過(guò)激光沖擊強(qiáng)化試樣的振動(dòng)疲勞斷裂區(qū)的裂紋源位于次表面（圖34[105]）。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，激光沖擊強(qiáng)化次數(shù)對(duì)疲勞壽命具有積極的影響。隨著強(qiáng)化次數(shù)的增加，初始晶粒將細(xì)化為許多亞晶粒，甚至是納米晶粒（圖35[105]）。

圖34 不同處理試樣的疲勞裂紋萌生形貌[105]Fig.34 Fatigue crack initiation morphologies of different treated specimens[105]

圖35 不同處理方式下試樣表面80μm 深度處的透射電鏡照片[105]Fig.35 TEM photographs at depth of 80μm from the top surface of the specimens with different treatments[105]

昝垚旭等[106]使用X 射線衍射儀、顯微硬度計(jì)等分析了激光沖擊強(qiáng)化處理后Ti834 合金，并用掃描電子顯微鏡等觀察被終極區(qū)域的表面形貌和顯微組織，結(jié)果表明，第1 次處理和第2 次處理后形成的強(qiáng)化層厚度分別為170μm 和265μm，殘余壓應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在次表層。孫汝劍等[105]采用20J、25J 和30J 級(jí)別的脈沖激光沖擊TC17 鈦合金，觀察并歸納其微觀組織演變、表面形貌及粗糙度變化、殘余應(yīng)力分布和拉升性能改變規(guī)律。得出了試樣表面粗糙度降低，表面殘余應(yīng)力增大，鈦合金屈服強(qiáng)度提升30～70MPa 的結(jié)論，但激光沖擊強(qiáng)化對(duì)TC17 鈦合金抗拉強(qiáng)度影響不大，如圖36所示[107]。

圖36 不同方式激光沖擊強(qiáng)化后鈦合金表面完整性[107]Fig.36 Surface integrity of TC17 under different ways by LSP[107]

綜上所述，針對(duì)鈦合金難加工材料而言，特種加工技術(shù)可解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)等裝備制造中常規(guī)加工方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的加工難題。此外，由此衍生出的特種加工與傳統(tǒng)制造技術(shù)相結(jié)合的組合式加工新概念與新工藝是未來(lái)需要研究的重要課題。

5 結(jié)論

本研究針對(duì)鈦合金切削溫度高，刀具磨損嚴(yán)重等問(wèn)題，從切削加工、磨削加工、復(fù)合加工以及特種加工4個(gè)工藝角度對(duì)鈦合金加工表面完整性的發(fā)展現(xiàn)狀展開(kāi)綜述，分析了工藝參數(shù)對(duì)表面完整性狀態(tài)特征的影響規(guī)律。其中，鈦合金材料在不同加工方式下所獲得的表面完整性不盡相同，進(jìn)而導(dǎo)致其服役性能產(chǎn)生顯著差異。為此，針對(duì)目前鈦合金加工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，為了獲得有效表面完整性加工，鈦合金材料加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展趨勢(shì)主要集中在以下4 個(gè)方面。

（1）鈦合金材料在切削、磨削、復(fù)合加工與特種加工等工藝過(guò)程中均會(huì)承受不同的機(jī)械/熱載荷，并引起其加工表面微觀組織及機(jī)械特性的變化，繼而對(duì)其服役性能造成不同程度的影響。然而，就目前而言，還沒(méi)有合適的理論方法來(lái)對(duì)不同服役性能要求的鈦合金材料選擇最佳的加工工藝。因此，未來(lái)的工作有必要從不同加工工藝下鈦合金的表面完整性與功能性的影響機(jī)制著手進(jìn)行深入探究。

（2）鈦合金精密加工正朝著高效、精密、低損傷的方向發(fā)展，隨著高速/超高速加工技術(shù)與多能場(chǎng)復(fù)合精密加工技術(shù)的快速發(fā)展，使得鈦合金高效低損傷精密加工成為了可能。然而，對(duì)于超高速加工技術(shù)而言，高應(yīng)變下的材料去除模式對(duì)其加工表面質(zhì)量的影響機(jī)理還有待于深入研究。此外，基于力-熱耦合場(chǎng)下表面完整性的演變已進(jìn)行了深入研究。然而，在多能場(chǎng)輔助復(fù)合加工技術(shù)中，需要充分考慮復(fù)雜場(chǎng)效應(yīng)對(duì)其表面完整性的影響，并在此基礎(chǔ)上完善相關(guān)理論模型。

（3）在鈦合金精密加工過(guò)程中，刀具/磨具磨損是制約鈦合金高表面完整性加工的核心瓶頸問(wèn)題，其磨損程度又會(huì)復(fù)映到表面完整性，致使表面完整性一致性較差。未來(lái)應(yīng)基于時(shí)間維度，將刀具/磨損問(wèn)題納入表面完整性演變規(guī)律中，并開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的理論模型。此外，高性能刀具/磨具的開(kāi)發(fā)也是目前值得深入研究的工程科學(xué)問(wèn)題。

（4）目前，大多數(shù)研究集中于某一種加工技術(shù)下表面完整性的演變規(guī)律問(wèn)題。然而，一個(gè)零部件從毛坯到成品，往往需要經(jīng)歷多種加工工藝，如切削-磨削-（特種加工）-研拋-表層強(qiáng)化等工藝流程。因此，需要建立面向整個(gè)工藝鏈中工藝參數(shù)與表面完整性的映射模型，并以鈦合金關(guān)鍵零部件的服役性能需求為目標(biāo)，獲得其滿足服役性能需求的工藝特征域，對(duì)引導(dǎo)和推動(dòng)鈦合金關(guān)鍵構(gòu)件高表面完整性制造技術(shù)的發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)。