中圖分類(lèi)號(hào)：TG506

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2025.04.001 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Research Progresses for Machining Characteristics and Field-assisted Techniques of γ -TiAl Alloys

FAN Tao1，2 YAO Changfeng1，2* TAN Liang1，2 1.Key Laboratory of High Performance Manufacturing for Aero Engine，Ministry of Industry and Information Technology，Northwestern Polytechnical University，Xi'an，710072 2.Engieering Research Center of Advanced Manufacturing Technology for Aero Engine，Ministry of Education，Northwestern Polytechnical University，Xi'an，710072

Abstract： γ-TiAl alloys，due to their low density， high specific strength and excellnt high-temperature oxidation resistance had broad application potentials in the aerospace fields. However，due to their high britleness and low room-temperature plasticity，they were considered typical difficult-tomachine materials，with challenges such as high cuting forces， rapid tool wear and surface defects during the machining processes. In recent years， field-assisted machining technologies provided new solutions to these issues. The material properties， machining characteristics，and surface integrity of γ -TiAl alloys were systematically analyzed， with a focus on the research progresses of field-assisted machining technologies，including their applications in reducing cutting forces， extending tool life and improving surface quality. Additionally， the current research limitations and future development trends were sorted out，aiming to provide theoretical and technical references for the eficient machining of γ TiAl alloys.

Key words： γ-TiAl alloy；difficult-to-machine material; surface integrity； field-assisted machining

0 引言

隨著航空航天技術(shù)的快速發(fā)展，下一代高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)材料性能提出了更加苛刻的要求，包括更高的比強(qiáng)度、更低的密度、更好的高溫性能和更優(yōu)異的抗氧化能力[1]。這些特性對(duì)減小發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量、提高推重比以及提高燃油效率至關(guān)重要。傳統(tǒng)的鎳基高溫合金雖然具備優(yōu)異的高溫性能，但其密度高 （8.9～9.2g/cm³） ，顯著增大了發(fā)動(dòng)機(jī)整體質(zhì)量，成為進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的瓶頸。為此，尋找具有輕量化與高溫抗氧化特性的替代材料成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的關(guān)鍵方向。相比之下， γ -TiAl基材料密度（約 3.9g/cm³） 僅為鎳基高溫合金的一半，同時(shí)具有高比強(qiáng)度、高溫抗氧化性能以及優(yōu)異的抗蠕變性能[2]，可將航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的工作溫度提高至 700^°C 以上，質(zhì)量減小 20%～30% ，大幅提高推重比，使其在巡航速度、燃油消耗率等指標(biāo)上表現(xiàn)優(yōu)異[3]。因此， γ-TiA1合金逐漸成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)葉片和低壓渦輪葉片的理想材料[4]。需要說(shuō)明的是，盡管\" γ -TiA1合金\"這一名稱(chēng)在工程文獻(xiàn)中普遍使用，其主導(dǎo)相 γ -TiAl本質(zhì)上是一種 L1₀ 型（面心四方結(jié)構(gòu)）金屬間化合物，Ti和A1原子比為1：1 ，然而實(shí)際工程材料常通過(guò)添加Nb、Mo等元素形成固溶體，或與 α₂-Ti₃Al 相構(gòu)成雙相組織，因此在本文中“ γ -TiAl合金\"特指以 γ 相為基體的多組元體系。

然而， γ -TiA1合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的廣泛應(yīng)用仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。由于其滑移系較少、伯格斯矢量較大，材料內(nèi)應(yīng)力集中難以釋放，表現(xiàn)出顯著的脆性和低室溫延展性（僅 2%～4% ），被認(rèn)為是“典型的難加工材料\"[5]。在傳統(tǒng)切削加工中，高切削力與高溫會(huì)導(dǎo)致材料沿層斷裂、微裂紋產(chǎn)生以及表面缺陷生成，從而大幅縮短零件服役壽命[6]。此外，刀具磨損嚴(yán)重及加工效率低下也成為限制 γ -TiAl合金工程化應(yīng)用的重要瓶頸]。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已嘗試發(fā)展多種加工技術(shù)，如高速切削、微量潤(rùn)滑和低溫切削等。盡管這些技術(shù)在一定程度上緩解了加工困難，但局限性仍較為明顯：高速切削雖然利用了熱軟化效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)脆-塑性切削，但顯著加劇了刀具磨損[8]；微量潤(rùn)滑加工局部降低了切削區(qū)的高溫和高應(yīng)力狀態(tài)，但程度有限9；低溫液氮加工雖然可以有效抑制切削溫度，但易誘導(dǎo)刀具產(chǎn)生裂紋，且還需要考慮空氣濕度、潤(rùn)滑劑等因素的影響，局限性較大[10]。近年來(lái)，能場(chǎng)輔助加工技術(shù)（如激光輔助、超聲輔助加工等）以其顯著的脆塑性轉(zhuǎn)變優(yōu)勢(shì)，為 γ -TiAl合金等材料的加工難題提供了新的解決方案[11]。例如，激光輔助加工通過(guò)高功率密度熱源實(shí)現(xiàn)材料局部軟化，從而減小切削力，提高加工質(zhì)量[12]；超聲輔助加工則利用高頻振動(dòng)有效減小工件和刀具之間的摩擦和熱應(yīng)力，從而具有減小切削力、延長(zhǎng)刀具壽命、抑制顫振、提高表面完整性等優(yōu)勢(shì)[13]

盡管如此，目前針對(duì)γ-TiAl能場(chǎng)輔助加工的研究仍處于初級(jí)階段，其加工機(jī)理尚不明確，加工參數(shù)的優(yōu)化及其對(duì)加工表面完整性的定量影響研究仍需深人探索。本文以 γ -TiAl合金為研究對(duì)象，圍繞其材料特性、加工特性以及表面完整性展開(kāi)系統(tǒng)綜述，重點(diǎn)分析能場(chǎng)輔助加工技術(shù)的研究進(jìn)展，探討能場(chǎng)輔助加工技術(shù)在提高加工效率和表面質(zhì)量中的應(yīng)用潛力與存在的問(wèn)題，并展望未來(lái)研究方向。

1γ-TiAl合金的材料特性

1.1 γ -TiAI合金的發(fā)展歷程

γ -TiAl合金因具有輕量化、高比強(qiáng)度以及優(yōu)異的高溫抗氧化性能，成為航空航天和汽車(chē)工業(yè)中備受關(guān)注的高溫結(jié)構(gòu)材料，特別在高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)中具有重要應(yīng)用潛力，然而，由于其室溫塑性差和脆性高， γ -TiAl合金的開(kāi)發(fā)經(jīng)歷了多個(gè)階段，圖1所示為γ-TiA1合金的發(fā)展歷程。

γ -TiAl合金的研究始于20世紀(jì)50年代，最 晶體結(jié)構(gòu)的解析上[14]。隨著技術(shù)的進(jìn)步，20世紀(jì)初集中在Ti-A1二元相圖的構(gòu)建和金屬間化合物 70 年代第一代TiAl合金（如Ti-48AI）顯示出一定的抗拉強(qiáng)度和抗蠕變性能，但低斷裂韌性限制了實(shí)際應(yīng)用[15]。到了20世紀(jì)80 年代，第二代TiA1合金通過(guò)微量合金化技術(shù)提高了合金的高溫穩(wěn)定性，并提高了抗拉強(qiáng)度和抗蠕變性能，使其成功應(yīng)用于部分航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件。這標(biāo)志著TiAl合金的工程化邁出了關(guān)鍵一步[16]，與此同時(shí)，第二代TiAl合金也開(kāi)始逐步應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)[17]

進(jìn)入21世紀(jì)，第三代γ-TiAl合金的研發(fā)重點(diǎn)是提高其抗氧化性能和高溫服役能力，并擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域。通過(guò)在 Ti–48Al–2Cr–2Nb 合金基礎(chǔ)上添加W、Mo、Si、B等元素，代表性合金Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.1B（TNM）優(yōu)化了顯微組織穩(wěn)定性，服役溫度從 750°C 提高到 800^°C 以上[18]。此外，微觀組織更加均勻，片層厚度顯著細(xì)化，進(jìn)一步提高了材料的抗蠕變性能和斷裂韌性[19]。南京理工大學(xué)陳光教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)控制臨界形核冷卻速率制備了 0^° 取向的聚片孿生TiAl單晶，其韌性比4822合金提高近3倍[20]。目前，第三代TiAl合金廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)葉片和低壓渦輪葉片，并在汽車(chē)工業(yè)中的渦輪增壓器葉輪、發(fā)動(dòng)機(jī)連桿等領(lǐng)域取得了良好的應(yīng)用效果。圖2所示為典型的 γ -TiAl合金零件[14，17，21-22]

第三代TiAl合金的工業(yè)化應(yīng)用標(biāo)志著TiAl合金從實(shí)驗(yàn)室研究全面進(jìn)人實(shí)際工程領(lǐng)域。然而，合金的室溫塑性和加工性能依然是限制其更廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸，這一問(wèn)題成為未來(lái)研究的重要方向。

1.2γ-TiAI合金的相圖和組織

γ -TiAl合金的顯微組織特性和力學(xué)性能主要受到相組成和熱處理工藝的影響，而相圖研究為其相變行為提供了理論支撐。目前最權(quán)威的相圖版本是由SCHUSTER等[23]提出的，如圖3所示。Ti-Al合金的主要相包括 γ 相（TiAD）、 α₂ 相（Ti3Al）和 β/B₂ 相。其中， γ 相具有 L1₀ 型有序面心四方結(jié)構(gòu)，可提供優(yōu)異的高溫強(qiáng)度； α₂ 相為D0₁₉ 型有序密排六方結(jié)構(gòu)，易發(fā)生有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變； β/B₂ 相呈體心立方結(jié)構(gòu)，通過(guò)添加Nb、Mo、Cr 等元素可提高熱加工性能和室溫塑性[24]。此外，Ti-A1二元相圖的 γ/α₂ 轉(zhuǎn)變區(qū)域直接決定了片層組織的形成與演化，對(duì)優(yōu)化鈦鋁合金的高溫性能和抗蠕變性能至關(guān)重要[25]。近年來(lái)的研究表明，第三組元（如Nb、 Cr 、Mn）可擴(kuò)展特定相區(qū)的穩(wěn)定性。例如， Nb 增強(qiáng) β 相區(qū)的熱穩(wěn)定性，提高高溫強(qiáng)度和抗氧化性； Cr 和 Mn 優(yōu)化 γ/α₂ 相比例，改善組織均勻性和室溫塑性[26]

γ -TiAl合金的顯微組織主要由γ相和 α₂ 相組成，典型形態(tài)可以分為近 γ 組織（near gammastructure，NG）、雙態(tài)組織（duplex structure，DP）、近片層組織（nearly lamellar structure，NL）及全片層組織（fully lamellar structure，F(xiàn)L），其顯微組織如圖4所示[27]。

近γ組織是片層比例最低的組織形式，主要由γ相構(gòu)成，夾雜少量片層結(jié)構(gòu)和 β/B₂ 相，通常通過(guò)調(diào)控合金成分或快速冷卻工藝形成。該組織在室溫塑性和加工性能上表現(xiàn)優(yōu)異，適用于復(fù)雜動(dòng)態(tài)載荷環(huán)境。代表合金為T(mén)NM（Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.1B），其動(dòng)態(tài)性能使其在高塑性和中高溫應(yīng)用中占有重要地位。

雙態(tài)組織的片層含量較低，包含細(xì)化的 γ/α₂ 片層團(tuán)和均勻分布的等軸 γ 晶粒，通過(guò)在 α+γ 相區(qū)的特定熱處理工藝可以形成此類(lèi)組織，綜合性能優(yōu)良，兼具較好的室溫韌性和高溫強(qiáng)度。典型合金如 Ti–47Al–2Cr–2Nb ，廣泛應(yīng)用于多工況環(huán)境。

近片層組織以片層結(jié)構(gòu)為主，夾雜少量等軸γ晶?；?β/B₂ 相。通過(guò)短時(shí)高溫退火或在單一相區(qū)控溫冷卻形成，其片層比例高于雙態(tài)組織，但低于全片層組織。近片層組織在高溫強(qiáng)度和室溫延展性之間達(dá)到平衡，適用于綜合性能要求較高的場(chǎng)合。

全片層組織以片層結(jié)構(gòu)為主，具有最高的片層比例。片層的厚度和分布受冷卻速率和熱處理工藝影響，通常通過(guò)緩慢冷卻形成。全片層組織的高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能最優(yōu)，但室溫塑性較差，適用于高溫工作環(huán)境中的部件，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片。典型合金包括4822（Ti-48A1-2Cr-2Nb），在高溫環(huán)境下具有卓越的力學(xué)性能。

XIA等[4]對(duì)比了 γ -TiAl合金和其他常用航空材料的性能。從表1中可以看出，γ-TiAl合金在高溫性能及密度方面均有極大的優(yōu)勢(shì)，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而，其塑性差的問(wèn)題仍然限制了實(shí)際應(yīng)用的推廣，為此，研究人員正積極致力于開(kāi)發(fā)具備更優(yōu)異綜合性能的新型鈦鋁合金，以滿足日益嚴(yán)苛的工程需求。

2 γ-TiAl合金的加工特性

γ-TiA1合金具有低密度、高比強(qiáng)度和優(yōu)異的高溫性能，在航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[28]。然而，γ-TiAl合金也以其高硬度、高脆性和化學(xué)反應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)而難以切削加工。為了推動(dòng) γ -TiAl合金的工程化應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)其切削加工特性開(kāi)展了大量的研究工作，重點(diǎn)研究了切削力、切削溫度以及刀具磨損性能等方面。

2.1 切削力

切削力是評(píng)價(jià)材料加工性能的重要指標(biāo)之一。在切削 γ -TiAl合金時(shí)，KLOCKE等[29]、PEREZ[30]發(fā)現(xiàn)切削速度和進(jìn)給量對(duì)切削力有顯著影響。他們的研究結(jié)果表明，在較低的切削速度范圍內(nèi)，提高進(jìn)給量會(huì)明顯增大切削力，而提高切削速度對(duì)切削力的影響較小。但當(dāng)切削速度超過(guò) 50m/min 時(shí)，切削速度和進(jìn)給量的增加都會(huì)導(dǎo)致切削力增大，其中切削速度的影響更為顯著，如圖5所示。這表明在較高切削速度下， γ -TiAl合金會(huì)承受更大的應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度，發(fā)生加工硬化，進(jìn)而導(dǎo)致切削力增大。ASPINWALL等[31]的研究結(jié)果表明，與TC4 鈦合金相比，γ-TiA1在相同切削條件下的徑向切削力達(dá)到其2倍，軸向切削力也高出1.3倍。研究還發(fā)現(xiàn)，切削時(shí)溫度顯著升高，未磨損刀具切削溫度可達(dá)700°C ，刀具磨損至 0.3mm時(shí)溫度可高達(dá) 900^°C ，這大大縮短了刀具壽命，并影響車(chē)削加工表面完整性。同樣的結(jié)果也可見(jiàn)于GE等[32的研究，他們比較了銑削 γ -TiA1合金和TA15的切削力，結(jié)果顯示， γ -TiAl合金在 x，y，z 方向上的切削力分別為T(mén)A15在 x?y?z 方向上切削力的1.9、1.8、2.0倍。當(dāng)?shù)毒吣p超過(guò) 0.2mm 后， γ -TiAl合金在 x 方向的切削力甚至?xí)_(dá)到初始切削力的2.6倍，如圖6所示。控制切削區(qū)溫度可以改善切削區(qū)工作環(huán)境，從而減小切削力，提高刀具壽命。潘多[33]的研究表明，在干切削條件下切削力最大，而液氮冷卻下切削力最小，尤其在切削速度達(dá)到150m/min 時(shí)，液氮切削顯著減小了切削力。乳化液切削在低速范圍內(nèi)與液氮切削相似，但在高速下由于冷卻效果不足，切削力有所增大，如圖7所示。

綜上所述，切削力演化的一般規(guī)律可歸納如下：切削力隨著刀具的磨損穩(wěn)步增大；切削速度的提高導(dǎo)致刀具承受極端的熱載荷，加劇了刀具的磨損；當(dāng)?shù)毒哌_(dá)到磨損標(biāo)準(zhǔn)甚至發(fā)生破損時(shí)，切削力偏離穩(wěn)定趨勢(shì)；刀具鋒利度越差，摩擦力越大，這是一個(gè)惡性循環(huán)。

2.2 切削溫度

γ -TiAl合金的熱導(dǎo)率低，切削時(shí)會(huì)產(chǎn)生較高的切削溫度。ASPINWALL等[34]測(cè)試了在每齒進(jìn)給量為 0.12mm ，切削深度和切削寬度均為0.2mm 時(shí)銑削 γ -TiAl合金的溫度，當(dāng)切削速度 v_c 從 50m/min 增加到 135m/min 時(shí)，切削溫度提高了 43%～47% ，如圖8所示。因此，許多研究者采用高速銑削（HSM）來(lái)提高材料溫度從而軟化材料，在這一方面，最受關(guān)注的是 γ -TiAl合金脆韌轉(zhuǎn)變（BDT）。LIU等[35]揭示了 γ -TiAl的BDT溫度與應(yīng)變率有關(guān)，當(dāng)應(yīng)變率從 0.001s^-1 增大到 0.1s^-1 時(shí)，BDT溫度從 700～800° 提高至1100^°C ，同時(shí)材料的斷裂模式由晶間斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)橐钥斩葱纬珊秃喜橹鞯难诱剐詳嗔选MA-YEV等[36]認(rèn)為T(mén)i-50.7A1合金的脆性-韌性轉(zhuǎn)變是由熱活化引起的，隨著溫度升高，被束縛在晶界中的晶格位錯(cuò)（TLD）的釋放比例從低于 10% 大幅增加到約 90% 。UHLMANN等[37]研究指出，當(dāng) v_c 達(dá)到 300m/min 時(shí)，切削溫度高于 700^°C ，切屑的形態(tài)相對(duì)完整，且工件表面無(wú)明顯裂紋和缺陷，證實(shí)了高溫有利于改善 γ -TiAl合金的銑削加工性能。UHLMANN等38]使用外部加熱設(shè)備對(duì)TNB進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)切削試驗(yàn)，進(jìn)一步證明，當(dāng)切削溫度升高至 800^°C 時(shí)，裂紋完全消失，這與常規(guī)切削時(shí)典型的斷續(xù)切屑和表面裂紋形貌形成鮮明對(duì)比。雖然有大量證據(jù)證明高溫有利于提高材料的塑性，但仍需要更多數(shù)據(jù)來(lái)描述 γ -TiAl的塑性狀態(tài)與切削溫度之間的定量關(guān)系。

2.3 刀具磨損

刀具磨損是傳統(tǒng)切削方法加工 γ -TiAl合金時(shí)面臨的一大挑戰(zhàn)。大量試驗(yàn)表明， γ -TiAl合金不良切削性能?chē)?yán)重影響刀具壽命。WANG等[39]研究發(fā)現(xiàn)，車(chē)削 γ -TiAI時(shí)，刀具磨損主要由磨粒磨損、黏著磨損和氧化磨損引起，如圖9所示。切削速度被認(rèn)為是影響刀具磨損的最重要因素，YAO等[40指出，在切削速度較小時(shí)，刀具以黏結(jié)磨損為主；高速切削時(shí)，以擴(kuò)散磨損和黏著磨損為主[41]。在潤(rùn)滑策略方面，KLOCKE等[42]研究了四種潤(rùn)滑方式的差異，相比于常規(guī)濕切削，冷卻液和高壓潤(rùn)滑比微量潤(rùn)滑（MQL）更能有效抑制刀具磨損，刀具磨損分別降低了 61% （冷卻液）、41% （高壓 30MPa） 和 7%（MQL） 。在刀具選擇方面，PRIARONE等[43]指出，無(wú)論何種刀具，其切削壽命都無(wú)法超過(guò) 1min 。在沒(méi)有涂層的WC刀具上會(huì)定期發(fā)生磨粒磨損，直至破裂，整個(gè)過(guò)程約 2min 。此外，立方氮化硼（CBN）含量對(duì)刀具壽命至關(guān)重要，在相同切削參數(shù)下， 50%CBN 僅工作 0.9min ，磨損量達(dá) 0.242mm ，而 92%CBN 的磨損量?jī)H為 0.04mm 。以上研究表明，合理的切削參數(shù)和硬質(zhì)涂層刀具可以延長(zhǎng)刀具壽命。然而，基于 γ -TiA1合金的脆性特性及含有硬質(zhì)顆粒相，磨粒磨損仍然是主要磨損形式。因此，在實(shí)際加工中，優(yōu)化工藝參數(shù)和選擇適當(dāng)?shù)挠操|(zhì)涂層刀具是延長(zhǎng)刀具使用壽命的關(guān)鍵。

2.4 切屑形成機(jī)理

在切削過(guò)程中，切屑的形成機(jī)制是了解切削機(jī)理的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。深入研究切屑的形成，有助于理解材料變形及工具與材料之間的接觸規(guī)律。對(duì)于 γ -TiA1材料，切屑的特征表現(xiàn)為碎裂并帶有鋸齒形的結(jié)構(gòu)，這與 γ -TiAl的高強(qiáng)度和低塑性密切相關(guān)，同時(shí)切削過(guò)程中會(huì)發(fā)生硬化傾向。WANG等[44]研究表明，不同進(jìn)給速度和切削深度對(duì)Ti-47.5Al-2.5V-1Cr的切屑形貌有顯著影響。從圖10a和圖 10b 中可以看出，當(dāng)切削深度 從 0.05mm 增加到 0.25mm 時(shí)，切屑由連續(xù)狀轉(zhuǎn)變?yōu)楣?jié)狀。盡管切屑的前表面仍表現(xiàn)出層狀結(jié)構(gòu)，但在層內(nèi)出現(xiàn)了脆性斷裂。這是由于切削力隨著切削深度的增大而增大。當(dāng)切削力超過(guò)層狀晶粒之間的結(jié)合力時(shí)，微裂紋在晶界處產(chǎn)生，并隨著加工的進(jìn)行進(jìn)一步擴(kuò)展，最終導(dǎo)致切屑在卷曲過(guò)程中發(fā)生碎裂，形成節(jié)狀碎屑。此外，從圖10a和圖10c中可以看出，當(dāng)每齒進(jìn)給量 f 從0.005mm 增加到 0.025mm 時(shí)，切屑從連續(xù)狀轉(zhuǎn)變?yōu)楣?jié)狀，并且在前面的片層內(nèi)也發(fā)現(xiàn)了裂紋。

此外，切屑的形成還與動(dòng)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力密切相關(guān)，這一過(guò)程對(duì)TSE（熱剪切效應(yīng)）和SRH（應(yīng)變速率硬化效應(yīng)）之間的競(jìng)爭(zhēng)非常敏感[45]。PENG等[46]對(duì) γ -TiAl的切屑形貌進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)高切削速度下，切屑呈現(xiàn)出鋸齒形狀并具有絕熱剪切帶，而在低速切削時(shí)則呈現(xiàn)出片狀。這表明瞬時(shí)流動(dòng)應(yīng)力對(duì)切屑形貌有顯著影響。在高速切削時(shí)，SRH效應(yīng)增強(qiáng)，流動(dòng)應(yīng)力增大，從而導(dǎo)致材料的塑性變形增強(qiáng)。由于 γ -TiAl材料的熱導(dǎo)率較低，切削區(qū)溫度會(huì)迅速上升，達(dá)到某一臨界切削速度后，TSE主導(dǎo)作用更為顯著，進(jìn)而導(dǎo)致熱塑性不穩(wěn)定性，并形成帶有絕熱剪切帶的鋸齒形切屑。

ZHANG等47]進(jìn)一步研究了不同微觀結(jié)構(gòu)對(duì)Ti-43A1-9V合金切削性能的影響，發(fā)現(xiàn)其切削機(jī)理主要由微觀結(jié)構(gòu)特性及其主導(dǎo)的變形模式?jīng)Q定。如圖11所示，NG結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的塑性，切屑中可見(jiàn)顯著的晶粒拉伸、位錯(cuò)滑移和機(jī)械孿晶，裂紋主要分布在γ或β晶粒內(nèi)部，形成連續(xù)或輕微鋸齒狀切屑，切削力較大，但表面質(zhì)量較好。相反，F(xiàn)L結(jié)構(gòu)以脆性斷裂為主，裂紋主要沿 α₂/γ 層片界面擴(kuò)展，導(dǎo)致切屑呈明顯鋸齒狀，切削力顯著減小，但表面粗糙度增加。因此，γ-TiA1合金的切削機(jī)理受其高溫力學(xué)特性與微觀結(jié)構(gòu)協(xié)同影響，切屑的形成形態(tài)由材料的塑性變形能力與脆性斷裂傾向共同決定，表現(xiàn)出明顯的結(jié)構(gòu)依賴性與參數(shù)敏感性。

2.5 切削仿真

近年來(lái)，針對(duì)γ-TiAl合金切削過(guò)程的仿真研究不斷深入，為理解其復(fù)雜的微觀變形機(jī)制與斷裂行為提供了重要支撐。分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬因具有原子尺度的分辨能力，成為研究亞表面缺陷演化與材料去除機(jī)制的主要手段。LI等[48]提出的模型成功模擬了 γ -TiAl在納米尺度上的切削行為，揭示了在不同切削距離下的位錯(cuò)分布、堆垛層錯(cuò)與缺陷演化。如圖12所示，隨著切削距離的增大，位錯(cuò)與亞表面缺陷的數(shù)量顯著增加，這表明切削過(guò)程中材料的微觀損傷演化與切削參數(shù)密切相關(guān)。此外，JIANG等[49」的研究也表明，切削過(guò)程中高溫和高壓作用下位錯(cuò)的遷移與相變現(xiàn)象會(huì)顯著影響材料的加工性能。

除模擬原子尺度外，有限元法（FEM）在宏觀尺度上同樣展現(xiàn)出良好的預(yù)測(cè)能力。周麗等[50]基于不同取向角下的 α₂/γ 層片結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了矩形與六邊形晶體模型，分析了工具靠近工件邊緣時(shí)剪切角變化及裂紋擴(kuò)展路徑。如圖13所示，裂紋傾向于在片層內(nèi)部萌生而非界面剝離，且六邊形結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出更高的裂紋擴(kuò)展阻力。此外，該模型也揭示了片層取向角對(duì)斷裂模式（解理、剝離或跨層斷裂）的控制作用，與實(shí)驗(yàn)觀察高度一致。MD與FEM仿真分別從微觀與宏觀尺度揭示了 γ- TiAl合金在切削過(guò)程中的變形機(jī)制、位錯(cuò)演化及斷裂行為，能夠?yàn)榧庸?shù)優(yōu)化和組織調(diào)控提供理論支持。建議未來(lái)進(jìn)一步結(jié)合多尺度建模手段，拓展至多晶結(jié)構(gòu)，以更接近實(shí)際工程應(yīng)用場(chǎng)景。

（a）正六邊形片層結(jié)構(gòu)斷裂前工件邊緣形貌

綜上所述，γ-TiA1合金因高比強(qiáng)度和耐高溫性能在航空航天等領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景，但其切削加工性能較差，切削力大、切削溫度高和刀具磨損快是其難加工的主要原因。針對(duì)性地進(jìn)行加工參數(shù)優(yōu)化、先進(jìn)刀具材料和刀具幾何設(shè)計(jì)，以及合適的加工策略選擇是 γ -TiAl合金切削加工研究的重要方向。此外，借助有限元仿真等手段揭示γ-TiAl合金切削機(jī)理，對(duì)加工工藝優(yōu)化具有重要意義。

3表面完整性

表面完整性是加工后材料表面幾何形狀與物理性能的綜合表現(xiàn)，表面完整性包括表面粗糙度、形貌、缺陷、殘余應(yīng)力以及金相變化等多個(gè)方面，對(duì)零件的疲勞性能和可靠性起著至關(guān)重要的作用[51]。然而，γ-TiAl合金由于其固有的脆性特性，使得加工后的表面完整性問(wèn)題尤為突出，成為研究和工程應(yīng)用中廣受關(guān)注的關(guān)鍵問(wèn)題。

3.1 表面粗糙度和表面形態(tài)

表面粗糙度是評(píng)估加工后零件表面質(zhì)量的重要指標(biāo)，受塑性變形、彈性恢復(fù)等物理因素以及刀具軌跡干涉引起的幾何因素影響，直接關(guān)系到零件的裝配質(zhì)量和精度。如圖14所示，YAO 等[40]使用具有不同斷屑槽的刀具車(chē)削 γ -TiAl合金，發(fā)現(xiàn)直徑更小的刀具更適合加工該脆性材料。兩種刀具在相同切削參數(shù)下， Ra 變化趨勢(shì)相似，其中切削速度對(duì) Ra 影響較小，而切削深度則顯著影響 Ra ，可能是由于切削深度增大引起切削力增大和機(jī)械振動(dòng)。進(jìn)給量增加會(huì)導(dǎo)致殘余高度增加，從而增大 Ra 。WANG等[44]的銑削試驗(yàn)顯示，當(dāng)切削速度 v_c 從 40m/min 增大到 120m/min 時(shí)，Ra 波動(dòng)約為 0.075μm 。王麟等[52]指出，增大切削深度會(huì)引起更大的變形，減小切削深度可有效減小表面缺陷層深度，從而減小 Ra 。劉耀文等[53]通過(guò)正交試驗(yàn)建立了切削參數(shù)與 Ra 的回歸模型，分析結(jié)果表明，切削速度、每齒進(jìn)給量和切削深度對(duì) Ra 的影響依次增大，表明獲得較光潔表面需盡可能地采用較小的切削深度。

3.2 表面缺陷

表面缺陷（如撕裂、空洞、裂紋等）是影響零件疲勞壽命的潛在威脅，特別是在航空發(fā)動(dòng)機(jī)用 γ- TiAl葉片，對(duì)表面質(zhì)量要求極高[54]。但 γ -TiAl合金脆性大，抑制其表面缺陷是切削過(guò)程中面臨的又一問(wèn)題。

γ -TiAl合金的脆性使其在切削過(guò)程中容易產(chǎn)生表面缺陷，其片層狀組織使得微觀裂紋易于在切削過(guò)程中形成，通常垂直于切削方向擴(kuò)展，導(dǎo)致表面出現(xiàn)拔出、破碎、剝落等問(wèn)題，如圖15所示，裂紋長(zhǎng)度一般在 5～30μm 之間，大多起源于晶界[55]。MANTLE等［56]和PRIARONE等[57]研究發(fā)現(xiàn)，裂紋擴(kuò)展會(huì)導(dǎo)致撕裂和剝落，且與切削方向和片層結(jié)構(gòu)的夾角密切相關(guān)。FURUSAWA等[58]指出，裂紋的擴(kuò)展通常分為三個(gè)階段：初始時(shí)，刀具的擠壓與剪切作用導(dǎo)致亞表面裂紋萌生；隨后，在切削力的推動(dòng)下，裂紋逐漸擴(kuò)展；最后，裂紋停止擴(kuò)展并形成不可逆撕裂或其他缺陷。此外，WANG等44研究表明，片層間較低的結(jié)合力是裂紋萌生的關(guān)鍵因素，切削力超過(guò)結(jié)合力時(shí)，片層被拔出形成凹坑。

減少加工表面缺陷是切削 γ -TiAl合金的關(guān)鍵研究方向。PRIARONE等[43]發(fā)現(xiàn)，通過(guò)減小切削力和加工應(yīng)力可有效抑制裂紋的形成。切削溫度升高時(shí)，γ-TiA1合金的斷裂模式會(huì)從穿晶脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐Т嘈詳嗔眩罱K表現(xiàn)為韌性斷裂，這有助于改善表面質(zhì)量[36]。因此UHL-MANN等[37]對(duì) γ -TiAl合金進(jìn)行了高速銑削試驗(yàn)，結(jié)果表明，高速切削 （v_c=150m/min） 相較于低速切削 （v_c=60m/min） 能夠顯著減少裂紋的出現(xiàn)，如圖16所示；接著他們對(duì)預(yù)熱 γ -TiAl合金進(jìn)行了直角切削，發(fā)現(xiàn)預(yù)熱至 800^°C 以上可得到無(wú)缺陷的表面。為減少表面缺陷，建議在常規(guī)切削中采用較低的進(jìn)給速度和切削深度，同時(shí)提高切削速度[38]

綜上所述， γ -TiAl合金切削過(guò)程中表面缺陷的產(chǎn)生與其片層狀組織及切削條件密切相關(guān)。通過(guò)優(yōu)化切削參數(shù)、控制溫度和應(yīng)力，有望降低表面缺陷，以滿足高性能零部件的應(yīng)用需求。

3.3 殘余應(yīng)力

力熱耦合效應(yīng)誘導(dǎo)亞表層結(jié)構(gòu)引起其形狀、體積的變化，以及相對(duì)于基體組織的金相相變，并且在兩層之間的交界處產(chǎn)生殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力影響零件的精度、疲勞強(qiáng)度和耐腐蝕性能[59-60]

MANTLE等[61]采用盲孔鉆削的方法對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，刀具磨損和切削速度顯著影響殘余應(yīng)力，其中，刀具磨損導(dǎo)致切削刃侵入工件的面積增大，從而引起更大程度的塑性變形，有利于殘余壓應(yīng)力的產(chǎn)生。根據(jù)YAO等[40]的研究，切削量的增加導(dǎo)致殘余壓應(yīng)力和深度較大，殘余應(yīng)力沿深度方向迅速減小，最后穩(wěn)定在一220MPa （圖17a）。FAN等6]研究發(fā)現(xiàn)，殘余應(yīng)力與切削溫度有關(guān)，采用外部熱源加熱時(shí)會(huì)導(dǎo)致殘余應(yīng)力的釋放（圖17b）。BENTLEY等[63]發(fā)現(xiàn)壓縮殘余應(yīng)力提高了疲勞抗力和表面硬度，顯微硬度的變化趨勢(shì)與殘余應(yīng)力的變化趨勢(shì)基本一致。徐偉峰等[64]研究了 γ -TiAl合金銑削加工表面殘余應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)表面均為殘余壓應(yīng)力，并且殘余應(yīng)力對(duì)切削速度的變化最敏感，對(duì)其他銑削參數(shù)并不敏感。

目前，關(guān)于切削 γ -TiAl合金殘余應(yīng)力的研究報(bào)道較少。除了對(duì)切削 γ -TiAl合金的研究較少外，殘余應(yīng)力的檢測(cè)方法局限也是一個(gè)重要原因。例如，X射線衍射法檢測(cè)殘余應(yīng)力可能會(huì)比較麻煩，因?yàn)?γ -TiAl的晶體結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致重疊反射[65]另外，對(duì)于超過(guò)屈服應(yīng)力 50% 的殘余應(yīng)力，不建議采用盲孔法檢測(cè)[61]，因此，需要一種準(zhǔn)確有效的殘余應(yīng)力檢測(cè)方法。此外， γ -TiAl合金殘余應(yīng)力的研究應(yīng)側(cè)重于機(jī)械加工和熱變形的高度非線性耦合的理論建模，以及刀具磨損等工藝條件對(duì)殘余應(yīng)力大小和分布的影響。理論與實(shí)驗(yàn)的耦合有助于探索 γ -TiAl合金加工過(guò)程中的殘余應(yīng)力演變規(guī)律。

表面完整性對(duì)零件的加工質(zhì)量和使用壽命至關(guān)重要，但γ-TiAl合金由于其本身加工性能較差，較難獲得理想的表面。因此，為追求優(yōu)異的表面完整性，不得不犧牲材料去除率，從而極大限制了生產(chǎn)效率。一些研究人員嘗試采用高速切削來(lái)減少裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，但極高的刀具磨損率和過(guò)高的熱應(yīng)力可能引發(fā)白層或不利相變，對(duì)表面完整性產(chǎn)生新的不利影響。因此，開(kāi)發(fā)新型切削方法，減小切削力，抑制刀具磨損，降低力-熱耦合效應(yīng)對(duì)表面完整性的不利影響，是實(shí)現(xiàn) γ -TiAl合金構(gòu)件高質(zhì)量高效加工的關(guān)鍵目標(biāo)。

4γ-TiA1合金的能場(chǎng)輔助加工

為解決γ-TiAl合金的加工問(wèn)題，許多新型加工技術(shù)被相繼提出，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了廣泛研究。其中能場(chǎng)輔助加工是解決鈦合金、高溫合金、陶瓷基復(fù)合材料等材料加工問(wèn)題的一類(lèi)方法[11]，根據(jù)外場(chǎng)類(lèi)型，可分為超聲輔助加工（UVAM）[66]、感應(yīng)輔助加工（IAM）[62]、激光輔助加工（LAM）[67]等加工方式。與常規(guī)加工（CM）方法相比，場(chǎng)輔助加工具有減小切削力、提高表面光潔度、降低刀具磨損等優(yōu)點(diǎn)，因而成為難加工材料加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。盡管能場(chǎng)輔助加工在 γ -TiAl合金加工中顯示出廣闊前景，但相關(guān)研究目前仍處于起步階段。

4.1 超聲輔助加工

超聲輔助加工通過(guò)在加工過(guò)程中施加高頻低幅的振動(dòng)，有效改善了 γ -TiAl合金的加工性能，超聲銑削試驗(yàn)臺(tái)如圖18所示[66]。研究表明，超聲振動(dòng)能夠減小切削力、降低溫度、延長(zhǎng)刀具壽命和提高表面質(zhì)量。CHEN等[68]研究發(fā)現(xiàn)，超聲輔助高效深磨削（UVHEDG）顯著降低了磨削溫度（約 15.4% ）和減小了磨削力（約 16% ），同時(shí)提高表面光潔度，表現(xiàn)出優(yōu)越的加工性能。盧躍鋒等[69-70]的研究表明，超聲輔助銑削能顯著降低γ -TiA1合金側(cè)銑加工表面粗糙度，最佳條件下Ra 值可降至 0.9μm 以下，并延遲刀具磨損的發(fā)生，顯著延長(zhǎng)刀具壽命。

在表面質(zhì)量方面，宋陽(yáng)軒等[71]采用的超聲縱扭復(fù)合銑削（ULTM）方法能夠顯著降低表面粗糙度， Ra 值普遍小于 0.6μm ，且提高了表面硬度，提高幅度超過(guò) 10% 。XIA等[72]的研究進(jìn)一步揭示，超聲輔助橢圓振動(dòng)銑削能夠通過(guò)周期性脆性斷裂和塑性變形復(fù)合機(jī)制，改善 γ -TiAl合金的材料去除過(guò)程，顯著減小切削力，圖19所示為γ-TiA1合金在常規(guī)銑削和超聲銑削下的切削形成過(guò)程。

刀具磨損是加工 γ -TiAl合金時(shí)需考慮的重要問(wèn)題。研究表明，刀具磨損通常經(jīng)歷初期磨損、穩(wěn)定磨損和劇烈磨損三個(gè)階段。盧躍鋒[70]研究發(fā)現(xiàn)，超聲輔助銑削顯著延遲了刀具黏結(jié)磨損和擴(kuò)散磨損的發(fā)生，還能縮短刀具與工件的接觸時(shí)間和降低切削溫度，有效延長(zhǎng)刀具使用壽命。CHEN等[68]研究表明，超聲輔助高效深磨削中CBN磨具磨損量顯著低于傳統(tǒng)深磨削的磨損量。XIA等[72]也發(fā)現(xiàn)超聲輔助銑削能抑制刀具邊緣破損，如圖20所示，這對(duì)提高加工系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。

盡管超聲輔助加工在γ-TiAl合金加工中取得了進(jìn)展，但該方法在工業(yè)應(yīng)用中仍面臨挑戰(zhàn)，如超聲振動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，以及復(fù)雜曲面和薄壁結(jié)構(gòu)件加工的研究不足問(wèn)題等。未來(lái)的研究應(yīng)集中在優(yōu)化超聲加工參數(shù)模型、探索與激光輔助加工等技術(shù)的融合，以及開(kāi)發(fā)高效穩(wěn)定的超聲振動(dòng)系統(tǒng)等。

4.2 激光輔助加工

激光輔助加工作為一種熱輔助加工技術(shù)，通過(guò)激光局部預(yù)熱降低材料硬度和屈服強(qiáng)度，從而改善材料的加工性能[73]。研究表明，該技術(shù)能夠顯著減小切削力、延長(zhǎng)刀具壽命，并提高表面質(zhì)量[74]。在難加工材料研究領(lǐng)域，激光輔助加工展現(xiàn)了巨大的潛力和應(yīng)用價(jià)值，圖21所示為激光輔助銑削實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[75]

近年來(lái)，激光輔助加工在鈦合金、鎳基高溫合金等難加工材料的加工中取得了顯著進(jìn)展。KALANTARI等[76]對(duì)Ti-6Al-4V合金的激光輔助加工和傳統(tǒng)加工進(jìn)行了對(duì)比研究，得出激光預(yù)熱可顯著改善表面完整性，包括表面粗糙度、微硬度和晶粒尺寸等的結(jié)論。激光預(yù)熱通過(guò)降低屈服強(qiáng)度和熱軟化效應(yīng)，顯著降低切削阻力，提高去除效率和刀具壽命。DARGUSCH等[77]研究指出，激光輔助加工能夠?qū)⑩伜辖鸬那邢髁p小 30% 以上（圖22），顯著提高表面質(zhì)量。張迎信等[78]總結(jié)了激光輔助切削技術(shù)的研究進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)通過(guò)激光預(yù)熱不僅能降低切削比能和刀具磨損，還能顯著改善加工表面質(zhì)量。但為了實(shí)現(xiàn)最佳加工效果，激光功率和掃描速度等關(guān)鍵參數(shù)需進(jìn)一步優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，劉鑫等[75]提出了激光輔助銑削的溫度場(chǎng)均衡控制方法，通過(guò)優(yōu)化激光掃描路徑，實(shí)現(xiàn)了溫度場(chǎng)的均勻分布，使切削力減小 10% 以上，表面粗糙度下降 30% 。

盡管激光輔助加工在難加工材料領(lǐng)域已有廣泛研究，但在 γ -TiA1合金中的應(yīng)用仍較少。CHI等[79]嘗試將激光輔助加工應(yīng)用于 γ -TiAl合金，發(fā)現(xiàn)激光預(yù)熱能夠顯著提高加工表面的硬度和光潔度，同時(shí)減少加工裂紋的產(chǎn)生。然而，該研究也指出，由于激光熱積累效應(yīng)，刀具可能發(fā)生黏結(jié)磨損，影響加工質(zhì)量。這表明優(yōu)化冷卻策略對(duì)維持加工穩(wěn)定性尤為重要。

盡管激光輔助加工技術(shù)在 γ -TiAl合金加工中已有初步進(jìn)展，但仍存在諸多局限。現(xiàn)有研究集中在激光參數(shù)優(yōu)化和溫度場(chǎng)控制上，對(duì)復(fù)雜幾何形狀零件（如薄壁件和曲面件）的研究較少，熱-機(jī)械耦合機(jī)制尚未形成完善的理論模型，工業(yè)應(yīng)用仍需深入探索。未來(lái)研究方向應(yīng)包括： ① 激光與切削參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化，構(gòu)建基于加工性能的參數(shù)控制模型； ② 探索激光輔助加工與其他技術(shù)的結(jié)合機(jī)制； ③ 開(kāi)發(fā)適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的激光輔助加工工藝?？偟膩?lái)說(shuō)，盡管該技術(shù)在 γ -TiAl合金加工中的應(yīng)用仍處于起步階段，但它在改善加工性能、提高表面質(zhì)量和延長(zhǎng)刀具壽命方面的潛力已得到初步驗(yàn)證，未來(lái)有望為高端制造提供技術(shù)支撐。

4.3 感應(yīng)輔助銑削

與激光輔助加工類(lèi)似，感應(yīng)輔助加工 （IAM）是一種通過(guò)將感應(yīng)熱源置于刀具前對(duì)工件進(jìn)行預(yù)熱的方法。感應(yīng)加熱過(guò)程利用高頻電流流過(guò)線圈產(chǎn)生渦流損耗和磁滯，進(jìn)而產(chǎn)生熱量[80]。圖23所示為感應(yīng)輔助銑削實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。這種加熱方式能夠精確控制熱源和熱容量，僅加熱工件的一小部分，且加熱快速、清潔，因此在切削過(guò)程中具有優(yōu)勢(shì)。

近年來(lái)，感應(yīng)輔助加工在鎳基合金和鈦合金中的研究取得了諸多成果。例如，AMIN等81研究表明，感應(yīng)輔助銑削Inconel718顯著減小了切削振動(dòng)和切削力，刀具壽命延長(zhǎng)了 80% .GINTA等[82]研究發(fā)現(xiàn)，感應(yīng)加熱顯著減小了 Ti-6Al-4V 的切削力、減少了刀具磨損并提高了金屬去除率。KIM等[83]研究指出，感應(yīng)加熱能夠使Inconel718和Ti-6Al-4V的切削力減小 22.6%～33.2% .表面粗糙度減小 14.8%～28.5% 。同樣的結(jié)論也可以在CHOI等[84]的研究中找到，他們發(fā)現(xiàn)通過(guò)優(yōu)化預(yù)熱路徑可使AISI1045鋼的切削力減小18.9%～31.2% ，表面粗糙度減小 19.0%～41.9% ·對(duì)于Inconel7l8合金，切削力減小 13.0%～ 34.3% ，表面粗糙度減小 16.3%～45.2% ，如圖24所示。由于單一熱源可能存在熱量不足的問(wèn)題，研究者開(kāi)始采用多熱源組合研究難加工材料在多熱源作用下的加工特性。HA等[85]研究了激光與感應(yīng)組合熱源對(duì)鎳基合金加工性能的影響，發(fā)現(xiàn)組合熱源可使切削力降低 70.2% ，并顯著延長(zhǎng)刀具壽命。這些研究表明，感應(yīng)輔助加工在高溫合金及其他難加工材料中具有廣泛適用性。此外，相比激光輔助加工，感應(yīng)輔助加工設(shè)備成本僅為其十分之一，具有更大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

盡管感應(yīng)輔助應(yīng)用在γ-TiA1合金加工中的研究較少，但已有初步成果。FAN等[62]的研究顯示，感應(yīng)加熱顯著改善了 γ -TiAl合金的加工性能，減小了切削力并提高了表面完整性，如圖25所示。該研究還指出，預(yù)熱溫度和切削參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)高效加工的關(guān)鍵。

目前，感應(yīng)輔助銑削在 γ -TiAl合金加工中仍處于初步階段，尤其在加工復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)（如曲面和薄壁件）方面，技術(shù)尚不成熟。γ-TiAl合金的低熱導(dǎo)性加劇了熱控制難度，局部過(guò)熱可導(dǎo)致表面氧化和刀具磨損，限制了工藝優(yōu)化。未來(lái)研究應(yīng)聚焦于優(yōu)化感應(yīng)加熱路徑和參數(shù)，結(jié)合數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提高工藝穩(wěn)定性和表面質(zhì)量。此外，探索感應(yīng)輔助技術(shù)與智能加工、冷卻策略的結(jié)合，有望進(jìn)一步降低熱積累影響，提高加工效率。建立適用的熱-力耦合模型，將為工業(yè)化應(yīng)用提供理論支持。盡管目前在該領(lǐng)域的研究尚顯不足，但感應(yīng)輔助銑削技術(shù)在 γ -TiAl合金加工中的應(yīng)用潛力，尤其在高端制造領(lǐng)域的前景，值得進(jìn)一步探討與關(guān)注。

4.4存在的問(wèn)題與發(fā)展挑戰(zhàn)

盡管超聲、激光與感應(yīng)等能場(chǎng)輔助加工方式在 γ -TiA1合金加工中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，如減小切削力、改善表面完整性與延長(zhǎng)刀具壽命，但當(dāng)前技術(shù)仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

首先，熱-力耦合機(jī)制尚不明確。 γ -TiAl合金的熱導(dǎo)率低、脆性強(qiáng)，使得激光和感應(yīng)加工中熱量難以有效擴(kuò)散，易導(dǎo)致熱積聚，引發(fā)表面燒蝕、熱裂紋甚至組織結(jié)構(gòu)異常轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)有研究對(duì)不同能場(chǎng)作用下的組織演化與損傷機(jī)制尚缺乏系統(tǒng)模型。其次，刀具磨損問(wèn)題依然突出。雖然超聲輔助加工能夠縮短刀具-工件接觸時(shí)間并緩解溫升，但當(dāng)切削路徑復(fù)雜或頻率不穩(wěn)定時(shí)，振動(dòng)系統(tǒng)可能發(fā)生共振或磨損加劇，影響加工質(zhì)量與刀具壽命。再次，復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工能力有限。目前大多實(shí)驗(yàn)聚焦于平面或簡(jiǎn)單幾何構(gòu)件，對(duì)薄壁件、曲面件等復(fù)雜零件的適應(yīng)性和穩(wěn)定性研究不足，尤其是對(duì)壁厚變化和局部熱積效應(yīng)的響應(yīng)尚不明確。此外，參數(shù)窗口狹窄、系統(tǒng)集成度高，如激光功率、掃描速度、感應(yīng)頻率、超聲振幅等參數(shù)高度耦合，稍有不當(dāng)即可能造成質(zhì)量波動(dòng)。與此同時(shí)，設(shè)備成本較高、系統(tǒng)構(gòu)建復(fù)雜，仍是限制其工業(yè)化推廣的現(xiàn)實(shí)因素。最后，當(dāng)前研究普遍忽略多物理場(chǎng)之間的協(xié)同效應(yīng)，如激光 + 超聲、感應(yīng) + 冷卻的復(fù)合場(chǎng)耦合策略仍屬探索階段，缺乏成熟工藝集成方案。

綜上所述， γ -TiA1合金能場(chǎng)輔助加工仍面臨多重挑戰(zhàn)，材料本身特性與加工過(guò)程中材料響應(yīng)之間不匹配。一方面， γ -TiAl合金具有熱導(dǎo)率低、高溫強(qiáng)度大、室溫塑性差等特點(diǎn)，導(dǎo)致它在熱能場(chǎng)（如激光、感應(yīng)）作用下易產(chǎn)生熱應(yīng)力集中與微裂紋擴(kuò)展，在聲能場(chǎng)（如超聲）作用下則因塑性受限、變形能力不足而難以實(shí)現(xiàn)理想的間歇切削或自激振動(dòng)軟化效應(yīng)。另一方面，γ-TiAl合金的片層組織在高溫、應(yīng)力共同作用下可能發(fā)生復(fù)雜的組織轉(zhuǎn)變與局部損傷演化，但目前對(duì)這些機(jī)制仍缺乏足夠的原位表征與建模能力。加之該類(lèi)γ-TiA1合金對(duì)工藝參數(shù)敏感性高，加工穩(wěn)定性依賴于能場(chǎng)系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制，進(jìn)一步限制了工藝推廣。因此，未來(lái)研究應(yīng)聚焦于能場(chǎng)輔助加工中物理場(chǎng)作用對(duì) γ -TiA1合金的軟化、變形機(jī)制及加工表面完整性的影響。這些研究將為實(shí)現(xiàn)高效、精密的 γ -TiA1合金加工提供理論支持，特別是在航空航天等高端制造領(lǐng)域的復(fù)雜構(gòu)件加工中發(fā)揮重要作用。

5未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

盡管 γ -TiA1合金在航空航天等高端領(lǐng)域中具有廣泛應(yīng)用前景，但它在切削加工中的難度依然較大，尤其是材料的低塑性、高脆性以及加工過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力等問(wèn)題。為了有效解決這些挑戰(zhàn)，未來(lái)的研究方向應(yīng)當(dāng)更加側(cè)重于以下幾個(gè)方面。

1）深化加工機(jī)理研究。γ-TiA1合金的低熱導(dǎo)性和強(qiáng)高溫性能使其在切削過(guò)程中容易出現(xiàn)局部過(guò)熱和熱裂紋，這主要與材料的脆性和熱應(yīng)力積累有關(guān)。未來(lái)的研究應(yīng)更加深入地分析材料的微觀變形機(jī)制，包括位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、李晶形成、堆垛層錯(cuò)和應(yīng)力誘導(dǎo)的相變等現(xiàn)象。通過(guò)高溫切削和動(dòng)態(tài)力學(xué)模擬，進(jìn)一步揭示材料在復(fù)雜切削過(guò)程中所經(jīng)歷的微觀損傷演化和宏觀力學(xué)行為。這些研究將有助于更好地控制切削力、溫度和應(yīng)力分布，從而減少材料表面的微裂紋和加工缺陷，提高加工效率。

2）多物理場(chǎng)協(xié)同作用下的能場(chǎng)輔助加工。能場(chǎng)輔助加工技術(shù)，如激光、超聲、感應(yīng)等技術(shù)，已證明能有效改善 γ -TiAl合金的切削性能。然而，熱-力-聲-電等多物理場(chǎng)的耦合作用在 γ -TiAl合金加工中的具體機(jī)制尚不完全清晰。未來(lái)的研究應(yīng)著重揭示不同能場(chǎng)（如激光輔助的熱能作用與超聲輔助的振動(dòng)效應(yīng)）對(duì)材料軟化、缺陷修復(fù)、變形行為的協(xié)同作用，探索它們?nèi)绾卧趯?shí)際加工中共同作用于微觀結(jié)構(gòu)的重構(gòu)、應(yīng)力的釋放以及裂紋的修復(fù)。

3）加工表面完整性的控制。γ-TiAl合金的表面質(zhì)量和殘余應(yīng)力直接影響它在高溫環(huán)境下的疲勞強(qiáng)度和耐腐蝕性。大切削力和高溫會(huì)導(dǎo)致表面損傷、塑性變形和殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，特別是在傳統(tǒng)加工方法中。未來(lái)的研究應(yīng)重點(diǎn)解決表面完整性控制的問(wèn)題，探索如何通過(guò)能場(chǎng)輔助加工優(yōu)化切削溫度分布，減少應(yīng)力集中和表面裂紋。結(jié)合激光輔助的表面激活和超聲的振動(dòng)軟化，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)表面粗糙度和殘余應(yīng)力的精確控制。

4）復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工技術(shù)的突破。當(dāng)前，能場(chǎng)輔助加工的研究多集中在簡(jiǎn)單幾何形狀和單一平面材料的切削上，然而，復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的加工（如薄壁結(jié)構(gòu)、曲面零件等）仍面臨極大的挑戰(zhàn)。對(duì)于這些復(fù)雜形狀的零件，局部熱積累、材料的非均勻變形以及系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性是需要解決的主要問(wèn)題。未來(lái)研究應(yīng)重點(diǎn)優(yōu)化多能場(chǎng)技術(shù)在復(fù)雜幾何件加工中的適應(yīng)性，尤其是在實(shí)際工程中對(duì)精密和高效加工的需求下，智能化與自動(dòng)化的加工路徑規(guī)劃將成為提高加工穩(wěn)定性和減少誤差的重要方向。

5）智能化加工與綠色加工技術(shù)的結(jié)合。隨著智能制造的發(fā)展，結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與自適應(yīng)控制的能場(chǎng)輔助加工系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì) γ -TiAl合金加工過(guò)程的動(dòng)態(tài)調(diào)整和優(yōu)化。通過(guò)集成傳感器和實(shí)時(shí)反饋機(jī)制，未來(lái)加工系統(tǒng)能夠根據(jù)材料的響應(yīng)自動(dòng)調(diào)整加工參數(shù)，以確保加工質(zhì)量的穩(wěn)定性與一致性。同時(shí)，隨著環(huán)境保護(hù)要求的提高，綠色加工技術(shù)（如減少切削液的使用、降低能耗等）也將成為能場(chǎng)輔助加工技術(shù)的重要發(fā)展方向。

6）激光熔覆與增材制造技術(shù)的應(yīng)用突破。隨著激光熔覆、增材制造等先進(jìn)加工技術(shù)的不斷發(fā)展，這些技術(shù)在γ-TiAl合金的加工和修復(fù)中展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)。激光熔覆能夠精確控制熱輸入，減少熱應(yīng)力和變形，且能夠在復(fù)雜幾何形狀上進(jìn)行局部修復(fù)；增材制造則提供了更加靈活的材料沉積方式，有助于生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，特別是在航空航天等高溫部件的制造中顯示出巨大潛力。未來(lái)，這些技術(shù)將進(jìn)一步融合切削加工技術(shù)，推動(dòng)“增減材一體化\"的發(fā)展，為 γ -TiAl合金提供更加高效、精準(zhǔn)的加工解決方案。

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（編輯 王艷麗）

作者簡(jiǎn)介：范滔，男，1996年生，博士研究生。研究方向?yàn)槎嗄軋?chǎng)輔助加工 γ -TiAl合金。E-mail：ft@mail.nwpu.edu.cn。姚倡鋒*（通信作者），男，1975年生，教授、博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件表面完整性控制及抗疲勞制造。E-mail：chfyao@nwpu.edu.cn。

本文引用格式：

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