钛基复合材料加工技术研究进展

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编者按

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从传统机械加工 、 复合能场加工 、 锻造加工以及增材制造等方面综述了钛基复合材料 （ TiMMCs ） 的 加工技术研究现状与进展 ， 重点阐述了不同加工技术下 TiMMCs 的加工机理 ， 并总结了不同加工工艺加工 TiMMCs 的特点 。 针对当前研究存在的主要问题 ， 对未来 TiMMCs 加工技术的发展趋势进行了展望 。

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研究员级高级工程师　汪广平

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序言

由于高比强度、优异的耐化学腐蚀和良好的生 物相容性等优异性能，钛及其合金在航空航天、石 化、海洋和医学等领域中广泛应 用 ^[1-4] 。然而，钛 合金的杨氏模量、耐磨性和耐热性低于钢和镍基合金，限制了其在汽车和航空航天领域中的进一步应 用 ^[5-8] 。钛基复合材料（ TiMMCs ）的出现为克服上述问题提供了新的替代方案。 TiMMCs 是由钛及其 合金作为基体，以陶瓷（颗粒、晶须、短纤维及连 续长纤维）为增强相所组成的复合材料（见图 1 ）。

a ）连续长纤维增强钛基复材

b ）颗粒增强钛基复材 c ）晶须 / 短纤维增强钛基复材

图 1 　不同类型增强相 TiMMCs 示意

TiMMCs 在保持基体优异性能的同时，还可以 通过纤维与基体性能的互补和关联获得单一增强相 或基体所不能达到的综合性能。如 HUO 等 ^[9] 制备的（ TiC+Ti5Si3 ） /Ti 复合材料屈服强度高达 829MPa ，比纯钛的屈服强度高 178% ，同时保持了 8.1% 的高延伸率，与具有较高强度和中等塑性的层压 TiC/Ti 复合材料相比， TiMMCs 的强度和延展性同时得到了提高，从而具有优异的强度 - 延展性协同性能。 TiMMCs 的高比模量是促进其在飞机机身中广泛应 用的主要因素，而高比强度特点是推动其在发动机 行业应用的动力 ^[10] 。例如美国率先采用颗粒增强钛 基复合材料来制造航空发动机的零部件，其研制的颗粒增强钛基复合材料转子叶环片已获得成功应用，不仅提升了转子叶环的使用性能，而且降低了 航空发动机的制造成本，降幅达 6 万美元 ^[11] 。美国 波音飞机公司开发出了颗粒增强钛基复合材料飞机起落架连杆，不仅服役温度有大幅提升，还较改进 前减轻了近 40% 的质量，在波音 787 飞机上得到成功应用 用 ^[12] 。美国大西洋研究中心成功研制出颗粒增 强钛基复合材料直升机起落架，并得到成功应用， 和传统材料相比，质量大幅减轻 ^[13] 。法国宇航研究中心联合英国 Rolls-Royce 公司采用颗粒增强钛基复合材料制备航空发动机叶片，并取得了成功 ^[14，15] 。 在汽车领域，对结构的轻量化要求不断提高，进而 极大推动了 TiMMCs 的应用，日本丰田株式会社首先将 BTi/Ti 复合材料用于汽车排气阀、汽车发动机排气门等部位，发动机气门总质量减轻近 40% ，并具有高寿命与低成本等优点 ^[16] 。同时，欧美等国家 也开始使用颗粒增强钛基复合材料来代替传统钢材料制造汽车主要零部件，以减轻汽车质量，并进一 步提高汽车使用性能 ^[17] 。 TiMMCs 的应用范围如图 2 所示。

图 2 TiMMCs 的应用范围

由于材料组成的复杂性， TiMMCs 加工难度 远高于常规工程材料，属于新型难加工材料。同时，虽然含有均匀分布的增强体或不连续增强的 TiMMCs 通常表现出较高的强度，但不可避免地损害了相对于纯基体的延展性和韧性 ^[18] 。例如，即使采用原位 TiC 和 Ti ₅ Si ₃ ，拉伸数据表明，当复合材料的屈服强度增量达到 410MPa 时，断裂伸长率从 17.2% 急剧下降到 1.53% ，这对加工技术提出了更高的要求 ^[19] 。因此，如何实现 TiMMCs 的高效低损伤 加工已成为当前复合材料加工领域研究的热点。

TiMMCs 的常见加工方法包括机械加工、锻造 加工、铸造成形及增材制造等 ^[20] 。机械加工依靠机 械力量对材料进行形状改变，可以高效地进行大量生产和批量加工，是最常用的冷加工方法之一，能够实现高精度的尺寸和表面质量要求，适用于复合材料在内的各类材料加工。常见的机械加工包括切削、钻孔、铣削和磨削等。锻造加工、铸造成形以及增材制造属于典型的热加工工艺，它们能够改善 复合材料的力学性能和结构 ^[21] 。此外，在选用合适的加工工艺加工 TiMMCs 时，还需要综合考虑复合 材料中各组分的不同特性，以及复合材料与加工工具之间的磨损和热膨胀等问题，以获得性能优异的 TiMMCs 零件。

本文对 TiMMCs 当前的加工技术进行了回 顾，并对未来 TiMMCs 的加工进行了展望，以期为 TiMMCs 的高性能应用提供理论支撑。

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机械加工

由于 TiMMCs 的制备技术所限，机械加工仍是 TiMMCs 制造中不可缺少的工序。增强相较之基体 材料硬度大、强度高、加工难度更大，并且在加工过程中还会存在增强相破碎、拔出及脱粘等问题，众多学者从加工过程仿真、制备特殊工具、加工参 数优化等方面对 TiMMCs 切削加工进行了较为全面 的研究。

2.1 切削加工

针对 TiMMCs 切削加工过程中刀具磨损机 理、切削力以及切削温度变化等切削性能缺乏 系统研究的问题，边卫亮 ^[22] 开展了不同刀具车削（ TiCp+TiB w ） /TC4 性能方面的研究，将单晶金刚 石和硬质合金应用到材料加工当中。相同切削条 件下， PCD 刀具的寿命更长，单晶金刚石刀具切削 TiMMCs 时，刀具的磨损主要来自高硬度增强相对刀具的反复刮擦，而单独切削 TC4 合金时，钛合金 粘结到刀具上以及加工材料元素向刀具扩散造成 的磨损更为显著。使用硬质合金刀具加工 TiMMCs 时，工件材料的扩散以及粘结同样明显。

为进一步探明切削参数和润滑方式对加工特性 的影响， NIKNAM 等 ^[23] 开展了颗粒增强钛基复合材料（ PTMCs ）干式与半干式车削试验，并分析了不 同切削参数下的切削力、表面粗糙度及颗粒去除行为。结果表明，半干式条件下切削力更大，会产生一层润滑剂薄膜，阻碍了切削的顺利进行。

DUONG 等 ^[24] 研究了 TiMMCs 车削过程中的初 始刀具磨损行为，研究发现磨损是 TiMMCs 切削加 工中最重要的机制，所有条件下均发现了扩散和粘附。并在加工过程中发现了坚硬薄层新的磨损形 式，该情况下会导致扩散磨损与机械瘤。与 PTMCs 不同，连续纤维增强钛基复合材料由于纤维的连续性，使得材料具有独特的各向异性，为了阐明连续 纤维增强钛基复合材料的切削机制， ZAN ^[25] 等进行了不同温度下的 SiCf/Ti-6Al-4V 正交切削试验，得到 了低温、室温与高温下切屑形成行为与复合材料的变形机制，并发现与钛合金切割过程中绝热剪切带 的形成相比， SiCf/Ti-6Al-4V 锯齿的宽度更大，图 3 为不同温度下的 SiCf/Ti-6Al-4V 交替层切削示意图。

a ）低温（ CT ）

b ）室温（ RT ）

图 3 　不同温度下纤维增强钛基复材交替层的切削示意

2.2 磨削加工

磨削加工依赖砂轮表面众多磨粒同时切削工件 达到去除材料的作用，适用于材料的精密及超精密 加工。 DING 等 ^[26，27] 为了了解 TiCp/Ti-6Al-4V 在常规 磨削和高速磨削过程中的材料去除行为，建立了磨削过程三维有限元模型，并基于有限元模型，讨论了材料的去除行为以及磨削速度对加工表面特征形 成的影响（见图 4 ）。结果表明， TiCp/Ti-6Al-4V 磨 削过程中的材料去除行为可分为金属基体材料的韧 性去除和 TiC 增强颗粒的脆性去除。同样的， LIU 等 ^[28] 总结出 PTMCs 高速磨削加工中材料去除可分为合金 基体塑性去除、增强颗粒中裂纹萌生、增强颗粒内 裂纹扩展以及增强颗粒脆性破坏 4 个阶段，并得出与 磨削速度相比，未变形的切屑厚度对加工表面缺陷 的形成有更大的影响。 LI 等 ^[29，30] 在此基础上，研究了单层电镀 CBN 砂轮和钎焊 CBN 砂轮针对 PTMCs 的磨削性能（见图 5 ），结果表明，单层钎焊 CBN 砂轮比电镀砂轮更适合于 PTMCs 的高速磨削。刘超杰等 ^[31] 通过仿真的方法分析了 PTMCs 侧面磨削的磨削 力模型。去除基体时磨削力的波动有规律性，去除 TiC 增强颗粒时材料表面会出现裂纹并扩展，表面也 存在块状切屑去除，增强颗粒去除区域的磨削力波动幅度大。此外，法向和切向的磨削力均随着单磨粒切屑厚度的增大而增大。

a ）普通磨削 PTMCs 仿真

b ）普通磨削 PTMCs 试验结果

c ）高速磨削 PTMCs 仿真

d ）高速磨削 PTMCs 试验结果

图 4 　不同速度下的 PTMCs 去除行为仿真与试验结果

（ v _s =3m/min ， a _p =0.010mm ）

a ）电镀 CBN 砂轮磨削

b ）钎焊 CBN 砂轮磨削

图 5 　电镀 CBN 砂轮与钎焊 CBN 砂轮磨削 PTMCs 对比

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复合能场加工

超声振动辅助磨削是在传统磨削技术上引入 了超声振动来降低切削温度、改善磨削质量的一种复合加工技术。在超声振动辅助加工中，刀具与工件之间的接触状态由于高频振动而发生改变，刀具与工件断续接触，并伴随空化效应及高频撞击等作用，从而使得工件与刀具之间的摩擦力降低，进而减少了切削热、降低了切削力，并可提高刀具的使用寿命，提高加工质量。超声振动辅助加工技术目 前已在镍基合金、 TiMMCs 、陶瓷基复合材料等难 加工材料中得到广泛应用。

WU 等 ^[32] 开展了轴向超声振动辅助磨削 PTMCs 试验，发现在超声的作用下，磨粒切削轨迹增加，磨粒在工件表面进行反复熨压从而降低表面粗糙度 值。 YUE 等 ^[33] 进行了 PTMCs 单颗磨粒超声振动辅 助磨削试验，对比了普通磨削和超声磨削在不同磨削速度、不同进给速度下对材料去除率的影响，并建立了超声作用下的单颗磨粒切厚模型，结果表明，超声振动更易使磨粒发生微小破碎，能够不断 更新切削刃状态，时刻保持磨粒的锋利度。 ZHAO 等 ^[34] 采用自制的径向振动平台（见图 6 ）进行了超声振动辅助磨削 PTMCs 试验，并与普通磨削试验进行 了对比。与普通磨削相比，超声振动辅助磨削磨削温 度可降低 24.2% ～ 51.8% ，同时，材料去除率可提高 2.8 倍。

图 6 　径向振动超声平台及测振装置

BEIJANI 等 ^[35] 在传统车削的基础上，首次采用 激光辅助加工（ LAM ）对 TiMMCs 进行加工（见图 7 ）。结果表明，相比传统加工，尽管工件表面粗糙度值增加 15% ，但 LAM 刀具总切削体积增加了 180% ，刀具寿命得到有效提升，归因于颗粒在基体 中发生了转移而非断裂。

a ）示意图

b ）实际装置

图 7 　激光辅助加工试验装置

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增材制造加工

激光增材制造技术可以直接制造复杂结构 件，在 TiMMCs 的制造中展现出极大的应用前景。 BANERJEE 等 ^[36] 采用激光立体成形加工技术（ LENSTM ）成功加工出 TiB/TC4 复合材料，并利 用扫描电镜和透射电子显微镜对沉积态复合材料的微观结构进行了详细表征，结果表明，该方法制备 的 TiB/TC4 复合材料微观结构得到显著细化，且在热力学上是稳定的。同样的， GU 等 ^[37] 采用选择性激光熔化加工（ SLM ）对制备的 TiC/Ti 复合材料粉末进行加工，得到了 TiC 颗粒增强 TiAl ₃ （主相）和 Ti ₃ AlC ₂ （次相）基体复合材料。尽管相对于研磨后的粉末出现了轻微的晶粒生长，但 SLM 处理的复合材料仍然表现出精细的微观结构。 POUZET 等 ^[38] 采用直接金属沉积（ DMD ）激光加工技术从预合金（ Ti-6Al-4V+B4C ）粉末混合物组成的粉末原料中制备了含有不同体积分数（ TiB+TiC ）的 PTMCs 。力学研究表明，在 20 ～ 600 ℃，含有 B4C 的颗粒增强 TiMMCs 的维氏硬度增加了 10% ～ 15% ，杨氏模量恒定增加了 10% 。 DMD 激光加工技术制备 TiMMCs 如图 8 所示。

图 8 DMD 激光加工技术制备 TiMMCs 示意

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锻造加工

锻造可以消除材料在冶炼过程中的疏松缺陷， 有效细化微观组织结构，获得组织与性能相匹配的优质锻件。

国外相关学者研究了热锻加工对 Ti-TiB 基复合 材料组织及拉伸性能的影响。研究表明，锻造后的 Ti-13.3B 和 Ti-7B 复合材料室温延伸率分别达 6.1% 和 5.2% ，材料性能得到有效提升。国内学者胡加瑞等 ^[39] 对原位生成的烧结态 TiC 的 PTMCs 进行了锻造加工，锻造后的 PTMCs 组织缺陷得到消除，并发生动态再结晶，室温力学性能提升。 TiC 颗粒增强 TiMMCs 拉伸断口 SEM 形貌如图 9 所示。同时，由于基体组织得到改善，锻造后的 PTMCs 耐磨性得到提升。同样的，马凤仓等 ^[40] 对比分析了 5% （ TiB ＋ TiC ） /Ti-1100 复合材料的力学性能，在 500 ～ 650 ℃，铸态的复合材料为脆性断裂，锻造后的复合 材料为韧性断裂，且锻造后的复合材料的强度与延伸率都有显著增加。

a ）烧结（基体贯穿裂纹） b ）烧结（沿晶裂纹与颗粒体裂纹

c ）β - 锻造 d ）（α + β） - 锻造

图 9 TiC 颗粒增强 TiMMCs 拉伸断口 SEM 形貌

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结束语

由于增强相的存在， TiMMCs 展现出与传统 钛合金不同的力学性能与加工机理。展望未来， TiMMCs 的加工将在以下几个方面有所发展。

（ 1 ）加工技术改进　 TiMMCs 的加工技术将 不断改进，以提高生产效率和产品质量。新的切削工具和加工方法将被开发，以减少切削力和工具磨 损，并实现 TiMMCs 异质组元的协同去除。

（ 2 ）多加工技术结合　 TiMMCs 室温塑性差， 采用高温超塑性变形、热锻造和热挤压变形等多种 热加工方法综合加工 TiMMCs ，能够极大限度地挖掘 TiMMCs 在各个领域的应用潜力。

（ 3 ）新材料开发　随着科学技术的进步，新型 TiMMCs 将被开发出来，具有更高的性能和更广泛的应用领域。例如，纳米 TiMMCs 、多功能 TiMMCs 和高温耐久 TiMMCs 等，将进一步推动 TiMMCs 的发展。

（ 4 ）可持续性和环保　在加工 TiMMCs 时，可 持续性和环保将成为关键考虑因素。开发更加环保的加工方法、回收利用废弃复合材料和减少能源消耗将是未来的发展方向。

（ 5 ）多领域应用　 TiMMCs 将在更多领域得 到应用。除了现有的航空航天和汽车行业，医疗领 域、能源领域和建筑领域等也将持续探索 TiMMCs 的应用潜力。

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本文发表于《金属加工（冷加工）》2023年第7期1~8页，作者：昌河飞机工业（集团）有限责任公司  汪广平、徐志鹏，南京航空航天大学机电学院 陈涛、丁文锋、赵彪、赵正彩  ，原标题：《钛基复合材料加工技术研究进展》。

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