γ-TiAl合金切削加工研究进展
潘多,王相宇,乔阳,牛金涛,王守仁,郭培全.γ-TiAl合金切削加工研究进展[J].工具技术,2021,55(8):3-10.
Pan Duo,Wang Xiangyu,Qiao Yang,Niu Jintao,Wang Shouren,Guo Peiquan.Review on Cutting of γ-TiAl Alloy[J].Tool Engineering,2021,55(8):3-10.
γ-TiAl合金具有密度低、比强度高、抗蠕变和抗氧化性能良好等性能，可在复杂工况条件下长时间服役，特别是在高温氧化等恶劣环境中表现出良好的性能优势，是未来在航空航天及汽车领域可替代钛合金和镍基高温合金的潜在材料。目前，γ-TiAl合金已经应用于低压涡轮叶片、压缩机叶片、涡流喷嘴和涡轮增压器等发动机零部件的生产制造中。但是，此类材料存在强度高、塑性低和导热性能差等问题，因此其可加工性成为该领域研究的重点和难点。
随着工业技术的进步，对γ-TiAl合金的应用条件和材料性能提出了更高要求。在此背景下，其材料成分和力学性能经历了前后4代改进。第1代合金是基于Ti和Al元素的二元合金，相组织呈γ单相或α2、γ双相，材料的抗拉伸和抗蠕变性能较差；第2代合金是在第1代合金成分的基础上添加一定量Mn、Cr和Nb等元素，提高了材料塑性和抗蠕变性能，典型代表有：Ti-48Al-2Mn-2Nb和Ti-48Al-2Cr-2Nb等；在第3代合金的化学成分中，增加了Nb元素的含量，并添加了少量B元素，室温下材料的塑性和抗氧化能力大幅提升，其成分主要为Ti-(45~46)Al-(4~8)Nb。近年来，通过添加Ta、C和Si等元素来寻求合金的最佳性能，具有更大性能优势的第4代合金应运而生，具体表现在提高了材料的组织均匀性、高温强度和抗疲劳性，典型代表为Ti-46Al-8Ta合金。现阶段，γ-TiAl合金已经成为未来替代钛合金和镍基合金最具潜力的材料。表1为Ti-6Al-4V、γ-TiAl合金和Inconel 718镍基合金的主要性能对比。
继第1代合金之后，在合金成分中加入不同元素，提高了材料的机械性能和热性能。但是，γ-TiAl合金的物理和化学性能却限制了其切削加工性能，使γ-TiAl合金成为典型的难加工材料。主要表现在：γ-TiAl合金在室温下的延展性较低，切削加工中容易产生表面裂纹和残余应力，导致工件表面质量和抗疲劳性能下降；γ-TiAl合金在高温下可以保持较高的硬度和机械强度，并且材料的加工硬化趋势严重，加大了后续切削加工的难度，导致切削力增大，刀具寿命大幅度降低；材料的导热系数低，切削过程中产生的切削热不能及时散出，在切削区域容易引起局部高温，从而诱发表面裂纹等缺陷。此外，在高温环境下，合金中Ti和Al等元素极易与刀具材料发生化学反应，导致工件材料附着在刀尖位置，形成不稳定的切削刃，再加上合金组织中含有碳化物和硼化物等硬质相，同样会加剧刀具磨损，导致加工表面恶化。
表1 Ti-6Al-4V、γ-TiAl合金和Inconel 718的主要性能
近年来，为实现γ-TiAl合金零部件的高质量高效率加工，国内外学者致力于开发结合机械能、电能、光能和超声能等材料去除方法的加工工艺。以航空发动机中的叶片榫头为例，目前主要采用的加工方法为特种加工和机械加工。其中，特种加工包括电火花线切割加工、增材制造等，机械加工方法包括车削、铣削和磨削加工等。虽然用于制造航空发动机重要零部件的特种加工技术取得了重大进步，但是对一些具有严格尺寸、精度和表面完整性要求的零部件而言，传统的机械加工技术，尤其是以车削和铣削加工为主的切削加工，在以难加工材料为主的航空发动机零部件制造中仍占有重要地位。因此，如何克服γ-TiAl合金在切削加工中加工性能较差的问题，充分发挥材料的性能优势有必要作为重点进行研究。
目前，针对γ-TiAl合金的研究主要集中在通过改进材料的制备方法和成分设计来提高基体的力学性能。与钛合金相比，现有文献对γ-TiAl合金的切削加工性能研究较少，并未对此进行系统的梳理和总结。本文阐述了近年来面向γ-TiAl合金切削加工技术的研究进展，着重概括了国内外学者在刀具磨损、表面完整性和切削温度等方面的主要研究成果，总结了γ-TiAl合金切削加工技术难点，并对γ-TiAl合金切削加工技术未来的发展趋势进行了展望。
2 γ-TiAl合金的切削加工性
材料的切削加工性是指在一定的切削条件下，对工件材料进行切削加工的难易程度。影响材料切削加工性的因素包括材料本身的物理力学性能、组成成分和相组织以及加工条件等，通常用刀具寿命、表面质量、切削力和切削温度等指标来衡量。
2.1 γ-TiAl合金加工刀具磨损研究
刀具磨损随着加工过程的进行而扩展，严重的刀具磨损直接影响刀具寿命、工件质量和加工效率等，关系到生产的经济效益。因此，对刀具磨损的研究已经成为切削加工性能研究中的重要方面。一般来说，刀具磨损程度取决于刀具的切削性能和切削参数的选择。
刀具切削性能的优劣主要是由刀具材料和刀具几何参数两个方面决定的。其中，刀具材料对刀具寿命、加工质量和材料去除率的影响最大。目前，陶瓷、聚晶金刚石（PCD）、立方氮化硼（CBN）和硬质合金等在刀具材料中应用最多。由于陶瓷刀具断裂韧性小、导热系数低，与Ti元素之间存在较强的化学亲和力，故陶瓷刀具很少应用在γ-TiAl合金的切削加工中。PCD和CBN刀具硬度高、耐磨性好，在难加工材料的切削加工中均表现出较长刀具寿命，但是，这两种刀具生产成本较高，尤其是PCD刀具在高温环境下的化学稳定性差，实际应用受到很大限制。硬质合金刀具具备红硬性好、抗弯强度高以及抗腐蚀、抗氧化性能好等优良特性，尤其是不易与Ti元素发生化学反应。考虑到刀具的适用性和经济性，硬质合金刀具在钛合金的切削加工中得到了广泛应用。
为研究硬质合金刀具加工γ-TiAl合金时的切削性能，国内外学者基于刀具磨损理论开展了一些研究。袁勤等使用YG8硬质合金刀具车削γ-TiAl合金时，研究了刀具磨损规律及失效机理。结果表明，切削速度、切削深度和进给量均会对刀具寿命产生影响，提高切削深度、进给量与提高切削速度时的刀具磨损机理基本一致。切削速度vc=50m/min时，在刀具前刀面发现一层粘结物，经分析粘结物主要为工件材料（见图1）。随着切削过程的进行，粘结物被流动的切屑和转动的工件带走，造成粘结磨损。当切削参数较低时，刀具磨损形式主要为粘结磨损，同时伴有轻度的氧化、扩散磨损；随着切削参数增加，刀具粘结磨损程度逐渐降低，但是氧化、扩散磨损愈演愈烈；切削参数过大时，刀具出现破损失效（见图2）。
图1 刀具前刀面磨损形貌及能谱分析
图2 刀具失效时表面形貌
Beranoagirre A.等在γ-TiAl合金的车削试验中研究了不同切削参数对刀具磨损的影响，研究表明，切削速度是影响刀具寿命的主要因素。如图3所示，切削速度增加，刀具的使用寿命会大大降低，进给量和切削深度对刀具寿命的影响较小，这是因为切削速度提高，材料的应变速率会增加，变形抗力也会增加，此时应变速率强化效应略大于温度软化效应，切削力增大，在高压力下刀具易出现裂纹，造成微磨损。在后续的切削加工中，刀具微磨损改变了刀具结构，导致更大切削力，从而加剧了刀具磨损。Cheng Y.等通过多次车削试验确定了使用硬质合金刀具车削γ-TiAl合金的最佳切削参数范围，即在50m/min的切削速度下，当进给量不超过0.1mm/r，切削深度不超过0.3mm时，刀具寿命相对较长，表面质量得到了有效改善。文献［23，24］指出，在相同切削参数下，采用物理气相沉积（PVD）技术处理的TiN涂层刀具进行切削试验，其刀具性能远远优于无涂层硬质合金刀具。为了使刀具的磨损保持在合理的水平，Beranoagirre A.等认为即便是使用经过PVD技术处理的涂层刀具加工γ-TiAl合金，切削速度仍应低于70m/min。
刀具几何参数的选择同样对刀具磨损有着显著影响，其主要原因在于刀具几何参数影响了切削力的大小。其中，前角决定了刀具与切屑的接触面积，对切削力的影响最大，且切削力随着前角增大而减小。但是，增大前角超过其最佳数值会对刀具性能产生负面影响，并加速刀具磨损，特别是负前角会导致更大的接触面积和切屑体积，从而增加切削力和热量。Priarone P.C.等在γ-TiAl合金的铣削试验中指出，刀具前角由12°降低到4°，可以有效提高刀具寿命。此外，通过增加刃口半径和改善刃口表面质量，也可以减少刀具磨损。另外，通过对硬质合金中WC颗粒的细化，同样可以大幅度提升刀具的切削性能。Vargas Pérez R.G.对比粗、细晶粒刀片在加工过程中的磨损率时指出，细晶粒刀片的磨损率明显低于粗晶粒刀片，在较低切削速度下加工γ-TiAl合金，采用细晶粒刀片可以减小切削力，提高刀具耐磨性能。
图3 不同切削速度下的刀具磨损
2.2 γ-TiAl合金加工表面完整性研究
大量研究表明，无论采取何种加工工艺，传统的钛合金都比绝大多数金属材料（如铝合金、镁合金等）难加工。另外，钛合金的加工表面很容易遭到损坏，通常会产生微裂纹、塑性变形和表面撕裂等缺陷（见图4）。γ-TiAl合金作为传统钛合金的改进产物，其机械性能得到大幅度提升，但是在加工过程中工件仍会存在类似的表面损伤和微观结构变化。一方面是由于室温状态下材料的延展性较低，加剧了表面裂纹和残余应力的产生，从而导致工件的表面质量和抗疲劳性能降低；另一方面，γ-TiAl合金与带有涂层的刀具材料具有较强的化学亲和力，导致工件材料粘附在刀尖位置，形成积屑瘤，其形成机理如图5所示。随着加工过程的进行，材料堆积不断增加，使得加工表面的质量不断恶化。
图4 加工表面缺陷
图5 积屑瘤形成机理
现有对表面完整性评估的研究主要集中在已加工表面的粗糙度、表面硬度层和残余应力等方面，其目的通常为探讨切削参数和加工工艺对工件表面质量的影响。Wang Z.H.等在γ-TiAl合金铣削试验中指出，当加工硬化效应大于温度升高引起的软化效应时，切削力增大。随着切削速度增大，切削温度升高，此时材料的软化效应大于应变强化效应，剪切区材料软化，切削力下降。经测量，已加工表面粗糙度的变化规律与切削力的变化是一致的，随着切削速度的增加呈先增大后减小趋势，随着切削深度和进给量的增加呈增大趋势（见图6）。
刘耀文等在γ-TiAl合金的铣削加工中获得了相同结论，并指出切削深度和进给量对工件表面完整性的影响最大，其次为切削速度。进给量和切削深度提高，切削面积增大，切削力和切削层塑性变形区域随之增大，导致工件表面残余应力以及加工硬化程度和深度增加。Ge Y.H.等在考虑不同切削速度对γ-TiAl合金铣削加工性能的影响时发现，即便是刀具后刀面磨损量达到0.2mm，使用较高切削速度加工的工件，其表面粗糙度仍小于0.44μm，证实了切削速度对工件表面完整性的影响较低。Bentley S.A.等对比了不同加工工艺对表面完整性的影响。结果表明，经过磨削处理的工件表面，其精度和表面光洁度远高于车削和铣削。但是，与铣削加工相比，磨削加工产生了更大的残余拉应力，导致加工表面的疲劳强度大幅度降低。另外，如何提高材料去除率始终是磨削加工中的技术难点。相比之下，高速车削或者铣削在提高加工效率等方面具有一定优势。
图6 切削参数对工件表面粗糙度的影响
考虑到γ-TiAl合金是一种典型的脆性材料，大的切削深度和进给量容易引起切削过程中的脆性断裂。尤其是在传统低速车削加工中，较大程度上会导致表面裂纹萌生和扩展。Hood R.等采用高速加工工艺加工γ-TiAl合金时指出，降低切削深度和进给量可以有效减少工件表面裂纹的数量。Mantle A.L.在使用球头铣刀高速铣削γ-TiAl合金时发现，虽然依旧检测到已加工表面的微结构变化，但是可以获得无裂纹且表面粗糙度较低的加工表面。因此，在提高切削速度的同时降低切削深度和进给量，是提高γ-TiAl合金加工表面完整性的可行途径。
2.3 γ-TiAl合金加工切削温度研究
切削温度作为影响刀具磨损和加工表面完整性的重要因素，其数值的高低取决于切削热的产生和扩散。切削热主要来源于材料去除时发生弹性和塑性变形所消耗的能量转化为热能，以及切屑与前刀面、工件与后刀面间摩擦产生的大量摩擦热。Hood R.等在对γ-TiAl合金进行铣削加工时，探讨了切削参数对切削温度的影响。研究表明，随着切削速度增加，单位时间内金属去除量增加，由于γ-TiAl合金热导率低，切削区域产生的热量不能及时散出，在短时间内出现大量聚集，因而在刀-工接触界面的温度急剧上升。随着进给量增大，切屑厚度增大，由切屑带走的热量越多；切削深度增大，切削刃的工作长度增加，刀具散热得到改善，但是这两方面带走的热量远不及切削速度提高产生的热量，因此进给量和切削深度对切削温度的影响相对较小。另外，后刀面的磨损量越大，刀-工之间的摩擦越大，进而导致更高的切削温度。
脆性材料在加工中容易出现明显的脆性断裂，通常要求在韧性状态下去除材料，图7为脆性材料在铣削过程中的断裂机理。随着切削温度升高，金属材料由低温时的脆性状态转化为高温时的韧性状态，这一过程称为材料的脆韧转变。整个过程需要在一定的温度区间内完成，在该温度区间内材料基体硬度受热软化效应的影响会大大降低，由此实现材料的塑性加工。因此，温度是影响金属材料脆韧转变的重要因素。杨政在研究TiAl基合金材料性能时指出，此类材料在一定温度区间内会出现从脆性到韧性状态的转变。这一过程需要经过三个阶段，分别是脆性、过渡和韧性阶段，其中，过渡阶段的温度区间一般为300℃~400℃。Aspinwall D.K.等指出，在加工γ-TiAl合金时发生脆韧转变的切削温度一般在600℃ ~800℃之间。此时，在热效应的影响下材料的延展性可以提升到5%~12％，为低损伤和塑性加工提供了可能。文献［52，53］的研究表明，脆性材料的塑性加工可以降低加工表面和亚表面的表面损伤。Uhlmann E.等认为，可以通过调整切削参数（特别是切削速度）使切削区域的温度达到脆-韧转变温度。因此，在切削加工中，对切削温度的准确控制非常重要。此外，不同形态的材料结构，切削温度有很大差异。相同的切削速度下，挤压态γ-TiAl合金的切削温度远高于铸态合金。
图7 脆性断裂机理
一般来说，工件材料和刀具材料的导热性能越高，切削热的传导速度越快，切削温度越低。对于钛合金来说，材料本身的导热性能较差，不利于切削热扩散，由此增加了切削加工的难度。与钛合金相比，γ-TiAl合金中Al元素含量较高，材料的导热性能得到了一定提高。但是在切削加工中，由切削温度引起的磨损仍然限制了刀具寿命和工件表面质量。Klocke F.等研究发现，高速加工有利于改善表面质量并提高加工效率，但是切削速度过高会导致剪切带的温度升高，由于工件材料的热导率低，迫使刀尖承受较大的热负荷，在机械和热交替载荷的作用下，加剧了刀具磨损。Aspinwall D.K.等在γ-TiAl合金的铣削加工中通过配置环形康铜线热电偶来测量切削温度，在切削速度为120m/min，切削深度为0.2mm，进给量为0.12mm/齿时，测得温度为253℃。当切削速度低于200m/min时，即便是使用磨损刀具（后刀面磨损量达到0.3mm）来加工，切削温度仍不超过450℃，而材料组织发生相变的温度在1120℃左右。因此，在较低的切削速度下，热效应对表面完整性的影响很小。但是，切削层金属在热膨胀时受到周围温度（低于切削区域的温度）的约束，在塑性压缩过程中会产生较大的残余拉应力。残余拉应力的存在容易使加工表面产生微裂纹，从而降低工件的疲劳强度。
为了避免切削区域温度过高而产生的刀具磨损严重和加工质量差等问题，使用切削液来辅助加工已经成为切削过程中的常规操作。切削液不仅具有显著的冷却和润滑效果，还可以保护工件表面不被氧化和腐蚀。但是切削液的使用成本高，并且过度使用切削液或者对其处理方式不当会对人体健康和自然环境造成一系列伤害。因此，在切削加工中采用绿色环保的冷却策略极具必要性。
微量润滑（Minimal Quantity Lubrication，MQL）作为一种可持续的机械加工润滑方法，在提高切削加工性能的同时，可以降低加工能耗，改善对环境和人体健康的影响。然而，MQL技术无法使切削区域的热量充分散发，仅在适当的切削条件下MQL技术才会表现出高性能优势。文献［59］研究表明，在γ-TiAl合金的高速加工中，采用低切削深度并辅助MQL技术，可以有效减少表面裂纹的产生。但是在这种情况下，切削力和刀具磨损会迅速增加。
综上所述，γ-TiAl合金切削加工中热磨损比机械磨损带来的影响更加显著。对此类材料而言，采用低温冷却方法为进一步降低刀具温度、提高刀具寿命和提高工件表面质量提供了巨大潜力。低温切削加工是将冷却介质（如液氮）传递到切削区域来辅助传统切削的加工方法，可以有效降低切削区域的温度，改变刀-屑之间的摩擦特性，改善工件和刀具材料的切削性能。Fernández D.等对比了相同加工参数下低温环境对γ-TiAl合金和Inconel 718的铣削加工性能的影响。研究表明，低温冷却条件下明显改善了γ-TiAl合金的加工性能，刀具寿命提高了1倍左右，但是对Inconel 718的影响较小，其加工性能与常规加工下几乎相同。
图8 不同冷却策略下的刀具磨损
Klocke F.等在相同切削参数和切削时间下分析了不同的冷却环境（乳化液、MQL和低温）对γ-TiAl合金车削加工的影响(见图8），与常规乳化液冷却相比，以液氮作为冷却剂的低温冷却加工可以减少约61%的后刀面磨损量，并且刀具磨损量随着喷射压强、流量的增高而降低。这是因为与其他冷却介质相比，液氮具有更显著的冷却效果，并且液氮对环境无污染、化学活性较低。文献［64］研究表明，液氮辅助冷却有利于提高切削区域与刀具之间的热梯度，从而降低切削刃的热负荷。鉴于γ-TiAl合金低温塑性差的特点，在较低的切削速度下，采用低温切削加工并不会明显改善刀具寿命和表面完整性，甚至会导致刀具前刀面崩裂，因此低温冷却技术在该类脆性材料的切削加工领域并未得到广泛应用。
3 结语
传统切削加工难以完全满足日益增加的加工要求，深入研究γ-TiAl合金的切削加工基础理论，对于实现γ-TiAl合金高质量高效率加工具有重要意义。本文从刀具磨损、表面完整性和切削温度等方面阐述了γ-TiAl合金切削加工技术的研究进展，分析了解决其中关键问题的工艺和方法。现总结如下，并对未来的研究方向进行展望：
（1）γ-TiAl合金切削加工中，存在切削力大、切削温度高等问题，导致刀具磨损严重。为了提高刀具寿命，使用硬质合金刀具加工γ-TiAl合金的切削速度不宜超过50m/min，即便使用经过PVD技术处理的涂层刀具加工γ-TiAl合金，切削速度仍应低于70m/min。
（2）γ-TiAl合金是一种脆性材料，大切削深度和进给量容易导致工件表面发生脆性断裂。为了获得较高表面质量，在提高切削速度的同时降低切削深度和进给量，是一种可行的加工方法。但是，高速加工γ-TiAl合金时带来的刀具磨损严重问题是不可忽略的。因此如何克服高速条件下的刀具磨损是亟需解决的问题。目前更多文献主要集中在控制切削参数和改进涂层刀具等方面。在未来的研究中，可以集中在优化刀具的几何参数和表面质量（如改善切削角度和对切削刃进行预处理等）等方面。
（3）γ-TiAl合金导热系数低，在高速切削加工中切削温度过高，会对刀具寿命和表面质量产生一系列不良影响，因此有必要对切削区域进行充分冷却。采用低温冷却策略辅助切削加工有利于改善刀具磨损、提高表面质量，但是该优越性主要体现在采用恰当的切削参数和冷却工艺的前提下，目前在γ-TiAl合金切削加工领域并没有得到广泛使用，还处于研究探索阶段。
（4）γ-TiAl合金低温塑性差、高温塑性强的特点，对不同温度场下已加工表面质量存在显著影响，可以通过切削试验和有限元仿真等方法来探究材料的去除机理，明确切削参数和加工环境等条件对材料变形行为的影响规律，为高效高质量加工提供依据。