鈦合金本身強(qiáng)度高、密度小，同時(shí)具有很好的耐高溫性能，同時(shí)抗腐蝕效果好，因此在航天領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛，被親切地稱為是航天的“脊柱”材料。在最近，鈦合金在很多領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用，特別是石油、化工和生物、冶金等等，同時(shí)也成為了重要的工藝材料之后，在最近幾年中，鈦合金發(fā)展進(jìn)入了更加旺盛的時(shí)期，相繼出現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品。

在當(dāng)前，我國的鍛造行業(yè)中對激光切割技術(shù)依賴性也不斷提高，特別是在一些結(jié)構(gòu)鋼鍛件的連皮和飛邊中。但是在我國的鈦合金鍛件工藝中，激光切割技術(shù)的應(yīng)用屬于限制性的。然而在激光切割技術(shù)不斷更新?lián)Q代和發(fā)展的今天，激光設(shè)備功率顯著提高，切割使用的氣體也更加多元化，這些都顯著提高了激光切割技術(shù)的應(yīng)用，推動(dòng)了鈦合金鍛件工藝技術(shù)發(fā)展。

1、 激光切割技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展

激光切割技術(shù)有著很久的歷史，大概經(jīng)過 50 年的發(fā)展，到現(xiàn)在日趨成熟。在應(yīng)用過程中，激光切割技術(shù)主要是使用激光束能量集中的性質(zhì)，把需要進(jìn)行切割的材料順著切割位置熔化，之后在氣體作用下，吹走已經(jīng)熔化的材料，之后形成形狀特定的切縫。在當(dāng)前的機(jī)械制造業(yè)中，一些金屬材料以及非金屬材料都需要使用激光切割技術(shù)進(jìn)行加工，另外，在模具制造中，激光切割技術(shù)也得到了應(yīng)用。

激光切割技術(shù)有著很強(qiáng)的適應(yīng)性，這也使得該技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，在當(dāng)前階段，機(jī)械制造行業(yè)中的激光切割技術(shù)使用非常廣泛，特別是在加工零部件環(huán)節(jié)中。總體來講，激光切割技術(shù)一般是在三個(gè)方面中，即金屬材料切割、非金屬材料切割和其他的應(yīng)用。

激光切割技術(shù)在上世紀(jì)七十年代才開始使用，作為新興加工技術(shù)，發(fā)展尚未完全成熟，然而其優(yōu)越性確實(shí)十分顯著的。為了促進(jìn)激光切割技術(shù)更好的發(fā)展，我們必須要充分掌握其使用的優(yōu)勢和不足，不斷改革該技術(shù)，使其更好地應(yīng)用在制造行業(yè)中。

2、 鈦合金材料的應(yīng)用

美國在上世紀(jì)研究制成了鈦合金 Ti-6AI-4V，其使用性能優(yōu)良，牌號是 TC4。因?yàn)樗氖褂眯阅芰己?，因此在對其他的鈦合金性能進(jìn)行評價(jià)時(shí)，也常常將 TC4鈦合金當(dāng)作是標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比分析。在當(dāng)前，輕量化是每個(gè)行業(yè)的發(fā)展趨勢，鈦合金材料有著顯著的輕量化優(yōu)勢，逐漸代替了過去的鋼、鋁、鎂等等材料。在以下，主要是從三個(gè)領(lǐng)域入手，分別是海、陸、空，分析鈦合金應(yīng)用的現(xiàn)狀。

2.1 海域中鈦合金的應(yīng)用

潛艇一直是海域中的重要裝備。鈦合金的使用有著很高的抗腐蝕性，強(qiáng)度高、低溫強(qiáng)等等，在雷達(dá)、潛艇中有著廣泛的應(yīng)用。在我國，新型魚雷彈體的使用材料主要是鈦合金，這就減輕了整體的重量，同時(shí)延長了射程。鈦合金材料在深潛艇中的應(yīng)用主要是使用在推進(jìn)器、耐壓殼體、管系、聲學(xué)裝置和閥門中，比如我國使用的“蛟龍”號載人潛水器、俄羅斯使用的“北風(fēng)之神”級潛水器等等，都是使用鈦合金材料制作成為耐壓殼體。艦船的材料中，鈦合金的使用主要是集中在美國、日本和俄羅斯等等國家，應(yīng)用在泵、過濾器、管路、緊固件、電器元件等等設(shè)備中，比如美國核動(dòng)力航母和日本的漁船和民用游船等等。

2.2 陸域中鈦合金的應(yīng)用

在一些裝甲、汽車、和日常生活中，鈦合金也有著廣泛的應(yīng)用。在汽車領(lǐng)域中，鈦合金主要是在排氣系統(tǒng)內(nèi)，是主要的排氣門組件材料，比如曲柄、氣門、連桿和氣門座等，比如在新型雪佛蘭 Corvette Z206汽車中，使用的回氣管以及彈簧座等等都是采用鈦合金材料制造的。

陸基武器的使用中，坦克裝甲車十分重要。鑒于鈦合金本身的抗彈性能強(qiáng)、工藝性能良好，可以替代傳統(tǒng)的裝甲鋼和裝甲鋁合金等等材料。在當(dāng)前使用的裝甲鈦合金不僅僅擁有著強(qiáng)大的抗彈性能，也能夠頂住彈丸沖擊。在國外，一些國家已經(jīng)在裝甲板上使用了 TC4 鈦合金，并且代替了很多鋼制部件，常見的設(shè)備有 T-35 坦克，采用了全鈦合金模塊化，顯著增強(qiáng)了抗擊性能。

在醫(yī)療行業(yè)領(lǐng)域中，鈦合金因?yàn)榭垢g效果和生物相容性，不會(huì)給人體造成傷害，因此在內(nèi)科、外科和牙科中都有廣泛的應(yīng)用。在外科中，主要是作為膝關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)以及接骨板中的人工替代物，在內(nèi)科的應(yīng)用中，能夠作為心臟起搏器的重要材料。在牙科中，能夠使用在補(bǔ)齒中，這些都大大提高了醫(yī)療的效率和水平，減少了手術(shù)器械負(fù)荷。

另外，在一些民用健康產(chǎn)品中，鈦合金材料的使用也十分普遍，鈦鍋取代了以前的鋁鍋和鐵鍋，鈦合金桿取代了實(shí)木或不銹鋼制的羽毛球、高爾夫球桿等。

2.3 空間領(lǐng)域中鈦合金的應(yīng)用

在當(dāng)前的航空與航天領(lǐng)域中，鈦合金的使用十分普遍，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在航空工業(yè)領(lǐng)域中，鈦材使用的量占到總體鈦材市場的一半以上。在國際上，也將鈦合金納入了航空工業(yè)發(fā)展水平的評價(jià)指標(biāo)之一。在航空行業(yè)中，鈦合金主要是使用在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、航空緊固件和飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中。航空緊固件包含螺栓、螺釘、鉚釘。

在發(fā)動(dòng)機(jī)中，其鈦合金結(jié)構(gòu)件有機(jī)匣、葉片、壓氣機(jī)和鼓筒等等。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中，有起落架部件、機(jī)身蒙皮以及尾翼和梁等。在當(dāng)前，俄羅斯和美國的先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)比較多，對鈦合金的使用范圍廣。我國的戰(zhàn)斗機(jī)中也應(yīng)用了鈦合金材料，但是基本都是民用飛機(jī)的范圍中，在商用客機(jī)中，其使用量依然很小。

鈦合金在航天領(lǐng)域中主要是使用在發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、宇宙飛船船艙火箭和噴嘴導(dǎo)管中。在我國、俄羅斯、日本、美國等等國家中，鈦合金的應(yīng)用十分普遍。在美國，其使用的“阿波羅”宇宙飛船中鈦率為 85%，并且神州飛船和運(yùn)載火箭等等都使用了該材料。

3 、激光切割技術(shù)在鈦合金鍛件上的應(yīng)用試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

本研究選擇了不同規(guī)格厚度的 TC11 鈦合金材料，分別使用不同的氣體切割設(shè)備進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)料外觀尺寸等等參考圖 1 和表 1。在完成后，從整體和細(xì)節(jié)分別觀察材料的組織和切割面情況，采用高倍金相組織形貌對材料的熱影響層深度進(jìn)行觀察和分析，使用顯微硬度評價(jià)熱影響層厚度并進(jìn)行驗(yàn)證。

宇宙飛船船艙火箭和噴嘴導(dǎo)管中。在我國、俄羅斯、日本、美國等等國家中，鈦合金的應(yīng)用十分普遍。在美國，其使用的“阿波羅”宇宙飛船中鈦率為 85%，并且神州飛船和運(yùn)載火箭等等都使用了該材料。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在開展實(shí)驗(yàn)切割前，都會(huì)首先調(diào)試設(shè)備的參數(shù)，其中調(diào)試的參數(shù)有焦距、切割速度、激光功率、輔助氣體、噴嘴等，在調(diào)整到最佳的參數(shù)之后，再進(jìn)行實(shí)物的切割操作。

（1）N2輔助下、10000W 功率激光切割鈦合金分析

在這個(gè)條件下進(jìn)行不同厚度試料的切割，其切割面的宏觀參考圖 2，其顯微組織參考圖 3。在這兩個(gè)方面看，激光切割鈦合金鍛件出現(xiàn)了顯著的氧化痕跡，并且切割面呈現(xiàn)出凹凸不平的外觀，隨著厚度的增加，切割面的熱影響和凹凸程度也在不斷增加，這和鈦合金熱傳導(dǎo)率差有著一定的關(guān)系。

為了對金相熱影響以及層厚度進(jìn)行相關(guān)性的探究，使用 3#金相試樣開展維氏硬度測試，對金相評估進(jìn)行驗(yàn)證。在維氏硬度測試時(shí)，需要加載 0.5kg、保載 12s開展，檢測結(jié)果參考圖 4。在金相組織評價(jià)中，其熱影響層深度為 2.58mm，而維氏硬度下則是 2.49mm。上述表明，金相組織評價(jià)激光切割熱影響層深度是行之有效的。

在 N2輔助條件下，選擇 10000W 功率的環(huán)境分析激光切割鈦合金鍛件，將其金相組織以及熱影響層深度進(jìn)行對比，具體參考圖 3。減切割操作出現(xiàn)氧化凹凸，對深度進(jìn)行分析，得出不同厚度條件下的切割深度影響，具體參考圖 5。在圖 5 中能夠看出，切割試料厚度從 12mm 增加到 25mm 時(shí)，其總影響深度也出現(xiàn)了一定的變化，從 3.81mm 提高到 4.88mm，這就顯著超過了鍛件設(shè)計(jì)余量，在鍛件飛邊切割、連皮切割及粗加工上不具備使用條件。

（2）Ar 輔助、20000W 功率下的激光切割鈦合金應(yīng)用

在 Ar 輔助、20000W 功率條件下，針對厚度不同的試料，使用激光切割時(shí)其切割面宏觀形態(tài)參考圖 6，其顯微組織參考圖 7。觀察其宏觀以及顯微組織，可以看到這個(gè)條件下的切割面十分平坦，同時(shí)有著很亮的光澤，其氧化程度并不顯著，在厚度不斷增加的條件下，切割面熱影響層也在不斷增加，和 10000W 功率、N2輔助條件下相比，要薄一些，這是因?yàn)殁伜辖鸷?Ar 不容易出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，隨著切割試料厚度的逐漸增加，其切割操作的熱量也在快速聚集，就會(huì)產(chǎn)生氧化現(xiàn)象，隨著切割試料的厚度越來越大，熱影響層厚度也不斷提高。

和 N2 輔助下比起來，在這個(gè)條件下進(jìn)行切割時(shí)光束能量弱，在對更厚試料進(jìn)行切割時(shí)，為了確保表面氧化程度，能夠調(diào)整工藝參數(shù)，然而調(diào)整之后可能產(chǎn)生切割不透的問題，因此，為了確保切割面的效果，必須要在厚試料的應(yīng)用中選擇大功率的切割設(shè)備。Ar 輔助、20000W 功率下進(jìn)行的激光切割鈦合金鍛件，分析其金相組織和熱影響層可知，在不同的試料厚度下，其切割產(chǎn)生的熱影響深度參考圖 8。在其中可知，隨著切割試料厚度的提升，從 12mm 提高到 25mm，其材料熱影響深度也從 0.09mm 提高至 1.16mm，這個(gè)熱影響深度依然在鍛件設(shè)計(jì)余量范圍中，在連皮切割和飛邊切割中，都可以進(jìn)行使用。

氮?dú)猓∟2）是使用比較普遍的工作氣體，在高壓的效果下，N2 等離子弧有著十分穩(wěn)定的性質(zhì)，同時(shí)比氬氣具有更高的射流能量，即便是應(yīng)用在粘性大的液態(tài)金屬材料的切割中，其切口下緣產(chǎn)生的掛渣量也很少。N2 能夠進(jìn)行單獨(dú)使用，同時(shí)也能夠和其它氣體進(jìn)行混和應(yīng)用，比如在自動(dòng)化切割中，常常采用空氣或者是 N2 作為主要的工作氣體，同時(shí)這兩種也成為了高速切割碳素鋼使用的主要?dú)怏w。另外，氮?dú)庖渤３Ｓ迷谘醯入x子弧切割中。

在本次試驗(yàn)中可知，在 N2輔助、10000W 功率條件下，因?yàn)?N2和鈦十分容易出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，同時(shí) N2有著助燃效果，能夠切割具有一定厚度的鈦合金鍛件，但是可能使得表面產(chǎn)生凹凸不平的現(xiàn)象，同時(shí)熱影響層厚，影響深度大大超越了鍛件設(shè)計(jì)余量，因此無法推廣使用。在 Ar 輔助、20000W 功率條件下進(jìn)行的激光切割，鈦和 Ar 不容易出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，因此能夠切割的鈦合金鍛件厚度受到限制，但是切割面十分光滑，熱影響層薄，其試料厚度也從 12mm 增加至 25mm，其總影響深度在鍛件設(shè)計(jì)余量范圍中，因此可以推廣和使用。

在我國，激光切割技術(shù)的使用愈發(fā)普及，因其使用的優(yōu)越性卻十分顯著。在當(dāng)前的激光切割技術(shù)中，其優(yōu)勢有：切縫窄、精度高、速度快、切面光滑等等優(yōu)勢，同時(shí)能夠節(jié)約材料，不被工件的外表影響，大大節(jié)約模具投資，減少產(chǎn)品的生產(chǎn)制作周期等等。另外，激光切割技術(shù)能夠無人現(xiàn)場操作，這也避免了對人造成的損傷。在上文中可知，當(dāng)前激光切割加工技術(shù)發(fā)展迅猛，隨著國內(nèi)激光器廠家如銳科、創(chuàng)鑫等，主機(jī)廠如大族、華工、奔騰、中車等的不斷努力下，激光器及激光切割機(jī)價(jià)格大幅下調(diào)，高功率激光切割用于鈦合金切割工藝的推廣有很大的空間。

參考文獻(xiàn)

[1]羅學(xué)全,于濤,蔣雙雙,等.TC4 鈦合金高速銑削加工刀具失效機(jī)理研究[J].工具技術(shù),2019,53(9):43-46.

[2]李召華,張保元,王春凈.淺析影響激光切割的因素[J].中國設(shè)備工程,2019,416(5):110-111.

嚴(yán)淼寧,周磊,梁佳楠等.納秒光纖激光精密切割超彈鎳 鈦 合 金 薄 板 工 藝 技 術(shù) 的 研 究 [J]. 機(jī) 電 工 程 技術(shù),2023,52(01):85-88.

[3]黃定輝,王治平,魏麗等.激光切割技術(shù)在鈦合金鍛件上的應(yīng)用研究[J].鍛造與沖壓,2023,546(1):20-22.

[4]劉旭東,李志永,劉育辰等.基于 ANSYS 的鎳鈦合金心血管支架光纖激光切割溫度場仿真[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2022,725(11):45-51.

[5]陳勝,黃輝宇,董雄煒等.激光切割技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].有色金屬加工,2022,51(5):1-6.

[6]郝海凌,侯紅玲,吳浪等.鈦合金及其激光加工技術(shù)的應(yīng)用[J].激光雜志,2022,43(06):1-8.

[7]李越.鎳鈦合金心血管支架激光加工有限元分析及試驗(yàn)研究[D].淄博:山東理工大學(xué),2022.

[8]黃定輝,王治平,魏麗等.激光切割技術(shù)在鈦合金鍛件上的應(yīng)用研究[J].鍛造與沖壓,2023,546(1):20-22.

[9]葉康源,葉勇松,陳開勇等.熱處理對 TC4 鈦合金鍛件組織和性能的影響[C]//中國航空學(xué)會(huì).第十屆中國航 空 學(xué) 會(huì) 青 年 科 技 論 壇 論 文 集 . 科 學(xué) 普 及 出 版 社,2022:7.

[10]方秀榮,王自亮,楊錦輝等.TC4 鈦合金鍛件疲勞壽命 分 析 及 其 仿 真 模 型 修 正 [J]. 鍛 壓 技術(shù),2022,47(6):1-9.

[11]楊濤.航空用 TC21 鈦合金鍛造成型特性研究[D].綿陽:西南科技大學(xué),2022.

[12]趙延廣,孫麗莎,閻軍等.TC4-DT 鈦合金疲勞裂紋擴(kuò)展性能研究[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2022,25(1):15-17.

[13]王哲,何健,張帥等.鍛造設(shè)備對 TA15 鈦合金顯微組 織 及 性 能 的 影 響 研 究 [J]. 鋼 鐵 釩鈦,2022,43(1):80-84.

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