季文彬 鄧日清 戴士杰 劉春成

河北工業(yè)大學機械工程學院，天津，300401

0 引言

鈦合金材料具有密度低、比強高、抗腐蝕、抗氧化、耐高溫和生物兼容性好等優(yōu)點[1]，因此廣泛用于軌道交通[2]、航空航天[3]、生物醫(yī)藥[4]等領(lǐng)域。隨著3D打印技術(shù)的不斷進步，增材制造工藝已用于制造航空發(fā)動機燃油噴嘴[5]和壓氣機葉片[6]等鈦合金零件的制造。增材制造鈦合金零件在尺寸精度、表面質(zhì)量和疲勞性能等方面與“鍛造+減材”方式所得零部件尚有差距，因此3D打印的鈦合金零部件尚無法直接使用[7]。

激光選區(qū)熔化和激光熔化沉積是成形鈦合金構(gòu)件的兩種主要工藝[8]。激光選區(qū)熔化(selective laser melting，SLM)技術(shù)采用高能激光束連續(xù)選擇性熔化粉床中的金屬粉層，逐層疊加成形構(gòu)件，具有加工周期短、材料利用率高、可實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢，是廣泛應(yīng)用的金屬增材制造技術(shù)之一[9]。國內(nèi)外學者對SLM鈦合金材料進行了積極的研究。XU等[10]發(fā)現(xiàn)TC4鈦合金SLM成形試樣的屈服強度超過1100 MPa，延伸率為11.4%，靜態(tài)力學性能優(yōu)于傳統(tǒng)鍛造的TC4鈦合金。董登科等[11]發(fā)現(xiàn)TC4鈦合金SLM成形件的表面粗糙度值為5.57～8.05 μm。李淮陽等[12]對激光選區(qū)熔化金屬表面的成形質(zhì)量控制進行研究，發(fā)現(xiàn)增材制造過程產(chǎn)生的較大殘余應(yīng)力會導致成形件出現(xiàn)翹曲變形，且內(nèi)部缺陷等問題會導致成形件的尺寸精度和形狀精度過低。KASPEROVICH等[13]研究了熱處理工藝對SLM成形TC4鈦合金疲勞性能的影響，發(fā)現(xiàn)退火處理雖然能提升成形件的疲勞性能但遠達不到鍛件水平。QIAN等[14]對比SLM技術(shù)制備TC4試樣和鍛造試件的疲勞性能，發(fā)現(xiàn)增材制造鈦合金試樣的內(nèi)部孔隙等顯微缺陷導致其疲勞壽命低于鍛造試樣的疲勞壽命，且疲勞壽命的分散性更大。綜上所述，SLM技術(shù)成形的TC4鈦合金件雖然力學性能較好，但成形件表面質(zhì)量差、尺寸精度低、抗疲勞性能不足，容易在交變載荷下產(chǎn)生疲勞破壞，縮短構(gòu)件服役壽命，無法直接滿足零件裝配和使用的要求，通常需要進行后處理。

常用的金屬件增材后處理方法有磨削、拋光、噴丸、熱等靜壓、時效處理。馮抗屯等[15]研究了陶瓷丸噴丸強化對激光增材制造TC18鈦合金疲勞性能的影響，發(fā)現(xiàn)噴丸強化能增大殘余壓應(yīng)力和硬度，提高疲勞性能。李曉丹等[16]發(fā)現(xiàn)采用HNO3-HF拋光液對增材制造鈦合金零件進行化學拋光后，試件表面粗糙度明顯降低，耐腐蝕性能和疲勞性能顯著提高。YU等[17]發(fā)現(xiàn)與850 ℃和920 ℃下的時效處理相比，熱等靜壓處理增材件后的疲勞性能更好。BENEDETTI等[18]發(fā)現(xiàn)增材件內(nèi)部的空洞在一定程度上會促進裂紋的萌生與擴展，通過熱等靜壓處理可以減少TC4鈦合金增材成形試樣中的孔洞缺陷，進而提高了材料的高周疲勞性能。上述后處理工藝雖然可以改善增材件的表面質(zhì)量進而提高疲勞性能，但無法提高成形件的尺寸精度。對增材件表面進行微銑削加工不僅可以消除增材制造中逐層堆積成形的“臺階效應(yīng)”、提高成形件的尺寸精度，而且能夠改善表面完整性、調(diào)控表面殘余應(yīng)力分布。POLISHETTY等[19]分別對TC4鈦合金增材件和鍛件進行銑削加工，并對比了兩種試件的銑削力和銑削加工后的表面粗糙度，發(fā)現(xiàn)TC4鈦合金SLM成形件的銑削力比鍛件的銑削力大，銑削后的SLM成形件的表面粗糙度比鍛件的表面粗糙度低。章媛潔等[20]對比了SLM增材成形件銑削前后的表面粗糙度和殘余應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)銑削加工后的表面粗糙度顯著降低，由10 μm下降到1 μm，且銑削加工使增材件表面殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力。雖然國內(nèi)外學者開始對基于“SLM+微銑削”的鈦合金增減材復合制造工藝展開研究，但對銑削減材工藝改善增材件表面完整性及強化疲勞性能的機理研究較少，成形工藝、加工表面完整性、疲勞性能三者的映射關(guān)系仍缺乏理論研究。

本文以TC4鈦合金粉末為原料，制備TC4鈦合金SLM成形件，通過正交銑削實驗和常溫三點彎曲高周疲勞實驗對比分析TC4鈦合金SLM成形件銑削前后的表面完整性與疲勞性能，探討銑削工藝參數(shù)對表面完整性和疲勞性能的影響規(guī)律，研究銑削減材工藝對TC4鈦合金SLM成形件疲勞性能的強化機理。

1 實驗

1.1 實驗設(shè)備與材料

實驗選用SLM增材制造設(shè)備IGAM-I、數(shù)控銑床XK7124、拉扭復合疲勞試驗機INSTRON-E10000。實驗材料為TC4鈦合金粉末(粒徑范圍為15～53 μm)，其化學成分如表1所示。成形工藝參數(shù)為：激光功率280 W，掃描間距0.14 mm，層厚30 μm，掃描速度1200 mm/s。制備得到的塊狀Ti-6Al-4V樣品尺寸為70 mm×60 mm×30 mm。為綜合評價SLM樣品的銑削加工表面完整性，選取TC4鈦合金鍛件作為對比材料。SLM成形件和鍛件的物理力學性能如表2所示。

表2 TC4鈦合金SLM成形件與鍛件物理性能與力學性能Tab.2 Physical and mechanics properties of TC4 titanium alloy by SLM and forging

1.2 實驗方案

1.2.1銑削實驗

鈦合金是難切削材料，而TiAlN涂層刀具可有效提高刀具硬度，降低摩擦和改善刀具高溫熱穩(wěn)定性，延長刀具壽命，所以選用TiAlN涂層硬質(zhì)合金立銑刀SPF-3.5-4F-4D-50L，其涂層厚度為3～5 μm，刃徑為3.5 mm，螺旋角為58°，齒數(shù)為4。順銑可以提高刀具耐用度和工件表面質(zhì)量，所以實驗采用順銑。為更好地測量切削溫度，實驗采取干切削的方式。

以銑削速度、每齒進給量和銑削深度為可變因素設(shè)計正交試驗，研究TC4鈦合金銑削參數(shù)對試件表面完整性(表面粗糙度、表面硬度)及疲勞性能的影響規(guī)律。SLM成形件存在各向異性，因此對垂直于成形方向的平面和平行于成形方向的平面進行相同參數(shù)的銑削，并測量其結(jié)果。激光選區(qū)熔化中成形方向為Z向，垂直于成形方向的平面設(shè)為成形件的m面(OXY平面)，平行于成形方向的平面設(shè)為成形件的n面(OYZ平面)，如圖1所示，虛線箭頭為激光掃描方向，代表激光對單道鈦合金粉末進行掃描時的激光移動軌跡。銑削實驗中，銑削寬度為2.5 mm，其他的銑削參數(shù)如表3所示。

圖1 SLM成形件示意圖Fig.1 Schematic diagram of SLM parts

表3 實驗銑削參數(shù)Tab.3 Experimental milling parameters

由于銑削力和銑削熱會影響加工表面的完整性，因此在銑削實驗過程中對不同銑削參數(shù)下的銑削力和銑削溫度進行測量。為避免銑削實驗的偶然性，每組實驗重復4次，取平均值作為最后結(jié)果。如圖2所示，使用定制夾具將TC4鈦合金SLM成形件樣品固定在測力儀上。使用Kistler-9275B力測量系統(tǒng)獲取銑削過程中的切削力信號，以濾波后力信號的平均值為銑削力。將FLIR-T1040紅外熱成像儀測量的銑刀刀尖附近切削區(qū)域的平均溫度作為銑削溫度。

(a)銑削加工

(b)切削力測量系統(tǒng)圖2 實驗裝置和布局Fig.2 Experimental setup and layout

使用便攜式手持粗糙度儀Time-3200測量銑削前后試件的表面粗糙度Ra，使用設(shè)定參數(shù)銑削加工后，在銑削表面沿垂直于線速度的方向進行測量，每個面選取5個點測量表面粗糙度，將它們的算數(shù)平均值作為該加工表面的粗糙度。使用維氏顯微硬度計HVS-1000Z測量銑削前后試件的表面硬度(載荷為9.8 N，保壓時間為15 s)，不同參數(shù)下銑削后，每個面選取3個點測量硬度，取它們的算數(shù)平均值為該加工表面的硬度。

1.2.2疲勞實驗

使用疲勞試驗機測試TC4鈦合金SLM成形件銑削后的疲勞壽命，并將其與未經(jīng)銑削減材的增材件進行對比。實驗采用室溫三點彎曲疲勞實驗，如圖3所示。疲勞試樣尺寸為36 mm×10 mm×5 mm，試樣受拉斷裂的表面尺寸為36 mm×10 mm。

圖3 三點彎曲疲勞示意圖Fig.3 Schematic diagram of three-point bending fatigue

由于增材件存在各向異性，所以制備該斷裂表面垂直和平行于成形方向的SLM疲勞試樣進行表面銑削加工，并測量試件銑削前后的疲勞壽命。為體現(xiàn)增材制造工藝和傳統(tǒng)制造工藝成形鈦合金的性能差異，本次試驗還選取鍛造成形的TC4鈦合金作為參考組。受拉斷裂表面垂直于成形方向的疲勞試樣記為垂直試樣，銑削加工面為m面；受拉斷裂表面平行于成形方向的疲勞試樣記為平行試樣，銑削加工面為n面，如圖4所示。測試SLM疲勞試樣的疲勞壽命時，將m面或n面朝下放置。高周疲勞實驗采用應(yīng)力控制，交變應(yīng)力的最大值應(yīng)低于增材制造TC4鈦合金的屈服極限(σs=1038 MPa)。考慮到傳統(tǒng)鍛造TC4鈦合金的疲勞強度為400 MPa，因此以最大壓應(yīng)力1010 MPa、890 MPa、770 MPa、650 MPa、530 MPa、410 MPa的正弦波載荷(加載頻率為15 Hz，應(yīng)力比為0.1)施加到銑削后的TC4鈦合金SLM成形件，測試一直進行到試件斷裂為止。用3個樣本的破壞循環(huán)次數(shù)平均值表征試件的疲勞壽命，并繪制S-N疲勞曲線。用掃描電鏡Quanta-FEG 250觀察疲勞斷口形貌，分析疲勞裂紋萌生及擴展規(guī)律。

(a)垂直試樣

(b)平行試樣圖4 SLM成形疲勞試樣Fig.4 Fatigue specimen by SLM

2 結(jié)果與分析

2.1 銑削工藝對SLM成形件表面完整性的影響

表4所示為TC4鈦合金鍛件和SLM成形件表面銑削前后的表面粗糙度，其中的數(shù)字1～9對應(yīng)表3的實驗序號件。SLM成形件不同表面的粗糙度差異不大，SLM成形件m面、n面銑削前的表面粗糙度Ra都在12 μm以上，遠高于鍛件的3.2 μm。銑削后，SLM成形件的表面粗糙度大幅度減小，粗糙度平均值為0.70 μm，而鍛件銑削后的表面粗糙度平均值為0.91 μm。增材件的表面質(zhì)量改善效果比鍛件略好。因為銑削加工時，不同硬度的表面受刀具擠壓會產(chǎn)生不同程度的平面加工痕跡，低硬度材料平面的刀痕會更深，鍛件的硬度小于SLM成形件的硬度，所以鍛件表面粗糙度略大。

表4 不同表面銑削前后的表面粗糙度RaTab.4 The surface roughness Ra of different surfaces before and after milling μm

對表4中不同表面銑削后的表面粗糙度進行極差分析，并根據(jù)極差分析結(jié)果繪制TC4鈦合金鍛件和SLM成形件的銑削因素對表面粗糙度的影響趨勢圖。由圖5可知，鍛件和SLM成形件不同表面的變化曲線相似，表面粗糙度與每齒進給量、銑削深度和銑削速度都正相關(guān)。表面粗糙度與加工表面殘留面積高度正相關(guān)，殘留面積高度與每齒進給量的平方成正比。每齒進給量增大時，加工表面殘留面積高度成比例增大，表面粗糙度也不斷增大。軸向切深增大時，單位時間內(nèi)TC4鈦合金材料的切削面積擴大，這會加劇切削力的波動，導致試件表面粗糙度增大。隨著銑削速度的增加，銑削溫度升高，材料軟化發(fā)生塑性流動會涂抹黏附在試件表面，對表面質(zhì)量產(chǎn)生不良影響，試件表面粗糙度也增大。

(a)每齒進給量

(b)軸向切深

(c)銑削速度圖5 銑削工藝參數(shù)對不同試件表面粗糙度的影響Fig.5 The influence curve of milling process parameters on surface roughness of different test pieces

表5所示為TC4鈦合金鍛件和SLM成形件不同表面銑削前后的表面硬度，其中的數(shù)字1～9對應(yīng)表3的實驗序號件。銑削前，SLM成形件m面、n面的表面硬度分別為353HV和346HV，都高于鍛件硬度328HV。不同銑削參數(shù)加工后，SLM成形件的表面均產(chǎn)生加工硬化，其中，側(cè)面硬化最顯著，表面硬度為390.2HV～436.3HV，平均值為405.0HV。這是因為銑削加工過程中，表面材料受到刀具擠壓與摩擦會發(fā)生塑性變形，晶粒發(fā)生滑移，金屬的位錯密度增大，位錯間的交互作用增強，出現(xiàn)位錯的纏結(jié)，加工表面的晶粒發(fā)生強烈的扭曲與破碎，阻礙金屬的進一步變形。銑削力和銑削熱共同作用于金屬加工表層，產(chǎn)生強化效應(yīng)，硬度增大。

表5 不同表面銑削前后的表面硬度Tab.5 Surface hardness of different surfaces before and after milling HV

如表5所示，對不同表面銑削后的表面硬度進行極差分析，并根據(jù)極差分析結(jié)果繪制TC4鈦合金鍛件和SLM成形件的銑削因素對表面硬度的影響趨勢圖(圖6)。

(a)每齒進給量

(b)軸向切深

(c)銑削速度圖6 銑削工藝參數(shù)對不同試件表面硬度的影響Fig.6 The influence curve of milling process parameters on surface hardness of different test pieces

如圖6a所示，鍛件和SLM成形件不同表面的變化曲線相似，每齒進給量從0.02 mm增大至0.06 mm時，試件加工表面硬度呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢；每齒進給量為0.04 mm時，表面硬度達到最小值，其中，SLM成形件m面為397.8HV，n面為406.6HV，鍛件為376.6HV。表面硬度之所以出現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，是因為當每齒進給量改變時，材料的部分特性同時發(fā)生變化并作用于試件表面，影響表面硬度。隨著每齒進給量的不斷增大，晶格會發(fā)生更加劇烈的畸變和塑性變形，材料的塑性硬化效應(yīng)增強，產(chǎn)生表面加工硬化。每齒進給量增大時，銑削加工時的溫度會急劇上升，使TC4鈦合金發(fā)生軟化。熱軟化效應(yīng)和塑性硬化效應(yīng)共同作用于試件表面，熱軟化效應(yīng)占主導地位時，試件的表面硬度呈現(xiàn)減小的趨勢；塑性硬化效應(yīng)占主導地位時，試件的表面硬度呈現(xiàn)增大的趨勢。

如圖6b所示，軸向切深從0.1 mm增大至0.3 mm時，試件加工表面硬度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，切削深度0.2 mm的表面硬度最大，但軸向切深增大時的表面硬度總體上呈現(xiàn)出增大的趨勢。這是因為隨著切削深度的增大，刀具磨損加劇，后刀面與材料表面的摩擦加大，塑性硬化效應(yīng)增強。切削深度的增加會使試件與刀具之間的切削區(qū)產(chǎn)生大量的熱，試件來不及傳遞熱量就表現(xiàn)為溫度升高，高溫下的試件表面發(fā)生軟化，從而削弱加工硬化效應(yīng)。塑性硬化效應(yīng)和高溫軟化效應(yīng)交替主導作用在TC4鈦合金的表面，使得表面硬度隨著切削深度的增大而波動。

如圖6c所示，銑削速度從40 m/min增加至60 m/min時，試件的表面硬度呈現(xiàn)增大的趨勢。銑削速度增大時，加工試件表面的塑性變形程度和應(yīng)變速率也在不斷增大，使得表面塑性變形產(chǎn)生的強化增強。此外銑削速度增大時，銑削溫度會急劇上升，鈦合金中的鈦元素在高溫時易與空氣中的氮、氧等元素反應(yīng)，并在試件表面形成脆硬氧化物層，從而提高表面硬度[21]。

銑削加工過程中，表面粗糙度和表面硬度的變化與切削力、切削溫度和材料結(jié)構(gòu)等因素有很大關(guān)系。銑削工藝參數(shù)對表面粗糙度和表面硬度的影響歸根結(jié)底是銑削加工過程中的銑削力和銑削熱相互作用于試件表面的結(jié)果。因此對銑削實驗中采集的銑削力和銑削溫度結(jié)果進行極差分析，并根據(jù)極差分析結(jié)果繪制銑削因素對銑削力和銑削溫度的變化趨勢圖。

由圖7可知，軸向切深對銑削力影響最大，銑削力隨著軸向切深、每齒進給量的增大均呈現(xiàn)增大的趨勢；隨著銑削速度的增大，銑削力呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。這是因為在切削寬度不變的條件下，切削層的橫截面積隨銑削深度的增大而成比例地增大，這意味著材料去除需要的能量增大，所以銑削力顯著增大。每齒進給量增大時，單位時間內(nèi)材料的去除率不斷增大，刀具切除試件所需要的銑削力增大。每齒進給量增大時，刀具前刀面上的法向壓力和平均正應(yīng)力不斷增大，但前刀面的摩擦因數(shù)會減小，這意味著切削時試件的塑性變形程度降低，所以每齒進給量對銑削力的影響程度小于軸向切深。鈦合金的熱導率小，所以隨著銑削速度的增加，切削區(qū)域的溫度急劇升高。鈦合金在高溫下會發(fā)生軟化現(xiàn)象，去除材料所需的能量減少，表現(xiàn)為銑削力減小。隨著銑削速度的不斷增大，溫度上升，鈦合金的黏連性加強，部分切屑黏結(jié)在刀具表面，影響排屑，摩擦力增大并造成動態(tài)切削力的增大，銑削力呈增大的趨勢。

(a)每齒進給量

(b)軸向切深

(c)銑削速度圖7 銑削工藝參數(shù)對不同試件銑削力的影響Fig.7 The influence curve of milling process parameters on milling force of different test pieces

由圖8可知，銑削速度對銑削溫度影響最大，銑削速度隨著軸向切深、每齒進給量和銑削速度的增大均呈現(xiàn)升高的趨勢。這是因為鈦合金熱導率較小，短時間內(nèi)銑削速度的提高會增加銑刀前刀面和切屑底層之間的摩擦，導致摩擦熱增加，從而使切削熱增加，銑削溫度顯著升高。每齒進給量增大時，單位時間內(nèi)的切除量增多，切削熱急劇增大，銑削溫度上升。銑削深度增大時，切削區(qū)域產(chǎn)生的熱量增加，銑削溫度升高，但切削刃的工作長度成正比地增加，改善了散熱條件，所以溫度上升幅度小。

(a)每齒進給量

(b)軸向切深

(c)銑削速度圖8 銑削工藝參數(shù)對不同試件銑削溫度的影響Fig.8 The influence curve of milling process parameters on milling temperature of different test pieces

在設(shè)置好的工藝參數(shù)下銑削試件時，刀具與加工表面發(fā)生交互作用從而產(chǎn)生銑削力和銑削溫度，在力-熱耦合作用下，試件的表面完整性特征改變。由圖7、圖8可知，每齒進給量、銑削深度和銑削深度的增大都會引起銑削力的增大和銑削溫度的上升。銑削力的增大會增大試件的表面粗糙度。銑削溫度的升高會使鈦合金軟化，軟化材料在銑削過程中產(chǎn)生塑性流動并黏附在已加工試件表面，對表面質(zhì)量產(chǎn)生不良影響，所以表面粗糙度也隨銑削溫度的升高而增大。銑削力和銑削溫度的共同作用使得表面粗糙度隨銑削工藝參數(shù)的增大而增大。表面硬度在每齒進給量、軸向切深、銑削速度增大時的變化趨勢不同，是因為表面硬度的變化受軟化效應(yīng)和塑性硬化效應(yīng)的綜合影響，即軟化效應(yīng)為主導因素時，表面硬度降低；塑性硬化效應(yīng)為主導因素時，表面硬度提高。

SLM成形件銑削后的表面粗糙度顯著減小，最小值為0.32 μm，表面硬度略有提高，最大值為436.3HV，表面完整性得到了極大的改善。

2.2 銑削工藝對SLM成形件疲勞性能的影響

圖9所示為應(yīng)力比0.1、最大應(yīng)力650 MPa時，TC4鈦合金鍛件和SLM成形件試樣在軸向切深0.2 mm、銑削速度60 m/min、每齒進給量0.02 mm銑削前后的疲勞壽命。由圖9可知，銑削前，SLM成形的垂直試樣、平行試樣的疲勞壽命分別為48 272周次和40 047周次，都遠低于鍛件的疲勞壽命75 624周次。銑削后，SLM成形件的疲勞壽命都大幅度提高，其中，垂直試樣的疲勞壽命最高，為155 463周次，增加了2.2倍，鍛件銑的疲勞壽命為99 439周次，增材件的疲勞性能提升效果比鍛件顯著。疲勞壽命與加工表面完整性密切相關(guān)，SLM成形件銑削后的表面粗糙度減小了96%，表面硬度提高了26%，表面完整性改善效果顯著，因此疲勞壽命得到極大地延長。

圖9 TC4鈦合金疲勞試樣銑削前后的疲勞壽命Fig.9 Fatigue life of TC4 titanium alloy before and after milling

在滿足工業(yè)生產(chǎn)要求的前提下，鍛造溫度、鍛造變形量等工藝參數(shù)會影響TC4鈦合金鍛件的組織結(jié)構(gòu)和表面質(zhì)量，鈦合金鍛件的疲勞性能也因此會存在差異。為更全面地對比TC4鈦合金鍛件和銑削后的SLM成形件的S-N曲線，收集了國內(nèi)TC4鍛件疲勞性能的研究數(shù)據(jù)[10，17]，得到鍛件S-N范圍域，如圖10所示。由圖10可知，銑削后的SLM成形件在不同應(yīng)力載荷下的疲勞壽命均可達到鍛件水平。應(yīng)力大于770 MPa時，銑削后SLM成形件的疲勞壽命接近鍛件的最大值。應(yīng)力小于770 MPa時，銑削后SLM成形件的疲勞壽命雖遠低于鍛件的最大值，但略大于鍛件疲勞壽命的最小值。SLM成形件銑削后的疲勞曲線變化趨勢與傳統(tǒng)鍛件相似，均為連續(xù)下降型，循環(huán)106周次前，應(yīng)力快速減小，循環(huán)106周次后，應(yīng)力緩慢減小。SLM成形件銑削后的疲勞強度為410 MPa，略高于普通鍛件的疲勞強度400 MPa。

圖10 銑削后增材件的S-N曲線和鍛件的S-N范圍域Fig.10 S-N curve of the additives after milling and the S-N range domain of forgings

銑削后的SLM成形件表面完整性改善效果顯著，疲勞壽命大幅度提高，可達到傳統(tǒng)鍛件水平，疲勞強度為410 MPa，略高于普通鍛件。

2.3 銑削工藝對SLM成形件疲勞性能的強化機理

疲勞斷口主要由疲勞源區(qū)、裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū)組成[22]，圖11所示為軸向切深0.2 mm、銑削速度60 m/min、每齒進給量0.02 mm銑削后，SLM成形的垂直試樣的斷口形貌。疲勞源區(qū)是疲勞裂紋的萌生地，一般位于試件的表面。在圖11中的疲勞源區(qū)可以發(fā)現(xiàn)1個疲勞源。裂紋擴展區(qū)是疲勞源區(qū)的延續(xù)，能看到貝紋線，每組貝紋線都是以疲勞源為圓心的平行弧線，弧線的凹側(cè)指向疲勞源，弧線的凸側(cè)指向裂紋擴展方向。瞬斷區(qū)也稱粗粒區(qū)，表面比較粗糙，存在大量粗粒。

圖11 銑削后SLM成形的垂直試樣疲勞斷口的宏觀形貌Fig.11 Macroscopic morphology of fatigue fractures of vertical specimens by SLM after milling

圖12所示為軸向切深0.2 mm、銑削速度60 m/min、每齒進給量0.02 mm銑削前后的SLM垂直試樣和銑削后鍛件的試樣疲勞斷口不同區(qū)域的形貌。

(a)增材件的疲勞源區(qū) (b)銑削后增材件的疲勞源區(qū) (c)銑削后鍛件的疲勞源區(qū)

(d)增材件的裂紋擴展區(qū) (e)銑削后增材件的裂紋擴展區(qū) (f)銑削后鍛件的裂紋擴展區(qū)

(g)增材件的瞬斷區(qū) (h)銑削后增材件的瞬斷區(qū) (i)銑削后鍛件的瞬斷區(qū)圖12 增材件、銑削后增材件和銑削后鍛件的不同區(qū)域疲勞斷口形貌Fig.12 Fatigue fracture morphology of different areas of additive part，additive part after milling and forging part after milling

由圖12a可知，銑削前的SLM成形件存在多個萌生于試件表面及次表面的疲勞源，而多個疲勞源會顯著縮短試件的疲勞壽命。SLM成形件表面比較粗糙，表面的微觀溝痕較深，易產(chǎn)生表面應(yīng)力集中，試件表面在高循環(huán)應(yīng)力載荷作用下易萌生裂紋。SLM成形過程中，金屬發(fā)生瞬態(tài)熔凝，試件的表面及次表面易產(chǎn)生氣孔、熔合不良等缺陷，而這些缺陷極易成為疲勞源，因此可以發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋起源于試件表面及距表面100～200 μm的近球形凹坑處。

由圖12b可知，銑削后的SLM成形件疲勞源由多個變?yōu)橐粋€，且萌生位置轉(zhuǎn)移靠近試件中心的區(qū)域。產(chǎn)生這些變化的主要原因為：①銑削加工過程中，在切削力、切削熱的耦合作用下，表層鈦合金的晶格發(fā)生扭曲畸變，表層組織細化，位錯密度增加，位錯間的交互作用增強，出現(xiàn)大量位錯的纏結(jié)，導致試件表層的晶粒細化。細化的表層晶?？梢蕴岣呋菩巫兛沽?，抑制表層循環(huán)滑移帶的形成和開裂。②銑削加工降低了試件表面粗糙度，避免試件表面產(chǎn)生嚴重的應(yīng)力集中，延緩裂紋表面形核。③銑削加工時，表面的鈦合金受到刀具擠壓與摩擦，發(fā)生塑性變形，加工表面的晶粒發(fā)生強烈的扭曲與破碎，阻礙金屬的進一步變形，從而產(chǎn)生表面硬化效應(yīng)，抑制表面裂紋的萌生。④銑削加工可以引入較大幅值的殘余壓應(yīng)力來抵消SLM成形過程中出現(xiàn)的殘余拉應(yīng)力[23]。一般認為，殘余拉應(yīng)力會加速試件疲勞損壞過程，而殘余壓應(yīng)力可看作負載荷，表面殘余壓應(yīng)力場的引入能減小試件實際承受的平均應(yīng)力，起到延緩表面疲勞裂紋萌生的作用。對于TC4鈦合金高周疲勞壽命來說，疲勞源的萌生階段通常占據(jù)大部分循環(huán)周次。SLM成形件銑削后，表面完整性得到顯著改善：表層金屬晶粒細化，表面粗糙度減小，表面硬度提高，疲勞源由試件表面及次表面轉(zhuǎn)移至試件內(nèi)部，延緩了裂紋的萌生，因此疲勞壽命得到顯著提升。

由圖12c可知，對于銑削后的鍛件，疲勞源萌生地位于距試件表面0～100 μm的次表面。相比于SLM成形，鍛造不易產(chǎn)生氣孔、球化等缺陷。銑削后，鍛件表面完整性的改善效果不如SLM成形件顯著，疲勞裂紋延緩形核的能力稍弱，因此疲勞壽命略少于銑削后的SLM成形件。

由圖12d～圖12f可知，3個試件的裂紋擴展區(qū)均呈現(xiàn)出典型的疲勞輝紋特征，同一局部區(qū)域的疲勞輝紋連續(xù)且平行，疲勞輝紋的延伸方向與裂紋局部擴展方向近似垂直，但3個試件中相鄰疲勞輝紋的間距卻有差異。相鄰疲勞輝紋的間距與裂紋擴展速率有關(guān)，間距越大，裂紋擴展越快。銑削后的SLM成形件和鍛件相鄰疲勞輝紋的間距小于銑削前SLM成形件，銑削后試件的疲勞裂紋擴展較慢。這是因為銑削加工產(chǎn)生的表層細化晶粒會增加裂紋的擴展阻力，阻止裂紋擴展。

由圖12g～圖12i可知，3個試件的瞬斷區(qū)具有不同的斷裂特征。銑削前，SLM成形件的瞬斷區(qū)存在大量短而彎曲并呈現(xiàn)河流狀的條紋，以及一個個類似臺階的準解理小斷面，且斷面的周圍還有較多的撕裂棱。這種有準解理小斷面和撕裂棱存在的斷裂模式屬于準解理斷裂。熔池冷卻過程中產(chǎn)生的氧化物等各類夾雜物易剝離表面、形成空洞，而這些空洞極易產(chǎn)生準解理斷裂。銑削后的SLM成形件和鍛件的瞬斷區(qū)都可觀察到大量相互連接且大小不同的韌窩，這種有大量韌窩存在的斷裂屬于韌性斷裂。銑削加工后的表層晶粒得到細化，出現(xiàn)高密度的位錯，因此斷裂模式由準解理斷裂過渡到韌性斷裂。

通過對銑削前后SLM成形件疲勞斷口3個典型區(qū)域的對比分析可知，銑削能改善SLM成形件的表面完整性：細化表層晶粒，降低表面粗糙度，提高表面硬度，使得疲勞源萌生位置由試件表面及次表面轉(zhuǎn)移至試件內(nèi)部，延緩了裂紋的萌生，同時抑制裂紋的擴展，進而延長SLM成形件的疲勞壽命。SLM成形件銑削加工后疲勞斷裂模式由準解理斷裂過渡到韌性斷裂。

3 結(jié)論

(1)銑削可以減小TC4鈦合金SLM成形件的表面粗糙度Ra，提高TC4鈦合金SLM成形件的表面硬度。

(2)銑削后，SLM成形件的疲勞壽命大幅度提高，可達傳統(tǒng)鍛件水平，而疲勞強度410 MPa略高于普通鍛件。

(3)銑削加工通過改善SLM成形件的表面完整性：細化表層晶粒，降低表面粗糙度，提高表面硬度，使疲勞源的萌生位置由試件表面及次表面轉(zhuǎn)移至試件內(nèi)部，延緩了裂紋的萌生，同時抑制了裂紋的擴展，進而延長了SLM成形件的疲勞壽命。銑削后，SLM成形件的疲勞斷裂模式由準解理斷裂過渡到韌性斷裂。