《中国制造 2025 蓝皮书》将空天装备列为未来 10 年的主要突破目的[1]。。。。。。。航空发念头作为飞机的心脏，，，，，其研制能力是一国综合能力、工业基础和科技实力的集中体现。。。。。。。随着航空 发念头高服役性能要求，，，，，对其质料与制造手艺提出了更高的要求[2]。。。。。。。在航空发念头的研制历程中，，，，，先进质料是生长高性能航空发念头的物质基础[3]，，，，，而制造手艺则是知足航空发念头超长服役寿命的包管[4]。。。。。。。1964 年，，，，，美国学者 Field 等[5] 首次提出外貌完整性看法，，，，，系统地对机械加工后外貌几何与外貌物理性子举行了叙述，，，，，并将其界说为：“通过控制机械加工、非古板加工工艺形成无损伤的外貌形态或强化的加工外貌”。。。。。。。随后，，，，，美国国防部对常见加工工艺下航空合金加工外貌完整性举行了系统研究，，，，，并建设了重大的外貌完整性数据库。。。。。。。然而，，，，，早先在我国航空要害构件机械制造手艺领域中的外貌完整性问题并没有获得应有的重视。。。。。。。在《2018—2019机械工程学科生长报告机械制造》[6]中指出：我国航空发动神秘害构件的制造精度方面已经靠近或抵达了与外洋产品相同的水平，，，，，而其服役寿命却缺乏外洋同类产品的 50%。。。。。。。随着近年来航空发念头事故与故障失效等事故频发，，，，，我国的航空制造手艺才逐渐从以往的“成形”制造阶段向外貌完整性抗疲劳制造阶段跃升[7]，，，，，并取得了长足的前进。。。。。。。因此，，，，，航空发动神秘害构件的加工外貌完整性成为评价其加工质量的主要依据。。。。。。。

钛合金作为一种高强度合金质料，，，，，因其具有优异的高比强度、优异的抗侵蚀性、超强的断裂韧性与抗疲劳性能，，，，，已普遍应用于航空航天等高端装备领域，，，，，被誉为 21 世纪最具有价值的战略性金属质料[8]。。。。。。。钛合金的用量常被看成权衡飞机选材先进水平和航空工业生长水平的指标，，，，，与飞机作战能力亲近相关。。。。。。。；；；；抵圃斓哪康氖俏酥圃斐鲋阈巫淳扔敕役性能的构件。。。。。。。然而，，，，，由于钛合金质料的高强度、低导热系数、易粘刀以及与刀具亲和力强等特征[8–9]，，，，，在加工历程中很容易造成较差的外貌加工质量。。。。。。。好比，，，，，在其加工历程中爆发的切削热不易传出，，，，，往往集中在某些较小区域内，，，，，导致局部切削温度过高，，，，，从而造成外貌烧伤，，，，，继而影响其外貌完整性[10]。。。。。。。因此，，，，，怎样包管钛合金质料的高外貌完整性制造，，，，，成为摆在科研事情者眼前亟待解决的科学难题。。。。。。。

本文旨在对航空发念头钛合金质料常见工艺（切削加工、磨削加工、复合加工以及特种加工）外貌完整性的研究现状举行周全梳理，，，，，并在此基础上对未来的研究重点举行展望，，，，， 以期为实现钛合金质料超长服役寿命的制造需求提供理论指导。。。。。。。

1 、钛合金切削加工手艺

由于钛合金在加工历程中切削温度高[11]，，，，，刀具磨损严重[9]，，，，，进而引起外貌质量恶化，，，，，如图 1 所示[11–13]。。。。。。。因此，，，，，有须要对钛合金切削加工历程中差别工艺条件下爆发的外貌完整性举行详细叙述。。。。。。。

钛合金质料在切削加工历程中，，，，，刀具 – 切屑接触界面爆发强烈的质料变形与摩擦，，，，，导致局部高温顺较大的热梯度，，，，，进而引起刀具在加工历程中的快速磨损与过早失效。。。。。。。为此，，，，， Liang 等[14] 对钛合金 Ti–6Al–4V 切削历程中超细硬质合金刀具的失效模式和磨损机制举行了试验研究，，，，，效果批注，，，，，在切削历程中，，，，，刀具磨损区域的磨损机制，，，，，是由机械引起的磨 损、热引起的黏赞许扩散、化学引起的氧化等多重因素造成的。。。。。。。别的，，，，，加工形貌包括外貌特征纪律性与外貌缺陷的随机性，，，，，是刀具几何形状和切削刃运动轨迹在工件的映射。。。。。。。一些研究职员指出，，，，，在加工历程中，，，，，刀具的磨损对外貌粗糙度有着显著的影响，，，，，然而，，，，，刀具磨损对外貌粗糙度影响的相关性仍保存争议，，，，，如图 2 所示[15]。。。。。。。为此，，，，，Liang 等[16] 详细研究了刀具磨损对其响应加工外貌形貌的影响，，，，，效果批注，，，，，后刀面的磨损状态对其外貌加工质量影响较大，，，，，随着后刀面磨损加剧，，，，，加工外貌缺陷由犁沟、测流向外貌烧伤过渡。。。。。。。响应的，，，，，Sui 等[17]也发明了类似的试验征象。。。。。。。

质料的去除行为对其加工外貌完整性的影响较大。。。。。。。在钛合金切削加工历程中，，，，，切削速率与进给速率对切屑的形态影响较为显着。。。。。。。当切削速率较低时，，，，，爆发非周期性锯齿桌氡鸺；；；；；随着切削速率与进给速率的增添，，，，，切屑的周期性锯齿状效应获得增强，，，，，而爆发锯齿桌氡鸺[18]；；；；；然而，，，，，当切削速率增添到一定值时，，，，，钛合金质料会爆发脆性，，，，，继而引起质料的脆性去 除[19]，，，，，如图 3 所示[20]。。。。。。。Yang 等[21] 选用切削速率、进给速率与径向切削深度 3 个工艺参数探讨 Ti–6Al–4V 圆周铣削加工外貌形貌的演变纪律，，，，，并举行了多元线性回归剖析，，，，，效果批注，，，，，进给速率是影响外貌粗糙度的主要因素，，，，，其次为径向切削深度和切削速率。。。。。。。Zhang 等[22] 基于刷新的 Split–Hopkinson 压杆切削装置，，，，，对Ti–6Al–4V 的高速切削加工质量举行了试验研究，，，，，效果发明，，，，，当切削速率在 420~1020m/min 规模内，，，，，外貌加工粗糙度随切削速率的增添而降低。。。。。。。

别的，，，，，大宗的研究批注，，，，，随着切削速率的增添，，，，，外貌缺陷由塑性变形诱导演变为脆性断裂诱导[23]。。。。。。。因此，，，，，切削速率的提高，，，，，缩短了加工外貌爆发塑性变形的时间，，，，，进而提高了其外貌加工质量。。。。。。。然而，，，，，随着切削速率的进一步提高，，，，，外貌质量将会爆发恶化[24]。。。。。。。

钛合金切削历程中，，，，，钛合金切削加工外貌经由挤压与剪切变形使得表层组织爆发细化，，，，，并陪同着高密度位错、孪晶与晶粒的拉长与破碎[25]，，，，，称之为“外貌变质层”。。。。。。。其中，，，，，对加 工外貌近表层在显微照片中显示为白色的区域称之为白层[26]。。。。。。。据报道，，，，，在极端服役条件下，，，，，加工外貌保存白层可将零部件的低周疲劳寿命降低近 30 倍[27]。。。。。。。因此，，，，，对钛合金切削历程中白层的问题在现代加工制造中变得越来越主要。。。。。。。Griffiths[28] 指出，，，，，现在关于白层形成的机制有以下 3种主流看法，，，，，即： （1）相变；；；；； （2）塑性变形驱动的动态再结晶；；；；； （3）外貌化学反应。。。。。。。Haron 等[29] 在接纳未涂层硬质合金刀具对 Ti–6Al–4V 举行切削加工历程中发明，，，，，随着切削时间的增添，，，，，因刀具磨损水平加剧而爆发严重的塑性变形，，，，，并在加工外貌上爆发塑性变形层（扰动层），，，，，如图 4 所示。。。。。。。

Xu 等[30] 对 Ti–6Al–4V 高速切削历程中外貌变质层的形成机制举行了深入研究，，，，，效果批注，，，，，白层形成的主要机制为高应变率下质料塑性变形驱动的动态再结晶，，，，，位错与孪晶的影 响次之。。。。。。。别的，，，，，Du 等[31] 指出提高切削速率可有用镌汰白层的厚度。。。。。。。

加工外貌的冶金转变是决议外貌服役性能的一个主要参数。。。。。。。为此，，，，，Guo 等[32] 选取加工历程中变形率、应变及温度 3 个参数，，，，，绘制了显微组织转变与显微硬度对 3 者的依赖关 系，，，，，如图 5 所示。。。。。。。；；；； 于 此，，，，，Velásquez 等[33] 对 Ti–6Al–4V 在 20m/min、260m/min 两种切削速率下的加工外貌和亚外貌的横截面举行了表征，，，，，如图 6 所示，，，，，效果批注，，，，，随着切削速率的增添，，，，，加工外貌横截面的中等塑性变形层与超细晶粒层的深度增添。。。。。。。然而，，，，，Zhang等[34] 将切削速率提高至质料脆化临界值以上发明，，，，，加工外貌损伤层厚度随切削速率的增添而降低，，，，，即体现出亚外貌损伤的“趋肤效应”。。。。。。。因此，，，，，在加工历程中，，，，，切削速率对加工外貌超细晶粒层的影响尚有待于进一步深入研究。。。。。。。

别的，，，，，近年来，，，，，为了在微观标准上获得更高区分率的外貌完整性数据，，，，，在光学显微镜 （OM）与电子扫描显微镜 （SEM）的基础上，，，，，透射电镜（TEM）[35]、电子背散射（EBSD）[36]以及聚焦离子束显微镜（FIB）[37] 等先进表征手段逐渐被普遍应用，，，，，如图7 所示[35–37]。。。。。。。

剩余应力对航空零部件的服役性能，，，，，特殊是疲劳性能有着主要影响[38]。。。。。。。其中，，，，，加工外貌剩余压应力关于提高零部件疲劳寿命有着起劲作用，，，，，而剩余拉应力则倒运于其疲劳性能。。。。。。。通常，，，，，剩余应力对零部件服役性能的影响水平由 3 个指标来判断，，，，，即工件外貌剩余应力、剩余应力峰值及剩余应力影响层深度，，，，，其漫衍与巨细由切削历程中机械载荷与热载荷配合决议的。。。。。。。王明海等[39] 对差别主轴转速（4500~12000r/min）下 Ti–6Al–4V 铣削加工外貌剩余应力的漫衍举行了探讨，，，，，效果批注，，，，，铣削加工外貌的剩余应力泛起出由表层的剩余拉应力向剩余压应力过渡的漫衍特征，，，，，这是由于加工外貌的梯度温度场引起的。。。。。。。

其中，，，，，加工历程中的切削热以及相关热效应易引起剩余拉应力，，，，，而与塑性变形相关的机械载荷往往会爆发剩余压应力。。。。。。。然而，，，，，关于高速加工手艺而言，，，，，提高切削速率可增添更多的机械能而导致剩余压应力。。。。。。。同时，，，，，强烈的塑性变形会爆发更多的热量，，，，，进而导致剩余拉应力。。。。。。。因此，，，，，关于切削加工历程中的速率效应对剩余应力的影响仍是一个值得深入探讨的科学难题。。。。。。。

Liang 等[40] 系统研究了刀具差别磨损状态对 Ti–6Al–4V 加工外貌剩余应力的影响，，，，，发明 Ti–6Al–4V 加工外貌的剩余拉应力和最大剩余压应力均体现出随着刀具磨损状态的加剧而增大，，，，，如图 8 所示。。。。。。。

Liang 等[41]提出了一个思量磨损引起刀具几何转变的多物理模子，，，，，并对 Ti–6Al–4V正交切削加工外貌剩余应力的漫衍情形举行了展望，，，，，试验验证了该模子 能够有用评估刀具磨损条件下的剩余应力漫衍特征，，，，，如图 9 所示。。。。。。。

影响剩余应力的因素众多且重大。。。。。。。仅通过优化加工参数难以实现剩余应力的调解。。。。。。。因此，，，，，开发一种可用且利便的剩余应力自动控制要领关于提高难切削质料的加工效率至关主要。。。。。。。Song 等[42] 接纳有限元软件 Abaqus 建设钛合金切削二维有限元仿真模子，，，，，并通过正交切削试验对其举行了验证。。。。。。。然后基于仿真剖析模子对单步切削、多步切削、预应力单步切削以及预应力多步切削 4 种切削加工条件，，，，，对 Ti–6Al–4V 加工外貌剩余应力漫衍举行了探讨，，，，，效果批注，，，，，多步切削和预应力切削工艺均会增添剩余压应力，，，，，而多步切削会改变 沿深度偏向最小剩余应力的位置，，，，，增添切屑支解度。。。。。。。在 4 种切削加工工况中，，，，，预应力多步切削可以最大限度地提高剩余压应力值（图 10[42]）。。。。。。。

基于上述讨论，，，，，只管选择合适的工艺参数可有助于获得较高外貌完整性的钛合金切削加工，，，，，但随着对航空高端零部件使役性能要求的一直提高，，，，，运用先进的表征手段对微观或纳观水平的外貌完整性参数举行定性或定量剖析将成为主要的研究课题。。。。。。。

2 、钛合金磨削加工手艺

磨削是用硬磨料颗粒作为切削工具，，，，，以负前角微切削的形式举行质料去除的历程[43–44]。。。。。。。因此，，，，，加工历程会陪同大宗的能量消耗，，，，，爆发较大的磨削力、磨削温度以及磨具的磨损，，，，，进而影响被加工工件的外貌完整性[45–47]。。。。。。。磨削外貌的粗糙度是外貌完整性的主要参数之一，，，，，且被普遍研究。。。。。。。曹克等[48] 使用大气孔与通俗气孔两种微晶刚玉砂轮开展钛合金磨削试验，，，，，研究气孔尺寸对TC17 外貌完整性的影响，，，，，如图 11 所示。。。。。。？？？？？？？？芍，，，，钛合金磨削外貌均保存大宗撕裂状缺陷及波纹，，，，，但大气孔砂轮磨削后外貌的缺陷水平较轻，，，，，且试验 批注，，，，，大气孔砂轮磨削后外貌的粗糙度较低。。。。。。。

Xi 等[49] 综合研究了 Ti2AlNb 的磨削特征，，，，，包括磨削力、磨削比能、外貌组织、粗糙度以及磨具磨损状态，，，，，效果批注，，，，，随着质料去除率的提高，，，，，Ti2AlNb 工件亚外貌泛起了一层厚度小于 2μm 的白层，，，，，并且非一连形态（图 12（a）） 演变为相对一连形态 （图12（b））。。。。。。。胥军等[50] 在 Profimat MT 408 平面细密磨床上举行低速和高速磨削TC4–DT 试验，，，，，并通过 SEM 电镜获得磨削后钛合金的外貌形貌，，，，，如图 13所示。。。。。。。低速磨削时，，，，，试样外貌有显着的加工纹路但未泛起烧伤；；；；；高速磨削（80m/s）外貌加工纹路较清晰，，，，，且保存 塑性变形，，，，，未发明烧伤，，，，，外貌形貌优异；；；；；当砂轮线速率达 100m/s 时，，，，，外貌泛起严重烧伤磨削加工纹路模糊，，，，，并泛起大面积网状裂纹。。。。。。。

Kadivar 等[51] 探讨了差别磨削速率下 Ti–6Al–4V 外貌的剩余应力和比磨削能，，，，，效果批注，，，，，将磨削速率从 6m/s 提高到 10m/s，，，，，可降低剩余压应力，，，，，在 6m/s 的磨削速率下，，，，，磨削外貌保存研磨轨迹，，，，，外貌无缺陷；；；；；当切削速率由 10m/s 提高到 14m/s 时，，，，，剩余应力转变不显着，，，，，但磨削速率提高到 14m/s 时，，，，，由于外貌爆发较大的塑性变形和更高的温度，，，，，磨削外貌保存盘算多的朴陋和污渍。。。。。。。张国军等[52] 接纳正交试验对 TiAl 基合金的砂带磨削外貌完整性举行研究，，，，，图14 为 TiAl 基合金平板在最优工艺参数条件下，，，，，磨削前后工件的外貌形貌图。。。。。。？？？？？？？？芍，，，，磨削后的外貌平滑、险些无缺陷，，，，，外貌质量改善，，，，，外貌粗糙度值为 0.2μm，，，，，与原始外貌相比降低了近 300%。。。。。。。

Li 等[53] 从磨削烧伤的角度研究了 CBN 砂轮对 Ti–6Al–4V 钛合金的临界磨削温度，，，，，发明当平均温度凌驾470℃的阈值时，，，，，工件爆发稍微磨削烧伤；；；；；而当平均温度凌驾 750℃时，，，，， 工件外貌泛起严重的磨削烧伤，，，，，并伴有严重的变形。。。。。。。Ding 等[54] 研究了砂轮外貌的磨粒漫衍对 Ti–6Al–4V磨削效果的影响，，，，，效果批注，，，，，具有特定纹路晶粒漫衍的 CBN 砂轮和带有随机颗粒漫衍的电镀 CBN 砂轮相比，，，，，磨削力和磨削功率显着小许多。。。。。。。

这主要是由于在磨削历程中，，，，，砂轮 –工件接触区的瞬时活性磨粒数目镌汰，，，，，从而导致更大的磨屑存储空间和更少的摩擦热。。。。。。。Zeppenfeld 等[55] 发明，，，，，在高速磨削历程中，，，，，随着磨屑体积的增添，，，，，磨具与工件的接触长度的增添，，，，，法向磨削力大幅度增添，，，，，进而造成工件外貌的压应力和拉应力一直增大，，，，，如图 15 所示，，，，，关于钛铝合金，，，，，当进给速率为 50m/min 时，，，，，在 γ–TiAl 相中获得的拉伸剩余应力可达σ = 400MPa，，，，，当进给速率为 100m/min和 200m/min 时，，，，，会爆发剩余压应力。。。。。。。

为了提高磨削历程中钛合金的加工外貌完整性，，，，，一些柔性研磨加工工艺相继被开发并得以工程应用。。。。。。。

宋伟伟等[56] 对砂带磨削钛合金的加工历程举行了系统研究，，，，，展现了工艺参数 （进给速率、砂带线速率与下压量）对外貌粗糙度的影响纪律，，，，，试验效果批注，，，，，外貌粗糙度随砂带的线速率的增大泛起出先减小后增大，，，，，随进给速率的增大而增大，，，，，随下压量的增大泛起先减小后增大的转变趋势。。。。。。。；；；；圃频萚57] 使用机械人浮动砂带对航空发念头钛合金叶片举行磨削，，，，，试验平台如图 16 所示。。。。。。。该试验通过控制机械人各个轴的坐标转换来控制叶片的运动轨迹，，，，，自顺应浮动磨头可凭证被加工工件现实线型举行自动赔偿，，，，，以抵达最佳的磨削效果。。。。。。。与磨削前相比，，，，，磨削后的叶片均可获得0.4μm 以下外貌粗糙度。。。。。。。

Gong 等[58] 针对砂带磨削历程中磨具难以举行有用修正等难题，，，，，立异性地提出了一种基于空心球的新型结构磨粒砂带，，，，，并对其自锐性能举行了探讨，，，，，效果发明，，，，，空心球砂带的 自锐性能优于古板砂带。。。。。。。进一步验证空心球砂带的自锐性对其磨削性能的影响，，，，，如图 17 所示[58]（ape 为现实磨削深度；；；；；ap 为磨削深度）。。。。。。。当使用古板氧化铝砂带时，，，，，由于钛合金外貌强烈的塑性流动而引起外貌缺陷和黏粘碎屑，，，，，而使用空心球氧化铝砂带时则未泛起上述加工质量问题，，，，，外貌粗糙度值达 0.39μm。。。。。。。

王燎原等[59–60] 和陈法宇[61] 等设计出一种针对 3D 打印的异形波导管件（图 18），，，，，接纳振动复合、高压气流复合等多物理场复合磁力研磨加工手艺举行光整，，，，，起源获得了抵达航空应用手艺要求的试验效果，，，，，为异形件内外貌的光整加工提供了要害的手艺参考。。。。。。。

现在，，，，，南京航空航天大学徐九华团队通过多年的积累已相继开发出钎焊超硬磨料磨具与热管砂轮，，，，，并配合基于高效换热作用的磨削加工工艺，，，，，在钛合金质料磨削加工外貌完整性控制方面取得了一定的效果。。。。。。。然而，，，，，磨削热仍是制约钛合金质料高性能磨削加工的主要因素，，，，，为此，，，，，未来开发高性能新型磨料磨具将成为行业内的研究热门。。。。。。。

3、 钛合金复合加工手艺

随着钛合金切磨削加工和特种加工历程的认知深化和工艺实践的富厚，，，，，钛合金车削、铣削、磨削和特种加工手艺在航空结构件制造中获得了普遍应用，，，，，同时，，，，，以提质增效为工艺目的的复合加工工艺在钛合金加工中的应用也日益引起人们的关注。。。。。。。

复合加工是将两种及两种以上加工工艺集成在统一加工历程中，，，，，借助多种形式的能量（声、光、电、热、化学等）提高加工工具的可加工性、外貌质量或加工效率，，，，，减小刀具消耗。。。。。。。本节主要先容超声振动辅助切削加工手艺、激光辅助切削工艺、超低温加工工艺、电流辅助切削工艺 3 种复合加工工艺在钛合金加工中的研究希望。。。。。。。

3.1 超声振动辅助切削加工手艺

作为一种非古板加工手艺，，，，，超声振动辅助加工手艺是在通例切削（车削、铣削、磨削）中为工件或者刀具施加一个以上维度的高频（约 20kHz）微米级振动，，，，，用周期性“疏散 – 切削”取代通例工艺的一连切削作用[62]。。。。。。。

Chen 等[63] 通过螺旋铣削和超声振动螺旋铣削两种工艺下 Ti–6Al–4V合金孔加工行为举行研究，，，，，如图 19所示，，，，，效果批注，，，，，与螺旋铣削相比，，，，，超声振动螺旋铣削加工的孔径误差减小、外貌微观硬度增添，，，，，且在超声振动辅助螺旋铣削加工孔外貌的横截面 SEM 上视察到了约莫 4~6μm 的β 相变形层。。。。。。。别的，，，，，由于超声波振动载荷在加工孔的外貌和亚外貌爆发更多的质料塑性变形，，，，，进而增添了其外貌加工硬化效果。。。。。。。

在超声振动辅助切削的基础上，，，，，为了提高明声振动切削加工的效率，，，，，研究者提出了高速旋转超声椭圆振动铣削工艺和高速超声波动式切削要领。。。。。。。高速旋转超声椭圆振动铣削工艺将椭圆运动形式引入超声振动辅助铣削，，，，，刘佳佳等[64] 研究了钛合金的高速旋转超声椭圆振动铣削工艺，，，，，试验效果批注，，，，，超声振幅越大，，，，，铣削平均径向切削力值越。。。。。。。，，，，外貌粗糙度 值、铣削外貌剩余压应力值、变形层厚度以及晶粒细化水平越大（图 20）。。。。。。。

Peng 等[65] 接纳硬质合金刀具对Ti–6Al–4V 合金举行古板切削（CC）和高速超声波振动辅助切削（HUVC），，，，，对其加工历程中外貌完整性的影响举行了试验研究，，，，，如图 21 所示，，，，，试验效果批注，，，，，高速超声波振动辅助切削可有用提高 Ti–6Al–4V 合金加工性能、工艺稳固性和外貌完整性。。。。。。。

3.2 激光辅助切削加工手艺

激光辅助切削是在通例切削（车削、铣削、磨削）历程中，，，，，在工件的待加工外貌施加与刀具作同步进给的激光照射，，，，，使用激光能量对工件待加工外貌质料举行预处置惩罚。。。。。。。如图 22 所示[66]，，，，，比照研究批注相关于通例车削和铣削加工，，，，，激光辅助加工用于钛合金时能够通过外貌质料氧化、表层亚表层质料软化和相变等作用提高质料的可加工性，，，，，显著降低刀具的切削力，，，，，减缓刀具磨损，，，，，获得较低的外貌粗糙度。。。。。。。针对激光砂带加工的研究批注复合加工中同时爆发磨粒磨削的质料塑性去除和质料气化及熔化去除，，，，，可以提升加工外貌的耐磨 损性能。。。。。。。通过激光参数和切削参数优化匹配，，，，，激光辅助切削在提高钛合金加工质量方面已经取得了起劲的学术效果，，，，，在加工效率提升和低能耗生产方面的应用潜力也初见效果。。。。。。。

3.3 超低温切削加工手艺

超低温（低于 –153℃）切削手艺，，，，，是指一种在质料去除历程中接纳液氮等强冷却介质的绿色加工工艺要领。。。。。。。强冷却介质在喷射压力作用下进入加工区域，，，，，依赖热传导、热对流 等换热方法降低切削热。。。。。。。

Dhananchezian 等[67] 针 对 TC4钛合金开展了液氮超低温车削试验，，，，，研究效果批注，，，，，超低温加工情形能够降低切削温度、切削力、外貌粗糙度和刀具磨损。。。。。。。Shokrani 等[68] 比照了TC4 的常温端铣、漫灌式切削液冷却铣削和超低温端铣加工，，，，，发明超低温情形显著降低了加工后的外貌粗糙度值，，，，，镌汰了塑形变形和切屑二次沉积引起的加工外貌损伤。。。。。。。如图 23 所示[69–70]，，，，，超低温铣削能够提高加工外貌微观硬度[70]，，，，，降低切削变质层的深度。。。。。。。梁旭等[71] 发明在干切削、超临界 CO2（scCO2）以及 scCO2 与油膜附水滴 （OoW）混淆 3 种切削方法中，，，，，scCO2 与微量油膜附水滴混淆冷却方法能有用减小切削力和降低切削温度，，，，，因而获得优异的加工外貌，，，，，并研究了切削参数对切削力和切削温度的影响纪律。。。。。。。在超低温加工的基础上，，，，，针对低刚度薄壁钛合金蜂窝结构在通例铣削中的卷曲、开焊、塌边等缺陷，，，，，文献 [72–73] 提出了冰固持低温铣削，，，，，以脆硬的剪切断裂方法取代强韧的拉伸断裂，，，，，提高了工件刚度和铣削力，，，，，能够有用抑制加工缺陷，，，，，提高外貌质量。。。。。。。

3.4 电流辅助切削加工手艺

电流辅助切削是在通例切削加工中使用导电工件在通入电流时爆发的塑性转变来提高工件质料加工质量的复合加工要领。。。。。。。Lou 等[74] 团结仿真和试验研究了 TC4 钛合金电脉冲辅助加工，，，，，效果批注，，，，，电脉冲作用能够减小钛合金的硬度和屈服应力，，，，，提高切削历程的平稳性，，，，，利于形成一连切屑，，，，，从而降低刀具切削力、加工外貌缺陷和外貌粗糙度值，，，，，如图 24 所示。。。。。。。

路冬等[75] 比照了通俗车削与电塑性车削两种差别加工要领下的切削力和外貌粗糙度，，，，，发明电塑性辅助车削加工的工件外貌质量获得显着改善且切削力显著降低，，，，，并提出了选用较 高的放电电压及较低的放电频率的工艺控制战略。。。。。。。在此基础上，，，，，廖鹏飞等[76]进一步比照了 TC4 钛合金通俗车削、超声振动辅助车削及电塑性 – 超声振动耦合辅助车削，，，，，试验效果批注，，，，，电塑性－超声振动耦合辅助车削的切削力最。。。。。。。，，，，并且外貌质量改善最为显著，，，，，较大的放电电压及较高的放电频率有利于降低切削力，，，，，获得较好的外貌质量。。。。。。。作为一种绿色辅助手段，，，，，电流辅助切削为钛合金高质量加工提供了一种有远景的工艺计划。。。。。。。

总体来说，，，，，通过能量场辅助能够有用改善钛合金质料的加工外貌完整性。。。。。。。可是，，，，，各能量场作用下的质料去除机制等科学问题尚有待深入研究。。。。。。。

4、 钛合金特种加工手艺

特种加工是泛指用电能、热能、光能、电化学能、化学能、声能及特殊机械能等能量抵达去除或增添质料的加工要领[77]，，，，，详细可分为成形加工手艺、外貌光整加工手艺和外貌强 化手艺。。。。。。。本研究主要叙述的钛合金特种加工手艺包括细密电火花成形加工手艺、细密电解加工手艺、磨粒流光整加工手艺、外貌喷丸强化手艺和外貌激光攻击强化手艺。。。。。。。

4.1 细密电火花成形加工手艺

电火花成形加工手艺是一种拷贝式加工，，，，，它使用工具电极和工件电极间最小间隙处或者绝缘强度最低处，，，，，在高压脉冲电压下形成的脉冲放电对工件外貌质料实现微量蚀除，，，，，工具电极的形状逐步拷贝到工件待加工外貌，，，，，以此实现成形加工[78]。。。。。。。电火花成形加工手艺特殊适合难加工合金质料和难加工结构，，，，，且手艺较为成熟，，，，，因而在航空航天高性能钛合金零部件生产中具有普遍应用，，，，，也一直延伸出新的研究偏向。。。。。。。

使用煤油介质和铜工具电极加工钛合金时，，，，，电火花加工外貌较为粗糙并笼罩有白层，，，，，白层包括种种碳化物和氧化物，，，，，其硬度较基体质料大，，，，，且脉冲能量越大，，，，，再铸层越厚。。。。。。。峰值 电流越大时，，，，，质料去除率和工具电极消耗越快，，，，，外貌裂纹也越严重[79–81]。。。。。。。

图 25[77] 为电火花成形加工 TC4 钛合金的外貌完整性。。。。。。。别的，，，，，过大的脉宽会引起放电外貌严重积碳（煤油剖析），，，，，因而降低加工外貌质量和加工效率。。。。。。。Tang 等[82] 通过电火花单点放电特征的仿真来研究钛合金电火花加工机理，，，，，效果批注，，，，，再铸层和热影响层厚度沿着放电蚀坑中心到蚀坑边沿逐渐增添，，，，，再铸层和热影响层的金相组织差别，，，，，但同时保存较大的剩余应力值。。。。。。。脉冲电流影响蚀坑的应力状态，，，，，脉宽则对再铸层深度和最大拉应力深度有显著影响。。。。。。。Rahul 等[83] 研究了工具电极质料对 TC4 钛合金电火花成形加工外貌完整性、工具电极消耗和加工效率的影响，，，，，发明深冷处置惩罚铜工具电极比通例铜工具电极和钨工具电极在加工效率、外貌质量和工具电极消耗上都有更好的体现。。。。。。。

Shokrani 等[68] 以外貌粗糙度和加工效率为目的，，，，，通过优化脉冲电流、脉宽、占空比、抬刀周期等电参数，，，，，实现了钛合金的高效高质量电火花成形加工，，，，，为钛合金电火花成形加工的工程化应用提供了可行的手艺计划。。。。。。。

4.2 磨粒流加工手艺

钛合金工件经由车削、铣削、电火花加工、增材制造等手艺加工后的外貌完整性往往难以知足使用要求，，，，，而黏弹性磨粒流光整加工 （Abrasiveflow machining，，，，，AFM）是一种行之有用的钛合金外貌光整手艺，，，，，在该手艺中，，，，，半流动的黏弹性磨料在挤压力作用下游经工件外貌，，，，，驱动其中的硬质磨粒切削工件表层的“微凸起”特征来实现抛光目的。。。。。。。

Yu 等[84–85] 使用磨粒流光整加工手艺抛光细密电火花加工后的 TC4钛合金外貌，，，，，效果批注，，，，，磨粒流光整加工能够显著降低工件外貌粗糙度（图 26[84]），，，，，去除电火花加工中形成的再铸层，，，，，提高加工后外貌的硬度漫衍一致性，，，，，引入表层剩余压应力。。。。。。。通过工序间余量优化分派，，，，，磨粒流光整加工手艺能够实现提质增效的综合工艺目的。。。。。。。

钛合金工件在磨粒流光整加工后的外貌粗糙度一致性是目今该手艺在工程应用中面临的挑战之一。。。。。。。关于初始外貌形貌匀称性的工件，，，，，粗糙度作为表层质料去除的宏观效果之一，，，，，粗糙度一致性可以归结为质料去除一致性，，，，，此后者的要害手艺之一是工件外貌质料在磨粒流加工中的去除量漫衍展望。。。。。。。Fu 等[86] 接纳多磨粒摩擦磨损的叠加作用构建了磨粒流加工工艺的质料去除率展望模子，，，，，并将之用于钛合金叶片的双向磨粒流加工展望，，，，，并针对保存的质料去除一致性低问题 （图 27），，，，，提出了优化夹具结构的工艺控制战略 （图 28）。。。。。。。

Bouland 等[87] 使用剖析法和流场仿真辅助工具构建了对应的磨粒流加工质料去除率展望模子，，，，，提出了使用预试验获得的修正函数来减小由于磨粒流抛光效率衰减导致的质料去除率展望误差的建模战略，，，，，并将该模子用于展望增材制造钛合金工件的磨粒流光整加工效果。。。。。。。

4.3 细密电解加工手艺

细密电解加工手艺是基于电化学原理的一种非接触式特种加工手艺，，，，，具有工具无消耗、无剩余应力、质料以离子状态消融等优点，，，，，在难切削、重大形状、低刚度的航空结构件大余量去除中获得普遍应用[88–90]。。。。。。。

Choungthong 等[91] 将电解加工工艺用于去除激光铣削加工的钛合金工件外貌重铸结构，，，，，并重点视察了电解加工前后激光研磨腔的外貌、亚外貌和尺寸的转变，，，，，效果批注，，，，，电解加工可以去除大部分重铸结构，，，，，且腔深随加工时间的延伸而增大。。。。。。。高激光功率的使用不但增添了重铸量，，，，，并且还增添了工件外貌的微孔、裂纹等缺陷。。。。。。。这些缺陷可以通过电解再现，，，，，从而扩大微孔和裂纹，，，，，并使事情外貌加工质量爆发恶化。。。。。。。相关研究效果为激光切割外貌的重铸去除和去毛刺提供了理论指导。。。。。。。

孙晓宇等[92] 接纳了电解加工手艺制造钛合金心血管支架，，，，，试验批注，，，，，该工艺制造镍钛合金心血管支架的外貌完整性和生物相容性显着改善，，，，，如图 29 所示。。。。。。。同时提高了电解加工手艺的情形友好性，，，，，为制造性能优异的心血管支架提供了理论指导。。。。。。。

李越等[93] 剖析了极间距和温度等参数对钛合金管电解加工效果的影响，，，，，试验批注，，，，，较佳的极间距和温度划分为 15mm 和 25℃，，，，，如图 30 所示，，，，，在该参数下电解抛光 90s 后，，，，，镍 钛合金管外貌光洁平整，，，，，电蚀坑和突起较少，，，，，外貌粗糙度最。。。。。。。54.8nm），，，，，外貌剩余压应力最大（191.7MPa）。。。。。。。

不可忽视的是当下较量缺乏对细密电解加工多物理场耦合机理研究[94]，，，，，海内外现有大大都多物理场耦合研究举行了模子简化处置惩罚[95]，，，，，建设相瞄准确的细密电解加工多物理场模子仍较难题。。。。。。。脉冲与振动准确匹配时，，，，，加工间隙内流场、电场、温度场、电化学消融速率场耦相助用极为重大。。。。。。。以后的研究需要通过展现多物理场作用纪律，，，，，掌握电解加工成形纪律，，，，，并实现成形历程准确展望。。。。。。。

4.4 外貌喷丸强化手艺

喷丸加工中，，，，，高速弹丸流以 20~100m/s 的速率撞击工件外貌，，，，，如图31 所示[96]，，，，，弹丸流的机械撞击使工件表层质料爆发一定深度的塑性变形区，，，，，并将剩余压应力引入外貌塑性    变形层，，，，，有用阻止工件在服役历程中的裂纹萌生和扩展，，，，，提高其疲劳寿命和抗应力侵蚀能力[97]。。。。。。。同时，，，，，撞击能改变工件表层微观组织结构，，，，，在工件外貌爆发高密度的晶格缺陷和位错，，，，，表层晶粒获得显着细化[98–99]。。。。。。。

Li等[100]接纳X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对 TC17 钛合金喷丸强化外貌举行了综合表征，，，，，研究了TC17 外貌形貌演变和晶粒尺寸随深度的转变纪律，，，，，发明喷丸加工外貌的强烈塑性变形诱发了位错运动，，，，，位错运动具有很高的层错能，，，，，从而实现了质料表层晶粒的细化，，，，，显微硬度从工件外貌到基体逐渐增添（440HV0.02提高到 629HV0.02），，，，，泛起出递减的梯度转变纪律。。。。。。。孙辉[101] 对 TC4 钛合金叶片喷丸历程举行数值剖析及试验研究，，，，，确定了喷丸速率等工艺条件和工艺路径，，，，，研究了叶片经加工后的外貌状态，，，，，指出了在叶片机加工时应给予一定的预赔偿量，，，，，可使叶片喷丸变形后抵达预定的形状，，，，，如图32所示。。。。。。。

在工程应用中，，，，，应该通过喷丸工艺参数优化来兼顾加工外貌质量和加工效率，，，，，同时阻止加工外貌剥层和褶皱异常缺陷对工件服役性能爆发的倒运影响。。。。。。。别的，，，，，通过将喷丸外貌强化与其他手艺复合，，，，，在包管工件外貌力学性能的同时降低粗糙度，，，，，是喷丸外貌强化手艺研究和应用的关注点之一[102–103]。。。。。。。

4.5 外貌激光攻击强化手艺

激光攻击强化加工手艺是近年来生长起来的新型强化手艺[104]。。。。。。。该手艺使用激光束爆发等离子体诱发的攻击波在工件次外貌引起局部塑性变形，，，，，并使其爆发高度位错，，，，，进而提高零部件的整体服役性能（图33[102]）。。。。。。。Li 等[105] 对 TC4 的激光攻击强化效果举行了试验研究。。。。。。。效果发明，，，，，未经强化试样的振动疲劳断裂区的裂纹源位于外貌以下约 100μm 深度处，，，，，而经由激光攻击强化试样的振动疲劳断裂区的裂纹源位于次外貌（图 34[105]）。。。。。。。

进一步发明，，，，，激光攻击强化次数对疲劳寿命具有起劲的影响。。。。。。。随着强化次数的增添，，，，，初始晶粒将细化为许多亚晶粒，，，，，甚至是纳米晶粒（图 35[105]）。。。。。。。

昝垚旭等[106] 使用 X 射线衍射仪、显微硬度计中剖析了激光攻击强化处置惩罚后 Ti834 合金，，，，，并用扫描电子显微镜等视察被最终区域的外貌形貌和显微组织，，，，，效果批注，，，，，第 1 次处 理和第 2 次处置惩罚后形成的强化层厚度划分为 170μm 和 265μm，，，，，剩余压应力峰值均泛起在次表层。。。。。。。孙汝剑等[105] 接纳 20J、25J 和 30J 级别的脉冲激光攻击 TC17 钛合金，，，，，视察并归纳其微观组织演变、外貌形貌及粗糙度转变、剩余应力漫衍和拉升性能改变纪律。。。。。。。得出了试样外貌粗糙度降低，，，，，外貌剩余应力增大，，，，，钛合金屈服强度提升 30~70MPa 的结论，，，，，但激光攻击强化对 TC17 钛合金抗拉强度影响不大，，，，，如图 36 所示[107]。。。。。。。

综上所述，，，，，针对钛合金难加工质料而言，，，，，特种加工手艺可解决航空发念头等装备制造中通例加工要领无法实现的加工难题。。。。。。。别的，，，，，由此衍生出的特种加工与古板制造手艺相团结的组合式加工新看法与新工艺是未来需要研究的主要课题。。。。。。。

5 、结论

本研究针对钛合金切削温度高，，，，，刀具磨损严重等问题，，，，，从切削加工、磨削加工、复合加工以及特种加工 4个工艺角度对钛合金加工外貌完整性的生长现状睁开综述，，，，，剖析了工艺 参数对外貌完整性状态特征的影响纪律。。。。。。。其中，，，，，钛合金质料在差别加工方法下所获得的外貌完整性不尽相同，，，，，进而导致其服役性能爆发显著差别。。。。。。。为此，，，，，针对现在钛合金加工手艺 生长现状，，，，，为了获得有用外貌完整性加工，，，，，钛合金质料加工手艺的进一步生长趋势主要集中在以下 4 个方面。。。。。。。

（1）钛合金质料在切削、磨削、复合加工与特种加工等工艺历程中均会遭受差别的机械 / 热载荷，，，，，并引起其加工外貌微观组织及机械特征的转变，，，，，继而对其服役性能造成差别 水平的影响。。。。。。。然而，，，，，就现在而言，，，，，还没有合适的理论要领来对差别服役性能要求的钛合金质料选择最佳的加工工艺。。。。。。。因此，，，，，未来的事情有须要从差别加工工艺下钛合金的外貌完 整性与功效性的影响机制着手举行深入探讨。。。。。。。

（2）钛合金细密加工正朝着高效、细密、低损伤的偏向生长，，，，，随着高速 / 超高速加工手艺与多能场复合细密加工手艺的快速生长，，，，，使得钛合金高效低损伤细密加工成为了可能。。。。。。。然而，，，，，关于超高速加工手艺而言，，，，，高应变下的质料去除模式对其加工外貌质量的影响机理尚有待于深入研究。。。。。。。别的，，，，，基于力 – 热耦合场下外貌完整性的演变已举行了深入研究。。。。。。。然而，，，，，在多能场辅助复合加工手艺中，，，，，需要充分思量重大场效应对其外貌完整性的影响，，，，，并在此基础上完善相关理论模子。。。。。。。

（3）在钛合金细密加工历程中，，，，，刀具 / 磨具磨损是制约钛合金高外貌完整性加工的焦点瓶颈问题，，，，，其磨损水平又会复映到外貌完整性，，，，，致使外貌完整性一致性较差。。。。。。。未来应基 于时间维度，，，，，将刀具 / 磨损问题纳入外貌完整性演变纪律中，，，，，并开发出响应的理论模子。。。。。。。别的，，，，，高性能刀具 /磨具的开发也是现在值得深入研究的工程科学问题。。。。。。。

（4）现在，，，，，大大都研究集中于某一种加工手艺下外貌完整性的演变纪律问题。。。。。。。然而，，，，，一个零部件从毛坯到制品，，，，，往往需要履历多种加工工艺，，，，，如切削 – 磨削 –（特种加工）– 研 抛 – 表层强化等工艺流程。。。。。。。因此，，，，，需要建设面向整个工艺链中工艺参数与外貌完整性的映射模子，，，，，并以钛合金要害零部件的服役性能需求为目的，，，，，获得其知足服役性能需求的工艺 特征域，，，，，对指导和推动钛合金要害构件高外貌完整性制造手艺的生长涤讪理论基础。。。。。。。

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通讯作者：孙玉利，，，，，教授，，，，，博士生导师，，，，，工学博士，，，，，主要研究偏向为细密与超细密加工手艺、航空航天重大结构件细密光整加工手艺与装备、现代外貌工程手艺。。。。。。。

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