鈦合金本身強度高、密度小，同時具有很好的耐高溫性能，同時抗腐蝕效果好，因此在航天領域中應用十分廣泛，被親切地稱為是航天的“脊柱”材料。在最近，鈦合金在很多領域中都得到了廣泛的應用，特別是石油、化工和生物、冶金等等，同時也成為了重要的工藝材料之后，在最近幾年中，鈦合金發展進入了更加旺盛的時期，相繼出現各種結構和產品。

在當前，我國的鍛造行業中對激光切割技術依賴性也不斷提高，特別是在一些結構鋼鍛件的連皮和飛邊中。但是在我國的鈦合金鍛件工藝中，激光切割技術的應用屬于限制性的。然而在激光切割技術不斷更新換代和發展的今天，激光設備功率顯著提高，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的應用，推動了鈦合金鍛件工藝技術發展。

1、 激光切割技術和應用發展

激光切割技術有著很久的歷史，大概經過 50 年的發展，到現在日趨成熟。在應用過程中，激光切割技術主要是使用激光束能量集中的性質，把需要進行切割的材料順著切割位置熔化，之后在氣體作用下，吹走已經熔化的材料，之后形成形狀特定的切縫。在當前的機械制造業中，一些金屬材料以及非金屬材料都需要使用激光切割技術進行加工，另外，在模具制造中，激光切割技術也得到了應用。

激光切割技術有著很強的適應性，這也使得該技術的應用越來越廣泛，在當前階段，機械制造行業中的激光切割技術使用非常廣泛，特別是在加工零部件環節中。總體來講，激光切割技術一般是在三個方面中，即金屬材料切割、非金屬材料切割和其他的應用。

激光切割技術在上世紀七十年代才開始使用，作為新興加工技術，發展尚未完全成熟，然而其優越性確實十分顯著的。為了促進激光切割技術更好的發展，我們必須要充分掌握其使用的優勢和不足，不斷改革該技術，使其更好地應用在制造行業中。

2、 鈦合金材料的應用

美國在上世紀研究制成了鈦合金 Ti-6AI-4V，其使用性能優良，牌號是 TC4。因為它的使用性能良好，因此在對其他的鈦合金性能進行評價時，也常常將 TC4鈦合金當作是標準進行對比分析。在當前，輕量化是每個行業的發展趨勢，鈦合金材料有著顯著的輕量化優勢，逐漸代替了過去的鋼、鋁、鎂等等材料。在以下，主要是從三個領域入手，分別是海、陸、空，分析鈦合金應用的現狀。

2.1 海域中鈦合金的應用

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，強度高、低溫強等等，在雷達、潛艇中有著廣泛的應用。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，同時延長了射程。鈦合金材料在深潛艇中的應用主要是使用在推進器、耐壓殼體、管系、聲學裝置和閥門中，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，應用在泵、過濾器、管路、緊固件、電器元件等等設備中，比如美國核動力航母和日本的漁船和民用游船等等。

2.2 陸域中鈦合金的應用

在一些裝甲、汽車、和日常生活中，鈦合金也有著廣泛的應用。在汽車領域中，鈦合金主要是在排氣系統內，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、工藝性能良好，可以替代傳統的裝甲鋼和裝甲鋁合金等等材料。在當前使用的裝甲鈦合金不僅僅擁有著強大的抗彈性能，也能夠頂住彈丸沖擊。在國外，一些國家已經在裝甲板上使用了 TC4 鈦合金，并且代替了很多鋼制部件，常見的設備有 T-35 坦克，采用了全鈦合金模塊化，顯著增強了抗擊性能。

在醫療行業領域中，鈦合金因為抗腐蝕效果和生物相容性，不會給人體造成傷害，因此在內科、外科和牙科中都有廣泛的應用。在外科中，主要是作為膝關節、腕關節以及接骨板中的人工替代物，在內科的應用中，能夠作為心臟起搏器的重要材料。在牙科中，能夠使用在補齒中，這些都大大提高了醫療的效率和水平，減少了手術器械負荷。

另外，在一些民用健康產品中，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，鈦合金桿取代了實木或不銹鋼制的羽毛球、高爾夫球桿等。

2.3 空間領域中鈦合金的應用

在當前的航空與航天領域中，鈦合金的使用十分普遍，據統計，在航空工業領域中，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發展水平的評價指標之一。在航空行業中，鈦合金主要是使用在發動機結構、航空緊固件和飛機結構件中。航空緊固件包含螺栓、螺釘、鉚釘。

在發動機中，其鈦合金結構件有機匣、葉片、壓氣機和鼓筒等等。在飛機結構件中，有起落架部件、機身蒙皮以及尾翼和梁等。在當前，俄羅斯和美國的先進戰斗機比較多，對鈦合金的使用范圍廣。我國的戰斗機中也應用了鈦合金材料，但是基本都是民用飛機的范圍中，在商用客機中，其使用量依然很小。

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

3 、激光切割技術在鈦合金鍛件上的應用試驗分析

3.1 試驗材料與試驗方法

本研究選擇了不同規格厚度的 TC11 鈦合金材料，分別使用不同的氣體切割設備進行切割實驗。試驗料外觀尺寸等等參考圖 1 和表 1。在完成后，從整體和細節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行觀察和分析，使用顯微硬度評價熱影響層厚度并進行驗證。

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

3.2 試驗結果與分析

在開展實驗切割前，都會首先調試設備的參數，其中調試的參數有焦距、切割速度、激光功率、輔助氣體、噴嘴等，在調整到最佳的參數之后，再進行實物的切割操作。

（1）N2輔助下、10000W 功率激光切割鈦合金分析

在這個條件下進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。在這兩個方面看，激光切割鈦合金鍛件出現了顯著的氧化痕跡，并且切割面呈現出凹凸不平的外觀，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，這和鈦合金熱傳導率差有著一定的關系。

為了對金相熱影響以及層厚度進行相關性的探究，使用 3#金相試樣開展維氏硬度測試，對金相評估進行驗證。在維氏硬度測試時，需要加載 0.5kg、保載 12s開展，檢測結果參考圖 4。在金相組織評價中，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行對比，具體參考圖 3。減切割操作出現氧化凹凸，對深度進行分析，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，其總影響深度也出現了一定的變化，從 3.81mm 提高到 4.88mm，這就顯著超過了鍛件設計余量，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，使用激光切割時其切割面宏觀形態參考圖 6，其顯微組織參考圖 7。觀察其宏觀以及顯微組織，可以看到這個條件下的切割面十分平坦，同時有著很亮的光澤，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，這是因為鈦合金和 Ar 不容易出現化學反應，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，就會產生氧化現象，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，在這個條件下進行切割時光束能量弱，在對更厚試料進行切割時，為了確保表面氧化程度，能夠調整工藝參數，然而調整之后可能產生切割不透的問題，因此，為了確保切割面的效果，必須要在厚試料的應用中選擇大功率的切割設備。Ar 輔助、20000W 功率下進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，這個熱影響深度依然在鍛件設計余量范圍中，在連皮切割和飛邊切割中，都可以進行使用。

氮氣（N2）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定的性質，同時比氬氣具有更高的射流能量，即便是應用在粘性大的液態金屬材料的切割中，其切口下緣產生的掛渣量也很少。N2 能夠進行單獨使用，同時也能夠和其它氣體進行混和應用，比如在自動化切割中，常常采用空氣或者是 N2 作為主要的工作氣體，同時這兩種也成為了高速切割碳素鋼使用的主要氣體。另外，氮氣也常常用在氧等離子弧切割中。

在本次試驗中可知，在 N2輔助、10000W 功率條件下，因為 N2和鈦十分容易出現化學反應，同時 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生凹凸不平的現象，同時熱影響層厚，影響深度大大超越了鍛件設計余量，因此無法推廣使用。在 Ar 輔助、20000W 功率條件下進行的激光切割，鈦和 Ar 不容易出現化學反應，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計余量范圍中，因此可以推廣和使用。

在我國，激光切割技術的使用愈發普及，因其使用的優越性卻十分顯著。在當前的激光切割技術中，其優勢有：切縫窄、精度高、速度快、切面光滑等等優勢，同時能夠節約材料，不被工件的外表影響，大大節約模具投資，減少產品的生產制作周期等等。另外，激光切割技術能夠無人現場操作，這也避免了對人造成的損傷。在上文中可知，當前激光切割加工技術發展迅猛，隨著國內激光器廠家如銳科、創鑫等，主機廠如大族、華工、奔騰、中車等的不斷努力下，激光器及激光切割機價格大幅下調，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

[1]羅學全,于濤,蔣雙雙,等.TC4 鈦合金高速銑削加工刀具失效機理研究[J].工具技術,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].中國設備工程,2019,416(5):110-111.

嚴淼寧,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 的 研 究 [J]. 機 電 工 程 技術,2023,52(01):85-88.

[3]黃定輝,王治平,魏麗等.激光切割技術在鈦合金鍛件上的應用研究[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].制造技術與機床,2022,725(11):45-51.

[5]陳勝,黃輝宇,董雄煒等.激光切割技術的研究現狀[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的應用[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研究[D].淄博:山東理工大學,2022.

[8]黃定輝,王治平,魏麗等.激光切割技術在鈦合金鍛件上的應用研究[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]//中國航空學會.第十屆中國航 空 學 會 青 年 科 技 論 壇 論 文 集 . 科 學 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,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,2022.

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

[13]王哲,何健,張帥等.鍛造設備對 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.

相關鏈接