钛合金本身强度高、密度小，同时具有很好的耐高温性能，同时抗腐蚀效果好，因此在航天领域中应用十分广泛，被亲切地称为是航天的“脊柱”材料。在最近，钛合金在很多领域中都得到了广泛的应用，特别是石油、化工和生物、冶金等等，同时也成为了重要的工艺材料之后，在最近几年中，钛合金发展进入了更加旺盛的时期，相继出现各种结构和产品。
在当前，我国的锻造行业中对激光切割技术依赖性也不断提高，特别是在一些结构钢锻件的连皮和飞边中。但是在我国的钛合金锻件工艺中，激光切割技术的应用属于限制性的。然而在激光切割技术不断更新换代和发展的今天，激光设备功率显著提高，切割使用的气体也更加多元化，这些都显著提高了激光切割技术的应用，推动了钛合金锻件工艺技术发展。
1、 激光切割技术和应用发展
激光切割技术有着很久的历史，大概经过 50 年的发展，到现在日趋成熟。在应用过程中，激光切割技术主要是使用激光束能量集中的性质，把需要进行切割的材料顺着切割位置熔化，之后在气体作用下，吹走已经熔化的材料，之后形成形状特定的切缝。在当前的机械制造业中，一些金属材料以及非金属材料都需要使用激光切割技术进行加工，另外，在模具制造中，激光切割技术也得到了应用。
激光切割技术有着很强的适应性，这也使得该技术的应用越来越广泛，在当前阶段，机械制造行业中的激光切割技术使用非常广泛，特别是在加工零部件环节中。总体来讲，激光切割技术一般是在三个方面中，即金属材料切割、非金属材料切割和其他的应用。
激光切割技术在上世纪七十年代才开始使用，作为新兴加工技术，发展尚未完全成熟，然而其优越性确实十分显著的。为了促进激光切割技术更好的发展，我们必须要充分掌握其使用的优势和不足，不断改革该技术，使其更好地应用在制造行业中。
2、 钛合金材料的应用
美国在上世纪研究制成了钛合金 Ti-6AI-4V，其使用性能优良，牌号是 TC4。因为它的使用性能良好，因此在对其他的钛合金性能进行评价时，也常常将 TC4钛合金当作是标准进行对比分析。在当前，轻量化是每个行业的发展趋势，钛合金材料有着显著的轻量化优势，逐渐代替了过去的钢、铝、镁等等材料。在以下，主要是从三个领域入手，分别是海、陆、空，分析钛合金应用的现状。
2.1 海域中钛合金的应用
潜艇一直是海域中的重要装备。钛合金的使用有着很高的抗腐蚀性，强度高、低温强等等，在雷达、潜艇中有着广泛的应用。在我国，新型鱼雷弹体的使用材料主要是钛合金，这就减轻了整体的重量，同时延长了射程。钛合金材料在深潜艇中的应用主要是使用在推进器、耐压壳体、管系、声学装置和阀门中，比如我国使用的“蛟龙”号载人潜水器、俄罗斯使用的“北风之神”级潜水器等等，都是使用钛合金材料制作成为耐压壳体。舰船的材料中，钛合金的使用主要是集中在美国、日本和俄罗斯等等国家，应用在泵、过滤器、管路、紧固件、电器元件等等设备中，比如美国核动力航母和日本的渔船和民用游船等等。
2.2 陆域中钛合金的应用
在一些装甲、汽车、和日常生活中，钛合金也有着广泛的应用。在汽车领域中，钛合金主要是在排气系统内，是主要的排气门组件材料，比如曲柄、气门、连杆和气门座等，比如在新型雪佛兰 Corvette Z206汽车中，使用的回气管以及弹簧座等等都是采用钛合金材料制造的。
陆基武器的使用中，坦克装甲车十分重要。鉴于钛合金本身的抗弹性能强、工艺性能良好，可以替代传统的装甲钢和装甲铝合金等等材料。在当前使用的装甲钛合金不仅仅拥有着强大的抗弹性能，也能够顶住弹丸冲击。在国外，一些国家已经在装甲板上使用了 TC4 钛合金，并且代替了很多钢制部件，常见的设备有 T-35 坦克，采用了全钛合金模块化，显著增强了抗击性能。
在医疗行业领域中，钛合金因为抗腐蚀效果和生物相容性，不会给人体造成伤害，因此在内科、外科和牙科中都有广泛的应用。在外科中，主要是作为膝关节、腕关节以及接骨板中的人工替代物，在内科的应用中，能够作为心脏起搏器的重要材料。在牙科中，能够使用在补齿中，这些都大大提高了医疗的效率和水平，减少了手术器械负荷。
另外，在一些民用健康产品中，钛合金材料的使用也十分普遍，钛锅取代了以前的铝锅和铁锅，钛合金杆取代了实木或不锈钢制的羽毛球、高尔夫球杆等。
2.3 空间领域中钛合金的应用
在当前的航空与航天领域中，钛合金的使用十分普遍，据统计，在航空工业领域中，钛材使用的量占到总体钛材市场的一半以上。在国际上，也将钛合金纳入了航空工业发展水平的评价指标之一。在航空行业中，钛合金主要是使用在发动机结构、航空紧固件和飞机结构件中。航空紧固件包含螺栓、螺钉、铆钉。
在发动机中，其钛合金结构件有机匣、叶片、压气机和鼓筒等等。在飞机结构件中，有起落架部件、机身蒙皮以及尾翼和梁等。在当前，俄罗斯和美国的先进战斗机比较多，对钛合金的使用范围广。我国的战斗机中也应用了钛合金材料，但是基本都是民用飞机的范围中，在商用客机中，其使用量依然很小。
钛合金在航天领域中主要是使用在发动机壳体、宇宙飞船船舱火箭和喷嘴导管中。在我国、俄罗斯、日本、美国等等国家中，钛合金的应用十分普遍。在美国，其使用的“阿波罗”宇宙飞船中钛率为 85%，并且神州飞船和运载火箭等等都使用了该材料。
3 、激光切割技术在钛合金锻件上的应用试验分析
3.1 试验材料与试验方法
本研究选择了不同规格厚度的 TC11 钛合金材料，分别使用不同的气体切割设备进行切割实验。试验料外观尺寸等等参考图 1 和表 1。在完成后，从整体和细节分别观察材料的组织和切割面情况，采用高倍金相组织形貌对材料的热影响层深度进行观察和分析，使用显微硬度评价热影响层厚度并进行验证。
宇宙飞船船舱火箭和喷嘴导管中。在我国、俄罗斯、日本、美国等等国家中，钛合金的应用十分普遍。在美国，其使用的“阿波罗”宇宙飞船中钛率为 85%，并且神州飞船和运载火箭等等都使用了该材料。
3.2 试验结果与分析
在开展实验切割前，都会首先调试设备的参数，其中调试的参数有焦距、切割速度、激光功率、辅助气体、喷嘴等，在调整到最佳的参数之后，再进行实物的切割操作。
（1）N2辅助下、10000W 功率激光切割钛合金分析
在这个条件下进行不同厚度试料的切割，其切割面的宏观参考图 2，其显微组织参考图 3。在这两个方面看，激光切割钛合金锻件出现了显著的氧化痕迹，并且切割面呈现出凹凸不平的外观，随着厚度的增加，切割面的热影响和凹凸程度也在不断增加，这和钛合金热传导率差有着一定的关系。
为了对金相热影响以及层厚度进行相关性的探究，使用 3#金相试样开展维氏硬度测试，对金相评估进行验证。在维氏硬度测试时，需要加载 0.5kg、保载 12s开展，检测结果参考图 4。在金相组织评价中，其热影响层深度为 2.58mm，而维氏硬度下则是 2.49mm。上述表明，金相组织评价激光切割热影响层深度是行之有效的。
在 N2辅助条件下，选择 10000W 功率的环境分析激光切割钛合金锻件，将其金相组织以及热影响层深度进行对比，具体参考图 3。减切割操作出现氧化凹凸，对深度进行分析，得出不同厚度条件下的切割深度影响，具体参考图 5。在图 5 中能够看出，切割试料厚度从 12mm 增加到 25mm 时，其总影响深度也出现了一定的变化，从 3.81mm 提高到 4.88mm，这就显著超过了锻件设计余量，在锻件飞边切割、连皮切割及粗加工上不具备使用条件。
（2）Ar 辅助、20000W 功率下的激光切割钛合金应用
在 Ar 辅助、20000W 功率条件下，针对厚度不同的试料，使用激光切割时其切割面宏观形态参考图 6，其显微组织参考图 7。观察其宏观以及显微组织，可以看到这个条件下的切割面十分平坦，同时有着很亮的光泽，其氧化程度并不显著，在厚度不断增加的条件下，切割面热影响层也在不断增加，和 10000W 功率、N2辅助条件下相比，要薄一些，这是因为钛合金和 Ar 不容易出现化学反应，随着切割试料厚度的逐渐增加，其切割操作的热量也在快速聚集，就会产生氧化现象，随着切割试料的厚度越来越大，热影响层厚度也不断提高。
和 N2 辅助下比起来，在这个条件下进行切割时光束能量弱，在对更厚试料进行切割时，为了确保表面氧化程度，能够调整工艺参数，然而调整之后可能产生切割不透的问题，因此，为了确保切割面的效果，必须要在厚试料的应用中选择大功率的切割设备。Ar 辅助、20000W 功率下进行的激光切割钛合金锻件，分析其金相组织和热影响层可知，在不同的试料厚度下，其切割产生的热影响深度参考图 8。在其中可知，随着切割试料厚度的提升，从 12mm 提高到 25mm，其材料热影响深度也从 0.09mm 提高至 1.16mm，这个热影响深度依然在锻件设计余量范围中，在连皮切割和飞边切割中，都可以进行使用。
氮气（N2）是使用比较普遍的工作气体，在高压的效果下，N2 等离子弧有着十分稳定的性质，同时比氩气具有更高的射流能量，即便是应用在粘性大的液态金属材料的切割中，其切口下缘产生的挂渣量也很少。N2 能够进行单独使用，同时也能够和其它气体进行混和应用，比如在自动化切割中，常常采用空气或者是 N2 作为主要的工作气体，同时这两种也成为了高速切割碳素钢使用的主要气体。另外，氮气也常常用在氧等离子弧切割中。
在本次试验中可知，在 N2辅助、10000W 功率条件下，因为 N2和钛十分容易出现化学反应，同时 N2有着助燃效果，能够切割具有一定厚度的钛合金锻件，但是可能使得表面产生凹凸不平的现象，同时热影响层厚，影响深度大大超越了锻件设计余量，因此无法推广使用。在 Ar 辅助、20000W 功率条件下进行的激光切割，钛和 Ar 不容易出现化学反应，因此能够切割的钛合金锻件厚度受到限制，但是切割面十分光滑，热影响层薄，其试料厚度也从 12mm 增加至 25mm，其总影响深度在锻件设计余量范围中，因此可以推广和使用。
在我国，激光切割技术的使用愈发普及，因其使用的优越性却十分显著。在当前的激光切割技术中，其优势有：切缝窄、精度高、速度快、切面光滑等等优势，同时能够节约材料，不被工件的外表影响，大大节约模具投资，减少产品的生产制作周期等等。另外，激光切割技术能够无人现场操作，这也避免了对人造成的损伤。在上文中可知，当前激光切割加工技术发展迅猛，随着国内激光器厂家如锐科、创鑫等，主机厂如大族、华工、奔腾、中车等的不断努力下，激光器及激光切割机价格大幅下调，高功率激光切割用于钛合金切割工艺的推广有很大的空间。
参考文献
[1]罗学全,于涛,蒋双双,等.TC4 钛合金高速铣削加工刀具失效机理研究[J].工具技术,2019,53(9):43-46.
[2]李召华,张保元,王春净.浅析影响激光切割的因素[J].中国设备工程,2019,416(5):110-111.
严淼宁,周磊,梁佳楠等.纳秒光纤激光精密切割超弹镍 钛 合 金 薄 板 工 艺 技 术 的 研 究 [J]. 机 电 工 程 技术,2023,52(01):85-88.
[3]黄定辉,王治平,魏丽等.激光切割技术在钛合金锻件上的应用研究[J].锻造与冲压,2023,546(1):20-22.
[4]刘旭东,李志永,刘育辰等.基于 ANSYS 的镍钛合金心血管支架光纤激光切割温度场仿真[J].制造技术与机床,2022,725(11):45-51.
[5]陈胜,黄辉宇,董雄炜等.激光切割技术的研究现状[J].有色金属加工,2022,51(5):1-6.
[6]郝海凌,侯红玲,吴浪等.钛合金及其激光加工技术的应用[J].激光杂志,2022,43(06):1-8.
[7]李越.镍钛合金心血管支架激光加工有限元分析及试验研究[D].淄博:山东理工大学,2022.
[8]黄定辉,王治平,魏丽等.激光切割技术在钛合金锻件上的应用研究[J].锻造与冲压,2023,546(1):20-22.
[9]叶康源,叶勇松,陈开勇等.热处理对 TC4 钛合金锻件组织和性能的影响[C]//中国航空学会.第十届中国航 空 学 会 青 年 科 技 论 坛 论 文 集 . 科 学 普 及 出 版 社,2022:7.
[10]方秀荣,王自亮,杨锦辉等.TC4 钛合金锻件疲劳寿命 分 析 及 其 仿 真 模 型 修 正 [J]. 锻 压 技术,2022,47(6):1-9.
[11]杨涛.航空用 TC21 钛合金锻造成型特性研究[D].绵阳:西南科技大学,2022.
[12]赵延广,孙丽莎,阎军等.TC4-DT 钛合金疲劳裂纹扩展性能研究[J].实验室科学,2022,25(1):15-17.
[13]王哲,何健,张帅等.锻造设备对 TA15 钛合金显微组 织 及 性 能 的 影 响 研 究 [J]. 钢 铁 钒钛,2022,43(1):80-84.
相关链接
