1、小序

钛合金是一种新型轻质金属质料，，，，，，，具有比强度高、耐侵蚀性强、密度低、生物相容性好、低温性能好以及疲劳强度高等优良特征，，，，，，，已经被普遍应用于航空航天、船舶、汽车、武器、石油能源、冶金、医疗以及一样平常生涯等领域，，，，，，，享有“深海金属”、“空间金属”以及“生物金属”等美誉［1－2］。。。。。。。。我国在钛质料方面的应用快速增添，，，，，，，仅从2015 年到2019年间，，，，，，，我国钛材产量由4. 86 万吨增添到了7. 53 万吨，，，，，，，增添了55%［3］。。。。。。。。

随着钛及其合金使用越来越普遍，，，，，，，钛合金的机械加工、电火花线切割加工、短电弧铣削加工以及激光加工等加工方法逐步成熟。。。。。。。。可是不可阻止地发明了一些难题。。。。。。。。例如机械加工中，，，，，，，由于钛合金硬度高和导热性能差，，，，，，，加剧刀刃磨损并容易造成刀具崩刃，，，，，，，且钛合金化学亲和性大，，，，，，，会在摩擦外貌泛起粘刀［4－6］; 在电火花线切割中，，，，，，，泛起了切割速率较慢、效率低以及频仍断丝等征象［7］; 在短电弧铣削加工中，，，，，，，电极间容易爆发熔融物群集，，，，，，，若冲洗不实时会泛起二次放电或者短路征象，，，，，，，直接影响加工效率、电极消耗和外貌质量等［8－9］。。。。。。。。在激光加工中，，，，，，，激光与工件无接触、无“刀具”磨损和无“切削力”作用于工件，，，，，，，具有热影响区较小、工件热变形小、激光束易于导向、加工生产效率高等优点［10］。。。。。。。。与其他加工要领相比，，，，，，，激光加工钛合金的优点显着，，，，，，，具有辽阔的应用远景。。。。。。。。

随着激光加工钛合金手艺应用研究的一直深入，，，，，，，相关难题逐步涌现。。。。。。。。从两方面临钛合金和激光加工钛合金的几种常用要领及应用，，，，，，，尤其是学者的研究效果举行先容，，，，，，，剖析了种种要领的优点和应用中保存的问题，，，，，，，展望了钛合金及其加工手艺的生长趋势，，，，，，，对钛合金激光加工中泛起的问题提出了一些对策。。。。。。。。

2、钛合金质料的应用

上世纪中期，，，，，，，美国首次乐成研制出一种具有优良特征的适用钛合金Ti-6AI-4V［11］，，，，，，，牌号为TC4。。。。。。。。由于突出的优良特征，，，，，，，界说新型钛合金性能的优劣通常以TC4钛合金作为参考举行比照。。。。。。。。现在，，，，，，，各个领域都在趋向轻量化的偏向生长，，，，，，，具有突出轻量化特质的钛合金质料已经逐步取代了古板的高强度钢、铝和镁等金属及其合金质料。。。。。。。。下面重点先容钛合金在海、陆、空领域中的应用及其研究情形。。。。。。。。

2. 1 钛合金在海域中应用

在海域中，，，，，，，潜艇一直是水师装备的焦点。。。。。。。。钛合金因其比强度高、抗侵蚀性和低温性能好等突出优点，，，，，，，已被应用到鱼雷、潜艇以及舰船等产品的制造中。。。。。。。。据英国媒体防务报道，，，，，，，我国研发的新型鱼雷的弹体由钛合金质料制成，，，，，，，不但整体重量大幅减轻，，，，，，，并且最大射程大幅增添。。。。。。。。在深潜艇中，，，，，，，应用钛合金质料的部件主要有耐压壳体、推进器、管系、阀门以及声学装置等，，，，，，，如俄罗斯的“冬风之神”级潜水器、中国的“蛟龙”号载人潜水器、美国的Alvin 号以及日本的Shinkai 6500号等深潜艇都通过钛合金质料制作耐压壳体。。。。。。。。在舰船中，，，，，，，钛合金的应用主要集中在美国、日本、俄罗斯以及中国等，，，，，，，主要应用于泵、过滤器、管路、电器元件、紧固件、外壳骨架以及推进系统等部件或者装备中，，，，，，，如美国的核动力航母、前苏联的“列宁号”破冰船、日本的民用游船和渔船等［12－14］。。。。。。。。

2. 2 钛合金在陆域中应用

钛合金已经在汽车、装甲、医用以及一样平常生涯中普遍应用。。。。。。。。在汽车行业中，，，，，，，使用钛合金生产的零部件有排气系统中的排气门组件，，，，，，，发念头中的气门、曲柄、连杆以及气门座等，，，，，，，减振系统中的弹簧以及汽车底盘中的制动器卡钳活塞、外壳以及车档支架等。。。。。。。。如新型雪佛兰Corvette Z206 汽车中回气管、保时捷汽车的发念头连杆以及三菱汽车发念头中气门弹簧座等都使用钛合金制造［15］。。。。。。。。

坦克装甲车在陆基武器中占有主要的职位，，，，，，，通过使用钛合金的抗弹性能和工艺性能，，，，，，，替换了古板装甲钢、装甲铝合金等装甲金属质料，，，，，，，现在装甲钛合金不但具有较强的抗弹性能，，，，，，，还可以对抗多次弹丸的攻击［16］。。。。。。。。美国已乐成将TC4 钛合金用于装甲板，，，，，，，并取代了部分钢制部件，，，，，，，俄罗斯的T－35 坦克接纳了全钛合金模？？？？？？？榛奔祝，，，提高了抗击能力［17］。。。。。。。。

在医疗手艺领域，，，，，，，基于钛合金的生物相容性、不易侵蚀以及对人体无害等优良特征，，，，，，，已经在外科、内科、齿科以及手术器械中都有应用。。。。。。。。外科用于人体腕枢纽、膝枢纽和接骨板等人工替换物，，，，，，，内科中可资助患有心脏跳动率较低的患者通过植入心脏起搏器确保心脏抵达正常心跳次数，，，，，，，齿科中可用于补齿，，，，，，，在手术器械中资助高负荷手术事情者减轻不须要的重量［18－19］。。。。。。。。

别的，，，，，，，钛合金质料已经泛起在民用康健产品市。。。。。。。。，，，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 钛合金在空间领域中的应用

现在，，，，，，，钛合金航空与航天领域已经获得普遍的应用，，，，，，，我国在航空工业中的钛材用量已经抵达天下钛材市场总量的50%以上。。。。。。。。现在，，，，，，，钛合金的用量被作为权衡航空工业生长水平的指标。。。。。。。。

在航空领域中，，，，，，，钛合金被用作航空紧固件［20］、发念头结构件［21］以及飞机结构件等。。。。。。。。航空紧固件主要包括螺栓、螺钉和铆钉等。。。。。。。。发念头的钛合金结构件主要包括叶片、机匣、鼓筒以及压气机等。。。。。。。。飞机结构件主要包括机身蒙皮、升降架部件、梁和尾翼等［22］。。。。。。。。当今的美国与俄罗斯在先进战斗机方面临钛合金的应用较多［23］，，，，，，，美国的F－15 战斗机对钛合金质料使用率占整个结构重量的26. 1%［24］，，，，，，，量产的F－22 战斗机使用钛合金的比重增添到41%，，，，，，，俄罗斯的Su－27 战斗机中钛合金占整体结构总量的15%［25］。。。。。。。。虽然，，，，，，，我国也将钛合金质料应用于战斗机中，，，，，，，更多的用于民用飞机，，，，，，，商用客机AＲJ21 用钛量为4. 8%，，，，，，，而C919 客机的用钛量已经抵达9. 3%［26］，，，，，，，比波音777 的用钛量8%还略高。。。。。。。。

在航天领域中，，，，，，，主要应用于宇宙飞船的船舱火箭、发念头壳体以及喷嘴导管等［27］。。。。。。。。美国、日本、俄罗斯以及我国对钛合金都有主要的应用，，，，，，，美国的“阿波罗”宇宙飞船中50 个压力容器的用钛率抵达85%，，，，，，，日本的第一颗试验卫星“大角”号中使用了Ti-2AI-2Mn 钛合金质料，，，，，，，俄罗斯的“狂风雪”号、“金星”号以及“月球”号航天器都使用了钛合金，，，，，，，我国的运载火箭和神舟飞船都使用了钛材［28］。。。。。。。。

3、钛合金的激光加工手艺

随着钛合金应用领域的一直拓展，，，，，，，对钛合金加工质量的要求也越来越苛刻，，，，，，，早期钛材的机械加工已经不可知足产品的精度和强度要求，，，，，，，激光加工手艺的引入知足了产品的高性能要求。。。。。。。。激光通过原子受激辐射发光和共振形成，，，，，，，作为一种新的加工手艺，，，，，，，经由六十多年的研究与生长，，，，，，，激光加工手艺已经与多个学科相团结，，，，，，，逐步顺应多个应用手艺领域。。。。。。。。现今的激光加工钛合金手艺主要包括激光焊接、激光切割、激光打孔和激光外貌处置惩罚手艺。。。。。。。。主要针对激光焊接手艺、激光外貌处置惩罚手艺和激光切割手艺的应用举行深入叙述，，，，，，，并剖析激光加工手艺中遇到的问题和研究效果。。。。。。。。

3. 1 激光焊接手艺

激光焊接具有变形小、无辐射、能量密度高、焊接精度高、焊接效率高、焊接速率快、空间位置转换无邪、无需真空情形等优点，，，，，，，已经在航空和舰船制造领域中普遍应用，，，，，，，如飞机蒙皮的拼接、蒙皮与长桁的焊接、机翼与内隔板的焊接以及船舰大型材的焊接等［29－31］，，，，，，，航空结构件的激光焊接如图1 所示。。。。。。。。

从海内外的研究效果来看，，，，，，，激光焊接主要集中在钛合金薄板方面，，，，，，，由于在大、中厚度钛合金焊接中激光的能量转换率较低，，，，，，，相对吸光率偏低，，，，，，，同时焊接时容易泛起咬边、气孔、被氧化、脆化以及焊接裂纹等缺陷［32］，，，，，，，焊接质量不稳固。。。。。。。。

为了消除这些缺陷，，，，，，，李川等人［33］通过对钛合金蒙皮骨架结构举行焊缝质量优化，，，，，，，研究批注，，，，，，，通过使用惰性气体保唬唬；；；しū苊夂附永讨蓄押辖鸨谎趸，，，同时优化保唬唬；；；て髁坎问砂芨咧柿康暮阜煸诤附永讨胁槐谎趸。。。。。。。。关于焊缝咬边的问题，，，，，，，可使用散焦激光修饰焊的要领和消除，，，，，，，修饰焊前、后的焊缝外貌形貌如图2 所示。。。。。。。。

王翔宇等人［34］通过对TC4 钛合金激光窄间隙焊接的第一道激光自熔焊和第二到五道激光填丝焊的工艺参数优化举行研究，，，，，，，效果批注，，，，，，，在最优工艺参数下，，，，，，，TC4钛合金板材焊缝成形优异，，，，，，，消除了未融合缺陷，，，，，，，有用减小了气孔，，，，，，，优化后的焊接工艺参数如表1所示，，，，，，，焊接讨论的截面形貌如图3 所示。。。。。。。。

赵晓龙等人［35］对厚度2 mm 的钛合金TC4 板材激光焊接讨论举行性能研究，，，，，，，效果批注，，，，，，，当激光功率在2 kW～3. 5 kW，，，，，，，焊接速率为1. 5 m/min～8. 0 m/min，，，，，，， 离焦量为±1. 5 mm 时，，，，，，，均可获得优异成形焊缝外貌。。。。。。。。外貌和内部无气孔等缺陷的高质量焊缝。。。。。。。。Li 等人［36］接纳激光－电弧复合焊接要领( LAMIG) 对钛合金薄板举行实验研究，，，，，，，效果批注，，，，，，，LAMIG 焊接可使焊缝中没有外貌氧化、气孔、裂纹以及未焊透等缺陷; LAMIG 要领通过增添焊丝和增添热输入来改善焊缝成形。。。。。。。。

3. 2 激光外貌处置惩罚手艺

3. 2. 1 激光熔覆手艺

只管钛合金的优点显着，，，，，，，可是也保存硬度低、耐磨性差、高温易氧化以及生物活性低等弱点。。。。。。。。因此，，，，，，，使用激光熔覆手艺可将钛合金的基体质料优点和增强相关质料的耐磨、耐蚀、抗氧化性能举行有机团结，，，，，，，从而提高钛合金在各领域中的使用寿命。。。。。。。。

激光熔覆是一种新型外貌改性手艺，，，，，，，可以增强钛合金的耐磨性能，，，，，，，具有冷却速率快、瞬间加热温度高、熔覆层和基材相容性好、对工件热影响小、效率高、节约质料、环保等优点［37－38］。。。。。。。。主要应用在航空航天的零件的加工中，，，，，，，如制作飞机螺旋桨叶片和发念头涡轮叶片。。。。。。。。

现在，，，，，，，激光熔覆已经获得普遍研究。。。。。。。。孙琳［39］使用激光熔覆手艺在钛合金外貌熔覆SiC 增强TiNi 基复合涂层，，，，，，，并研究了SiC 含量和SiC 颗粒尺寸对TiNi基复合涂层的组织和性能的影响，，，，，，，效果批注，，，，，，，随着SiC含量增添耐磨性泛起递增趋势，，，，，，，当SiC 含量为10wt．%时抵达最佳，，，，，，，是钛合金基体的2. 1 倍; 微米SiC 熔覆层外貌硬度和耐磨性划分提高到钛合金基体的2. 1倍和2. 082 倍，，，，，，，纳米SiC 熔覆层外貌硬度和耐磨性划分提高到基体的2. 4 倍和1. 475 倍，，，，，，，微米SiC 颗粒更有助于提高熔覆层的耐磨性，，，，，，，而纳米SiC 颗粒更有助于提高熔覆层的硬度值。。。。。。。。熔覆层的磨损效果对好比表2 所示，，，，，，，熔覆层到钛合金基体显微硬度测试效果如图4 所示。。。。。。。。

覃鑫等人［40］使用激光熔覆手艺在TC4 钛合金外貌制备NiCrCoAIY－Cr3C2复合涂层，，，，，，，效果批注，，，，，，，接纳合适的激光熔覆工艺参数可制备成形优异，，，，，，，没有裂纹、气孔等缺陷的熔覆层; 激光熔覆层的高温抗氧化性能比基本显著提高，，，，，，，恒温850 ℃氧化100 h 后，，，，，，，激光熔覆层氧化增重6.01 mg·cm^-2，，，，，，，约为钛合金基体氧化增重25.10mg·cm^-2的24%。。。。。。。。唬唬；；；逵肴鄹膊阊趸η呷缤5 所示。。。。。。。。

陈岁元等人［41］使用激光熔覆手艺，，，，，，，通过涂层因素设计与梯度制备要领在TC4 钛合金基体上制备生物陶瓷梯度涂层并举行研究，，，，，，，效果批注，，，，，，，优化工艺参数后乐成制备出与界面冶金团结且无裂纹缺陷的梯度涂层，，，，，，，激光多道熔覆涂层的金相照片如图6 所示，，，，，，，基体与涂层团结界面如图7 所示。。。。。。。。对涂层接纳钛因素含量梯度设计，，，，，，，可阻止基体与涂层，，，，，，，以及层与层间的质料因热膨胀系数和弹性模量差别过大而造成界面泛起裂纹征象。。。。。。。。

Diao 等人［42］接纳激光熔覆手艺在TC2 钛合金外貌制备复合涂层并研究其组织和耐侵蚀性，，，，，，，效果批注，，，，，，，涂层的显微硬度高于钛合金，，，，，，，激光熔覆层最大硬度抵达1 100 HV，，，，，，，比基材横跨3 倍以上。。。。。。。。通过丈量基体质料和处置惩罚样品在氯化钠水溶液中的侵蚀性，，，，，，，效果显示激光熔覆的试样的侵蚀性能显着优于基体。。。。。。。。

3. 2. 2 激光攻击强化手艺

激光攻击强化手艺是使用激光攻击波对证料外貌举行改性，，，，，，，使得在质料外貌爆发剩余应力，，，，，，，从而提高质料的抗疲劳、硬度、疲劳寿命等性能。。。。。。。。现在，，，，，，，在航空制造业中激光攻击强化手艺应用和批量生产逐步走向成熟，，，，，，，主要应用包括飞机机身、发念头叶片、机匣以及导管等焊接部件; 现今美国不但将该手艺应用到战机上，，，，，，，还应用到军机和民用生产线［43－44］。。。。。。。。相关于古板的强化手艺，，，，，，，激光攻击强化的优势尤为显着，，，，，，，激光能够准确控制和定位，，，，，，，可调光斑形状和巨细适合应力集中的焊缝、小孔以及沟槽部位的处置惩罚，，，，，，，可控工艺参数且无热损伤，，，，，，，不改变外貌光洁度。。。。。。。。

在激光攻击强化钛合金方面的研究包括，，，，，，，昝垚旭等人［45］使用激光攻击强化手艺，，，，，，，对Ti834 合金的剩余应力和显微组织举行研究，，，，，，，效果批注，，，，，，，钛合金激光攻击处置惩罚后的外貌粗糙度、显微硬度以及剩余应力均随着激光攻击次数增添而增大，，，，，，，第1 次和第2 次攻击后形成的强化层深度划分为170 μm 和265 μm; 激光攻击强化质料表层残留具有高的压应力。。。。。。。。，，，且压应力峰值均在次表层，，，，，，，划分为－369 MPa 和－511 MPa; 在攻击波诱导形成塑性变形层中有大宗位错缠结征象，，，，，，，钛合金表层位错密度增添和形变孪晶形成可提升质料性 能，，，，，，，激光攻击前后Ti834 合金显微组织照片如图8所示。。。。。。。。

陈正阁等人［46］对片层TC11 钛合金举行激光攻击强化后的性能影响研究，，，，，，，效果批注，，，，，，，在激光攻击强化后钛合金表层保存最大剩余应力和显微硬度值，，，，，，，且随着距表层距离的增大，，，，，，，响应的数值均泛起逐渐减小的趋势，，，，，，，激光攻击强化前、后TC11 钛合金距表层差别深度的剩余应力漫衍如图9 所示，，，，，，，显微硬度－距表层深度的关系如图10 所示。。。。。。。。

邓维维［47］接纳差别攻击面积对层叠加的方法，，，，，，，对TC4 双相钛合金外貌诱导梯度结构举行激光攻击强化手艺研究，，，，，，，效果批注，，，，，，，随着攻击层数的增添，，，，，，，质料表层的疲劳性能有所提高。。。。。。。。使用差别面积多层叠加攻击比相同面积多层叠加攻击的方法更有用，，，，，，，既能提高质料疲劳强度，，，，，，，又可以定向控制裂纹萌生的位置。。。。。。。。

3. 3 激光切割手艺

激光切割手艺是使用聚焦的高功率密度激光束照射到工件外貌上，，，，，，，使得被照射的质料迅速熔化、汽化、抵达燃点并形成孔洞，，，，，，，然后借助辅助气体吹除熔融物质并随着光束与工件作相对运动最终使其形成切缝［48］。。。。。。。。该手艺具有切割速率快、切缝小、加工后变形小以及可切割重大难加工工件等优点，，，，，，，主要用于航空发念头和飞机蒙皮，，，，，，，如航空发念头进气道、尾气喷口以及机身蒙皮切割。。。。。。。。

研究职员对激光切割手艺的研究主要集中在切割温度场的模拟仿真、微观组织、切割质量工艺优化、力学性能等。。。。。。。。吴睿等人［49］ 使用激光切割手艺，，，，，，，对TA15 钛合金举行热影响区组织与性能研究，，，，，，，效果批注，，，，，，，热影响区由熔化区和非熔化区两部分组成，，，，，，，且由非熔化区向熔化区逐渐变大; 显微硬度从热影响区到基体呈下降趋势，，，，，，，且板材的热影响区深度上外貌小于下外貌。。。。。。。。热影响区对钛合金板材的拉伸性能有一定的影响，，，，，，，由于有热影响区板材的屈服强度和抗拉强度低于无热影响区的板材。。。。。。。。侯红玲等人［50］通过对TC4钛合金划分举行激光打孔与切割的模拟与试验研究，，，，，，，效果批注，，，，，，，在模拟中，，，，，，，使用1 kW 功率对1. 2 mm 板材举行激光打孔，，，，，，，用时最短为0. 12 s，，，，，，，且孔径比切缝宽，，，，，，，随着切割速率变慢，，，，，，，板材吸收热量越多，，，，，，，越容易切透，，，，，，，但切缝变宽; 在试验中，，，，，，，使用空气作为辅助气体时激光难以切透钛合金板材，，，，，，，而使用氮气作为辅助气体时可切透板材，，，，，，，切割质量优异，，，，，，，且起始孔径为切缝宽度的1. 35 倍，，，，，，，切缝形貌如图11 所示。。。。。。。。

顾俊等人［51］研究剖析了激光切割对TC4钛合金热影响区和性能影响。。。。。。。。效果批注，，，，，，，热影响区的深度越深，，，，，，，拉伸性能越差。。。。。。。。岂论试样有无热影响区，，，，，，，断口的形貌都属于塑性断裂。。。。。。。。Pandey 等人［52］接纳实验设计和遗传算法相团结的要领对钛合金板材举行激光切割参数优化，，，，，，，以切缝锥度和外貌粗糙度作为响应指标，，，，，，，发明外貌粗糙度的最主要影响因素是脉冲频率，，，，，，，其次是切削速率，，，，，，，而切缝锥度的主要因素是脉冲宽度和辅助气体压力; 在最优切割参数组合下测得切口锥度值和外貌粗糙度值划分提高19. 16%和17. 32%，，，，，，，切缝锥度的响应曲线如图12 所示，，，，，，，外貌粗糙度的响应曲线如图13 所示。。。。。。。。

Singh 等人［53］使用田口要领对钛合金板材举行激光切割参数优化，，，，，，，以辅助气压、脉冲宽度、频率和切割速率作为影响因子，，，，，，，切缝宽度和切口误差作为响应指标，，，，，，，建设二次回归模子，，，，，，，并举行剖析、参数优化及指标展望，，，，，，，最终通过试验验证了最优参数组合的合理性。。。。。。。。

4、结语

虽然钛合金质料和激光加工手艺已经在某些领域中获得了普遍的应用，，，，，，，但仍保存一些问题。。。。。。。。只管钛合金是一种高性能质料，，，，，，，但因本钱较高，，，，，，，依旧不可普及到各个领域，，，，，，，因此，，，，，，，降低钛合金本钱是以后的生长趋势之一。。。。。。。。其中钛合金质料中具有腾贵的Nb、Mo 以及V 等元素，，，，，，，可用其性能近的Fe 元素替换这些腾贵的元素，，，，，，，也可使用近净成形手艺降低本钱。。。。。。。。

现在，，，，，，，在航空领域钛合金仍不可完全知足高性能的要求，，，，，，，研究更高性能的钛合金质料也必将是一种趋势。。。。。。。。

在激光加工钛合金手艺方面，，，，，，，从提高钛合金加工外貌质量方面的研究居多，，，，，，，关于焊接、熔覆以及攻击强化等外貌爆发裂纹问题研究显示: 激光焊接时，，，，，，，可接纳激光电弧复合焊接要领消除焊缝外貌气孔和裂纹等问题; 激光熔覆时，，，，，，，可使用激光重熔处置惩罚举行二次熔覆，，，，，，，扫除第一次熔覆时所爆发的杂质并消除裂纹源，，，，，，，或在设置熔覆粉末时，，，，，，，加入适量的稀土元素细化熔覆层组织并改善其韧性，，，，，，，降低裂纹率; 关于激光攻击强化时，，，，，，，使用差别面积多层叠加攻击的要领，，，，，，，提高攻击强化后质料表层的疲劳性能，，，，，，，并定向控制裂纹萌生的位置; 关于激光切割时，，，，，，，通过优化算法举行多目的工艺参数优化提高切割质量，，，，，，，推荐优化算法有遗传算法、响应面法、粒子群算法以及田口要领等。。。。。。。。

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