低温预处理与微量润滑对增材制造Ti–64合金磨削特性及表面完整性的影响

《Materials & Design》：Influence of cryogenic pretreatment and minimum quantity lubrication on grinding characteristics of additively manufactured Ti–64

　　

低温处理（cryo-treatment）对增材制造（additive manufacturing, AM）Ti–64合金力学性能及其磨削性改善的影响。详细微观结构研究表明，低温处理后β相百分比降低。与未处理样品相比，低温处理样品硬度降低6%。低温预处理促进磨削后形成压缩残余应力（compressive residual stress）。低温处理样品磨削过程中获得大量长卷曲切屑（long-curly chips）。

增材制造（additive manufacturing, AM）Ti–64钛合金因高比强度、优异生物相容性而广泛用于航空航天结构与医疗植入体。激光粉末床熔融（laser powder bed fusion, LPBF）虽然可制造复杂结构，但其快速凝固可产生细晶组织、残余应力、孔隙以及α′马氏体等非平衡组织，导致后续磨削加工面临热导率低、砂轮粘附、磨削力不稳定和拉伸残余应力等问题。已有研究比较了传统锻造与AM Ti–64的切削/磨削差异，也研究了低温处理对Ti–64显微组织和力学性能的影响，但低温预处理对AM Ti–64磨削性的系统影响尚缺乏报道。因此，研究人员以LPBF制备Ti–64为对象，评估低温预处理及微量润滑（minimum quantity lubrication, MQL）对磨削力、表面粗糙度、残余应力、切屑形貌和表面完整性的影响。该研究作者为Rakesh Kandulna、P.V. Rao、Prithviraj Mukhopadhyay。

技术方法方面，Ti–64试样由Renishaw AM400型LPBF系统制备，粉末由Renishaw供应，化学组成为Al 6.3 wt%、V 4.1 wt%、O 1.2 wt%、Ti 88.4 wt%，LPBF参数为200 W激光功率、600 mm/s扫描速度、0.095 mm扫描间距和60 μm层厚。打印后试样在850 °C保温1 h去应力，随后进行低温处理：以1 °C/min冷却至?191 °C，保温24 h，再以1 °C/min回升至室温。磨削采用树脂结合金刚石砂轮，测量切向力F_t和法向力F_n，并开展MQL对照。表征手段包括扫描电子显微镜（scanning electron microscope, SEM）、能谱（energy-dispersive X-ray spectroscopy, EDS）、X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）、电子背散射衍射（electron backscatter diffraction, EBSD）、维氏显微硬度、表面粗糙度和残余应力测试。试样取自构建板中心区域，磨削方向垂直于构建方向。

研究结果按原文小标题总结如下。3.1 低温处理导致的微观结构变化：通过SEM、EDS、像素分割和XRD Rietveld精修发现，低温处理后β相分数显著降低，像素分割结果约为47%下降，Rietveld结果约为48.5%下降，α相比例相应增加；微应变参数下降，表明低温循环伴随部分应力松弛。原文提出，低温下β稳定元素V的局部再分配、残余α′马氏体分解以及应力释放可能共同导致β相减少和α主导组织形成，但作者也指出低温下置换扩散缓慢，因此相关机制被表述为谨慎解释。3.2 硬度比较：未处理与低温处理样品：维氏显微硬度测试表明，去应力AM Ti–64平均硬度为396.6 ± 4.1 HV，低温处理样品为371.45 ± 6.7 HV，降低约6%。研究人员将硬度下降与β相分数减少、残余应力松弛以及塑性提高相联系。3.3 磨削力测量与比值：使用压电测力仪测量干磨和MQL条件下的F_t与F_n。低温处理干磨样品的F_t为8.08–15.82 N，低于未处理干磨的10.45–18.64 N；F_n平均降低27.93%，F_t降低20.68%。未处理AM Ti–64在MQL下的磨削力与低温处理干磨相近；低温预处理与MQL联合后，F_t和F_n相比单独低温干磨或单独MQL进一步降低约21%和31%，并具有最高F_t/F_n比值，表明砂轮载荷和堵塞减轻。3.4 表面质量与应力评估：表面粗糙度R_a随未切屑厚度h_m增加而增大。低温处理干磨样品的R_a比未处理干磨低约17%，未处理样品MQL磨削比低温干磨低约5%，低温预处理联合MQL比单独MQL低约20%。预磨残余应力由未处理态的+42.7 MPa降至低温处理态的+18.2 MPa，降幅约57%。EBSD显示低温处理后核平均取向差（kernel average misorientation, KAM）和低角晶界（low-angle grain boundaries, LAGBs）比例降低，表明应变集中减轻。磨削后，低温处理干磨和未处理MQL磨削均形成压缩残余应力，而未处理干磨形成拉伸残余应力；低温预处理联合MQL产生最高压缩残余应力。3.5 切屑形貌与表面检查：低温处理样品在干磨和MQL条件下主要产生长卷曲锯齿状切屑，未处理干磨则更多产生短块状切屑，尤其在大未切屑厚度条件下。低去除率下所有条件表面较光滑；高去除率下未处理干磨表面出现损伤，而低温处理干磨和MQL磨削较好保持表面完整性，低温预处理联合MQL表面质量最佳。

讨论部分表明，磨削残余应力受热效应和机械效应竞争控制。热效应倾向于产生拉伸残余应力，机械塑性变形倾向于产生压缩残余应力。MQL通过润滑和降温降低摩擦热，低温预处理通过改变相组成、降低硬度和提高塑性来促进剪切去除，两者机制不同但可协同改善磨削性。低温预处理可视为一种无冷却剂预处理途径，可提升AM Ti–64的磨削性和塑性相关性能，但其可持续性仍需结合液氮能耗、成本和应用制造环境评估。研究结论翻译如下：第一，AM Ti–64经?191 °C、24 h、冷却和回温速率均为1 °C/min的低温循环后，β相分数较去应力态降低48.5%，硬度降低约6%，作者认为这反映塑性提高并改善磨削响应。第二，干磨时低温处理AM Ti–64的切向力和法向力较未处理样分别降低约21%和27.93%；低温处理样品的F_t/F_n较高，表明砂轮载荷和磨粒堵塞减少；MQL磨削未处理样品的力与低温干磨相近；MQL与低温联合后，相比单独使用任一技术，F_t和F_n分别再降低约21%和31%，并获得最高F_t/F_n。第三，未切屑厚度增加会提高表面粗糙度；低温干磨比未处理干磨R_a低约17%，未处理样MQL磨削再降低约5%，低温预处理联合MQL比单独MQL低约20%。残余应力方面，低温干磨和未处理MQL磨削形成压缩应力，未处理干磨形成拉伸应力，联合条件压缩应力最高。第四，切屑分析显示低温处理AM Ti–64在干磨和MQL下主要形成长卷曲锯齿切屑，未处理干磨主要形成短块状切屑。第五，地面表面观察表明，低温处理干磨、低温处理MQL和未处理MQL均能改善表面质量；低去除率下各条件表面光滑，苛刻条件下未处理干磨损伤明显，而低温干磨和MQL磨削较好保持表面完整性。总体上，MQL虽可减少摩擦和温度，但属于消耗性工艺且不改变工件显微组织和残余应力状态；低温预处理在磨削前改变材料状态，作者认为其可提高塑性和表面完整性，是一种有潜力的无冷却剂预处理策略，但其可持续性应结合液氮能耗、成本和制造场景逐案评估。