引言

鈦合金作為新型的輕質(zhì)合金，具有高比強(qiáng)度、優(yōu)良的耐蝕性能、溫度適應(yīng)范圍廣、無(wú)磁性、較好的韌性和焊接性等一系列優(yōu)點(diǎn)，從一出現(xiàn)就應(yīng)用于航空工業(yè)，目前在航空航天、軍事、石油化工、造船、汽車(chē)、醫(yī)療、日常用品等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，被譽(yù)為“太空金屬”、“海洋金屬”[1－4］。鈦合金的研究起源于航空工業(yè)的發(fā)展，航空用鈦合金一直是各個(gè)國(guó)家鈦合金研究領(lǐng)域的重點(diǎn)。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，鈦合金已在航空航天及武器裝備領(lǐng)域獲得普遍應(yīng)用，中國(guó)對(duì)鈦合金的需求量更是以每年20％～30％的速度增加[5－6］。

與此同時(shí)，隨著飛機(jī)設(shè)計(jì)理念的發(fā)展和對(duì)性能要求的不斷提升，對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料性能的要求也越來(lái)越高，而鈦合金較低的熱導(dǎo)率和易黏刀的特點(diǎn)使它的機(jī)械切削加工性能比較差[7－8］，導(dǎo)致應(yīng)用成本較高，這嚴(yán)重地阻礙了鈦合金在航空領(lǐng)域中的大規(guī)模應(yīng)用。如何優(yōu)化技術(shù)、降低成本成了鈦產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略性關(guān)鍵問(wèn)題。

在新時(shí)代下為了滿足航空制造業(yè)的發(fā)展，在研究鈦合金材料的同時(shí)，完全有必要結(jié)合新型的加工制造工藝，進(jìn)一步增強(qiáng)鈦合金在航空領(lǐng)域中的實(shí)際使用性能，同時(shí)降低應(yīng)用成本。相比于傳統(tǒng)加工制造工藝，激光加工過(guò)程中激光與工件不接觸，不產(chǎn)生切削力，加工后變形小，且具有熱影響區(qū)小、加工效率高、易于自動(dòng)化控制等特點(diǎn)，因此在航空領(lǐng)域具有 廣闊的應(yīng)用前景[9－10］。伴隨著激光加工技術(shù)的發(fā)展成熟，激光加工鈦合金技術(shù)在航空制造業(yè)中的應(yīng)用得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究[11－14］。目前，在航空制造領(lǐng)域應(yīng)用的激光加工技術(shù)主要包括激光切割、焊接、增材、制孔、清洗、沖擊強(qiáng)化等[15－16］。本文著重介紹鈦合金及其激光加工技術(shù)在航空制造中的應(yīng)用情況，分析實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

1、鈦合金在航空制造中的應(yīng)用及發(fā)展

20世紀(jì)50年代，軍用飛機(jī)進(jìn)入超音速時(shí)代，對(duì)結(jié)構(gòu)材料產(chǎn)生了新的需求，鈦合金恰恰在此時(shí)進(jìn)入了工業(yè)性發(fā)展階段。應(yīng)用初期鈦合金應(yīng)用于軍用飛機(jī)也只是機(jī)身的隔熱板、機(jī)尾罩、減速板等受力較小的結(jié)構(gòu)件[17］。隨著時(shí)間的推移，如今，鈦合金已是各類軍民用飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料，也是航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)輪盤(pán)和葉片等重要構(gòu)件的首選材 料[18］。鈦合金在航空領(lǐng)域的應(yīng)用對(duì)提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力、減輕航空零部件的重量、增加航空飛行器的航程和安全性提供了有效保證，鈦合金的用量也逐漸成為飛機(jī)先進(jìn)性的一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)[19］。

鈦合金在現(xiàn)代飛機(jī)上的應(yīng)用范圍十分廣泛，飛機(jī)機(jī)身、液壓管道、起落架、座艙窗戶框架、蒙皮、緊固件、艙門(mén)、機(jī)翼結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)、風(fēng)扇葉片、壓縮機(jī)葉片等部位多采用鈦合金。下面重點(diǎn)介紹鈦合金在飛機(jī)機(jī)身、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、航空緊固件等方面的應(yīng)用研究情況。

1.1 鈦合金在飛機(jī)機(jī)身架構(gòu)中的應(yīng)用

飛機(jī)機(jī)身用材料要求合金在中等溫度下具備強(qiáng)度好、耐腐蝕、質(zhì)輕等優(yōu)良特性，同時(shí)需要滿足與碳纖維復(fù)合材料有相近的熱膨脹系數(shù)，化學(xué)相容性較高，從而可避免化學(xué)腐蝕。表1列出了到目前為止鈦及鈦合金在飛機(jī)上的使用狀況[20］。Ti-6Al-4V合金不僅適合用作飛機(jī)很多種的機(jī)械部件，也適合用于起落架那樣的特殊裝置部件，幾乎可用于制造飛機(jī)的任何部分。因此，飛機(jī)機(jī)體所使用的鈦合金中，Ti-6Al-4V的用量最大，占機(jī)體結(jié)構(gòu)件用鈦合金的80％～90％[21－22］。

如今，國(guó)外軍用飛機(jī)機(jī)身上鈦合金使用量已達(dá)到30％～40％，如圖1所示為美國(guó)Ｆ22鈦合金使用部位，并且未來(lái)會(huì)以每年20％～25％的速度增加；在民用飛機(jī)方面，可占到約10％～15％，并在逐步增長(zhǎng)。其中空客Ａ350客機(jī)的鈦用量達(dá)到14％左右[23］，波音飛機(jī)用鈦量已從最初波音707的0.5％增至波音787的15％，波音787的鈦材的用量達(dá)到136ｔ，波音787的材料使用情況如圖2所示，波音用鈦量增速基本與空客飛機(jī)保持同步。我國(guó)在軍用飛機(jī)上應(yīng)用鈦合金起步較晚，與國(guó)外相比，存在很大差距。近年來(lái)，隨著我國(guó)的科技進(jìn)步與研發(fā)投入，預(yù)計(jì)我國(guó)新一代高性能戰(zhàn)斗機(jī)的鈦用量將達(dá)到25％～30％；而在民用飛機(jī)領(lǐng)域，我國(guó)商用支線客機(jī)ＡＲＪ21的鈦合金用量為4.8％，自主研發(fā)的C919大型客機(jī)的鈦合金用量達(dá)到了9.3％，超過(guò)了美國(guó)波音777飛機(jī)。

1.2 鈦合金在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的核心所在，直接影響著飛機(jī)的性能、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性，是一個(gè)國(guó)家科技、工業(yè)和國(guó)防實(shí)力的重要體現(xiàn)[24］。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境要求所用的合金材料在高溫工作條件下（300～600℃）具有較高的熱強(qiáng)度、比強(qiáng)度、高溫蠕變抗力、疲勞強(qiáng)度、持久強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性。此外，考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比[25］，鈦合金的應(yīng)用可以進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比[26－27］，提高其經(jīng)濟(jì)性。目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)中用的比較多的鈦合金主要是α型、近α型和α＋β型鈦合金，表2為世界各國(guó)研制的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金[28］。

鈦合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用部位主要有壓氣盤(pán)、靜葉片、動(dòng)葉片、機(jī)殼、燃燒室外殼、排氣機(jī)構(gòu)外殼、中心體、噴氣管、機(jī)匣等[29］。在國(guó)外先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫鈦合金用量已占發(fā)動(dòng)機(jī)總質(zhì)量的25％～40％[30］。我國(guó)早期研制的航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦用量很低，1978年研制的渦噴13系列發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦用量達(dá)到13％，2002年設(shè)計(jì)的昆侖渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦用量達(dá)到15％[31］，預(yù)計(jì)我國(guó)新一代航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦用量將達(dá)30％以上。

1.3 鈦合金在航空緊固件中的應(yīng)用

在目前的航空制造領(lǐng)域，飛機(jī)的連接方式仍以機(jī)械連接為主。一方面由于航空裝備輕量化的發(fā)展要求，另一方面，在軍民用飛機(jī)中，除了使用到金屬構(gòu)件外還有很多碳纖維復(fù)合材料，之前提到鈦與碳纖維復(fù)合材料的電極電位相近。因此，高減重、耐腐蝕、無(wú)磁性、與復(fù)合材料相容性好等特性是鈦合金逐漸成為先進(jìn)飛機(jī)緊固件材料的主要原因[32－33］。目前美國(guó)、法國(guó)等航空發(fā)達(dá)國(guó)家，95％以上的鈦合金緊固件都采用Ｔｉ－6Ａｌ－4Ｖ材料制造[34］，其中一些先進(jìn)機(jī)型用的鈦合金緊固件已經(jīng)完全替代了 30CｒＭｎＳｉＡ鋼。除此之外，用到的鈦合金緊固件材料還有ＴＢ2、βＩＩＩ、Ｔｉ－44.5、Ｔｉ－15－3（ＴＢ5）ＴＢ8 和ＴＢ3等。

鈦合金緊固件的應(yīng)用使飛機(jī)的重量得到了顯著的降低。在國(guó)外，鈦合金緊固件的應(yīng)用歷史可追溯到20世紀(jì)50年代，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展得十分成熟[35－36］。相比于國(guó)外鈦合金緊固件的普遍應(yīng)用，我國(guó)飛機(jī)緊固件用鈦合金材料技術(shù)發(fā)展較晚，且長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，直到20世紀(jì)90年代后期，才開(kāi)始使用了一些鈦合金緊固件。近年來(lái)，隨著我國(guó)航空航天事業(yè)的發(fā)展，鈦合金緊固件率先在航空航天領(lǐng)域中得到大量應(yīng)用[32］，在民機(jī)上的用量也十分可觀。據(jù)資料顯示，每架?chē)?guó)產(chǎn)C919飛機(jī)約需鈦合金緊固件20萬(wàn)件[3］， 隨著今后C919的量產(chǎn)，每年需要約3000萬(wàn)件鈦合金緊固件。

2、鈦合金激光加工技術(shù)在航空制造中的應(yīng)用

鈦合金在航空制造中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)已經(jīng)越來(lái)越明顯，大規(guī)模使用鈦合金是今后航空工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，而且為了進(jìn)一步降低鈦合金應(yīng)用成本并增強(qiáng)其使用性能，鈦合金新型加工制造工藝也成為航空制造領(lǐng)域最為關(guān)注的問(wèn)題。激光作為一種新興的加工工具，自上世紀(jì)70年代大功率激光器件誕生以來(lái)，已形成了激光焊接、激光切割、激光打孔、激光表面處理、激光合金化、激光熔覆、激光快速原型制造、金屬零件激光直接成形、激光刻槽、激光標(biāo)記、激光摻雜等十幾種應(yīng)用工藝，目前已經(jīng)在各個(gè)工業(yè)制造領(lǐng)域得到應(yīng)用。

國(guó)外的實(shí)踐已經(jīng)證明，鈦合金激光加工技術(shù)應(yīng)用于航空制造對(duì)提升航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展和升級(jí)起著重要作用。目前，我國(guó)的大飛機(jī)項(xiàng)目正在高歌猛進(jìn)，鈦合金激光制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景遠(yuǎn)大，將對(duì)我國(guó)航空領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生深刻影響。本文重點(diǎn)綜述幾種典型的鈦合金激光加工技術(shù)在航空制造中的應(yīng)用，總結(jié)加工時(shí)激光與材料的作用機(jī)理，分析激光加工工藝對(duì)加工質(zhì)量的影響。

2.1 鈦合金激光焊接技術(shù)

在飛機(jī)制造領(lǐng)域中，鈦合金激光焊接技術(shù)主要應(yīng)用于飛機(jī)大蒙皮的拼接以及蒙皮與長(zhǎng)桁的焊接，機(jī)身附件的裝配，如腹鰭和襟翼的翼盒，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片修復(fù)，合金飛行舵翼焊接，燃料貯箱加強(qiáng)筋條激光焊代鉚等。鈦合金機(jī)身整體壁板作為飛機(jī)重要組成構(gòu)件，存在大量Ｔ型結(jié)構(gòu)需要焊接，如圖3所示，其中普遍采用Ｔ形接頭雙光束激光焊技術(shù)[37］，如圖4所示。國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者對(duì)鈦合金飛機(jī)機(jī)身壁板中的Ｔ型結(jié)構(gòu)激光雙光束焊接技術(shù)開(kāi)展了大量研究[38－43］。結(jié)果表明，鈦合金激光雙光束焊接技術(shù)解決飛機(jī)機(jī)身整體壁板用Ｔ型結(jié)構(gòu)中的焊接變形及加強(qiáng)筋翻邊導(dǎo)致機(jī)身重量增加的問(wèn)題。同時(shí)雙激光束作用下金屬板材能形成較大的熔池和匙孔，方便氣體的排出，減少氣孔率；提高了激光焊接過(guò)程的穩(wěn)定性，減少熱影響區(qū)面積，改善焊縫質(zhì)量；減小激光焊接過(guò)程中金屬熔化造成的不利變形，有效控制了蒙皮表面形狀誤差。

從2003年開(kāi)始，我國(guó)逐漸將激光焊技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)鈦合金壁板類關(guān)鍵構(gòu)件的焊接，同時(shí)就激光焊接技術(shù)修理飛機(jī)構(gòu)件開(kāi)展了一些研究，并已實(shí)現(xiàn)了部分構(gòu)件的修理應(yīng)用。

此外，激光焊接大量應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)薄壁高精度構(gòu)件中，如圖5所示。國(guó)內(nèi)外極為重視航空構(gòu)件激光焊接技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，開(kāi)展了大量航空發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)材料及結(jié)構(gòu)激光焊接技術(shù)研究。

美國(guó)普惠公司完成渦輪葉片所需部件的自動(dòng)激光焊接，如ＪＴ9Ｄ和ＦＬＯ的二級(jí)渦輪轉(zhuǎn)子葉片以及Ｖ2500、Ｆ100－PW－220、PW2037、PW4000 等發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片、導(dǎo)向葉片、機(jī)匣及燃燒室等。英國(guó)Ｒ＆Ｒ公司用固體激光器與機(jī)器人組合完成鈦合金和高溫合金的自動(dòng)化焊接，保證了焊縫和焊接過(guò)程的一致性，減少了焊接變形，接頭殘余應(yīng)力低，大大減少了校形工作量。北京航空制造工程研究所已將激光焊接技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金承力構(gòu)件制造，并采用激光焊接技術(shù)替代板擴(kuò)散連接技術(shù)，在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了鈦合金超塑成形／激光焊的多層結(jié)構(gòu)制造工藝研究。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件修理領(lǐng)域也大量應(yīng)用到激光焊接修復(fù)技術(shù)，如圖6所示。美國(guó)霍尼韋爾公司已經(jīng)成功將激光焊接技術(shù)應(yīng)用于Ａｖｒｏ　ＲＪ支線噴氣系列飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)ＬＦ507的葉片修理。加拿大Ｌｉｂｕｒｄｉ集團(tuán)公司采用自動(dòng)送絲激光焊接設(shè)備進(jìn)行葉片修理，已實(shí)現(xiàn)了ＲＢ211發(fā)動(dòng)機(jī)高、中、低壓渦輪葉片修理。德國(guó)ＭＴＵ 公司開(kāi)發(fā)了可用于風(fēng)扇整體葉盤(pán)的葉片損傷修復(fù)的激光焊接技術(shù)，形成了焊接、機(jī)械加工、精密拋光和無(wú)損檢測(cè)修理規(guī)范。國(guó)內(nèi)在激光焊接修理應(yīng)用研究相對(duì)較少，大部分研究仍處于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段，還未應(yīng)用到實(shí)際之中。中科院金屬所采用激光顯微焊進(jìn)行原位無(wú)損修復(fù)，已成功應(yīng)用于我國(guó)研制的某機(jī)空心導(dǎo)向葉片的鑄造工藝孔修復(fù)，以及低壓渦輪1、2級(jí)三聯(lián)體無(wú)余量精鑄導(dǎo)向器葉片大小安裝板上的疏松、縮孔與裂紋等缺陷的修理，通過(guò)了裝機(jī)臺(tái)架試車(chē)考核。

2.2 鈦合金激光增材技術(shù)

激光增材制造是目前航空領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的主要技術(shù)，如圖7所示，該技術(shù)在航空航天領(lǐng)域和高端裝備領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)發(fā)被各國(guó)列為發(fā)展重點(diǎn)。在過(guò)去幾年里，航空零件增材制造是增長(zhǎng)最快的應(yīng)用領(lǐng)域，2019年產(chǎn)能規(guī)模達(dá)到了60億美元。國(guó)外無(wú)論在技術(shù)成熟度上還是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的時(shí)間點(diǎn)上，都已經(jīng)比較成熟，目前國(guó)際上已經(jīng)有多家成熟的激光增材設(shè)備 制造商。美國(guó)ＡｅｒｏＭｅｔ公司[44－45］作為第一家利用激光增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)航空結(jié)構(gòu)件裝機(jī)應(yīng)用公司，通過(guò)該技術(shù)已制造產(chǎn)品有：Ｆ－22戰(zhàn)斗機(jī)接頭，Ｆ－18 戰(zhàn)斗機(jī)連接吊環(huán)和起落架連接桿等，如圖8所示。

通用電氣（GＥ）公司從3Ｄ打印第一個(gè)ＬＥＡＰ發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴到生產(chǎn)出符合ＬＥＡＰ渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸的燃燒器襯套，GＥ已經(jīng)打印了23　500個(gè)零件，到2019年底的時(shí)候，年產(chǎn)量接近40　000個(gè)零件。國(guó)內(nèi)的激光增材制造相關(guān)研究起步較晚，但發(fā)展很快，在某些方面已經(jīng)達(dá)到到了國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先的地步。北航王華明院士團(tuán)隊(duì)研制了TA15、TC4、TC11等大型、復(fù)雜、整體、主承力飛機(jī)鈦合金加強(qiáng)框等關(guān)鍵構(gòu)件，并實(shí)現(xiàn)了包括C919大型客機(jī)在內(nèi)的多種型號(hào)飛機(jī)上的裝機(jī)應(yīng)用，使我國(guó)成為世界上唯一突破飛機(jī)鈦合金大型整體主承力構(gòu)件激光增材制造技術(shù)并實(shí)現(xiàn)裝機(jī)應(yīng)用的國(guó)家[46］，如圖9所示。2018年，昆明理工大學(xué)利用激光選區(qū)熔融技術(shù)成功制造出了尺寸為250ｍｍ×250ｍｍ×257ｍｍ的超大型復(fù)雜鈦合金零件，這是迄今為止使用激光選區(qū)熔融方法成形的最大單體鈦合金復(fù)雜零件。

在技術(shù)研究領(lǐng)域，目前，航空制造相關(guān)的激光增材研究主要集中在通過(guò)優(yōu)化涂層成分和工藝來(lái)滿足不同極端場(chǎng)景下的實(shí)際應(yīng)用需求。Ｓａｖａｌａｎｉ等[47］利用Ｔｉ＋碳納米管粉末通過(guò)激光熔覆得到ＴｉC增強(qiáng)鈦合金表面，熔覆層無(wú)孔隙且與基體結(jié)合強(qiáng)度優(yōu)異。當(dāng)碳納米管的比例從5％ 增加到20％ 時(shí)，表面硬度和耐磨性能持續(xù)增強(qiáng)。南非約翰內(nèi)斯堡大學(xué)Ｆａｔｏｂａ等[48］在Ti-6Al-4V合金表面熔覆了Ｔｉ－Cｏ合金，發(fā)現(xiàn)較低的掃描速率有利于提高金屬間化合物的比例。激光熔覆后，表面硬度從301ＨＶ 最高提升至719ＨＶ，合金的強(qiáng)度和耐腐蝕性能也得到了顯著提高。南非茨瓦恩理工大學(xué)Ｓｉｂｉｓｉ等[49］在Ti-6Al-4V表面激光熔覆Ｔｉ＋ＳｉＡｌＯＮ陶瓷粉末，使表面硬度相對(duì)基體提高了兩倍以上。山東大學(xué)Ｗｅｎｇ等[50］采用送粉式激光熔覆裝備在Ti-6Al-4V合金表面熔覆了含有Ｂ4C、ＳｉC和Y2Ｏ3的鈷基復(fù)合 粉末，使表面硬度提高了3～4倍，而耐磨性能最高可以達(dá)到基體的10倍以上。上海交通大學(xué)Gａｏ等[51］分析了在Ti-6Al-4V合金表面激光熔覆Ｔｉ－Ｎｉ／ＴｉＮ／ＴｉＷ＋ＴｉＳ／ＷＳ2自潤(rùn)滑粉末對(duì)表面性能的影響。當(dāng)混合粉末的成分為50％Ｎｉ－30％ＴｉＮ－20％ＷＳ2時(shí)，硬度從370ＨＶ 提升至900ＨＶ，表面摩擦 系數(shù)最小且耐磨性能最為優(yōu)異。

2.3 鈦合金激光分離技術(shù)

激光分離技術(shù)主要指激光切割技術(shù)和激光打孔技術(shù)。激光分離技術(shù)是將能量聚焦到微小的空間，可獲得極高的輻照功率密度（105～1015　W/cm²），利用這一高密度的能量進(jìn)行非接觸、高速度、高精度的加工，幾乎可以對(duì)任何材料實(shí)現(xiàn)激光切割和打孔，是面向航空難加工材料的理想加工方式。目前，激光切割技術(shù)主要應(yīng)用于飛機(jī)蒙皮、蜂窩結(jié)構(gòu)、框架、翼彬，尾翼避板、直升機(jī)主旋翼、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣和火焰筒等，國(guó)外已用于鈦合金蒙皮生產(chǎn)，尤其在鈦合金激光切割的開(kāi)裂和重熔層的研究上頗有成就。而國(guó)內(nèi)主要研究方向是鋼板的激光切割工藝方面，僅少數(shù)涉及到鈦合金的切割，目前也只是少量應(yīng)用于軍用飛機(jī)鈦合金蒙皮切割。激光打孔主要應(yīng)用在燃燒室、葉片等渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)零部件上，如圖10所示。

在鈦合金激光切割技術(shù)研究領(lǐng)域，意大利巴里理工大學(xué)的Ｓｃｉｎｔｉｌｌａ開(kāi)展了鈦合金光纖激光切割研究[52－53］，探究了激光切割工件直接進(jìn)行激光焊接的可行性[54］。研究發(fā)現(xiàn)，使用光纖激光器進(jìn)行鈦合金切割時(shí)的隔斷能小于CO₂激光器和Ｎｄ：YＡG 激光器，并且光纖激光切割所得切縫表面粗糙度僅為1.30μｍ，遠(yuǎn)低于CO₂激光器和Ｎｄ：YＡG 激光器可以獲得的最小粗糙度。國(guó)內(nèi)沈陽(yáng)航空航天大學(xué)基于CO₂激光器開(kāi)展了ＴC1鈦合金激光切割研究[55－58］，發(fā)現(xiàn)機(jī)械加工試樣對(duì)應(yīng)的最大載荷、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度略高于激光切割的試樣；而且在99％置信度前提下，激光切割試樣疲勞壽命僅為機(jī)械加工試樣的8.76％，疲勞壽命下降的原因是熱影響區(qū)和切縫表面條紋（包含微裂紋）。西北工業(yè)大學(xué)研究了CO₂激光切割工藝對(duì)1.5ｍｍ　TC4鈦合金疲勞性能的影響[59］，同樣發(fā)現(xiàn)切縫表面條紋導(dǎo)致激光切割試件的疲勞壽命大幅下降。沈飛團(tuán)隊(duì)對(duì)TA15激光切割熱影響區(qū)的組織與性能研究發(fā)現(xiàn)[60］，熱影響區(qū)到基體顯微硬度呈明顯的下降趨勢(shì)，存在熱影響區(qū)的板材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度比母材都有一定程度的下降。

在激光打孔技術(shù)研究領(lǐng)域，早期，國(guó)內(nèi)外在航空領(lǐng)域的激光打孔主要采用普通脈沖或短脈沖激光，研究?jī)?nèi)容集中在通過(guò)優(yōu)化工藝來(lái)提高孔的幾何和冶金質(zhì)量。印度Ｂａｎｄｙｏｐａｄｈｙａｙ等[61］對(duì)厚度分別為4ｍｍ和8ｍｍ的ＩＮ718與Ti-6Al-4V合金進(jìn)行激光打孔，發(fā)現(xiàn)當(dāng)材料厚度增加，孔的錐度減小，但打孔時(shí)產(chǎn)生飛濺以及重鑄層等缺陷變得明顯。馬來(lái)西亞理工大學(xué)Ｂａｈａｒ等[62］發(fā)現(xiàn)脈寬在0.5～20ｍｓ時(shí)，低的脈沖寬度有利于提高Ti-6Al-4V合金表面激光打孔的質(zhì)量，而高的脈沖頻率可以降低孔的錐度。近年來(lái)，超短脈沖激光打孔在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用得到廣泛關(guān)注。俄羅斯普通物理研究所Ｋｏｎｏｎｅｎｋｏ等[63］分析了飛秒激光的重復(fù)頻率對(duì)鈦基合金旋切打孔的影響，發(fā)現(xiàn)重復(fù)頻率較高時(shí)（150ｋＨｚ），打孔時(shí)的熱累積提高了速率，但孔入口邊緣和表面發(fā)生了明顯氧化。國(guó)內(nèi)中科院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所[64］和中科中涵激光設(shè)備（福建）股份有限公司[65］都開(kāi)展了航空渦輪葉片表面飛秒激光打孔的工藝探索，得到的散熱孔內(nèi)壁重鑄層很小，且無(wú)裂紋。

3、結(jié)論與展望

隨著航空制造領(lǐng)域鈦合金用量的穩(wěn)步增長(zhǎng)，低成本、高應(yīng)用性能依然是未來(lái)鈦合金研究的主流方向。首先繼續(xù)開(kāi)展相關(guān)新型低成本鈦合金研究，改進(jìn)成形工藝，采用先進(jìn)的加工與制造技術(shù)，發(fā)展鈦合金近凈成形技術(shù)等，同時(shí)可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算設(shè)計(jì)加工工藝，節(jié)省資源，提高新材料制備和加工工藝設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性；其次加強(qiáng)高綜合性能鈦合金研究， 如ＴｉＡｌ金屬間化合物和鈦基復(fù)合材料的研究，未來(lái)在航空制造領(lǐng)域可以進(jìn)一步用鈦合金代替鎳基、鐵基合金等傳統(tǒng)材料；再者進(jìn)一步研究鈦合金的激光加工技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用，從而在根本上突破制約航空用鈦合金用量和應(yīng)用水平提升的成本瓶頸。

隨著各方面研究的深入，相信全鈦制造的飛機(jī)也許在不遠(yuǎn)的將來(lái)即會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。

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