钼调控增材制造钛合金的微观结构与加工性能：提升Ti-5553可切削性的合金设计策略

《Journal of Materials Science & Technology》：Enhanced machinability of additively manufactured Ti-5553 tailored with Mo

本文为解决航空航天用亚稳β-钛合金Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr (Ti-5553) 可切削性差的问题，研究人员通过向激光粉末床熔融（L-PBF）成形的Ti-5553中添加5 wt.%钼（Mo）纳米颗粒，系统研究了其加工性能。结果表明，Mo的添加稳定了β相，细化了晶粒，显著降低了切削力波动、刀具磨损（后刀面磨损减少约2/3）和加工表面粗糙度（降低近50%），并改善了切屑形貌。该研究证明了通过合金成分设计（而非仅依赖后处理或工艺优化）可同步提升增材制造钛合金的力学性能与可加工性，为高性能钛合金的制造提供了创新思路。

　　

在航空航天、生物医疗等领域，高性能钛合金凭借其高比强度、优异的疲劳性能和生物相容性扮演着关键角色。其中，亚稳β-钛合金Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr（简称Ti-5553）因其出色的综合性能，被广泛应用于起落架、机身结构等关键部件。然而，这类合金“难加工”的顽疾始终困扰着制造工程师。其低热导率、高化学活性和显著的加工硬化倾向，导致切削力高、刀具磨损快、加工表面质量差，严重制约了生产效率并增加了制造成本。传统的解决思路，如采用低温冷却、激光辅助加工等外部工艺优化，虽能缓解症状，却未触及材料内部剪切抗力高这一根本矛盾。热处理虽可改变微观结构进而影响加工性能，但又会引入额外的成本、时间和复杂度。那么，是否存在一种更根本的解决方案，能够从材料设计的源头改善其可加工性？近年来，在合金成分设计中引入战略性添加剂，以调控其微观结构演变，成为一条前景广阔的途径。钼（Mo）作为一种强效的β相稳定元素，在前期研究中已被证实可细化Ti-5553的晶粒、抑制相异质性，并同时提高其强度和塑性。但一个悬而未决的关键问题是：这种旨在提升力学性能的合金成分改良，能否“意外地”或“协同地”改善其加工性能？这不仅是连接材料设计与制造工艺的重要桥梁，也关系到此类高性能合金能否真正实现高效、高精度的“近净成形-减材精加工”一体化制造。针对这一空白，一项发表在《Journal of Materials Science 》上的研究首次系统探究了通过激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, L-PBF）增材制造的、添加了5 wt.% Mo纳米颗粒的Ti-5553（简称Ti-5553+5Mo）的可切削性，为通过合金设计同步优化材料性能与制造性能提供了有力证据。

研究人员开展此项研究，主要运用了以下几个关键技术方法：首先，采用机械混合法制备了Ti-5553与5 wt.% Mo纳米颗粒的复合粉末，并利用L-PBF技术制造出立方体工件样本。研究的主体是干式槽铣试验，使用未涂层的硬质合金立铣刀，在恒定参数下对两种材料（Ti-5553和Ti-5553+5Mo）进行加工。过程中，使用多分量测力仪实时采集三向切削力（F_x， F_y， F_z）信号。加工后，通过扫描电子显微镜（SEM）结合能谱分析（EDS）系统评估刀具的磨损形貌与机理；利用三维光学轮廓仪测量加工槽底表面的粗糙度与形貌；并通过光学轮廓仪和SEM对收集到的切屑进行形貌与变形特征分析。

3.1. Ti-5553的性能及Mo添加的影响

研究首先确认了Mo添加对材料本身的影响。引用前期研究结果总结显示，Mo的加入起到了双重作用：部分未熔的Mo颗粒作为异质形核点，促进了凝固过程中的晶粒细化，导致柱状晶向等轴晶转变；而溶解的Mo则增加了基体中的Mo浓度，显著抑制了α相和等温ω相的形成，稳定了β相。这使得Ti-5553+5Mo获得了更均匀的微观结构、更高的屈服强度（~926.6 MPa）和延伸率（~25.9%），同时硬度与基体合金相当。这为其后续差异化的加工行为奠定了微观结构基础。

3.2. 加工响应

切削力分析揭示了关键差异。在初始加工周期，两种合金的峰值切削力平均值相近，但Ti-5553+5Mo的切削力波动范围明显更小，表明其切削过程更稳定。在最终加工周期（总切削长度125 mm后），Ti-5553的切削力出现剧烈且不规则的振荡，峰值接近300 N，显示出动态失稳和可能的颤振；而Ti-5553+5Mo的切削力尽管略有上升，但各分量仍被较好地约束在±150 N以内，保持了良好的动态稳定性。这种稳定性归因于Mo诱导的β相稳定化和相均匀化，减少了对刀具周期性冲击的局部硬质相（α/ω相）。

3.3. 刀具磨损分析

刀具磨损结果对比显著。加工Ti-5553后，刀具直径减少了约3.6%，后刀面磨损宽度（VB）达63 μm，且刀具表面呈现严重的深色热着色。而加工Ti-5553+5Mo的刀具直径仅减少约0.4%，VB仅为19 μm，热着色轻微。SEM分析表明，两者均存在积屑瘤（BUE）和钴（Co）粘结剂扩散损耗现象，但Ti-5553刀具上出现了独特的扇贝状凹坑（长度约1 mm），并伴有切屑焊接现象，表明更严重的粘着-扩散磨损机制。Ti-5553+5Mo的刀具表面则相对完整。研究者认为，Ti-5553中细小的α相和等温ω相作为局部硬化区，加剧了工具-切屑界面的热-机械载荷，加速了Co的溶解和工具材料剥落。而Mo的添加通过抑制这些硬质相的形成，并可能通过未熔Mo颗粒（导热性远高于钛）改善界面散热，从而显著降低了刀具磨损。

3.4. 已加工表面分析

表面质量得到大幅提升。Ti-5553的加工表面算术平均高度（S_a）为18.28 μm，而Ti-5553+5Mo的S_a值降至9.36 μm，改善了近50%。表面形貌和轮廓显示，Ti-5553表面沟槽更深更宽，峰谷波动剧烈；而Ti-5553+5Mo表面更平滑，起伏更小。表面粗糙度参数如S_sk（偏度）和S_ku（峰度）也表明，Mo添加使表面从以深谷和尖峰为主的粗糙纹理转变为更均匀的形貌。SEM观察进一步确认了Ti-5553+5Mo表面更光滑，并发现了被剪切变形的含Mo颗粒。

3.5. 切屑分析

切屑形貌发生了根本性转变。两者都产生了锯齿状切屑，这是钛合金高速加工中热塑性失稳的典型特征。但深入分析发现，Ti-5553的切屑自由表面更粗糙（S_a更高），峰谷起伏大，纵向截面显示为明显的锯齿状，具有大的滑移角（>60°），其形成以剪切断裂为主导。而Ti-5553+5Mo的切屑自由表面更光滑，峰谷起伏小，纵向截面显示锯齿形被部分抑制，呈更连续的带状，滑移角更小（20°–40°），其形成机制转向以剪切滑移为主导。此外，Ti-5553+5Mo的切屑平均厚度（~43.2 μm）也远小于Ti-5553（~96 μm）。这种转变源于Mo稳定β相、抑制α/ω相，使得基体晶体结构（体心立方，BCC）拥有更多滑移系，促进了更均匀的塑性流动，减少了绝热剪切局部化的倾向，从而形成了更稳定、更薄的切屑。

研究结论与讨论

本研究系统论证了通过添加5 wt.% Mo对L-PBF成形Ti-5553进行合金设计，可同步且显著地提升其可加工性。核心结论是：Mo的添加通过稳定β相、细化晶粒、抑制有害的α相和等温ω相，创造了一个更均匀、热力学更稳定的微观结构。这一微观结构变革带来了三重加工益处：首先，它使切削过程动态稳定性极大提高，切削力波动减小，避免了严重颤振；其次，它大幅降低了刀具磨损，特别是抑制了由硬质相引起的粘着-扩散磨损及由此引发的扇贝状破损，将后刀面磨损降低了约三分之二；最后，它使加工表面质量提升近50%，并促使切屑形态从以断裂为主的剧烈锯齿状，向以滑移为主的更连续、更薄的形态转变，这反过来又进一步有益于切削过程的稳定性和刀具寿命。

这项研究的重要意义在于，它突破了改善难加工材料切削性能的传统范式。以往的研究多聚焦于“外部”工艺优化（如冷却、辅助能源）或“后道”热处理，而本研究率先证实了“前端”合金成分设计本身可以作为一种强有力的内在杠杆，从根本上改变材料的加工响应。这不仅为Ti-5553，也为更广泛的亚稳β-钛合金乃至其他难加工合金的可加工性提升提供了全新的设计思路。它架起了材料科学与制造工艺之间的桥梁，表明通过精妙的合金设计，可以实现材料力学性能与制造工艺性能的协同优化，这对于推动航空航天等领域高性能构件实现高效、精密、低成本的“增材制造-减材精加工”一体化生产具有重要的工程实践价值。正如研究所揭示的，靶向的Mo添加，在已知能提升增材制造Ti-5553合金性能的同时，也能显著改善其可加工性，真正实现了“一举两得”。