鈦合金切削潤滑研究現狀與發展趨勢*

楊 曄 司麗娜 張晨輝

(1.北方工業大學機械與材料工程學院 北京 100144；2.清華大學機械工程系 北京 100084)

鈦合金具有比強度高、抗腐蝕性強、耐高溫以及生物相容性好等優點，在航空航天、生物醫療等領域具有重要應用。未來20年，鈦合金將逐步取代鋁合金成為飛機制造中的主要材料，如起落架、渦輪葉片等重要部件均采用鈦合金，鈦合金占F22戰斗機機體結構質量的40%，C919大飛機每架約需鈦合金緊固件20萬件。鈦合金用量占比已成為衡量飛機先進程度的重要標志之一。然而，鈦合金導熱性差、化學活性高，導致加工、潤滑困難，進而制約了其加工效率與質量的提高。鈦合金高速切削時，往往存在切削溫度過高、黏刀現象嚴重、刀具磨損劇烈、加工表面質量差等問題。因此，改善切削界面的摩擦狀態，實現有效的冷卻潤滑，是提高鈦合金切削性能的關鍵途徑。

切削液的施加可顯著降低切削區溫度：一方面，切削液通過良好的潤滑作用減小刀-屑、刀-工界面的摩擦，降低熱量的產生；另一方面，切削液通過對流換熱及汽化作用，使切削熱從刀具、切屑、工件處傳導出去。高性能冷卻潤滑切削液是減小刀具磨損、提高加工效率及表面質量、降低加工成本的重要條件。然而，適用于鋼、鐵及鋁合金等加工的傳統切削液并沒有在鈦合金加工中表現出較好的潤滑效果，適用于大部分金屬的油基潤滑劑(如礦物油、植物油及潤滑脂)對鈦合金幾乎沒有效果[1-3]，很難實現有效潤滑。此外，傳統切削通過澆注方式大量供給切削液來改善切削冷卻潤滑條件，延長刀具壽命。但澆注式供給切削液帶來了日益嚴峻的環境問題，增加了加工和處理成本，且對工人健康產生危害。

研究適用于鈦合金加工的高效水基潤滑介質體系，提高加工表面的摩擦性能，是降低鈦合金切削溫度、提高加工效率與質量的關鍵。隨著綠色制造、綠色潤滑越來越受到產業界和科學界的重視，切削液的環境友好性成為高性能切削液體系設計的重要考慮指標。本文作者首先介紹鈦合金切削潤滑的研究現狀，詳細闡述鈦合金切削潤滑的難點及目前研究的不足，然后探討適用于鈦合金的高性能切削潤滑研究需要突破的重點方向，其意義在于為面向鈦合金加工的高性能切削液體系的研制提供借鑒。

1 鈦合金切削潤滑研究現狀

雖然鈦合金具有眾多優異的性能，但卻是典型的難加工材料，為降低切削區的高溫，減少鈦合金在刀具表面的黏著，延長刀具壽命，提高加工效率，除了按照加工條件選擇合理的刀具材料、工藝參數和加工用量外，還應進行有效的冷卻和潤滑。

1.1 鈦合金摩擦磨損及難加工性質

鈦的各種合金化學成分及物理性質差別很大，但摩擦學性質均很差[4-5]，在大多數工程材料(無論是金屬、陶瓷還是聚合物)表面上滑動時都會出現嚴重的黏著磨損，摩擦因數高,波動大，導致擦傷或膠合[4,6-8]。如圖1所示，Ti-6Al-4V與一個WC球在空氣中對磨，整個測試過程中摩擦因數在0.5以上，波動一直很大，這是由于摩擦過程中出現的黏滑現象導致[9-10]。黏滑現象和鈦強烈的黏附特性相關：起初，隨著黏著結點的增長，剪切應力增加，真實接觸面積隨之增加，兩個表面保持黏著接觸；當剪切力超過黏著強度時，黏著結點發生斷裂，兩表面迅速滑移；黏滑過程不停地重復，導致摩擦因數出現很大的波動。由鈦合金表面磨痕的微觀形貌圖可看到由犁溝效應所致的較深溝槽(圖1中的p處)和大塊的黏著點(圖1中的r處)，證明了摩擦力的波動原因。QU等[6]研究了2種不同鈦合金在不銹鋼、鋁、聚四氟乙烯、氮化硅陶瓷4種摩擦副表面分別以0.3、1.0 m/s的速度滑動時的摩擦和磨損情況，發現除聚四氟乙烯外，摩擦因數均大于0.30，磨損率由高到低為鋁、氮化硅、鋼。雖然氮化硅的硬度高于鋼，但是磨損卻很大。XRD和EDS分析結果表明，陶瓷和鈦合金之間發生了摩擦化學反應，反應產物粘附在陶瓷表面，降低了接觸區的強度從而導致高的磨損速率。

圖1 Ti-6Al-4V在WC表面滑動時的摩擦因數及磨損形貌[6]

許多滑動表面通過加入潤滑劑來減小摩擦和磨損。然而，研究表明傳統的潤滑劑(如礦物油、植物油及潤滑脂)雖可用于大部分金屬的潤滑，但是對鈦合金幾乎沒有效果[11]。DUTT和SEHGAL[1]研究了Ti-6Al-4V合金/EN-3滑動摩擦副在商用潤滑油hydrol-68潤滑條件下的摩擦磨損特點,發現隨著滑動速度增加，鈦合金的磨損率略下降，但是有明顯的材料轉移，磨損機制為三體磨粒磨損和疲勞磨損。CHENG等[2]使用SRV摩擦磨損實驗機研究了TC4鈦合金在液體石蠟潤滑下的摩擦磨損規律，發現不同速度(0.02～0.08 m/s)和載荷(20～100 N)下摩擦因數均高于0.40，且波動劇烈，鈦合金磨損嚴重，機制為塑性變形和材料剝落。WANG等[3]將分子修飾的納米Cu-DTP顆粒加入到菜籽油中，研究其對TC4/AISI52100鋼摩擦副的潤滑性能，發現當載荷高于100 N時，無論是純菜籽油，還是添加了1%質量分數的納米顆粒，摩擦實驗均很難進行，體系潤滑失效。鈦合金不僅在純滑動時難潤滑，即使在有滑滾比的條件下黏著磨損依然嚴重。例如，通過輪盤實驗機，在滑滾比為0.1的情況下，DONG和BELL[12]研究了Ti-6Al-4V圓盤與鋼盤在潤滑油潤滑條件下的摩擦磨損。實驗結果表明,Ti-6Al-4V表面的磨損速率高達2.76×10-6g/m，出現無數的黏著坑及深深的犁溝凹槽(如圖2所示)，是典型的黏著磨損。鈦合金表面很差的抗磨性與其很容易轉移到對偶鋼材料表面及轉移材料強烈的黏著特性相關。此外，潤滑劑分子不易在鈦及其氧化層表面有效地吸附，接觸區的高溫及鈦合金很低的導熱系數也增加了潤滑劑失效問題，粗糙峰閃點溫度高，黏著節點增長迅速，很多邊界潤滑劑與表面發生脫附[13]。

圖2 油潤滑條件下Ti-6Al-4V表面磨損形貌[12]

鈦合金極差的摩擦學性質，極易在對偶摩擦副表面產生黏著，傳統潤滑劑很難實現有效的潤滑，導致了鈦合金加工刀具極易磨損，加工效率低。使用硬質合金刀具加工鈦合金時，切削速度超過60 m/min時，加工過程就會變得困難；切削速度大于100 m/min，即進入高速切削范圍[14]，加工工況惡劣，刀具急劇磨損。EZUGWU[15]給出了硬質合金刀具切削鈦合金時，切削溫度隨切削速度的變化曲線及前刀面的磨損形貌(見圖3)。隨著切削速度增大，切削溫度顯著升高，即使施加切削液，在速度為500 m/min時，切削區溫度高達1 200 ℃，刀尖受熱效應影響嚴重，在切削幾秒鐘后便失效。

圖3 鈦合金切削溫度隨切削速度變化(a)及500 m/min時前刀面磨損形貌(b)[15]

1.2 鈦合金切削中的潤滑問題研究

針對鈦合金的難加工性，國內外學者提出了各種新型的冷卻潤滑方式，并對其微觀機制進行了研究，如氮氣介質[16-17]、低溫空氣潤滑[18-20]、水蒸氣潤滑[21-22]等。這些研究取得了一定的理論成果，但新型冷卻系統工藝復雜，成本很高，因而目前研究尚處在實驗室階段，很少在實際生產加工中應用。通過施加切削液進行冷卻和潤滑仍然是最有效、最實用的方式[23-24]。

切削液的潤滑作用可以減輕刀-屑、刀-工界面的摩擦，降低切削力和切削功率，從而減少發熱、抑制積屑瘤的增長、減輕刀具磨損、改善已加工表面質量。從切削液的潤滑作用機制的角度來看，切削液的組分和金屬表面的物理化學狀態決定了切削液分子在金屬表面的潤濕和吸附性能，進而影響潤滑和摩擦狀態。目前切削液的開發和制備試圖實現對各種工件材料和加工工藝的普適性，但實質上切削液的作用效果與添加劑分子在切削區的摩擦表面上生成的邊界膜的結構和性質有著密切關系，這也就表明切削液的潤滑效果與工件材料的理化性質密切相關。國內某航空制造企業在用一款進口高端商用乳化液潤滑鈦合金、鋼、鋁合金3種材料時的摩擦因數曲線及磨損表面形貌如圖4所示。商用乳液在鈦合金表面的摩擦因數遠高于鋼、鋁合金，摩擦過程不穩定，摩擦因數波動很大，磨損很嚴重。這說明現有的適用于鋼、鋁的商用切削液不能對鈦合金實現有效的潤滑。因此，每種金屬都有某種最佳的切削液對應，切削過程中，只有當金屬和切削液的成分之間相互匹配時，才能實現最佳的切削效率和加工質量。

圖4 某商用乳液潤滑鈦合金、軸承鋼、鋁合金時的摩擦因數曲線(a)和磨損表面形貌(b)

1.3 鈦合金切削的水基潤滑研究

目前的油基切削液對鈦合金潤滑效果差，且冷卻性能不佳。相比油基切削液，水基切削液中水含量高達95%(質量分數)以上，功能添加劑的含量控制在5%(質量分數)以內[25]，具有優異的冷卻性能，且可通過添加適當的潤滑和極壓抗磨添加劑實現高性能切削潤滑效果[26]。相比基礎油，水基潤滑液冷卻性能優異，可減輕熱效應的影響，對導熱系數極低的鈦合金潤滑是很好的選擇。水基切削液中的潤滑添加劑可形成流體動壓膜或者吸附膜，提高水的成膜能力，常規條件下減少摩擦磨損；在高溫高壓條件下，潤滑添加劑失效時，極壓添加劑可通過和表面相互作用形成化學反應膜或吸附膜，隔離摩擦副表面，防止直接接觸，實現有效潤滑。

國內外學者對于添加劑的研發，大多基于鋼或鋁合金等常用的金屬摩擦副材料，對于鈦合金的添加劑研究比較有限，且由于鈦合金極差的摩擦學性質，對鈦合金具有潤滑作用的潤滑介質研究還不充分。目前，學者們也研發了一些水溶性添加劑，以提高水溶液對鈦合金的潤滑性能。上海交通大學的WU等[27]研究了3種不同水溶液——MoDDP、月桂酸二乙醇酰胺及其硼酸酯水溶液對鈦合金/硬質合金體系的潤滑性能，發現MoDDP沒有任何潤滑作用，另外2種潤滑液在摩擦過程中可生成多種鈦的氧化物，具有很好的減摩抗磨性，對擴散和黏附有很大影響。CHEN等[28]研究了Na+、K+、Ca2+和Ba2+離子對TC4鈦合金鉆孔過程的影響，實驗證明含有Ba2+離子的復合物潤滑性能最優，摩擦過程中發生氧化反應生成BaTiO3起到潤滑抗磨作用。清華大學張晨輝團隊研究發現壬基酚聚氧乙烯醚磷酸酯在質量分數為5%時即可對鈦合金形成高效潤滑，甚至優于商用乳化液，原因是磷酸酯可在鈦合金表面發生摩擦化學反應，生成P-O-Ti共價鍵，起到潤滑抗磨作用[29]。同時還發現一些具有較高分子極性的合成酯，如蓖麻油磺酸酯，也可在鈦合金表面有效吸附起到潤滑作用[30]。

初步的鈦合金水基潤滑研究已表明，水基潤滑劑可大幅改善鈦合金切削潤滑狀態，有望成為未來高性能鈦合金切削液體系設計的解決方案。但目前關于水基潤滑劑的研究大多是探索或合成一種添加劑，而并沒有對添加劑的作用規律進行系統研究，使用的摩擦副多為鈦合金/鋼或鈦合金/鋁，對鈦合金/硬質合金體系具有突出潤滑抗磨效果的添加劑種類非常少，對鈦合金的潤滑機制研究也尚不深入，能夠在鈦合金表面高強度吸附的水溶性潤滑劑分子結構特性尚不清晰，潤滑劑對于鈦合金的減摩抗磨作用機制研究尚不充分。這些都阻礙了高性能鈦合金水基潤滑體系的設計與研發。

水基切削液在使用過程中pH值通常為8.0～10.0，以防止腐蝕工件和機床，避免細菌侵擾。為維持pH值穩定，切削液中需要具有一定的堿儲備值，以中和酸性物質。因此，對于水基切削液中需要加入有機堿來調節溶液的pH值。清華大學張晨輝課題組[31]發現，親水性胺的加入會使太古油溶液對于鈦合金的潤滑性能下降甚至消失，需要使用含長碳鏈的疏水性胺進行pH值調節實現潤滑協同。其他功能添加劑的加入，也會對體系的潤滑性能產生影響，因此各種添加劑復配后的作用機制需要系統深入研究。

2 鈦合金切削水基潤滑研究的發展趨勢

目前，水基潤滑在高性能鈦合金切削液的研究中已體現出巨大潛能，但針對實際鈦合金加工條件，還需要深入探究更多與之適配的高效水基潤滑添加劑。考慮到當前的環保要求，將水基切削液與微量潤滑技術相結合，是未來水基切削液研究的發展新方向；同時，對水基微量潤滑體系實施納米顆粒增強，也是進一步提升潤滑效果的新方法。

2.1 鈦合金切削的水基微量潤滑研究

國內外學者對于MQL的研究，集中在微量潤滑系統設計與應用[32-33]、加工工藝參數的研究優化[34-35]、霧粒特性及噴嘴位置設計[36-38]等方面。然而，這些試驗研究，并沒有揭示MQL冷卻潤滑增效的根本原因。在微量潤滑劑潤滑能力方面，現有研究多采用機床加工試驗研究方法，在磨削[39-40]、鉆削[41]等工藝中，評價不同潤滑劑的切削性能。RAHIM和SASAHARA[41]采用微量潤滑的方式鉆削鈦合金Ti-6Al-4V，潤滑介質選取棕櫚油和合成酯，對比測試其潤滑性能。結果表明，使用MQL棕櫚油刀具磨損率最低，鉆削軸向力最低，有效降低切削溫度，其冷卻潤滑效果優于合成酯。因為MQL棕櫚油中脂肪酸在結構上具有比合成酯更長的碳鏈長度，可形成高強度的潤滑油膜。WERDA等[42]研究了基礎油性能對于加工表面質量的影響，選擇合成酯和脂肪醇2種介質，發現合成酯潤滑性能優于脂肪醇，所得加工表面質量更高。TAI等[43]選擇了9種商業MQL潤滑劑，在鉆孔和攻絲試驗中對比了潤滑性能，結果表明，由于低黏度的潤滑劑流體具有較高的潤濕性(接觸角小)，較高的霧粒濃度和較大的霧粒直徑，可降低表面粗糙度和提升鉆孔精度，還可以降低能量損耗。因此在該試驗條件下，使用低黏度的MQL潤滑劑可在較低的切削能耗下得到較好的鉆孔質量。

現有MQL潤滑劑的研究，大多采用植物基潤滑油，但油基潤滑散熱性差，無法滿足鈦合金高速加工的需求，而水溶性潤滑劑作為MQL潤滑介質的研究較少[44]。GAJRANI等[45]合成了一款植物油基環保乳化液，通過微量潤滑的方式用于AISI H-13 鋼的車削中，并對微量潤滑加工參數進行了優化。研究表明，相比干切削和切削液澆注式潤滑，使用所研發的環保乳化液MQL加工，切削力、進給力、摩擦因數以及工件表面粗糙度均有大幅度改善。KUMAR等[46]研究發現一種商用切削液可降低Ti-6Al-4V MQL銑削時的切削力，與其對鈦合金優異的潤滑特性相關。ANAND等[47]將一種稀釋后的可溶性切削油用于鈦合金微量潤滑加工中，相比澆注式，使用MQL的施加方式，刀-屑界面的摩擦因數顯著降低，切削力、刀具壽命和前刀面材料黏著也有所改善。ALI等[48]研究了十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)對含有水溶性Al2O3顆粒的納米流體MQL車削Ti-6Al-4V時的影響，證明加入SDBS可提高加工表面質量，降低刀具磨損。由于鈦合金摩擦性能差、難潤滑，微量潤滑由于潤滑劑用量少，潤滑效果有待提升，因此將水基切削液與微量潤滑技術相結合，需要深入研究微量潤滑條件下，水溶性潤滑劑的分子結構特性與鈦合金表面的作用規律，提高鈦合金水基MQL潤滑效果。

2.2 鈦合金切削的納米顆粒增效研究

一種潤滑主劑在鈦合金加工中往往性能不足，需要添加輔助潤滑介質與功能添加劑來完善潤滑體系的綜合性能。納米粒子尺寸小、比表面積大、化學活性高，這些性能賦予了它極好的導熱性以及摩擦學特性。在體積含量相同條件下，納米級顆粒的表面積和熱容量要遠大于毫米級或微米級的固體粒子，因此納米流體的導熱性能得到大幅度提升。納米顆粒增加了潤滑液的熱交換性能，起到強化換熱、降低切削區溫度的作用[49]。此外，納米顆粒還擁有極好的減摩抗磨特性和較高的承載能力，因此可進一步提高潤滑液的摩擦學性能。將納米顆粒加入到水基切削液中制備納米流體(Nanofluids)，借助納米顆粒強大的散熱能力和減摩抗磨的摩擦學特性，可顯著提高機械加工(如鉆削、銑削、磨削和車削)的性能參數[50-52]。

SMITH等[53]將氧化石墨加入到半合成切削液中加工低碳鋼，相比干切削，刀具磨損降低了74%，切削溫度降低了50%。吳超等人[54]制備了一種含MoS2的水基切削液，將該切削液用于45鋼的切削實驗中，發現MoS2可以降低切削力，減少切削變形，提高金屬加工質量。MOURA等[55]在Ti-6Al-4V合金的切削過程中，發現使用添加MoS2的切削液可以達到降低切削力和刀具磨損，提高刀具壽命和鈦合金表面加工質量的目的。但對鈦合金潤滑具有增強效應的納米顆粒，尤其可以良好分散在水基切削液中的納米顆粒還缺乏研究，潤滑效果與潤滑機制有待揭示。此外，在有限的空間約束下，納米顆粒(形狀、大小、性質)與基礎液特性(分子結構、親疏水性、飽和脂肪酸含量等)、刀具、工件材料的匹配關系會對潤滑冷卻機制產生影響，尤其水溶性納米顆粒潤滑成膜機制及影響因素還有待研究。

在微量潤滑條件下，添加適量的納米顆粒可增強切削液性能。微量潤滑由于潤滑劑用量少，其冷卻、潤滑效果尚需提升，而納米顆粒具有強化換熱能力和優異的摩擦學特性，用于微量潤滑系統中提高冷卻和潤滑效果。納米流體微量潤滑(nMQL)是對微量潤滑的升級與強化，在微量潤滑的基礎上添加適量的納米粒子，與高壓氣體混合霧化后經噴嘴以微液滴的形式噴射到切削區[56]，可起潤滑和減摩抗磨的作用。國內外不少專家已研究納米流體MQL加工工藝[42,44,50,52.57-62]，歸納起來，大都用了大豆油、花生油、玉米油、菜籽油、棕櫚油、蓖麻油、葵花油等作為微量潤滑基礎油，用金剛石、MoS2、CNTs、ZrO2、SiO2和Al2O3等納米粒子作為流體的添加劑，以航空鋁合金7050-T7451、高強度鋼PCrNi2MoVa 等作為加工對象，可有效降低切削力、提高表面質量，從而提高了加工性能，解決切削溫度高、刀具磨損快的問題，同時綠色環保無污染。

雖然學者們在納米流體微量潤滑方面的研究取得了很大成果，但大多針對不銹鋼、鋁合金等材料的加工，對于鈦合金的研究還遠未充分，也不夠系統深入，尤其是在納米顆粒的形狀、尺寸、表面特性等參數對潤滑性能的影響規律以及與水溶性基礎液的匹配性問題的研究方面，還需要探索更多與之適配的納米顆粒以及深入探究納米流體在切削區的冷卻和潤滑機制。

3 結束語

長期以來，鈦合金零部件的加工工藝性能很大程度上受到了切削潤滑條件不佳的制約，導致為了獲得滿足設計要求的加工質量，必須大幅犧牲加工效率，而相關研究表明適用于鋼、鋁等常見金屬切削加工的高性能切削液對鈦合金卻不能表現出良好的性能。因此，亟需研發適合于鈦合金加工的高性能切削液。目前已有的鈦合金切削潤滑研究已初步表明以水基潤滑劑為基礎的潤滑體系對鈦合金表現出了優異的性能。未來可探索更多與鈦合金適配的高效水基潤滑添加劑，并結合納米顆粒增效作用與微量潤滑技術，為高性能鈦合金切削液體系設計以及綠色環保的切削液供給技術提供解決方案。