γ-TiA1合金的加工特性及能場輔助技術研究進展

中圖分類號：TG506

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2025.04.001 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research Progresses for Machining Characteristics and Field-assisted Techniques of γ -TiAl Alloys

FAN Tao1，2 YAO Changfeng1，2* TAN Liang1，2 1.Key Laboratory of High Performance Manufacturing for Aero Engine，Ministry of Industry and Information Technology，Northwestern Polytechnical University，Xi'an，710072 2.Engieering Research Center of Advanced Manufacturing Technology for Aero Engine，Ministry of Education，Northwestern Polytechnical University，Xi'an，710072

Abstract： γ-TiAl alloys，due to their low density， high specific strength and excellnt high-temperature oxidation resistance had broad application potentials in the aerospace fields. However，due to their high britleness and low room-temperature plasticity，they were considered typical difficult-tomachine materials，with challenges such as high cuting forces， rapid tool wear and surface defects during the machining processes. In recent years， field-assisted machining technologies provided new solutions to these issues. The material properties， machining characteristics，and surface integrity of γ -TiAl alloys were systematically analyzed， with a focus on the research progresses of field-assisted machining technologies，including their applications in reducing cutting forces， extending tool life and improving surface quality. Additionally， the current research limitations and future development trends were sorted out，aiming to provide theoretical and technical references for the eficient machining of γ TiAl alloys.

Key words： γ-TiAl alloy；difficult-to-machine material; surface integrity； field-assisted machining

0 引言

隨著航空航天技術的快速發展，下一代高性能航空發動機對材料性能提出了更加苛刻的要求，包括更高的比強度、更低的密度、更好的高溫性能和更優異的抗氧化能力[1]。這些特性對減小發動機質量、提高推重比以及提高燃油效率至關重要。傳統的鎳基高溫合金雖然具備優異的高溫性能，但其密度高 （8.9～9.2g/cm³） ，顯著增大了發動機整體質量，成為進一步提高發動機性能的瓶頸。為此，尋找具有輕量化與高溫抗氧化特性的替代材料成為航空發動機研發的關鍵方向。相比之下， γ -TiAl基材料密度（約 3.9g/cm³） 僅為鎳基高溫合金的一半，同時具有高比強度、高溫抗氧化性能以及優異的抗蠕變性能[2]，可將航空發動機葉片的工作溫度提高至 700^°C 以上，質量減小 20%～30% ，大幅提高推重比，使其在巡航速度、燃油消耗率等指標上表現優異[3]。因此， γ-TiA1合金逐漸成為航空發動機高壓壓氣機葉片和低壓渦輪葉片的理想材料[4]。需要說明的是，盡管\" γ -TiA1合金\"這一名稱在工程文獻中普遍使用，其主導相 γ -TiAl本質上是一種 L1₀ 型（面心四方結構）金屬間化合物，Ti和A1原子比為1：1 ，然而實際工程材料常通過添加Nb、Mo等元素形成固溶體，或與 α₂-Ti₃Al 相構成雙相組織，因此在本文中“ γ -TiAl合金\"特指以 γ 相為基體的多組元體系。

然而， γ -TiA1合金在航空發動機上的廣泛應用仍面臨嚴峻挑戰。由于其滑移系較少、伯格斯矢量較大，材料內應力集中難以釋放，表現出顯著的脆性和低室溫延展性（僅 2%～4% ），被認為是“典型的難加工材料\"[5]。在傳統切削加工中，高切削力與高溫會導致材料沿層斷裂、微裂紋產生以及表面缺陷生成，從而大幅縮短零件服役壽命[6]。此外，刀具磨損嚴重及加工效率低下也成為限制 γ -TiAl合金工程化應用的重要瓶頸]。為應對這些挑戰，國內外學者已嘗試發展多種加工技術，如高速切削、微量潤滑和低溫切削等。盡管這些技術在一定程度上緩解了加工困難，但局限性仍較為明顯：高速切削雖然利用了熱軟化效應來實現脆-塑性切削，但顯著加劇了刀具磨損[8]；微量潤滑加工局部降低了切削區的高溫和高應力狀態，但程度有限9；低溫液氮加工雖然可以有效抑制切削溫度，但易誘導刀具產生裂紋，且還需要考慮空氣濕度、潤滑劑等因素的影響，局限性較大[10]。近年來，能場輔助加工技術（如激光輔助、超聲輔助加工等）以其顯著的脆塑性轉變優勢，為 γ -TiAl合金等材料的加工難題提供了新的解決方案[11]。例如，激光輔助加工通過高功率密度熱源實現材料局部軟化，從而減小切削力，提高加工質量[12]；超聲輔助加工則利用高頻振動有效減小工件和刀具之間的摩擦和熱應力，從而具有減小切削力、延長刀具壽命、抑制顫振、提高表面完整性等優勢[13]

盡管如此，目前針對γ-TiAl能場輔助加工的研究仍處于初級階段，其加工機理尚不明確，加工參數的優化及其對加工表面完整性的定量影響研究仍需深人探索。本文以 γ -TiAl合金為研究對象，圍繞其材料特性、加工特性以及表面完整性展開系統綜述，重點分析能場輔助加工技術的研究進展，探討能場輔助加工技術在提高加工效率和表面質量中的應用潛力與存在的問題，并展望未來研究方向。

1γ-TiAl合金的材料特性

1.1 γ -TiAI合金的發展歷程

γ -TiAl合金因具有輕量化、高比強度以及優異的高溫抗氧化性能，成為航空航天和汽車工業中備受關注的高溫結構材料，特別在高推重比航空發動機中具有重要應用潛力，然而，由于其室溫塑性差和脆性高， γ -TiAl合金的開發經歷了多個階段，圖1所示為γ-TiA1合金的發展歷程。

γ -TiAl合金的研究始于20世紀50年代，最 晶體結構的解析上[14]。隨著技術的進步，20世紀初集中在Ti-A1二元相圖的構建和金屬間化合物 70 年代第一代TiAl合金（如Ti-48AI）顯示出一定的抗拉強度和抗蠕變性能，但低斷裂韌性限制了實際應用[15]。到了20世紀80 年代，第二代TiA1合金通過微量合金化技術提高了合金的高溫穩定性，并提高了抗拉強度和抗蠕變性能，使其成功應用于部分航空發動機部件。這標志著TiAl合金的工程化邁出了關鍵一步[16]，與此同時，第二代TiAl合金也開始逐步應用于汽車工業[17]

進入21世紀，第三代γ-TiAl合金的研發重點是提高其抗氧化性能和高溫服役能力，并擴展應用領域。通過在 Ti–48Al–2Cr–2Nb 合金基礎上添加W、Mo、Si、B等元素，代表性合金Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.1B（TNM）優化了顯微組織穩定性，服役溫度從 750°C 提高到 800^°C 以上[18]。此外，微觀組織更加均勻，片層厚度顯著細化，進一步提高了材料的抗蠕變性能和斷裂韌性[19]。南京理工大學陳光教授團隊通過控制臨界形核冷卻速率制備了 0^° 取向的聚片孿生TiAl單晶，其韌性比4822合金提高近3倍[20]。目前，第三代TiAl合金廣泛應用于航空發動機高壓壓氣機葉片和低壓渦輪葉片，并在汽車工業中的渦輪增壓器葉輪、發動機連桿等領域取得了良好的應用效果。圖2所示為典型的 γ -TiAl合金零件[14，17，21-22]

第三代TiAl合金的工業化應用標志著TiAl合金從實驗室研究全面進人實際工程領域。然而，合金的室溫塑性和加工性能依然是限制其更廣泛應用的關鍵瓶頸，這一問題成為未來研究的重要方向。

1.2γ-TiAI合金的相圖和組織

γ -TiAl合金的顯微組織特性和力學性能主要受到相組成和熱處理工藝的影響，而相圖研究為其相變行為提供了理論支撐。目前最權威的相圖版本是由SCHUSTER等[23]提出的，如圖3所示。Ti-Al合金的主要相包括 γ 相（TiAD）、 α₂ 相（Ti3Al）和 β/B₂ 相。其中， γ 相具有 L1₀ 型有序面心四方結構，可提供優異的高溫強度； α₂ 相為D0₁₉ 型有序密排六方結構，易發生有序-無序轉變； β/B₂ 相呈體心立方結構，通過添加Nb、Mo、Cr 等元素可提高熱加工性能和室溫塑性[24]。此外，Ti-A1二元相圖的 γ/α₂ 轉變區域直接決定了片層組織的形成與演化，對優化鈦鋁合金的高溫性能和抗蠕變性能至關重要[25]。近年來的研究表明，第三組元（如Nb、 Cr 、Mn）可擴展特定相區的穩定性。例如， Nb 增強 β 相區的熱穩定性，提高高溫強度和抗氧化性； Cr 和 Mn 優化 γ/α₂ 相比例，改善組織均勻性和室溫塑性[26]

γ -TiAl合金的顯微組織主要由γ相和 α₂ 相組成，典型形態可以分為近 γ 組織（near gammastructure，NG）、雙態組織（duplex structure，DP）、近片層組織（nearly lamellar structure，NL）及全片層組織（fully lamellar structure，FL），其顯微組織如圖4所示[27]。

近γ組織是片層比例最低的組織形式，主要由γ相構成，夾雜少量片層結構和 β/B₂ 相，通常通過調控合金成分或快速冷卻工藝形成。該組織在室溫塑性和加工性能上表現優異，適用于復雜動態載荷環境。代表合金為TNM（Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.1B），其動態性能使其在高塑性和中高溫應用中占有重要地位。

雙態組織的片層含量較低，包含細化的 γ/α₂ 片層團和均勻分布的等軸 γ 晶粒，通過在 α+γ 相區的特定熱處理工藝可以形成此類組織，綜合性能優良，兼具較好的室溫韌性和高溫強度。典型合金如 Ti–47Al–2Cr–2Nb ，廣泛應用于多工況環境。

近片層組織以片層結構為主，夾雜少量等軸γ晶粒或 β/B₂ 相。通過短時高溫退火或在單一相區控溫冷卻形成，其片層比例高于雙態組織，但低于全片層組織。近片層組織在高溫強度和室溫延展性之間達到平衡，適用于綜合性能要求較高的場合。

全片層組織以片層結構為主，具有最高的片層比例。片層的厚度和分布受冷卻速率和熱處理工藝影響，通常通過緩慢冷卻形成。全片層組織的高溫強度和抗蠕變性能最優，但室溫塑性較差，適用于高溫工作環境中的部件，如航空發動機低壓渦輪葉片。典型合金包括4822（Ti-48A1-2Cr-2Nb），在高溫環境下具有卓越的力學性能。

XIA等[4]對比了 γ -TiAl合金和其他常用航空材料的性能。從表1中可以看出，γ-TiAl合金在高溫性能及密度方面均有極大的優勢，展現出巨大的應用潛力。然而，其塑性差的問題仍然限制了實際應用的推廣，為此，研究人員正積極致力于開發具備更優異綜合性能的新型鈦鋁合金，以滿足日益嚴苛的工程需求。

2 γ-TiAl合金的加工特性

γ-TiA1合金具有低密度、高比強度和優異的高溫性能，在航空航天等領域具有廣闊的應用前景[28]。然而，γ-TiAl合金也以其高硬度、高脆性和化學反應性強等特點而難以切削加工。為了推動 γ -TiAl合金的工程化應用，國內外學者針對其切削加工特性開展了大量的研究工作，重點研究了切削力、切削溫度以及刀具磨損性能等方面。

2.1 切削力

切削力是評價材料加工性能的重要指標之一。在切削 γ -TiAl合金時，KLOCKE等[29]、PEREZ[30]發現切削速度和進給量對切削力有顯著影響。他們的研究結果表明，在較低的切削速度范圍內，提高進給量會明顯增大切削力，而提高切削速度對切削力的影響較小。但當切削速度超過 50m/min 時，切削速度和進給量的增加都會導致切削力增大，其中切削速度的影響更為顯著，如圖5所示。這表明在較高切削速度下， γ -TiAl合金會承受更大的應變、應變率和溫度，發生加工硬化，進而導致切削力增大。ASPINWALL等[31]的研究結果表明，與TC4 鈦合金相比，γ-TiA1在相同切削條件下的徑向切削力達到其2倍，軸向切削力也高出1.3倍。研究還發現，切削時溫度顯著升高，未磨損刀具切削溫度可達700°C ，刀具磨損至 0.3mm時溫度可高達 900^°C ，這大大縮短了刀具壽命，并影響車削加工表面完整性。同樣的結果也可見于GE等[32的研究，他們比較了銑削 γ -TiA1合金和TA15的切削力，結果顯示， γ -TiAl合金在 x，y，z 方向上的切削力分別為TA15在 x?y?z 方向上切削力的1.9、1.8、2.0倍。當刀具磨損超過 0.2mm 后， γ -TiAl合金在 x 方向的切削力甚至會達到初始切削力的2.6倍，如圖6所示。控制切削區溫度可以改善切削區工作環境，從而減小切削力，提高刀具壽命。潘多[33]的研究表明，在干切削條件下切削力最大，而液氮冷卻下切削力最小，尤其在切削速度達到150m/min 時，液氮切削顯著減小了切削力。乳化液切削在低速范圍內與液氮切削相似，但在高速下由于冷卻效果不足，切削力有所增大，如圖7所示。

綜上所述，切削力演化的一般規律可歸納如下：切削力隨著刀具的磨損穩步增大；切削速度的提高導致刀具承受極端的熱載荷，加劇了刀具的磨損；當刀具達到磨損標準甚至發生破損時，切削力偏離穩定趨勢；刀具鋒利度越差，摩擦力越大，這是一個惡性循環。

2.2 切削溫度

γ -TiAl合金的熱導率低，切削時會產生較高的切削溫度。ASPINWALL等[34]測試了在每齒進給量為 0.12mm ，切削深度和切削寬度均為0.2mm 時銑削 γ -TiAl合金的溫度，當切削速度 v_c 從 50m/min 增加到 135m/min 時，切削溫度提高了 43%～47% ，如圖8所示。因此，許多研究者采用高速銑削（HSM）來提高材料溫度從而軟化材料，在這一方面，最受關注的是 γ -TiAl合金脆韌轉變（BDT）。LIU等[35]揭示了 γ -TiAl的BDT溫度與應變率有關，當應變率從 0.001s^-1 增大到 0.1s^-1 時，BDT溫度從 700～800° 提高至1100^°C ，同時材料的斷裂模式由晶間斷裂轉變為以空洞形成和合并為主的延展性斷裂。IMA-YEV等[36]認為Ti-50.7A1合金的脆性-韌性轉變是由熱活化引起的，隨著溫度升高，被束縛在晶界中的晶格位錯（TLD）的釋放比例從低于 10% 大幅增加到約 90% 。UHLMANN等[37]研究指出，當 v_c 達到 300m/min 時，切削溫度高于 700^°C ，切屑的形態相對完整，且工件表面無明顯裂紋和缺陷，證實了高溫有利于改善 γ -TiAl合金的銑削加工性能。UHLMANN等38]使用外部加熱設備對TNB進行了準靜態切削試驗，進一步證明，當切削溫度升高至 800^°C 時，裂紋完全消失，這與常規切削時典型的斷續切屑和表面裂紋形貌形成鮮明對比。雖然有大量證據證明高溫有利于提高材料的塑性，但仍需要更多數據來描述 γ -TiAl的塑性狀態與切削溫度之間的定量關系。

2.3 刀具磨損

刀具磨損是傳統切削方法加工 γ -TiAl合金時面臨的一大挑戰。大量試驗表明， γ -TiAl合金不良切削性能嚴重影響刀具壽命。WANG等[39]研究發現，車削 γ -TiAI時，刀具磨損主要由磨粒磨損、黏著磨損和氧化磨損引起，如圖9所示。切削速度被認為是影響刀具磨損的最重要因素，YAO等[40指出，在切削速度較小時，刀具以黏結磨損為主；高速切削時，以擴散磨損和黏著磨損為主[41]。在潤滑策略方面，KLOCKE等[42]研究了四種潤滑方式的差異，相比于常規濕切削，冷卻液和高壓潤滑比微量潤滑（MQL）更能有效抑制刀具磨損，刀具磨損分別降低了 61% （冷卻液）、41% （高壓 30MPa） 和 7%（MQL） 。在刀具選擇方面，PRIARONE等[43]指出，無論何種刀具，其切削壽命都無法超過 1min 。在沒有涂層的WC刀具上會定期發生磨粒磨損，直至破裂，整個過程約 2min 。此外，立方氮化硼（CBN）含量對刀具壽命至關重要，在相同切削參數下， 50%CBN 僅工作 0.9min ，磨損量達 0.242mm ，而 92%CBN 的磨損量僅為 0.04mm 。以上研究表明，合理的切削參數和硬質涂層刀具可以延長刀具壽命。然而，基于 γ -TiA1合金的脆性特性及含有硬質顆粒相，磨粒磨損仍然是主要磨損形式。因此，在實際加工中，優化工藝參數和選擇適當的硬質涂層刀具是延長刀具使用壽命的關鍵。

2.4 切屑形成機理

在切削過程中，切屑的形成機制是了解切削機理的一個關鍵環節。深入研究切屑的形成，有助于理解材料變形及工具與材料之間的接觸規律。對于 γ -TiA1材料，切屑的特征表現為碎裂并帶有鋸齒形的結構，這與 γ -TiAl的高強度和低塑性密切相關，同時切削過程中會發生硬化傾向。WANG等[44]研究表明，不同進給速度和切削深度對Ti-47.5Al-2.5V-1Cr的切屑形貌有顯著影響。從圖10a和圖 10b 中可以看出，當切削深度 從 0.05mm 增加到 0.25mm 時，切屑由連續狀轉變為節狀。盡管切屑的前表面仍表現出層狀結構，但在層內出現了脆性斷裂。這是由于切削力隨著切削深度的增大而增大。當切削力超過層狀晶粒之間的結合力時，微裂紋在晶界處產生，并隨著加工的進行進一步擴展，最終導致切屑在卷曲過程中發生碎裂，形成節狀碎屑。此外，從圖10a和圖10c中可以看出，當每齒進給量 f 從0.005mm 增加到 0.025mm 時，切屑從連續狀轉變為節狀，并且在前面的片層內也發現了裂紋。

此外，切屑的形成還與動態流動應力密切相關，這一過程對TSE（熱剪切效應）和SRH（應變速率硬化效應）之間的競爭非常敏感[45]。PENG等[46]對 γ -TiAl的切屑形貌進行了研究，發現高切削速度下，切屑呈現出鋸齒形狀并具有絕熱剪切帶，而在低速切削時則呈現出片狀。這表明瞬時流動應力對切屑形貌有顯著影響。在高速切削時，SRH效應增強，流動應力增大，從而導致材料的塑性變形增強。由于 γ -TiAl材料的熱導率較低，切削區溫度會迅速上升，達到某一臨界切削速度后，TSE主導作用更為顯著，進而導致熱塑性不穩定性，并形成帶有絕熱剪切帶的鋸齒形切屑。

ZHANG等47]進一步研究了不同微觀結構對Ti-43A1-9V合金切削性能的影響，發現其切削機理主要由微觀結構特性及其主導的變形模式決定。如圖11所示，NG結構具有較強的塑性，切屑中可見顯著的晶粒拉伸、位錯滑移和機械孿晶，裂紋主要分布在γ或β晶粒內部，形成連續或輕微鋸齒狀切屑，切削力較大，但表面質量較好。相反，FL結構以脆性斷裂為主，裂紋主要沿 α₂/γ 層片界面擴展，導致切屑呈明顯鋸齒狀，切削力顯著減小，但表面粗糙度增加。因此，γ-TiA1合金的切削機理受其高溫力學特性與微觀結構協同影響，切屑的形成形態由材料的塑性變形能力與脆性斷裂傾向共同決定，表現出明顯的結構依賴性與參數敏感性。

2.5 切削仿真

近年來，針對γ-TiAl合金切削過程的仿真研究不斷深入，為理解其復雜的微觀變形機制與斷裂行為提供了重要支撐。分子動力學（MD）模擬因具有原子尺度的分辨能力，成為研究亞表面缺陷演化與材料去除機制的主要手段。LI等[48]提出的模型成功模擬了 γ -TiAl在納米尺度上的切削行為，揭示了在不同切削距離下的位錯分布、堆垛層錯與缺陷演化。如圖12所示，隨著切削距離的增大，位錯與亞表面缺陷的數量顯著增加，這表明切削過程中材料的微觀損傷演化與切削參數密切相關。此外，JIANG等[49」的研究也表明，切削過程中高溫和高壓作用下位錯的遷移與相變現象會顯著影響材料的加工性能。

除模擬原子尺度外，有限元法（FEM）在宏觀尺度上同樣展現出良好的預測能力。周麗等[50]基于不同取向角下的 α₂/γ 層片結構，構建了矩形與六邊形晶體模型，分析了工具靠近工件邊緣時剪切角變化及裂紋擴展路徑。如圖13所示，裂紋傾向于在片層內部萌生而非界面剝離，且六邊形結構展現出更高的裂紋擴展阻力。此外，該模型也揭示了片層取向角對斷裂模式（解理、剝離或跨層斷裂）的控制作用，與實驗觀察高度一致。MD與FEM仿真分別從微觀與宏觀尺度揭示了 γ- TiAl合金在切削過程中的變形機制、位錯演化及斷裂行為，能夠為加工參數優化和組織調控提供理論支持。建議未來進一步結合多尺度建模手段，拓展至多晶結構，以更接近實際工程應用場景。

（a）正六邊形片層結構斷裂前工件邊緣形貌

綜上所述，γ-TiA1合金因高比強度和耐高溫性能在航空航天等領域有廣闊應用前景，但其切削加工性能較差，切削力大、切削溫度高和刀具磨損快是其難加工的主要原因。針對性地進行加工參數優化、先進刀具材料和刀具幾何設計，以及合適的加工策略選擇是 γ -TiAl合金切削加工研究的重要方向。此外，借助有限元仿真等手段揭示γ-TiAl合金切削機理，對加工工藝優化具有重要意義。

3表面完整性

表面完整性是加工后材料表面幾何形狀與物理性能的綜合表現，表面完整性包括表面粗糙度、形貌、缺陷、殘余應力以及金相變化等多個方面，對零件的疲勞性能和可靠性起著至關重要的作用[51]。然而，γ-TiAl合金由于其固有的脆性特性，使得加工后的表面完整性問題尤為突出，成為研究和工程應用中廣受關注的關鍵問題。

3.1 表面粗糙度和表面形態

表面粗糙度是評估加工后零件表面質量的重要指標，受塑性變形、彈性恢復等物理因素以及刀具軌跡干涉引起的幾何因素影響，直接關系到零件的裝配質量和精度。如圖14所示，YAO 等[40]使用具有不同斷屑槽的刀具車削 γ -TiAl合金，發現直徑更小的刀具更適合加工該脆性材料。兩種刀具在相同切削參數下， Ra 變化趨勢相似，其中切削速度對 Ra 影響較小，而切削深度則顯著影響 Ra ，可能是由于切削深度增大引起切削力增大和機械振動。進給量增加會導致殘余高度增加，從而增大 Ra 。WANG等[44]的銑削試驗顯示，當切削速度 v_c 從 40m/min 增大到 120m/min 時，Ra 波動約為 0.075μm 。王麟等[52]指出，增大切削深度會引起更大的變形，減小切削深度可有效減小表面缺陷層深度，從而減小 Ra 。劉耀文等[53]通過正交試驗建立了切削參數與 Ra 的回歸模型，分析結果表明，切削速度、每齒進給量和切削深度對 Ra 的影響依次增大，表明獲得較光潔表面需盡可能地采用較小的切削深度。

3.2 表面缺陷

表面缺陷（如撕裂、空洞、裂紋等）是影響零件疲勞壽命的潛在威脅，特別是在航空發動機用 γ- TiAl葉片，對表面質量要求極高[54]。但 γ -TiAl合金脆性大，抑制其表面缺陷是切削過程中面臨的又一問題。

γ -TiAl合金的脆性使其在切削過程中容易產生表面缺陷，其片層狀組織使得微觀裂紋易于在切削過程中形成，通常垂直于切削方向擴展，導致表面出現拔出、破碎、剝落等問題，如圖15所示，裂紋長度一般在 5～30μm 之間，大多起源于晶界[55]。MANTLE等［56]和PRIARONE等[57]研究發現，裂紋擴展會導致撕裂和剝落，且與切削方向和片層結構的夾角密切相關。FURUSAWA等[58]指出，裂紋的擴展通常分為三個階段：初始時，刀具的擠壓與剪切作用導致亞表面裂紋萌生；隨后，在切削力的推動下，裂紋逐漸擴展；最后，裂紋停止擴展并形成不可逆撕裂或其他缺陷。此外，WANG等44研究表明，片層間較低的結合力是裂紋萌生的關鍵因素，切削力超過結合力時，片層被拔出形成凹坑。

減少加工表面缺陷是切削 γ -TiAl合金的關鍵研究方向。PRIARONE等[43]發現，通過減小切削力和加工應力可有效抑制裂紋的形成。切削溫度升高時，γ-TiA1合金的斷裂模式會從穿晶脆性斷裂轉變為沿晶脆性斷裂，最終表現為韌性斷裂，這有助于改善表面質量[36]。因此UHL-MANN等[37]對 γ -TiAl合金進行了高速銑削試驗，結果表明，高速切削 （v_c=150m/min） 相較于低速切削 （v_c=60m/min） 能夠顯著減少裂紋的出現，如圖16所示；接著他們對預熱 γ -TiAl合金進行了直角切削，發現預熱至 800^°C 以上可得到無缺陷的表面。為減少表面缺陷，建議在常規切削中采用較低的進給速度和切削深度，同時提高切削速度[38]

綜上所述， γ -TiAl合金切削過程中表面缺陷的產生與其片層狀組織及切削條件密切相關。通過優化切削參數、控制溫度和應力，有望降低表面缺陷，以滿足高性能零部件的應用需求。

3.3 殘余應力

力熱耦合效應誘導亞表層結構引起其形狀、體積的變化，以及相對于基體組織的金相相變，并且在兩層之間的交界處產生殘余應力。殘余應力影響零件的精度、疲勞強度和耐腐蝕性能[59-60]

MANTLE等[61]采用盲孔鉆削的方法對殘余應力進行了測試，結果表明，刀具磨損和切削速度顯著影響殘余應力，其中，刀具磨損導致切削刃侵入工件的面積增大，從而引起更大程度的塑性變形，有利于殘余壓應力的產生。根據YAO等[40]的研究，切削量的增加導致殘余壓應力和深度較大，殘余應力沿深度方向迅速減小，最后穩定在一220MPa （圖17a）。FAN等6]研究發現，殘余應力與切削溫度有關，采用外部熱源加熱時會導致殘余應力的釋放（圖17b）。BENTLEY等[63]發現壓縮殘余應力提高了疲勞抗力和表面硬度，顯微硬度的變化趨勢與殘余應力的變化趨勢基本一致。徐偉峰等[64]研究了 γ -TiAl合金銑削加工表面殘余應力，發現表面均為殘余壓應力，并且殘余應力對切削速度的變化最敏感，對其他銑削參數并不敏感。

目前，關于切削 γ -TiAl合金殘余應力的研究報道較少。除了對切削 γ -TiAl合金的研究較少外，殘余應力的檢測方法局限也是一個重要原因。例如，X射線衍射法檢測殘余應力可能會比較麻煩，因為 γ -TiAl的晶體結構會導致重疊反射[65]另外，對于超過屈服應力 50% 的殘余應力，不建議采用盲孔法檢測[61]，因此，需要一種準確有效的殘余應力檢測方法。此外， γ -TiAl合金殘余應力的研究應側重于機械加工和熱變形的高度非線性耦合的理論建模，以及刀具磨損等工藝條件對殘余應力大小和分布的影響。理論與實驗的耦合有助于探索 γ -TiAl合金加工過程中的殘余應力演變規律。

表面完整性對零件的加工質量和使用壽命至關重要，但γ-TiAl合金由于其本身加工性能較差，較難獲得理想的表面。因此，為追求優異的表面完整性，不得不犧牲材料去除率，從而極大限制了生產效率。一些研究人員嘗試采用高速切削來減少裂紋的產生和擴展，但極高的刀具磨損率和過高的熱應力可能引發白層或不利相變，對表面完整性產生新的不利影響。因此，開發新型切削方法，減小切削力，抑制刀具磨損，降低力-熱耦合效應對表面完整性的不利影響，是實現 γ -TiAl合金構件高質量高效加工的關鍵目標。

4γ-TiA1合金的能場輔助加工

為解決γ-TiAl合金的加工問題，許多新型加工技術被相繼提出，國內外學者進行了廣泛研究。其中能場輔助加工是解決鈦合金、高溫合金、陶瓷基復合材料等材料加工問題的一類方法[11]，根據外場類型，可分為超聲輔助加工（UVAM）[66]、感應輔助加工（IAM）[62]、激光輔助加工（LAM）[67]等加工方式。與常規加工（CM）方法相比，場輔助加工具有減小切削力、提高表面光潔度、降低刀具磨損等優點，因而成為難加工材料加工領域的研究熱點。盡管能場輔助加工在 γ -TiAl合金加工中顯示出廣闊前景，但相關研究目前仍處于起步階段。

4.1 超聲輔助加工

超聲輔助加工通過在加工過程中施加高頻低幅的振動，有效改善了 γ -TiAl合金的加工性能，超聲銑削試驗臺如圖18所示[66]。研究表明，超聲振動能夠減小切削力、降低溫度、延長刀具壽命和提高表面質量。CHEN等[68]研究發現，超聲輔助高效深磨削（UVHEDG）顯著降低了磨削溫度（約 15.4% ）和減小了磨削力（約 16% ），同時提高表面光潔度，表現出優越的加工性能。盧躍鋒等[69-70]的研究表明，超聲輔助銑削能顯著降低γ -TiA1合金側銑加工表面粗糙度，最佳條件下Ra 值可降至 0.9μm 以下，并延遲刀具磨損的發生，顯著延長刀具壽命。

在表面質量方面，宋陽軒等[71]采用的超聲縱扭復合銑削（ULTM）方法能夠顯著降低表面粗糙度， Ra 值普遍小于 0.6μm ，且提高了表面硬度，提高幅度超過 10% 。XIA等[72]的研究進一步揭示，超聲輔助橢圓振動銑削能夠通過周期性脆性斷裂和塑性變形復合機制，改善 γ -TiAl合金的材料去除過程，顯著減小切削力，圖19所示為γ-TiA1合金在常規銑削和超聲銑削下的切削形成過程。

刀具磨損是加工 γ -TiAl合金時需考慮的重要問題。研究表明，刀具磨損通常經歷初期磨損、穩定磨損和劇烈磨損三個階段。盧躍鋒[70]研究發現，超聲輔助銑削顯著延遲了刀具黏結磨損和擴散磨損的發生，還能縮短刀具與工件的接觸時間和降低切削溫度，有效延長刀具使用壽命。CHEN等[68]研究表明，超聲輔助高效深磨削中CBN磨具磨損量顯著低于傳統深磨削的磨損量。XIA等[72]也發現超聲輔助銑削能抑制刀具邊緣破損，如圖20所示，這對提高加工系統的經濟性具有重要意義。

盡管超聲輔助加工在γ-TiAl合金加工中取得了進展，但該方法在工業應用中仍面臨挑戰，如超聲振動系統的穩定性和經濟性問題，以及復雜曲面和薄壁結構件加工的研究不足問題等。未來的研究應集中在優化超聲加工參數模型、探索與激光輔助加工等技術的融合，以及開發高效穩定的超聲振動系統等。

4.2 激光輔助加工

激光輔助加工作為一種熱輔助加工技術，通過激光局部預熱降低材料硬度和屈服強度，從而改善材料的加工性能[73]。研究表明，該技術能夠顯著減小切削力、延長刀具壽命，并提高表面質量[74]。在難加工材料研究領域，激光輔助加工展現了巨大的潛力和應用價值，圖21所示為激光輔助銑削實驗平臺[75]

近年來，激光輔助加工在鈦合金、鎳基高溫合金等難加工材料的加工中取得了顯著進展。KALANTARI等[76]對Ti-6Al-4V合金的激光輔助加工和傳統加工進行了對比研究，得出激光預熱可顯著改善表面完整性，包括表面粗糙度、微硬度和晶粒尺寸等的結論。激光預熱通過降低屈服強度和熱軟化效應，顯著降低切削阻力，提高去除效率和刀具壽命。DARGUSCH等[77]研究指出，激光輔助加工能夠將鈦合金的切削力減小 30% 以上（圖22），顯著提高表面質量。張迎信等[78]總結了激光輔助切削技術的研究進展，發現通過激光預熱不僅能降低切削比能和刀具磨損，還能顯著改善加工表面質量。但為了實現最佳加工效果，激光功率和掃描速度等關鍵參數需進一步優化。在此基礎上，劉鑫等[75]提出了激光輔助銑削的溫度場均衡控制方法，通過優化激光掃描路徑，實現了溫度場的均勻分布，使切削力減小 10% 以上，表面粗糙度下降 30% 。

盡管激光輔助加工在難加工材料領域已有廣泛研究，但在 γ -TiA1合金中的應用仍較少。CHI等[79]嘗試將激光輔助加工應用于 γ -TiAl合金，發現激光預熱能夠顯著提高加工表面的硬度和光潔度，同時減少加工裂紋的產生。然而，該研究也指出，由于激光熱積累效應，刀具可能發生黏結磨損，影響加工質量。這表明優化冷卻策略對維持加工穩定性尤為重要。

盡管激光輔助加工技術在 γ -TiAl合金加工中已有初步進展，但仍存在諸多局限。現有研究集中在激光參數優化和溫度場控制上，對復雜幾何形狀零件（如薄壁件和曲面件）的研究較少，熱-機械耦合機制尚未形成完善的理論模型，工業應用仍需深入探索。未來研究方向應包括： ① 激光與切削參數的協同優化，構建基于加工性能的參數控制模型； ② 探索激光輔助加工與其他技術的結合機制； ③ 開發適用于復雜結構件的激光輔助加工工藝。總的來說，盡管該技術在 γ -TiAl合金加工中的應用仍處于起步階段，但它在改善加工性能、提高表面質量和延長刀具壽命方面的潛力已得到初步驗證，未來有望為高端制造提供技術支撐。

4.3 感應輔助銑削

與激光輔助加工類似，感應輔助加工 （IAM）是一種通過將感應熱源置于刀具前對工件進行預熱的方法。感應加熱過程利用高頻電流流過線圈產生渦流損耗和磁滯，進而產生熱量[80]。圖23所示為感應輔助銑削實驗平臺。這種加熱方式能夠精確控制熱源和熱容量，僅加熱工件的一小部分，且加熱快速、清潔，因此在切削過程中具有優勢。

近年來，感應輔助加工在鎳基合金和鈦合金中的研究取得了諸多成果。例如，AMIN等81研究表明，感應輔助銑削Inconel718顯著減小了切削振動和切削力，刀具壽命延長了 80% .GINTA等[82]研究發現，感應加熱顯著減小了 Ti-6Al-4V 的切削力、減少了刀具磨損并提高了金屬去除率。KIM等[83]研究指出，感應加熱能夠使Inconel718和Ti-6Al-4V的切削力減小 22.6%～33.2% .表面粗糙度減小 14.8%～28.5% 。同樣的結論也可以在CHOI等[84]的研究中找到，他們發現通過優化預熱路徑可使AISI1045鋼的切削力減小18.9%～31.2% ，表面粗糙度減小 19.0%～41.9% ·對于Inconel7l8合金，切削力減小 13.0%～ 34.3% ，表面粗糙度減小 16.3%～45.2% ，如圖24所示。由于單一熱源可能存在熱量不足的問題，研究者開始采用多熱源組合研究難加工材料在多熱源作用下的加工特性。HA等[85]研究了激光與感應組合熱源對鎳基合金加工性能的影響，發現組合熱源可使切削力降低 70.2% ，并顯著延長刀具壽命。這些研究表明，感應輔助加工在高溫合金及其他難加工材料中具有廣泛適用性。此外，相比激光輔助加工，感應輔助加工設備成本僅為其十分之一，具有更大的經濟優勢。

盡管感應輔助應用在γ-TiA1合金加工中的研究較少，但已有初步成果。FAN等[62]的研究顯示，感應加熱顯著改善了 γ -TiAl合金的加工性能，減小了切削力并提高了表面完整性，如圖25所示。該研究還指出，預熱溫度和切削參數的協同優化是實現高效加工的關鍵。

目前，感應輔助銑削在 γ -TiAl合金加工中仍處于初步階段，尤其在加工復雜幾何結構（如曲面和薄壁件）方面，技術尚不成熟。γ-TiAl合金的低熱導性加劇了熱控制難度，局部過熱可導致表面氧化和刀具磨損，限制了工藝優化。未來研究應聚焦于優化感應加熱路徑和參數，結合數值模擬與實驗驗證，提高工藝穩定性和表面質量。此外，探索感應輔助技術與智能加工、冷卻策略的結合，有望進一步降低熱積累影響，提高加工效率。建立適用的熱-力耦合模型，將為工業化應用提供理論支持。盡管目前在該領域的研究尚顯不足，但感應輔助銑削技術在 γ -TiAl合金加工中的應用潛力，尤其在高端制造領域的前景，值得進一步探討與關注。

4.4存在的問題與發展挑戰

盡管超聲、激光與感應等能場輔助加工方式在 γ -TiA1合金加工中展現出顯著優勢，如減小切削力、改善表面完整性與延長刀具壽命，但當前技術仍面臨諸多挑戰。

首先，熱-力耦合機制尚不明確。 γ -TiAl合金的熱導率低、脆性強，使得激光和感應加工中熱量難以有效擴散，易導致熱積聚，引發表面燒蝕、熱裂紋甚至組織結構異常轉變。現有研究對不同能場作用下的組織演化與損傷機制尚缺乏系統模型。其次，刀具磨損問題依然突出。雖然超聲輔助加工能夠縮短刀具-工件接觸時間并緩解溫升，但當切削路徑復雜或頻率不穩定時，振動系統可能發生共振或磨損加劇，影響加工質量與刀具壽命。再次，復雜結構件加工能力有限。目前大多實驗聚焦于平面或簡單幾何構件，對薄壁件、曲面件等復雜零件的適應性和穩定性研究不足，尤其是對壁厚變化和局部熱積效應的響應尚不明確。此外，參數窗口狹窄、系統集成度高，如激光功率、掃描速度、感應頻率、超聲振幅等參數高度耦合，稍有不當即可能造成質量波動。與此同時，設備成本較高、系統構建復雜，仍是限制其工業化推廣的現實因素。最后，當前研究普遍忽略多物理場之間的協同效應，如激光 + 超聲、感應 + 冷卻的復合場耦合策略仍屬探索階段，缺乏成熟工藝集成方案。

綜上所述， γ -TiA1合金能場輔助加工仍面臨多重挑戰，材料本身特性與加工過程中材料響應之間不匹配。一方面， γ -TiAl合金具有熱導率低、高溫強度大、室溫塑性差等特點，導致它在熱能場（如激光、感應）作用下易產生熱應力集中與微裂紋擴展，在聲能場（如超聲）作用下則因塑性受限、變形能力不足而難以實現理想的間歇切削或自激振動軟化效應。另一方面，γ-TiAl合金的片層組織在高溫、應力共同作用下可能發生復雜的組織轉變與局部損傷演化，但目前對這些機制仍缺乏足夠的原位表征與建模能力。加之該類γ-TiA1合金對工藝參數敏感性高，加工穩定性依賴于能場系統的精準控制，進一步限制了工藝推廣。因此，未來研究應聚焦于能場輔助加工中物理場作用對 γ -TiA1合金的軟化、變形機制及加工表面完整性的影響。這些研究將為實現高效、精密的 γ -TiA1合金加工提供理論支持，特別是在航空航天等高端制造領域的復雜構件加工中發揮重要作用。

5未來發展趨勢

盡管 γ -TiA1合金在航空航天等高端領域中具有廣泛應用前景，但它在切削加工中的難度依然較大，尤其是材料的低塑性、高脆性以及加工過程中產生的熱應力和殘余應力等問題。為了有效解決這些挑戰，未來的研究方向應當更加側重于以下幾個方面。

1）深化加工機理研究。γ-TiA1合金的低熱導性和強高溫性能使其在切削過程中容易出現局部過熱和熱裂紋，這主要與材料的脆性和熱應力積累有關。未來的研究應更加深入地分析材料的微觀變形機制，包括位錯運動、李晶形成、堆垛層錯和應力誘導的相變等現象。通過高溫切削和動態力學模擬，進一步揭示材料在復雜切削過程中所經歷的微觀損傷演化和宏觀力學行為。這些研究將有助于更好地控制切削力、溫度和應力分布，從而減少材料表面的微裂紋和加工缺陷，提高加工效率。

2）多物理場協同作用下的能場輔助加工。能場輔助加工技術，如激光、超聲、感應等技術，已證明能有效改善 γ -TiAl合金的切削性能。然而，熱-力-聲-電等多物理場的耦合作用在 γ -TiAl合金加工中的具體機制尚不完全清晰。未來的研究應著重揭示不同能場（如激光輔助的熱能作用與超聲輔助的振動效應）對材料軟化、缺陷修復、變形行為的協同作用，探索它們如何在實際加工中共同作用于微觀結構的重構、應力的釋放以及裂紋的修復。

3）加工表面完整性的控制。γ-TiAl合金的表面質量和殘余應力直接影響它在高溫環境下的疲勞強度和耐腐蝕性。大切削力和高溫會導致表面損傷、塑性變形和殘余應力的產生，特別是在傳統加工方法中。未來的研究應重點解決表面完整性控制的問題，探索如何通過能場輔助加工優化切削溫度分布，減少應力集中和表面裂紋。結合激光輔助的表面激活和超聲的振動軟化，有望實現對表面粗糙度和殘余應力的精確控制。

4）復雜結構件加工技術的突破。當前，能場輔助加工的研究多集中在簡單幾何形狀和單一平面材料的切削上，然而，復雜結構件的加工（如薄壁結構、曲面零件等）仍面臨極大的挑戰。對于這些復雜形狀的零件，局部熱積累、材料的非均勻變形以及系統的動態穩定性是需要解決的主要問題。未來研究應重點優化多能場技術在復雜幾何件加工中的適應性，尤其是在實際工程中對精密和高效加工的需求下，智能化與自動化的加工路徑規劃將成為提高加工穩定性和減少誤差的重要方向。

5）智能化加工與綠色加工技術的結合。隨著智能制造的發展，結合實時監測與自適應控制的能場輔助加工系統能夠實現對 γ -TiAl合金加工過程的動態調整和優化。通過集成傳感器和實時反饋機制，未來加工系統能夠根據材料的響應自動調整加工參數，以確保加工質量的穩定性與一致性。同時，隨著環境保護要求的提高，綠色加工技術（如減少切削液的使用、降低能耗等）也將成為能場輔助加工技術的重要發展方向。

6）激光熔覆與增材制造技術的應用突破。隨著激光熔覆、增材制造等先進加工技術的不斷發展，這些技術在γ-TiAl合金的加工和修復中展現出了顯著的優勢。激光熔覆能夠精確控制熱輸入，減少熱應力和變形，且能夠在復雜幾何形狀上進行局部修復；增材制造則提供了更加靈活的材料沉積方式，有助于生產復雜結構零件，特別是在航空航天等高溫部件的制造中顯示出巨大潛力。未來，這些技術將進一步融合切削加工技術，推動“增減材一體化\"的發展，為 γ -TiAl合金提供更加高效、精準的加工解決方案。

參考文獻：

[1]宮聲凱，尚勇，張繼，等.我國典型金屬間化合物基

高溫結構材料的研究進展與應用[J].金屬學報， 2019，55（9）：1067-1076. GONG Shengkai， SHANG Yong， ZHANG Ji，et al. Application and Research of Typical Intermetallics-based High Temperature Structural Materials in China[J]. Acta Metallurgica Sinica，2019，55（9）： 1067-1076.

[2]LIANG Zhenquan， XIAO Shulong，LI Xinyi， et al. Significant Improvement in Creep Resistance of Ti46Al-6Nb-1Cr-1.5V Alloy via Introducing Highdensity Nanotwins[J]. Materials Science and Engineering：A，2023，862：144485.

[3]蔡建明，弭光寶，高帆，等.航空發動機用先進高溫 鈦合金材料技術研究與發展[J]．材料工程，2016， 44（8） ：1-10. CAI Jianming，MI Guangbao，GAO Fan，et al. Re search and Development of Some Advanced High Temperature Titanium Alloys for Aero-engine[J]. Journal of Materials Engineering，2016，44（8）： 1- 10.

[4]XIA Ziwen，SHAN Chenwei，Meng Hua，et al. Machinability of γ -TiAl：a Review[J]. Chinese Journal of Aeronautics，2023，36（7） ：40-75.

[5]黃鋒，梁思誠，胡尚興，等.TiAl合金強韌化研究現 狀與進展[J].特種鑄造及有色合金，2023，43 （11） ：1441-1446. HUANG Feng，LIANG Sicheng，HU Shangxing， et al. Status and Progress in Strengthening and Toughening of TiAl Alloy[J]. Special Casting amp;. Nonferrous Alloys，2023，43（11） ：1441-1446.

[6]廖陽稷斂，顧琳，劉蘇毅，等.γ-TiAl金屬間化合物 加工的國內外研究現狀[J]．航空制造技術，2020， 63（4） ：22-33. LIAO Yangjilian，GU Lin，LIU Suyi，et al. Research Status of Machining γ TiAl Intermetallic Compounds Both in China and Overseas[J]. Aeronautical Manufacturing Technology，202o，63（4）： 22-33.

[7]高萬里，溫家亮，王春曉.新型鈦鋁合金數控切削 加工表面完整性及耐腐蝕性研究[J].中國金屬通 報，2023（4）：100-102. GAO Wangli，WENG Jialiang，WANG Chunxiao. Study of Surface Integrity and Corrosion Resistance in CNC Machining of New TiAl Alloys[J]. Science and Technology，2023（4） ：100-102.

[8]左俊彥，林有希，孟鑫鑫．難加工材料的高速銑削 研究進展[J].精密成形工程，2017，9（4）：121-125. ZUO Junyan，LIN Youxi， MENG Xinxin， et al. Research Progress of HSM in Difficult-machiningmetal-material[J]. Journal of Netshape Forming Engineering，2017，9（4）：121-125.

[9］趙鑫.超臨界CO2-MQL 銑削 γ TiAl合金表面完整 性研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2023 ZHAO Xin. Supercritical CO₂ -MQI Milling of γ- TiAl Alloys Surfaceintegrity Study[D]. Harbin ： Harbin University of Science and Technology， 2023.

[10］王相宇，仇文豪，牛金濤，等.鈦鋁合金低溫切削 加工溫度的實驗和仿真研究[J].機械工程學報， 2024，60（19）：318-331. WANG Xiangyu， QIU Wenhao，NIU Jintao，et al. Simulation and Experimental Study on Temperature in Cryogenic Cutting of Titanium Aluminum Ally［J]. Journal of Mechanical Engineering， 2024，60（19）：318-331.

[11］許劍鋒，黃凱，鄭正鼎，等.難加工材料場輔助超 精密加工研究[J].中國科學：技術科學，2022，52 （6）：829-853. XU Jianfeng，HUANG Kai， ZHENG Zhengding， et al. Review of Field-assisted Ultraprecision Machining Difficult-to-machine Materials[J]. Scientia Sinica（Technologica），2022，52（6）：829-853.

[12]HOJATI F，AZARHOUSHANG B，DANESHI A，et al. Modeling of Laser-assted Micro-miling [J].CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology，2023，40：29-43.

[13]趙重陽，陸俊宇，王曉博，等.超聲縱扭輔助銑削 高強鋁合金表面潤濕性能研究[J].中國機械工 程，2022，33（16）：1912-1918. ZHAO Chongyang，LU Junyu，WANG Xiaobo， et al. Wettability of High-performance Aluminum Alloy Surfaces Machined Longitudinal-torsion Ultrasonic-assisted Milling[J]. China Mechanical Engineering，2022，33（16）：1912-1918.

[14］楊銳.鈦鋁金屬間化合物的進展與挑戰[J].金屬 學報，2015，51（2）：129-147. YANG Rui，Chinese Academy of Sciences Institute of Metal Research[J]. Acta Metallurgica Sinica， 2015，51（2）：129-147.

[15］胡志力，張嘉恒，華林.TiAl合金熱成形技術研究 現狀與展望[J].材料工程，2025，53（4）：1-14. HU Zhili， ZHANG Jiaheng，HUA Lin. Research Progress and Prospect in Hot Forming Techniques of TiAl Alloys[J]. Journal of Materials Engineering，2025，53（4） ：1-14.

[16]BEWLAY B P，NAG S，SUZUKI A，et al. TiAl Alloys in Commercial Aircraft Engines[J]. Materials at High Temperatures，2016，33（4/5）： 549- 559.

[17］朱春雷，李勝，張繼.有利于鑄造 TiAl合金增壓 器渦輪葉片可靠性的組織設計[J].材料工程， 2017，45（6） ：36-42. ZHU Chunlei，LI Sheng，ZHANG Ji，et al. Microstructure Design for Reliability of Turbocharger Blade of Cast TiAl Based Alloy[J]. Journal of Materials Engineering，2017，45（6） ：36-42.

[18]MAYER S，ERDELY P，FISCHER F D，et al. Intermetallic β solidifying γ-TiAl Based Alloysfrom Fundamental Research to Application[J]. Advanced Engineering Materials，2O17，19（4）： 1600735.

[19］油如月，王強，趙春玲，等.TNM變形鈦鋁合金研 究進展[J].中國材料進展，2023，42（8）：669-680. YOU Ruyue，WANG Qiang， ZHAO Chunling，et al. Progress of TNM Deformed TiAl Alloys[J]. Materials China，2023，42（8）：669-680.

[20]CHEN Guang，PENG Yingbo， ZHENG Gong，et al. Polysynthetic Twinned TiAl Single Crystals for High-temperature Applications[J].Nature Materials，2016，15：876-881.

[21]JANSCHEK P. Wrought TiAl Blades[J]. Materials Today：Proceedings，2015，2：S92-S97.

[22]WU Xinhua. Review of Alloy and Process Development of TiAl Alloys[J]. Intermetallics，2006，14： 1114-1122.

[23]SCHUSTER JC，PALM M. Reassessment of the Binary Aluminum-titanium Phase Diagram [J]. Journal of Phase Equilibria and Diffusion，2006， 27：255-277.

[24］王子特，鄭功，祁志祥，等.TiAl合金結構、組織、 性能與應用[J].科學通報，2023，68（25）：3259- 3274. WANG Zite， ZHENG Gong，QI Zhixiang，et al. Structures，Microstructures，Properties，and Ap plications of TiAl Alloys[J]. Chinese Science Bulletin，2023，68（25）：3259-3274.

[25]強鳳鳴，寇宏超，賈夢宇，等.β型 γ TiAl合金熱 變形過程中組織演化及動態再結晶行為研究現狀 [J].精密成形工程，2022，14（1）：11-18. QIANG Fengming， KOUHongchao， JIA Mengyu，et al. Microstructure Evolution and Dynamic Recrystallization Behavior in β Solidifying YTiAl during Thermomechanical Processing [J]. Journal of Netshape Forming Engineering，2022， 14（1）：11-18.

[26]劉宏武. （γ+α₂+B₂ ）三相 TiAl合金熱加工特性 及組織性能研究[D].秦皇島：燕山大學，2017. LIU Hongwu. Hot Working，Structure and Prop erties of （γ+α₂+B₂ ）Multiphase TiAl Alloy[D]. Qinhuangdao： Yanshan University，2017

[27]CLEMENS H，MAYER S. Design， Processing， Microstructure， Properties， and Applications of Advanced Intermetallic TiAl Alloys[J]. Advanced Engineering Materials，2013，15（4）：191-215.

[28] XU Runrun，LI Miaoquan， ZHAO Yonghao. A Review of Microstructure Control and Mechanical Performance Optimization of γ TiAl Alloys[J]. Journal of Alloys and Compounds， 2023，932： 167611.

[29] KLOCKE F，LUNG D，ARFT M，et al. On High-speed Turning of a Third-generation Gamma Titanium Aluminide[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2013， 65：155-163.

[30]PEREZ RG V. Wear Mechanisms of WC Inserts in Face Milling of Gamma Titanium Aluminides [J].Wear，2005，259（7/12）：1160-1167.

[31] ASPINWALL D K，DEWES R C，MANTLE A L. The Machining of γ-TiAI Intermetallic Alloys [J].CIRP Annals，2005，54（1）：99-104.

[32]GE Yingfei，FU Yucan，Xu Jiuhua. Experimental Study on High Speed Milling of γ TiAl Alloy[J]. Key Engineering Materials，2007，339：6-10.

[33]潘多. γ -TiAl合金低溫冷卻切削加工材料去除機 理研究［D].濟南：濟南大學，2022 PAN Duo. Removal Mechanism of γ-TiAl Alloy in Cryogenic Cooling Cutting[D]. Jinan ： University of Jinan，2022.

[34] ASPINWALL D K，MANTLE A L，CHAN W K，et al. Cutting Temperatures When Ball Nose End Milling γ-TiAl Intermetallic Alloys[J]. CIRP Annals，2013，62（1） ：75-78.

[35］LIU Xin，LIU Hongguang，SHI Shijia，et al.On Revealing the Mechanisms Involved in Brittle-toductile Transition of Fracture Behaviors for γ-TiAl Alloy under Dynamic Conditions[J]. Journal of Alloys and Compounds，2025，1010：177614.

[36]IMAYEV V M，IMAYEV R M，SALISHCHEV G A.On Two Stages of Britle-to-ductile Transition in TiAl Intermetallic [J]. Intermetallis， 2000，8（1）：1-6.

[37]UHLMANN E，HERTER S. Studies on Conven tional Cutting of Intermetallic Nickel and Titanium Aluminides[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part B： Journal of Engineering Manufacture，2006，220（9）：1391-1398.

[38]UHLMANN E，HERTER S，GERSTENBERGER R，et al. Quasi-static Chip Formation of Intermetallic Titanium Aluminides[J]. Production Engineering，2009，3（3）：261-270.

[39] WANG Xiangyu， ZHANG Xiaoxia， PAN Duo， et al. Tool Wear and Surface Integrity of γ -TiAl Cryogenic Coolant Machining at Various Cutting Speed Levels[J]. Lubricants，2023，11：238.

[40]YAO Changfeng，LIN Jiannan，WU Daoxia，et al. Surface Integrity and Fatigue Behavior When Turning γ TiAl Alloy with Optimized PVD-coated Carbide Inserts[J].Chinese Journal of Aeronautics，2018，31：826-836.

[41］HOOD R，ASPINWALL D K，SAGE C， et al. High Speed Ball Nose End Milling of γ-TiAl Alloys[J]. Intermetallics，2013，32：284-291.

[42] KLOCKE F，SETTINERI L，LUNG D，et al. High Performance Cutting of Gamma Titanium Aluminides： Influence of Lubricoolant Strategy on Tool Wear and Surface Integrity[J]. Wear，2013， 302（1/2）：1136-1144.

[43]PRIARONE P C，KLOCKE F，FAGA M G，et al. Tool Life and Surface Integrity When Turning Titanium Aluminides with PCD Tools under Conventional Wet Cutting and Cryogenic Cooling[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2016，85：807-816.

[44]WANG Zhenhua，LIU Yaowen. Study of Surface Integrity of Milled Gamma Titanium Aluminide [J]. Journal of Manufacturing Processes， 2020， 56：806-819.

[45] RAHMAN M A，RAHMAN M，KUMAR A S. Modelling of Flow Stress by Correlating the Material Grain Size and Chip Thickness in Ultra-precision Machining[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture，2017，123：57-75.

[46]PENG C T，SHAREEF I. Dry Machining Parameter Optimization for γ -TiAl with a Rhombic Insert [J].Procedia Manufacturing，2021;53：162-73.

[47]ZHANG Y，LEE Y，CHANG S，et al. Micro structural Modulation of TiAl Alloys for Controlling Ultra-precision Machinability[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture，2022， 174;103851.

[48］LI Junye， SUN Yuxiao， XIE Hongcai， et al. Effect of Cutting Parameters on the Depth of Subsurface Deformed Layers of Single γ-TiAl Alloy during Nano-cutting Process[J]. Applied Physics， 2022，128：189.

[49]JIANG Junqiang，DONG Zhaowei，MA Hongwei， et al. Computational Investigation on the Surface Cutting of γ TiAl Alloy[J]. Solid State Communications，2022，342：114618.

[50]周麗，崔超，賈清，等. γ -TiAl金屬間化合物銑削加 工實驗與有限元模擬［J]．金屬學報，2017，53 （4）：505-512. ZHOU Li，CUI Chao， JIA Qing，et al. Experimental and Finite Element Simulation of Milling Process for γ-TiAl Intermetallics[Il.Acta Metallurgica Sinica，2017，53（4）：505-512.

[51］YAO Jun，LI Xun，DU Baorui，et al. Research Status of Influence Mechanism of Surface Integrity on Fatigue Behavior of Metal Workpieces：a Review [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2024，131：3401-3419.

[52]王麒，馮瑞成，樊禮赫，等.切削深度對單晶 γ -TiAl 合金亞表面缺陷及殘余應力的影響[J].材料導 報，2021，35（14）：14089-14095. WANG Qi， FENG Ruicheng，FAN Lihe，et al. Effect of Cutting Depth on Subsurface Defects and Residual Stress in Single Crystal γ TiAl Alloy[J]. Materials Rep0rts，2021，35（14）：14089-14095.

[53]劉耀文，汪振華，章波，等. γ -TiAl合金銑削加工表 面粗糙度研究[J].機床與液壓，2020，48（17）：53- 58. LIU Yaowen，WANG Zhenhua， ZHANG Bo，et al. Study on Surface Roughness of γ -TiAl Alloys Milling[J].Machine Tool amp; Hydraulics，2020，48 （17） ：53-58

[54]CHEN Tao，WANG Xiaowei， ZHAO Biao，et al. Surface Integrity Evolution during Creep Feed Profile Grinding of γ TiAl Blade Tenon[J]. Chinese Journal of Aeronautics，2024，37（8） ：496-512.

[55]劉耀文.新型鈦鋁合金切削加工表面完整性研究 [D].南京：南京理工大學，2020 LIU Yaowen. Research on Surface Integrity of New Titanium-aluminum Alloy Machining[D] Nanjing ：Nanjing University of Science and Technology，2020.

[56] MANTLE A L，ASPINWALL D K. Surface Integrity and Fatigue Life of Turned Gamma Titanium Aluminide[J]. Journal of Materials Processing Technology，1997，72（3）：413-420.

[57]PRIARONE P C，RIZZUTI S，ROTELLA G，et al. Tool Wear and Surface Quality in Milling of a Gamma-TiAl Intermetallic[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2012，61：25-33.

[58]FURUSAWA T，HINO H，TSUJI S，et al. Generation of Defects due to Machining of TiAl Intermetallic Compound and Their Effects on Mechanical Strength[J].Journal of Manufacturing Science and Engineering，2004，126（3）：506-514.

[59]LIANG Xiaoliang，LIU Zhanqiang，WANG Bing. State-of-the-art of Surface Integrity Induced by ToolWear Effects in Machining Process of Titanium and Nickel Alloys：a Review[J]. Measurement， 2019，132：150-181.

[60]DING Wenfeng， ZHANG Liangchi， LI Zheng，et al. Review on Grinding-induced Residual Stresses in Metallic Materials_J」. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2016， 88：2939-2968.

[61]MANTLE A L，ASPINWALL D K. Surface In tegrity of a High Speed Milled Gamma Titanium Aluminide[J]. Journal of Materials Processing Technology，2001，118（1/3）：143-150.

[62] FAN Tao，YAO Changfeng，TAN Liang，et al. The Influence of Induction-assisted Milling on the Machining Characteristics and Surface Integrity of γ TiAl Alloys [J]. Journal of Manufacturing Processes，2024，118：215-227.

[63]BENTLEY S A，MANTLE AL，ASPINWALL D K. The Effect of Machining on the Fatigue Strength of a Gamma Titanium Aluminide Intertmetallic Alloy[J]. Intermetallics，1999，7： 967- 969.

[64]徐偉峰，閆冉，劉維偉.γ-TiAl合金銑削加工表面 殘余應力研究[J].航空制造技術，2017（10）：82- 85. XU Weifeng， YAN Ran， LIU Weiwei， et al. Surface Residual Stress of Gamma Titanium Aluminide in Milling Process[J]. Aeronautical Manufacturing Technology，2017（10） ：82-85.

[65] HOODR，ASPINWALL D K，SOO S L，et al. Workpiece Surface Integrity When Slot Milling YTiAl Intermetallic Alloy[J]. CIRP Annals，2014， 63：53-56.

[66]AHMAR K，WANG Xin，ZHAO Biao，et al. Ultrasonic Vibration-assisted Cutting of Titanium Alloys：a State-of-the-art Review[J]. Chinese Journal of Aeronautics，2025，38：103078.

[67]XU Binbin，ZHANG Jun，LIU Xin，et al. Fully Coupled Thermomechanical Simulation of Laserassisted Machining Ti6Al4V Reveals the Mechanism of Morphological Evolution during Serrated Chip Formation[J]. Journal of Materials Processing Technology，2023，315：117925.

[68]CHEN Tao，WANG Xiaowei， ZHAO Biao，et al. Material Removal Mechanisms in Ultrasonic Vibration-assisted High-fficiency Deep Grinding YTiAl Alloy[J]. Chinese Journal of Aeronautics， 2024，37（11） ：462-476.

[69]盧躍鋒，汪振華，馬耀，等.超聲銑削鈦鋁合金表面 完整性與刀具磨損研究[J].機械設計與制造， 2023 （4）：118-123. LU Yuefeng，WANG Zhenhua，MA Yao， et al. Study on the Surface Integrity and Tool Wear of TiAl Alloy Processed by Ultrasonic Vibration Assisted Milling[J]. Machinery Design amp; Manufacture，2023（4） ：118-123.

[70]盧躍鋒.超聲銑削鈦鋁合金加工工藝與表面完整 性研究[D].南京：南京理工大學，2021. LU Yuefeng. Ultrasonic Milling Titanium-aluminum Alloy Processing Technology and Surface Integrity Research[D]. Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2021.

[71]宋陽軒，汪振華，黃雷.超聲縱扭輔助銑削 TiAl合 金表面質量及刀具磨損研究[J].制造技術與機 床，2024（2） 31-37. SONG Yangxuan， WANG Zhenhua， HUANG Lei，et al. Study on Surface Quality and Tool Wear of TiAl Alloy in Ultrasonic Longitudinal Torsion Assisted Milling[J]. Manufacturing Technology amp; Machine Tool， 2024（2）：31-37.

[72] XIA Ziwen，SHAN Chenwei， ZHANG Menghua， et al.Machinability of Elliptical Ultrasonic Vibration Milling Y-TiAl：Chip Formation，Edge Breakage，and Subsurface Layer Deformation[J]. Chinese Journal of Aeronautics，2025，38（3）：103096.

[73]YOU Kaiyuan，YAN Guangpeng，LUO Xichun， et al. Advances in Laser Assisted Machining of Hard and Britle Materials[J]. Journal of Manufacturing Processes，2020，58：677-692.

[74]HE Yi， XIAO Guijian，LIU Zhenyang，et al. Subsurface Damage in Laser-assisted Machining Titanium Alloys[J]. International Journal of Mechanical Sciences，2023，258：108576.

[75]劉鑫，張俊，徐斌斌，等.激光輔助銑削過程的預熱 溫度場調控方法研究[J].機械工程學報，2024， 60（9） ：218-228. LIU Xin， ZHANG Jun，XU Binbin，et al. Controlling Strategy of Preheating Temperature Field in Laser-assisted Machining Process[J]. Journal of Mechanical Engineering，2024，60（9）：218-228.

[76] KALANTARI O，JAFARIAN F，FALLAH M M. Comparative Investigation of Surface Integrity in Laser Assisted and Conventional Machining of Ti-6Al-4V Alloy[J]. Journal of Manufacturing Processes，2021，62：90-98.

[77]DARGUSCH M S，SIVARUPAN T，BERMINGHAM M，et al. Challenges in Laser-assisted Milling of Titanium Alloys[J]. International Journal of Extreme Manufacturing，2020，3（1） ：015001.

[78]張迎信，安立寶.激光加熱輔助切削加工技術研究 進展[J].航空材料學報，2018，38（2）：77-85. ZHANG Yinxin，AN Libao. Research Progress on Laser Assisted Machining[J]. Journal of Aeronau tical Materials，2018，38（2）：77-85.

[79］CHI Yada，DONG Zexuan，CUI Minchao，et al. Comparative Study on Machinability and Surface Integrity of γ -TiAl Alloy in Laser Assisted Milling [J]. Journal of Materials Research and Technology，2024，33：3743-3755.

[80]MIN C S，YOUNG H M. Coupled Electromagnetic and Thermal Analysis of Induction Heating for the Forging of Marine Crankshafts[J]. Applied Thermal Engineering，2016，98：98-109.

[81] AMIN A N，HOSSAIN M I，PATWARI A U. Enhancement of Machinability of Inconel 718 in End Milling through Online Induction Heating of Workpiece [J]. Advanced Materials Research， 2011，415/417：420-423.

[82] GINTA TL，NURUL AMIN A K M. Thermallyassisted End Milling of Titanium Alloy Ti-6Al-4V Using Induction Heating[J]. International Journal of Machining and Machinability of Materials， 2013，14：194.

[83]KIMJH，KIM EJ，LEECM.A Study on the Heat Affected Zone and Machining Characteristics of Difficult-to-cut Materials in Laser and Induction Assisted Machining[J]. Journal of Manufacturing Processes，2020，57：499-508.

[84] CHOI Y H，LEE C M. A Study on the Machining Characteristics of AISI 1045 Steel and Inconel 718 with Circular Cone Shape in Induction Assisted Machining[J]. Journal of Manufacturing Processes，2018，34：463-476.

[85]HAJH，LEE C M.A Study on the Thermal Effect by Multi Heat Sources and Machining Characteristics of Laser and Induction Assisted Milling [J].Materials，2019，12：1032.

（編輯 王艷麗）

作者簡介：范滔，男，1996年生，博士研究生。研究方向為多能場輔助加工 γ -TiAl合金。E-mail：ft@mail.nwpu.edu.cn。姚倡鋒*（通信作者），男，1975年生，教授、博士研究生導師。研究方向為航空發動機關鍵零部件表面完整性控制及抗疲勞制造。E-mail：chfyao@nwpu.edu.cn。

本文引用格式：

范滔，姚倡鋒，譚靚，等 γ -TiAl合金的加工特性及能場輔助技術研究進展[J].中國機械工程，2025，36（4）：636-654.FANTao，YAOChangfeng，TANLiang，etal.ResearchProgresses for Machining Characteristics and Field-assisted Tech-niques of γ-TiAl Alloys[J].China Mechanical Engineering，2025，36（4）：636-654.