TA15鈦合金是在俄羅斯 BT20 鈦合金基礎上研制的高 Al 當量近 α 型鈦合金。由于 α 穩定元素 Al 的固溶強化機制，再增加 β 穩定元素 Mo、V 和中性元素 Zr，可以得到 α 型鈦合金良好的熱強性和可焊性，以及近似于 α+β 型鈦合金的塑性。TA15鈦合金可在 500 ℃的溫度下工作 3000 h，但在 800 ℃的溫度下工作不超過 5 min。因其高比強度、優異的抗蠕變和抗腐蝕性能、良好的高溫力學性能和可焊性等優點，應用于 500 ℃以下長時間工作的飛機零部件和焊接承力零部件制造 [1–3]。

TA15鈦合金切削過程切削力大、切削溫度高、導熱性能和彈性模量低，這些特點導致鈦合金加工性能差，在切削過程中難以控制工件加工表面完整性，從而對零部件的疲勞性能產生不利影響 [4–5]。表面完整性是指金屬切削后工件表面幾何特征、表面變質層微觀力學、微觀結構特征的綜合指標，主要包含表面粗糙度、表面形貌、殘余應力、顯微硬度和微觀組織等 [6]。表面完整性的優劣顯著影響零部件的疲勞性能 [7]，因此在加工過程中需要控制表面完整性，以期獲得良好的疲勞性能。高速切削具有切削力小、加工效率高、加工成本低等特點，常用于鈦合金和鎳基合金等難切削材料，且在合適工藝參數下，可提高加工表面完整性 [8]。

王曉明等 [9]針對 TC4 鈦合金試件開展了 6000~ 12000 r/min 高速切削工藝試驗，采用極差分析和線性回歸分析，獲得了切削參數對表面粗糙度的影響規律，結果表明，每齒進給量、切削深度、主軸轉速、切削寬度對表面粗糙度的影響依次減小。王明海等 [10]研究了TA15鈦合金高速銑削后表面粗糙度及表面形貌的變化，結果表明軸向切深對兩者都影響顯著；主軸轉速在4500~12000 r/min 范圍內，表面粗糙度隨著主軸轉速的增加而減小，并在 9500 r/min 時表面質量和表面形貌達到最優，之后隨著主軸轉速的增加而增大。Raghavendra等 [11]采用響應曲面法研究了高速銑削工藝參數對Ti–6Al–4V 鈦合金表面質量的影響，研究顯示表面粗糙度對進給速度和主軸轉速更為敏感，并且構建了表面粗糙度的預測模型，獲得了較好的銑削工藝參數：主軸轉速 4800 r/min、進給速度 921 mm/min、切削深度 1.36 mm。Abbas 等 [12]通過 BP 神經網絡和 TOPSIS-Fuzzy方法建立了 Ti–6Al–4V 鈦合金高速車削表面粗糙度模型，在切削速度 300 m/min、進給量 0.15 mm/r 的工藝參數下，可獲得最好的表面加工質量，并與試驗結果有良好的一致性。在表面完整性對疲勞性能影響研究方面，Dinh 等 [13]建立了考慮表面粗糙度的 Ti–6Al–4V 鈦合金中等循環疲勞狀態下裂紋萌生壽命預測模型，基于該模型可預測構件的疲勞壽命。Pegues 等 [14]研究了表面粗糙度對 Ti–6Al–4V 鈦合金疲勞壽命的影響，在高周疲勞狀態下，所有裂紋都萌生于高粗糙度的表面，裂紋萌生對表面粗糙度具有高敏感性。Yang 等 [15]分析了Ti–6Al–4V 銑削加工表面完整性對疲勞壽命的影響，研究發現殘余應力松弛時應力集中決定了鈦合金低周疲勞壽命，無殘余應力松弛時顯微硬度是疲勞壽命的主要影響因素。

以上研究主要集中在 Ti–6Al–4V 鈦合金，本文以TA15鈦合金為研究對象，開展銑削工藝參數對表面完整性及疲勞壽命的影響研究，為 TA15鈦合金構件的銑削加工工藝參數選擇提供參考依據。

1、試驗方法

1.1 材料性能

TA15鈦合金是一種高 Al 當量近 α 型鈦合金，其化學成分見表 1[16]。熱處理工藝為 700~850 ℃保溫1~4 h，600~650 ℃保溫 0.5~8 h，空冷。室溫物理力學性能見表 2[16]。

試驗選用昊科D16R5四刃整體式硬質合金立銑刀，總長 100 mm，TiN 納米涂層，螺旋角為 45°，刀具懸長設置為 40 mm。

1.2 試驗參數和裝置

在 VMC – 850 型三坐標立式數控機床上進行銑削試驗，主軸轉速在 0~8000 r/min 之間，主軸功率為 11 kW，進給速率最大為 5 m/min。銑削時采用乳化液冷卻，銑削方式為固定銑削，順銑。

軸向加載標準疲勞試樣（ 結構應力集中系數 Kt=1）幾何形狀和尺寸見圖 1。疲勞試樣側面采用固定的銑削工藝參數：軸向銑削深度 ap=4 mm，徑向銑削深度 ae =1mm，銑 削 速 度 vc =30 m/min，每 齒 進 給 量 fz = 0.05 mm/z。疲勞試樣端面銑削方案是在工廠現有加工參數的基礎上，采用單因素試驗設計方案制定的。固定軸向銑削深度 ap=1 mm，徑向銑削寬度 ae=8 mm，以銑削速度 vc 和每齒進給量 fz 為自變量，設計單因素工藝試驗方案。當銑削速度 vc=30 m/min 時，每齒進給量 fz 分別為 0.03 mm/z、0.05 mm/z 和 0.07 mm/z ；當每齒進給量fz=0.03 mm/z 時，銑削速度 vc 分別為 20 m/min、30 m/min 和 40 m/min。具體加工參數見表 3。每組工藝參數加工 5 件疲勞試樣，1 件用于表面完整性測試，4 件用于疲勞試驗（ 圖 2）。

1.3 表面完整性測試

采用 MarSurf XT 20 輪廓儀（ 德國馬爾）沿進給方向對試樣表面粗糙度進行測試，取樣長度為 0.8 mm，評定長度為 5.6 mm，在加工表面測量 3 個不同位置。表面形貌使用全自動刀具測量儀 Alicona IF-Edge Master（奧 地 利）觀 察，放 大 倍 數 100 倍，觀 察 面 積 2.8458 mm×2.1589 mm。殘余應力采用加拿大殘余應力測試分析系統 PROTO LXRD MG2000 測試，測試設置參數為布拉格角 142°、靶電流 30 mA、銅靶 K-α 波段、靶電壓25 kV、曝光次數 10 次、曝光時間 1 s、光斑大小 Φ2 mm；表層殘余應力測試時采用電解腐蝕剝層，電解液由體積比 384∶180∶36 的甲醇、正丁醇、高氯酸構成。測試材料微觀組織和表層顯微硬度前，要通過線切割從銑削樣品上切一塊小試樣，再對其進行鑲樣、磨樣和拋光來制備金相試樣。通過 FUTURE – TECH FM 800 型自動顯微硬度計測試表層顯微硬度，選取 25 gf 的加載力，保載10 s。配置氫氟酸（ 5 mL）、硝酸（ 25 mL）和水（ 70 mL）的腐蝕溶液，用棉簽蘸取腐蝕液擦拭金相試樣 20~30 s后迅速用清水沖洗 2~3 min，再用吹風機吹干試樣，腐蝕完成后使用 VEGA3 TESCAN 鎢燈絲掃描電子顯微鏡觀察試樣表層微觀組織。疲勞試樣表面粗糙度和表面殘余應力測試結果見表 3。

1.4 疲勞壽命測試

軸向加載疲勞試驗在 QBG – 50 型（ 仟邦）高頻疲勞試驗機上進行。室溫條件，加載頻率 90~92 Hz，加載波形正弦波，循環應力比 R=0.1，最大名義應力 750 MPa，疲勞試驗現場如圖 2（b）所示。對每組參數下 4 件疲勞試樣求取中值疲勞壽命，根據實際經驗，應力水平相同時，如果各疲勞壽命大部分在 106 循環以內，則疲勞壽命對數可以被認為遵循正態分布，中值疲勞壽命 N50可按式（ 1）計算。疲勞試樣中值疲勞壽命見表 3。疲勞斷口采用 VEGA3 TESCAN 鎢燈絲掃描電鏡進行觀察。

式中，N50 為中值疲勞壽命；n 為疲勞試樣件數；Ni 為第i 件疲勞試樣的疲勞壽命。

2、試驗結果和討論

2.1 銑削參數對表面完整性的影響

2.1.1 表面形貌和粗糙度

圖 3 為銑削速度、每齒進給量對表面粗糙度的影響點線圖。可以看出，不同銑削參數下，表面粗糙度 Ra 在 0.084~0.325 μm 范圍內變化，變化范圍較小。從圖 3（a）可以看出，銑削速度在 20~40 m/min 范圍變化時，隨著銑削速度的增大，表面粗糙度逐漸減小。切削速度較低時易形成積屑瘤和鱗刺；切削速度越高，表面塑性變形越不充分，可獲得較小的表面粗糙度。從圖 3（b）可以看出，隨著每齒進給量增大，表面粗糙度也增大，當每齒進給量從 0.03 mm/z 增加到 0.07 mm/z 時，30 m/min 下表面粗糙度Ra 由 0.194 μm 增大到 0.231 μm。這是由于每齒進給量增大，進給方向殘留高度增加，進而導致表面粗糙度增大。

選取 1#、3# 和 6# 銑削參數下的試樣，對三維表面形貌、殘余應力和顯微硬度梯度分布、表層微觀組織進行測試。圖 4 為 1#、3# 和 6# 銑削參數下的三維表面形貌。銑削加工表面存在沿著銑削加工方向的表面紋理，呈現出一高一低的波峰和波谷，清晰地展現了刀具切削刃的運動軌跡 [17]。波峰和波谷有規律地出現在試樣表面，這是由于銑削加工是斷續加工，4 個刀齒依次參與切削，導致部分工件材料不能被有效切除。從圖 4 中可以看出，殘留高度的波峰呈周期性分布，每齒進給量的大小與進給方向殘留高度周期性出現的距離相等，隨著每齒進給量的增大，表面紋理變得稀疏。

2.1.2 表面和表層殘余應力

圖 5 為銑削速度和每齒進給量對 TA15鈦合金表面殘余應力的影響曲線。TA15鈦合金銑削加工后試樣表面均為殘余壓應力狀態，表面殘余應力的范圍為 – 481~ – 584 MPa，這主要是由于切削過程中塑性變形產生的剪切應力、摩擦應力以及后刀面的擠光壓應力占主導作用，因此在銑削加工表面呈現出殘余壓應力狀態 [18]。表面殘余壓應力隨著銑削速度的增大而增大，隨著每齒進給量的增大而有所減小。譚靚等 [19]在研究7055 鋁合金高速銑削表面完整性時也發現了類似的規律。這是切削速度增大，刀具切觸點下區域的擠光作用增強所致。

圖 6 為銑削加工后 TA15鈦合金表層殘余應力梯度分布曲線。可以看出，殘余壓應力影響層深度約為 30 μm，隨著表面下深度的增加，3 組銑削參數下的表層殘余應力值逐漸趨于穩定，在 0 ~ 70 MPa 范圍內波動。在本文中，由于銑削速度不大，并且銑削深度數值遠大于每齒進給量，因此在銑削深度不變的情況下，每齒進給量的變化對銑削力影響不大，導致 3 種銑削參數組合下表層殘余應力梯度分布曲線差異性不大，并且殘余應力影響層較淺且差別較小 [20]。唐克巖 [21]建立了 TA15鈦合金銑削力 F 與銑削速度 vc、每齒進給量 fz、銑削深度 ap、銑削寬度 ae 的關系模型：F=96vc–0.06 fz0.86 ap1.15 ae0.79，可知銑削深度對銑削力影響最大，銑削速度影響最小。

2.1.3 表層顯微硬度

鈦合金銑削過程中加工硬化形成的機制：一是材料高的應變速率會帶來流動應力的增高，導致變形抗力增大；二是金屬材料在銑削過程中析出硬質點，暴露在空氣中與 N、O 元素結合從而形成硬化層 [22]。圖 7 為不同銑削參數下表面和表層顯微硬度測試結果。從圖 7（a）可以看出，TA15鈦合金銑削加工后表面顯微硬度在355HV0.1 ~ 366HV0.1 范圍內，變化較小。銑削速度和每齒進給量的變化不會明顯改變表面顯微硬度。從圖 7（b）可以看出，在表面下深度 70 μm，TA15鈦合金基體顯微硬度在 307HV0.025 ~ 323HV0.025 之間，銑削加工表面硬化程度約為 14.3%，并且 3 組銑削參數下的表層顯微硬度沿深度方向變化的差異不大，顯微硬度都是隨著表面下深度的增加逐漸降低，最后趨于穩定值。

2.1.4 表層微觀組織

圖 8 為掃描電鏡下的 3 種銑削參數下 TA15鈦合金表層微觀組織照片。可以看出，TA15鈦合金基體為典型的等軸組織，由初生的等軸 α 相（ 灰色部分）、次生的片層狀 α 相（灰色部分）和 β 相（ 白色部分）組成，β 相中析出次生的片層狀 α 相，平均晶粒尺寸約為 20 μm。銑削加工后，試樣表層晶粒出現了破碎、拉長和輕微的扭曲變形，塑性變形層深度在 5 μm 以內。微觀組織的變化主要表現為塑性變形，切削過程應力越大，表層塑性變形越明顯，晶粒變形程度越高。切削速度和每齒進給量的改變，對塑性變形的影響不顯著。

2.2 表面完整性對疲勞壽命的影響

2.2.1 表面粗糙度對疲勞壽命的影響

圖 9（a）表明了表面粗糙度和疲勞壽命之間的關系，即隨著表面粗糙度的增大，TA15鈦合金軸向加載疲勞壽命呈降低趨勢。當表面粗糙度 Ra 為 0.148 μm 時，中值疲勞壽命最高，為 4.044×105 次；當表面粗糙度 Ra為 0.245 μm 時，中值疲勞壽命最低，為 1.936×10⁵ 次。

通過線性回歸擬合，構建了表面粗糙度與材料疲勞壽命的關系模型，如式（ 2）所示，模型中回歸項的 P 值為0.003<0.01，模型是極顯著的；決定系數 R2 為 0.907，模型預測精度較高。

一般認為表面粗糙度越大，構件疲勞性能越低。高粗糙度的表面包含很多微小裂紋，增大了表面應力，從而使疲勞壽命下降；低粗糙度的表面（ 光滑表面），應力集中較小，會延遲初始裂紋的產生。初始裂紋的產生主要取決于表面粗糙度。

2.2.2 表面殘余應力對疲勞壽命的影響

圖 9（b）為表面殘余應力與疲勞壽命之間的影響關系。可以看出，表面殘余壓應力對疲勞壽命有著正向的作用。當表面殘余壓應力為 – 566.88 MPa 時，中值疲勞壽命最高，為 4.044×105 次（銑削參數 5#）。構建了疲勞壽命與表面殘余應力的關系模型，如式（ 3）所示，模型中回歸項的 P 值為 0.0003<0.01，模型是極顯著的；決定系數 R2 為 0.970，模型預測精度較高。

一方面，殘余壓應力的存在減小了外加工作應力產生的拉應力，從而提高了構件的疲勞強度；另一方面，由Forman 等 [23] 提出的疲勞裂紋擴展速率 da/dN 計算公式（式 （ 4））可知，疲勞裂紋擴展速率與應力比 r、應力強度因子幅度 ΔK 及材料斷裂韌性 Kc 有關。當存在殘余壓應力時，殘余應力引起的應力強度因子與外加工作應力引起的應力強度因子疊加，減小了應力比，從而促使裂紋擴展速率降低，減緩或抑制了疲勞裂紋的擴展。

從裂紋閉合角度來講，殘余壓應力的存在使裂紋的兩個面壓緊，從而促使裂紋閉合，減小了裂紋張開的可能，使疲勞裂紋擴展速率明顯下降，提高了疲勞壽命。

式中，C、m 為與試驗有關的材料常數。

2.2.3 顯微硬度和微觀組織對疲勞壽命的影響

表層硬化的存在可提高材料的屈服強度，進而提升材料的疲勞強度；同時，表面硬化提高了疲勞裂紋擴展應力強度因子門檻值，使得初使裂紋萌生將在更高的工作應力下出現，從而延遲初始裂紋的產生。由圖 7（b）可知，TA15鈦合金銑削加工后產生了 70 μm 的硬化層，可有效延遲初始裂紋的產生，提高疲勞壽命。

通過觀察分析材料微觀組織中的晶粒細化和位錯強化，可以判斷出其對疲勞性能的影響規律。晶粒細化能夠提高材料的塑性、韌性和屈服強度，從而改善材料的疲勞性能。位錯強化對疲勞強度的增量大致同晶體中位錯密度的平方根成正比。由圖 8 可知，TA15鈦合金銑削加工后表層微觀組織晶粒細化不明顯，因此晶粒細化對疲勞壽命的影響較小。

2.2.4 表面完整性對疲勞壽命的綜合影響

圖 10 為表面粗糙度和表面殘余應力綜合作用對疲勞壽命的影響。粗糙的表面、低的殘余壓應力會產生低的疲勞壽命；而好的表面質量、高的殘余壓應力會帶來高的疲勞壽命。在試驗參數范圍內，5# 試樣的疲勞壽命最高，為 4.044×105 次，該試樣的加工表面粗糙度 Ra為 0.148 μm，表面殘余壓應力為 – 566.88 MPa，表面顯微硬度為 361.57HV0.1。

2.2.5 疲勞斷口分析

圖 11 為 1# 和 5# 銑削參數下疲勞試樣的斷口照片。

從圖 11（a）和（ e）中可以看出，疲勞斷口分為典型的疲勞源區、裂紋擴展區和瞬斷區。圖 11（b）和（ f）為疲勞源區形貌照片，1# 銑削參數下疲勞裂紋源位于疲勞試樣端面和側面相接的棱邊處，5# 銑削參數下疲勞裂紋源位于疲勞試樣側面中部；疲勞裂紋源為一小扇形區域，可見有明顯的放射線特征，沿疲勞裂紋擴展方向輻射，這說明疲勞裂紋不是簡單的一個宏觀平面，而是沿一系列有高度差的宏觀平面向周圍擴展。圖 11（c）和（ g）為疲勞裂紋擴展區形貌照片，可見清晰的疲勞條帶，具有略呈彎曲且互相平行的溝槽花樣，是由于斷口受到周期性的拉應力卸載作用，裂紋周期性向前擴展而形成的一簇弧形線條。圖 11（d）和（ h）為瞬斷區形貌照片，可觀察到大量較深的等軸韌窩，表明為韌性斷裂，其在斷裂過程中吸收能量較高。王哲等 [24] 研究也有類似發現，含有大量球狀初生 α 相的 TA15鈦合金鍛件韌窩較深，而含有較多較細長片層狀 α 相的鍛件韌窩較淺。

3、 結論

（1）在一定范圍內，TA15鈦合金銑削加工表面粗糙度變化和銑削速度成反比，和每齒進給量成正比；在表層引入了深度約 30 μm 的殘余壓應力場，最大殘余壓應力位于表面；表層出現了加工硬化，硬化層深度約為70 μm；表層微觀組織發生了輕微塑性變形。

（2）在一定的加載強度下，軸向加載疲勞壽命變化和表面粗糙度成反比，和表面殘余壓應力成正比，銑削速度 vc=40 m/min、每齒進給量 fz=0.03 mm/z 時，表面粗糙度Ra 為 0.148 μm，表面殘余壓應力為 –566.88 MPa，表面顯微硬度為 361.57HV0.1，疲勞壽命最高為 4.044×105 次；疲勞壽命的提高是較低的表面粗糙度、高的殘余壓應力、應變硬化和晶粒細化共同作用的結果。

（3） TA15 銑削疲勞試樣疲勞斷口包括疲勞源區、裂紋擴展區和瞬斷區。疲勞源位于試樣棱邊和側邊中部，裂紋擴展區可見疲勞條帶，瞬斷區有明顯較深的韌窩特性，為韌性斷口。

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通訊作者：譚靚，副研究員，博士，研究方向為難加工材料關鍵構件精密與抗疲勞機械加工。

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