鎳基高溫合金高速銑削加工表面完整性

杜勁，劉戰(zhàn)強(qiáng)，張入仁，蘇國(guó)勝

(山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南，250061)

Inconel718鎳基高溫合金是采用傳統(tǒng)鍛造工藝生產(chǎn)的以體心立方和面心立方強(qiáng)化的鎳基高溫合金，主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的盤(pán)件、承力環(huán)、鼓簡(jiǎn)軸以及非轉(zhuǎn)動(dòng)部件的機(jī)匣等[1-2]。FGH95鎳基粉末高溫合金是用粉末冶金生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的高溫合金，用于代替Inconel718合金制造新型發(fā)動(dòng)機(jī)的盤(pán)件和其他熱部件，主要用于制造先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤(pán)、渦輪盤(pán)、渦輪軸以及渦輪盤(pán)擋板等高溫承力轉(zhuǎn)動(dòng)部件[3-6]。粉末高溫合金解決了傳統(tǒng)的鑄鍛高溫合金由于合金化程度的提高，鑄錠偏析嚴(yán)重，熱加工性能差，成形困難等問(wèn)題，是現(xiàn)代高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)等關(guān)鍵部件的必選材料[7-10]。

切削加工表面完整性對(duì)高溫合金零件的疲勞性能有很大影響[11]。航空零件的可靠性和使用壽命取決于所用結(jié)構(gòu)材料的疲勞特性，從航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用過(guò)程和故障分析得知，各種形式的疲勞破壞幾乎都集中在零件的表面或接近表面的地方。當(dāng)零件處于腐蝕介質(zhì)和交變載荷的共同作用時(shí)，較差的表面完整性將會(huì)加快零件的疲勞破壞，降低零件的使用壽命[12]。

由于高溫合金的特殊用途，對(duì)其加工表面完整性的研究一直受到重視。胡華南等[13]發(fā)現(xiàn)低速切削高溫合金時(shí)，塑性變形過(guò)程在試件表面內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有相變，而僅在晶粒內(nèi)形成剪切滑移，晶粒的形狀、尺寸及取向發(fā)生改變；切削液可提高工件表面質(zhì)量；工件加工質(zhì)量與切削參數(shù)直接相關(guān)。Vinean等[14]試驗(yàn)研究表明，當(dāng)用陶瓷刀片加工鎳基高溫合金時(shí)，對(duì)比K20硬質(zhì)合金刀片，被加工表面層的拉應(yīng)力提高，而次表層的壓應(yīng)力也高，但工件的疲勞強(qiáng)度卻很接近。Xu等[15]等通過(guò)試驗(yàn)研究磨削溫度對(duì) K417鎳基高溫合金表面完整性的影響發(fā)現(xiàn)由于磨削產(chǎn)生的溫度不足以產(chǎn)生磨削裂紋，除了表面粗糙度外工件的表面完整性不受磨削溫度的影響。Pawade等[16]研究了高速車(chē)削加工Inconel718鎳基高溫合金時(shí)，切削用量和切削刃幾何參數(shù)對(duì)表面完整性的影響，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)切削速度為475 m/min，進(jìn)給量為0.05 mm，切削深度為0.75 mm，并采用珩磨切削刃時(shí)切削加工后表面為殘余壓應(yīng)力；在大多數(shù)的加工條件下，已加工亞表面出現(xiàn)嚴(yán)重的加工硬化現(xiàn)象，硬化層深度可達(dá)200 μm，但當(dāng)切削速度為300 m/min，進(jìn)給量為0.15 mm，切削深度為0.50 mm，并采用20°倒角切削刃進(jìn)行高速車(chē)削加工后，加工硬化程度較低。Arunachalam[17]利用涂層硬質(zhì)合金刀具加工經(jīng)過(guò)時(shí)效強(qiáng)化的Inconel718高溫合金，研究發(fā)現(xiàn)切削刀具幾何參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的類(lèi)型起主導(dǎo)作用，當(dāng)采用涂層硬質(zhì)合金具有倒角和負(fù)前角并且刀尖半徑為0.8 mm的圓形刀片切削加工Inconel718時(shí)，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力較小，并且大多是殘余壓應(yīng)力。

Li等[18]通過(guò)精密面車(chē)削高強(qiáng)度鎳基粉末高溫合金 RR1000，研究了刀片類(lèi)型、刀具涂層、刀具磨損和刀具破損對(duì)已加工表面殘余應(yīng)力的影響。研究發(fā)現(xiàn)：與菱形刀片相比，圓刀片引起的拉應(yīng)力稍高，未涂層刀片的性能不亞于涂層刀片，隨著刀具磨損的增加，表面拉應(yīng)力也隨之增加，但沒(méi)有出現(xiàn)更多的塑性變形，無(wú)論刀具是否磨損，加工硬化層在50 μm左右，但是已破損的刀具則在 30 μm 左右。Veldhuis等[19]利用TiAlN涂層硬質(zhì)合金刀具精車(chē)削研究ME16加工表面形成2～4 μm深的白層，由于含氧化鋁白層的出現(xiàn)，導(dǎo)致熱傳導(dǎo)率降低，引起切削溫度的升高，這對(duì)加工表面的質(zhì)量有負(fù)面作用，刀具壽命也降低。

綜上所述，前人已經(jīng)對(duì)高溫合金的切削加工表面完整性做了大量的研究工作，得出的結(jié)論對(duì)生產(chǎn)實(shí)際起到了重要指導(dǎo)作用。高速切削FGH95粉末高溫合金的表面完整性對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用渦輪盤(pán)的疲勞壽命和使用性能有至關(guān)重要的影響，但是對(duì)于在高速切削加工時(shí)，鎳基粉末高溫合金FGH95表面完整性以及切削速度對(duì)FGH95切屑形態(tài)的影響的研究仍是空白。由此，本文作者研究了切削速度對(duì) FGH95鎳基粉末高溫合金高速銑削加工表面完整性的影響，并對(duì)比研究了切削速度對(duì)Inconel718鎳基高溫合金高速銑削加工表面完整性的影響，分析了切削速度對(duì)兩者切屑形態(tài)的影響規(guī)律，以期為優(yōu)化鎳基高溫合金高速銑削加工參數(shù)，及進(jìn)行表面完整性控制研究提供相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)條件及過(guò)程

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為采用熱等靜壓成型的 FGH95鎳基粉末高溫合金和采用傳統(tǒng)鍛造工藝生產(chǎn)的Inconel718高溫合金。為了實(shí)現(xiàn)近似的正交切削，將上述2種材料的工件利用電火花線切割加工成厚度為 2 mm的薄片，采用專用的夾具夾緊在銑床工作臺(tái)上，圖1所示為正交銑削示意圖。

圖1 正交銑削示意圖Fig.1 of orthogonal milling

1.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)所用機(jī)床為 ACE-500三軸數(shù)控銑床；刀具采用 KENNAMETAL 生產(chǎn)的 SNHX12L5PZFNGE KC510M三面刃銑刀，圖2所示為刀具示意圖。能夠近似實(shí)現(xiàn)90°正交切削，采用KC725M涂層硬質(zhì)合金刀片。為消除刀具磨損對(duì)加工后表面完整性的影響，每次切削只切除很少量合金，并且每次切削都采用新的切削刃，切削完成后觀察切削刃保證無(wú)磨損。此次試驗(yàn)固定軸向切削深度為2 mm，固定每轉(zhuǎn)進(jìn)給量0.02 mm，切削速度依次選擇800，1 200，1 600，2 000，2 400，2 800，3 200，3 600，4 000 m/min，收集每次切削加工后的切屑，采用超景深顯微鏡觀察切屑形貌。采用電火花線切割將已加工試樣含已加工表面部分切割，先觀察已加工表面粗糙度，然后制備金相試樣并進(jìn)行腐蝕，腐蝕劑配比為鹽酸100 mL，酒精100 mL，氯化銅5 g。采用掃描電鏡對(duì)斷面微觀組織進(jìn)行觀察。

圖2 刀具示意圖Fig.2 Cutting tool

2 結(jié)果及分析

2.1 表面粗糙度及表面形貌

表面粗糙度測(cè)量以及表面形貌觀察采用 WYKO NT9300白光干涉儀，在已加工表面上取 3個(gè)點(diǎn)測(cè)量取平均值，取樣長(zhǎng)度為94 μm，取樣寬度為126 μm。圖3所示為FGH95和Inconel718表面粗糙度Ra的測(cè)量結(jié)果。

由圖3可以看出：高速銑削加工FGH95當(dāng)切削速度低于2 000 m/min時(shí)，已加工表面的表面粗糙度隨切削速度的提高變化不大，當(dāng)切削速度為2 000～3 200 m/min時(shí)隨著切削速度的提高，表面粗糙度不斷增大，表面粗糙度在切削速度為3 200 m/min時(shí)達(dá)到最大值。然而，當(dāng)切削速度超過(guò)3 200 m/min時(shí)，表面粗糙度反而隨著切削速度的提高而減小。高速銑削加工Inconel718表面粗糙度隨切削速度變化的趨勢(shì)與FGH95相同，當(dāng)切削速度超過(guò)2 800 m/min時(shí)，表面粗糙度隨著切削速度的提高而減小。

圖3 切削速度對(duì)FGH95表面粗糙度的影響Fig.3 Typical variation of surface roughness with cutting speed

由圖 3比較高速銑削加工鎳基高溫合金 FGH95與 Inconel718切削速度對(duì)表面粗糙度的影響可以看出，在較低的切削速度范圍內(nèi)(800～2 000 m/min)，切削加工FGH95與Inconel718所得表面粗糙度相差不大，并且表面粗糙度都隨切削速度的提高變化不大。但是當(dāng)切削速度超過(guò)2 000 m/min時(shí)，隨著切削速度的提高，F(xiàn)GH95和Inconel718表面粗糙度都不斷增加，并且高速銑削加工 FGH95表面粗糙度的增加幅度要大于Inconel718表面粗糙度的增加幅度。在較高的切削速度范圍內(nèi)(＞2 000 m/min)，高速銑削加工FGH95的表面粗糙度要大于Inconel718的表面粗糙度。這表明在較高的切削速度范圍內(nèi)，Inconel718的切削性能要優(yōu)于FGH95的切削性能，F(xiàn)GH95粉末高溫合金中的非金屬夾雜和 PPB(原顆粒邊界)和熱誘導(dǎo)孔洞等對(duì)表面粗糙度的影響較大。高速銑削加工 FGH95與Inconel718表面粗糙度出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)的切削速度也不同，F(xiàn)GH95表面粗糙度拐點(diǎn)出現(xiàn)在切削速度為3 200 m/min時(shí)，此時(shí)的表面粗糙度為 441.65 nm，而Inconel718表面粗糙度拐點(diǎn)出現(xiàn)在切削速度為 2 800 m/min時(shí)，表面粗糙度為293.11 nm。

2.2 顯微硬度

把線切割獲取的試樣經(jīng)過(guò)鑲嵌、研磨、拋光后采用MH-6微觀硬度計(jì)在垂直于已加工表面的截面上進(jìn)行顯微硬度測(cè)量，測(cè)量方法如圖4所示。在已加工表面下，每隔15 μm壓痕測(cè)量一次，直至測(cè)量的硬度穩(wěn)定接近于基體硬度。圖5所示為FGH95和In718的銑削表面硬化層的分布深度與顯微硬度的關(guān)系。

圖4 加工硬化區(qū)Fig.4 Microhardness region beneath machined surface

圖5 銑削表面加工硬化的分布Fig.5 Microhardness measured on sub-surface of machined surface samples

從圖5可以看出：銑削FGH95鎳基粉末高溫合金和Inconel718鎳基高溫合金都會(huì)產(chǎn)生一定的加工硬化現(xiàn)象，切削速度對(duì)加工硬化層深度和加工硬化率的影響如圖6和7所示。

由圖6可知：高速銑削加工FGH95與Inconel718時(shí)，切削速度對(duì)加工硬化層深度影響的趨勢(shì)相似，高速銑削加工FGH95時(shí)，當(dāng)切削速度低于2 400 m/min時(shí)，加工硬化層深度隨切削速度的提高變化較小，但當(dāng)切削速度位于2 400～3 600 m/min時(shí)，加工硬化層深度明顯增大。當(dāng)切削速度高于3 600 m/min時(shí)，加工硬化層深度反而降低。高速銑削加工Inconel718時(shí)，當(dāng)切削速度低于2 800 m/min時(shí)，加工硬化層深度隨切削速度的提高變化較小，較深的加工硬化層出現(xiàn)的速度范圍為2 800～4 000 m/min。并且當(dāng)切削速度超過(guò)4 000 m/min時(shí)的硬化層深度呈減小趨勢(shì)。由圖7可知：高速銑削加工FGH95與Inconel718 2種鎳基高溫合金時(shí)，切削速度對(duì)加工硬化率的影響不大，其中FGH95的加工硬化率為119.63%，Inconel718為128.40%。從圖5～7分析可以得出：Inconel718鎳基高溫合金的加工硬化現(xiàn)象比FGH95的加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重，這與材料結(jié)構(gòu)及其成形工藝有很大的關(guān)系。

圖6 切削速度對(duì)加工硬化層深度的影響Fig.6 Typical variation of depth of work hardening with cutting speed

圖7 切削速度對(duì)加工硬化率的影響Fig.7 Typical variation of rate of work hardening with cutting speed

2.3 切削速度對(duì)白層的影響

白層是伴隨著硬態(tài)切削過(guò)程所形成的一種組織形態(tài)，它是存在于已加工表面或亞表面下的、經(jīng)金相試劑浸蝕后在光學(xué)顯微鏡下無(wú)特征形貌并呈白色的硬層，圖8所示為切削加工表面的白層。白層具有2個(gè)特征：一是比基體硬度高；二是無(wú)特征組織形貌。白層的顯微結(jié)構(gòu)如圖9所示。白層的微結(jié)構(gòu)特征對(duì)工件的使用性能有著重要的影響：一方面白層的高硬度可提高抗磨能力；另一方面由于其脆性很大易形成裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致材料大塊剝落或成為疲勞源。白層一般很硬、很脆、很薄(厚度一般為幾μm至幾十μm)，大多數(shù)情況下是非連續(xù)性的，因而在工件表面易形成剝落、增加磨損，而在亞表面內(nèi)部的白層還可能有裂紋并易形成裂紋源，使零件斷裂失效，另外，裂紋孔開(kāi)裂也往往與白層有關(guān)，大大降低結(jié)構(gòu)件的疲勞極限[20-21]。由于白層尺寸薄，難于準(zhǔn)確分析其組織特征，因此對(duì)其形成機(jī)制有一定爭(zhēng)議[22]，在對(duì)白層精細(xì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)上也沒(méi)有達(dá)成一致看法，對(duì)白層組織的詳細(xì)結(jié)構(gòu)目前尚無(wú)法給出明確的定義[23]。由此，研究高速銑削加工鎳基高溫合金時(shí)切削速度對(duì)白層厚度的影響對(duì)分析白層形成機(jī)制有一定的指導(dǎo)意義。

將切削加工后的工件經(jīng)線切割加工成金相試樣，經(jīng)鑲嵌，在垂直于已加工表面的橫截面上研磨、拋光后經(jīng)金相腐蝕后利用KEYENCE超景深數(shù)碼顯微鏡VHX-600ESO觀察并測(cè)量白層厚度，結(jié)果如圖10所示。

圖8 切削加工表面的白層Fig.8 White layers in machined surface

圖9 白層的顯微組織Fig.9 Cross-section microstructures of machined part made of FGH95 P/M superalloy

圖10 切削速度對(duì)白層厚度的影響Fig.10 Variation of depth of white layer with cutting speed

由圖10可以看出：在相同的切削用量下高速銑削加工FGH95表面白層的厚度小于Inconel718表面白層的厚度。切削加工 FGH95鎳基粉末高溫合金時(shí)，較大的白層厚度出現(xiàn)在切削速度為 2 800～3 600 m/min之間，出現(xiàn)的最大白層厚度12.99 μm，而高速銑削加工Inconel718鎳基高溫合金時(shí)，較大的白層厚度出現(xiàn)在切削速度為2 000～2 800 m/min之間，出現(xiàn)最大白層厚度為17.78 μm。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，白層的形成依賴于材料本身和切削加工條件。

2.4 切削速度對(duì)切屑鋸齒化的影響

高速銑削加工FGH95和Inconel718高溫合金時(shí)，切屑出現(xiàn)了明顯的鋸齒化現(xiàn)象，并且隨著切削速度的提高，鋸齒化程度不斷加劇。這說(shuō)明由于鎳基高溫合金的導(dǎo)熱系數(shù)較低，在高速銑削加工時(shí)在應(yīng)變率超過(guò)一定值后，由于塑性變形功產(chǎn)生的熱量不能得到及時(shí)傳導(dǎo)，在首先發(fā)生塑性屈服的局部區(qū)域聚集的大量熱量對(duì)該局部區(qū)域產(chǎn)生的熱軟化效應(yīng)超過(guò)其加工硬化效應(yīng)，使該局部區(qū)域強(qiáng)度下降，形成變形較大的塑性變形帶，即熱塑剪切帶，進(jìn)而形成鋸齒狀切屑[24]。并且切削速度越高，剪切變形越集中，熱塑剪切帶越窄。當(dāng)切削速度提高到一定程度時(shí)，鋸齒狀基體屑片間連續(xù)面積隨著剪切帶開(kāi)裂而減小，直至完全分裂分離[25]。高速銑削加工FGH95時(shí)，當(dāng)切削速度低于2 400 m/min時(shí)，切屑出現(xiàn)明顯的鋸齒化現(xiàn)象，隨著切削速度的不斷增加，鋸齒化程度不斷加劇，當(dāng)切削速度超過(guò)2 400 m/min時(shí)，鋸齒狀切屑變?yōu)樗樾迹瑘D11所示為高速切削加工FGH95切屑形貌。而在高速銑削加工Inconel718時(shí)，當(dāng)切削速度低于2 000 m/min時(shí)，切屑出現(xiàn)明顯的鋸齒化現(xiàn)象，隨著切削速度的不斷增加，鋸齒化程度不斷加劇，當(dāng)切削速度超過(guò)2 000 m/min時(shí)，鋸齒狀切屑變?yōu)樗樾迹瑘D12所示為高速切削加工Incone1718切屑形貌。FGH95和Inconel718鋸齒狀切屑轉(zhuǎn)變?yōu)樗樾嫉那邢魉俣炔煌?，F(xiàn)GH95轉(zhuǎn)變?yōu)樗樾嫉那邢魉俣纫菼nconel718的高，這說(shuō)明切削速度為2 000 m/min，時(shí)Inconel718高溫合金的脆性比FGH95的大。

圖11 高速切削加工FGH95切屑形貌Fig.11 Chip morphologies of high speed milling FGH95

圖12 高速切削加工Inconel718切屑形貌Fig.12 Chip morphologies of high speed milling Inconel718

3 結(jié)論

(1) 在較低切削速度范圍內(nèi)(800～2 000 m/min)，加工FGH95與Inconel718表面粗糙度相差不大，切削速度對(duì)表面粗糙度的影響很小。但在較高的切削速度范圍內(nèi)(＞2 000 m/min)，加工FGH95的表面粗糙度在相同條件下大于Inconel718的表面粗糙度。

(2) 高速銑削加工FGH95和Inconel718都會(huì)產(chǎn)生一定的加工硬化現(xiàn)象，但是在相同的切削速度下，兩者的加工硬化率和加工硬化層的深度不同，Inconel718的加工硬化率和加工硬化層深度要大于 FGH95的加工硬化率和加工硬化層的最大深度。

(3) 在相同的切削用量下高速銑削加工FGH95表面白層的厚度小于Inconel718表面白層的厚度，并且兩者白層最大厚度出現(xiàn)的速度區(qū)間不同。

(4) 高速銑削加工FGH95和Inconel718切屑出現(xiàn)明顯的鋸齒化現(xiàn)象，并且隨著切削速度的提高，鋸齒化程度不斷加劇。高速銑削加工FGH95時(shí)當(dāng)切削速度超過(guò)2 400 m/min時(shí)，鋸齒狀切屑變?yōu)樗樾?，而高速銑削加工Inconel718鋸齒狀切屑變?yōu)樗樾嫉那邢魉俣葹? 000 m/min。

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