GH4079高溫合金磨削表面特征的研究**

鐘麗瓊 梁益龍 胡 浩

(①貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；②貴陽(yáng)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550005；③貴州省材料結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025)

GH4079高溫合金磨削表面特征的研究**

鐘麗瓊①②梁益龍③胡 浩①

(①貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；②貴陽(yáng)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550005；③貴州省材料結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025)

采用CALISUM表面粗糙度儀、顯微硬度儀及X射線應(yīng)力衍射儀對(duì)GH4079高溫合金磨削表面特征(表面粗糙度、表面顯微硬度及表面殘余應(yīng)力)進(jìn)行測(cè)定，研究在砂輪線速度范圍為15～25 m/s，徑向進(jìn)給量范圍為0.05～0.15 mm，工件速度范圍為40～80 mm/min的切削用量下，GH4079高溫合金的表面特征。同時(shí)揭示了表面特征參數(shù)隨磨削用量的變化規(guī)律，為GH4079高溫合金磨削加工參數(shù)的選擇提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)依據(jù)。

GH4079合金；磨削；表面特征

鎳基高溫合金雖性能優(yōu)良已被廣泛應(yīng)用于航天航空等領(lǐng)域，但其在磨削加工時(shí)，由于強(qiáng)化相的作用，使得磨削力大、磨削溫度高、加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重等問(wèn)題出現(xiàn)，導(dǎo)致高溫合金磨削加工困難[1]。由于磨削又是工件加工中常用的加工方式之一，任敬心[2-6]的團(tuán)隊(duì)已對(duì)GH33A合金[2-3]和GH4169合金[4-5, 7]的磨削加工及磨削表面完整性進(jìn)行了一定的研究。本文所研究的GH4079是Ni-Co-Cr基沉淀硬化性變形高溫合金[8]，曾用牌號(hào)GH7079(GH742Y)，是GH4742(GH742)合金的改型合金，進(jìn)一步提高了Al、Ti、Nb的含量，以形成更多的Ni3(AlTiNb)沉淀強(qiáng)化相的同時(shí)還添加了W、V、Mg、Nd等強(qiáng)化元素，使強(qiáng)度和塑性具有良好的配合，用其代替GH4742合金做渦輪盤(pán)可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能或延長(zhǎng)其使用壽命[9]，具有很好的應(yīng)用前景，而目前還未見(jiàn)到GH4079合金磨削加工的有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。為此本文擬采用不同的磨削參數(shù)對(duì)GH4079高溫合金進(jìn)行磨削加工后研究其表面特征(表面粗糙度、表面殘余應(yīng)力及表面顯微硬度)與磨削參數(shù)(砂輪線速度、徑向進(jìn)給量及工件速度)的關(guān)系，為GH4079合金渦輪盤(pán)的磨削加工提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用材料GH4079是Ni-Co-Cr基沉淀硬化型變形高溫合金，標(biāo)準(zhǔn)熱處理工藝為：1040 ℃×4 h/AC+1140 ℃×8 h/AC+850 ℃×6 h/AC+780 ℃×14 h/AC。其化學(xué)成分如表1所示，室溫力學(xué)性能如表2所示。

表1 GH4079高溫合金的化學(xué)成分(wt%)

CCrCoMoAlTiNbVFeLaMnNi0．05911．0214．354．623．112．772．680．620．30．0460．0360．395

表2 GH4079高溫合金的室溫力學(xué)性能

抗拉強(qiáng)度σb/MPa屈服強(qiáng)度σs/MPa延伸率δ/(%)斷面收縮率ψ/(%)13028901515

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用正交實(shí)驗(yàn)法選擇如表3所示的磨削參數(shù)，由某公司進(jìn)行磨削加工，切制成50 mm×20 mm×20 mm塊狀樣如圖1所示。采用CALISUM表面粗糙度儀CR-4032測(cè)量磨削平面粗糙度7次，記錄并求均值，采用X-350A射線應(yīng)力衍射儀測(cè)試磨削工件速度方向x及垂直于工件速度給方向y的殘余應(yīng)力σr(x)和σr(y)，具體測(cè)試參數(shù)為：美國(guó)進(jìn)口Mn靶kα射線，衍射晶面(311)，應(yīng)力常數(shù)-349 MPa，ψ角選擇0°，45°，掃描范圍2θ為158°～143°，掃描步距0.05°，計(jì)數(shù)時(shí)間1 s，電壓18 kV，電流4 mA，光管直徑為φ2 mm；采用顯微硬度計(jì)對(duì)表面顯微硬度H進(jìn)行測(cè)量，載荷200 g, 保持時(shí)間10 s，同時(shí)測(cè)得材料基體的顯微硬度為(560～580 HV)。

表3 磨削參數(shù)

實(shí)驗(yàn)序號(hào)砂輪線速度Vs/(m/s)徑向進(jìn)給ap/mm工件速度VW/(mm/min)1150．05402150．1603150．15804200．05605200．1806200．15407250．05808250．1409250．1560

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 GH4079合金磨削表面特征

表4為GH4079合金磨削表面粗糙度、表面顯微硬度及表面殘余應(yīng)力的測(cè)試結(jié)果。從表4中可以看出，磨削表面的粗糙度值的變化范圍為189～487 nm，與之前研究的GH4079合金車(chē)削表面粗糙度值變化范圍相比，車(chē)削表面粗糙度在502～1 121 nm范圍內(nèi)變化，可知，磨削表面粗糙度值小且波動(dòng)小，這是因?yàn)槟ハ鬟^(guò)程中切削刃多、形態(tài)不一，未變形切厚小所導(dǎo)致；磨削表面顯微硬度在564.2～698.7 HV范圍內(nèi)波動(dòng)，而車(chē)削表面顯微硬度值在570.2～677.3 HV范圍內(nèi)波動(dòng)，磨削表面顯微硬度波動(dòng)較大，硬化程度較車(chē)削明顯；磨削表面殘余應(yīng)力在工件速度方向?yàn)閴簯?yīng)力，垂直于工件速度方向?yàn)槔瓚?yīng)力。這是因?yàn)榍邢鞅砻鏆堄鄳?yīng)力的形成是切削區(qū)不均勻熱-力耦合場(chǎng)綜合作用的結(jié)果，其中切削熱的影響形成殘余拉應(yīng)力，而切削力的影響形成殘余壓應(yīng)力[10]，由于GH4079合金的導(dǎo)熱性差，磨削GH4079合金時(shí)，磨屑所帶走的熱量很少，工作區(qū)磨削溫度高，而在垂直于工件速度方向的切削力小于工件速度方向的切削力，所以在垂直于工件速度方向形成拉應(yīng)力而在工件速度方向呈壓應(yīng)力。

表4 GH4079合金磨削表面特征測(cè)試值

實(shí)驗(yàn)序號(hào)表面粗糙度Ra/nm表面顯微硬度H/HV工件速度方向σr(x)/MPa垂直工件速度方向σr(y)/MPa1189589．3-213226．52265593．1-480221．53365564．2-597245．84340623．8-336．56805434601．1-870270．56210666．3-123703．57487623．8-401895．68271698．7-90536．59408660．1-312754

2.2 磨削參數(shù)對(duì)GH4079合金表面特征靈敏度分析

應(yīng)用最小二乘法分別對(duì)表4中試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元函數(shù)擬合，建立表面粗糙度Ra、表面顯微硬度H、表面殘余應(yīng)力σr(x)和σr(y)的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

對(duì)上述多元函數(shù)擬合方程的相關(guān)系數(shù)R2進(jìn)行檢驗(yàn),R2=U/Lyy，其中U為回歸平方和，Lyy為總平方和，計(jì)算出表面粗糙度Ra的相關(guān)系數(shù)R2=0.97，σr(x)的相關(guān)系數(shù)R2=0.975說(shuō)明建立的模型是可信的，而表面顯微硬度H的相關(guān)系數(shù)R2=0.54，σr(y)的相關(guān)系數(shù)R2=0.72,說(shuō)明擬合公式為中度相關(guān)。從式(1)、(3)看出，GH4079合金在本文所采用的磨削條件范圍內(nèi)，磨削表面粗糙度和工件速度方向殘余應(yīng)力σr(x)都對(duì)工件速度的變化最為敏感，對(duì)砂輪線速度的變化敏感次之，根據(jù)式(2)、(4)可知，表面顯微硬度和垂直于工件速度方向殘余應(yīng)力σr(y)對(duì)砂輪線速度的變化最為敏感，對(duì)工件速度的變化敏感次之，它們都對(duì)徑向進(jìn)給量的變化最不敏感。

2.3 磨削參數(shù)對(duì)GH4079合金表面特征的影響

圖2是對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式的直觀分析，其中圖2a為磨削表面粗糙度、表面顯微硬度和表面殘余應(yīng)力在ap=0.05 mm，vw=40 mm/min時(shí)隨砂輪速度的變化曲線。容易看出，隨著砂輪線速度的增加，表面粗糙度值有所增大，而表面顯微硬度和σr(y)是有很明顯的增大，σr(x)增大較小。由于研究表明殘余壓應(yīng)力有改善疲勞性能的作用，而殘余拉應(yīng)力則降低疲勞性能[11]，表面粗糙度值增大，應(yīng)力集中系數(shù)增大，疲勞裂紋易于萌生，也降低疲勞性能；所以對(duì) GH4079合金進(jìn)行磨削時(shí)，不宜選用較大的砂輪線速度。

圖2b為磨削表面粗糙度、表面顯微硬度和表面殘余應(yīng)力在vs=15 m/s，vw=40 mm/min時(shí)隨徑向進(jìn)給量的變化曲線。由于各表面特征參數(shù)對(duì)徑向進(jìn)給量的變化都最不敏感，從圖中也看出，當(dāng)徑向進(jìn)給量發(fā)生變化時(shí)，表面粗糙度Ra、表面顯微硬度H和表面殘余應(yīng)力都無(wú)明顯變化。這可能與磨削加工特點(diǎn)本身有關(guān)，為保證加工表面質(zhì)量，磨削深度的值為微米級(jí)，因此其Δap很小，當(dāng)徑向進(jìn)給量在很小的范圍內(nèi)變化時(shí)，該變化對(duì)磨削熱和磨削力的影響都較小，從而使獲得的表面特征變化很小，為此我們可以視為磨削表面的各特征值不受徑向進(jìn)給量的影響。

圖2c是磨削表面粗糙度、表面顯微硬度和表面殘余應(yīng)力在vs=15 m/s，ap=0.05 mm時(shí)隨進(jìn)給量的變化曲線?？梢钥闯?，隨著工件速度的增加，表面粗糙度Ra、表面顯微硬度H和σr(x)的都有明顯的增大，σr(y)的減小趨勢(shì)不明顯。這是因?yàn)楣ぜ俣鹊脑觯环矫媸沟媚ハ髑谐试龃?，切削過(guò)程的平穩(wěn)性降低，使得表面粗糙度值增大；另一方面是切削力增大，表面塑性變形程度加劇，從而表面加工硬化程度增大，也使由切削力產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力增大，所以σr(x)增大，而σr(y)主要受切削熱影響，切削力的變化對(duì)其影響不明顯，以至于σr(y)有減小的趨勢(shì)但變化不明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)GH4079合金磨削表面粗糙度值在189～487 nm范圍內(nèi)變化，表面顯微硬度值在564.2～698.7 HV范圍內(nèi)波動(dòng)，工件速度方向殘余應(yīng)力σr(x)呈壓應(yīng)力狀態(tài)，而垂直于工件速度方向殘余應(yīng)力σr(y)呈拉應(yīng)力。

(2)磨削表面粗糙度和工件速度方向殘余應(yīng)力σr(x)都對(duì)工件速度的變化最為敏感，對(duì)砂輪線速度的變化敏感次之，而表面顯微硬度和垂直于工件速度方向殘余應(yīng)力σr(y)對(duì)砂輪速度的變化最為敏感，對(duì)工件速度的變化敏感次之，它們都對(duì)徑向進(jìn)給量的變化最不敏感。

(3)表面粗糙度值和σr(x)都隨工件速度增大而增大；而表面顯微硬度和σr(y)都隨砂輪速度的增加而有很明顯的增加。因此，在磨削加工GH4079高溫合金時(shí)，為減小粗糙度值，工件速度不宜過(guò)大，為降低加工硬化程度和殘余拉應(yīng)力，應(yīng)減小砂輪線速度。

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Research the grinding surface characteristics of GH4079 superalloy

ZHONG Liqiong①②, LIANG Yilong③, HU Hao①

(①College of Mechanical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, CHN; ②College of Mechanical Engineering, Guiyang University, Guiyang 550005, CHN; ③Guizhou Key Laboratory of Materials Strength and Structure, Guiyang 550025, CHN)

CALISUM surface roughness tester, hardness tester and X-ray diffraction stress were used to measure grinding surface characteristics (surface roughness, surface hardness and surface residual stress) of GH4079 superalloy, where wheel speed in the range of 15～25m / min, grinding depth in the range of 0.05～0.15mm, feed-speed in the range of 40～80mm/min, the grinding surface features was investigated.at the same time shows that the characteristic parameters of grinding changing with the dosage of grinding, an experimental basis was provided for selecting grinding parameters of GH4079 superalloy.

GH4079 alloy; grinding; surface characteristics

*貴州省科技計(jì)劃項(xiàng)目、黔科合重大專項(xiàng)字(2014)6012號(hào)

TG506 1; TF125.2+12

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.12.015

鐘麗瓊，女，1981年,博士生，講師，主要從事材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與性能研究。

(編輯 李 靜)

2016-06-07)

161223