鎳基單晶高溫合金磨削變質(zhì)層工藝試驗(yàn)研究

鞏亞東， 張偉健， 蔡 明， 周顯新

(東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819)

鎳基單晶高溫合金具有優(yōu)良的高溫性能，是目前制造航空發(fā)動機(jī)葉片的主要材料.作為單晶零件的重要加工手段，磨削容易在表層附近產(chǎn)生磨削變質(zhì)層，使表層成分、組織、力學(xué)性能等發(fā)生改變，從而影響零件的疲勞、腐蝕、蠕變性能.因此對鎳基單晶高溫合金的磨削變質(zhì)層開展深入研究非常必要.

杜隨更等[1]采用光學(xué)顯微鏡和透射電鏡對鎳基高溫合金GH4169的磨削變質(zhì)層微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)磨削變質(zhì)層中的塑性變形層可進(jìn)一步細(xì)化為表面非晶層、微觀剪切帶和納米晶層.Cai等[2]對鎳基單晶高溫合金DD5磨削表面質(zhì)量進(jìn)行了正交試驗(yàn)，在給定的試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)得出了有效控制表面粗糙度的參數(shù)組合，試驗(yàn)還觀察磨削亞表面微觀形貌，發(fā)現(xiàn)亞表面內(nèi)基體相γ和強(qiáng)化相γ′劇烈扭曲形成塑性變形層.Wang等[3]對鎳基高溫合金Inconel 718進(jìn)行了機(jī)器人砂帶磨削，研究發(fā)現(xiàn)在塑性變形和熱處理的綜合作用下磨削表面及亞表面發(fā)生了連續(xù)的部分動態(tài)再結(jié)晶，這種再結(jié)晶引起亞表面晶粒細(xì)化及產(chǎn)生大量位錯.

國內(nèi)外研究人員對高溫合金磨削變質(zhì)層的組織結(jié)構(gòu)及形成機(jī)理的研究已取得一定進(jìn)展[4-9]，但關(guān)于磨削參數(shù)及冷卻條件對鎳基單晶高溫合金磨削變質(zhì)層的影響還少有研究.本文使用3D測量激光顯微鏡觀察磨削變質(zhì)層的金相形貌，采用硬度梯度分析研究磨削變質(zhì)層的性能變化，使用場發(fā)射掃描電鏡觀察塑性變形層的微觀組織變化，并研究不同磨削參數(shù)及冷卻條件對鎳基單晶高溫合金磨削變質(zhì)層厚度的影響規(guī)律，以期對鎳基單晶高溫合金零件磨削表面質(zhì)量改善具有一定現(xiàn)實(shí)意義.

1 試驗(yàn)條件與過程

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所加工單晶試件的材料為第二代鎳基單晶高溫合金DD5.DD5添加了稀土元素，具有比第一代鎳基單晶高溫合金更高的耐溫能力.試件的尺寸規(guī)格為60 mm×18 mm×1 mm，其中60 mm×18 mm所在平面為(001)晶面，加工時的磨削方向沿著[100]晶向，晶面和晶向已分別在圖中標(biāo)出，如圖1所示.DD5主要力學(xué)性能參數(shù)見表1.

表1 DD5主要力學(xué)性能

1.2 加工機(jī)床與砂輪

磨削試驗(yàn)所用機(jī)床為M7120A平面磨床，平面磨床通過安裝外部變頻器可實(shí)現(xiàn)調(diào)速，以獲得不同砂輪線速度下的磨削表面.

CBN具有高硬度、高強(qiáng)度、高熱導(dǎo)率等特性，因此用CBN制成的砂輪在磨削加工高溫合金等難加工材料上具有獨(dú)特優(yōu)勢.綜合考慮磨床性能參數(shù)、磨削參數(shù)及工件材料性能等因素，本次磨削試驗(yàn)選用CBN砂輪磨削加工DD5.

圖1 DD5及其晶面和晶向

CBN砂輪主要規(guī)格參數(shù)為:砂輪粒度180#，中硬硬度，樹脂結(jié)合劑，砂輪直徑200 mm，安裝直徑75 mm，砂輪寬度5 mm，鋁合金基體.

1.3 磨削參數(shù)的選取

為研究不同磨削參數(shù)(砂輪線速度、磨削深度、工件進(jìn)給速度)對磨削變質(zhì)層厚度的影響規(guī)律，本試驗(yàn)分別對3個磨削參數(shù)選用5個水平值進(jìn)行單因素平面磨削試驗(yàn)，磨削方式采用逆磨.結(jié)合試驗(yàn)要求、機(jī)床轉(zhuǎn)速、砂輪粒度等因素，各磨削參數(shù)對應(yīng)的具體水平值如表2所示.

表2 磨削參數(shù)水平值

1.4 冷卻條件的選取

本試驗(yàn)除研究磨削參數(shù)對磨削變質(zhì)層厚度的影響，還對比分析不同冷卻條件對磨削變質(zhì)層厚度的影響.考慮到傳統(tǒng)切屑液對環(huán)境的負(fù)面影響，試驗(yàn)冷卻條件選擇干磨削和微量潤滑(minimum quantity lubrication，下文均用MQL表示).

MQL是綜合考慮環(huán)境影響和資源使用效率的一種新型冷卻手段.在氣泵提供的壓縮空氣作用下，油水混合物經(jīng)噴嘴霧化后以一定速度噴射至磨削區(qū)，起到冷卻、潤滑及排屑的作用.

MQL的主要技術(shù)參數(shù):氣源壓力 0.7 MPa，噴管2個，噴管出液量60 mL/h.

1.5 截面金相試樣制備

為觀測磨削變質(zhì)層，需對磨削加工后的單晶試件進(jìn)一步處理，以制備截面金相試樣.使用CA20低速走絲線切割機(jī)床沿單晶試件各磨槽的磨削方向切制2 mm寬的截面金相試樣.截面金相試樣尺寸較小，不便于后續(xù)處理，用金相試樣鑲嵌機(jī)對試樣鑲嵌處理，共制備4塊鑲樣(圖2).

圖2 截面金相試樣

為消除線切割加工在截面金相試樣表層產(chǎn)生的損傷，對鑲樣機(jī)械研磨、拋光，獲得光潔表面.然后用調(diào)配的腐蝕液(甘油、氫氟酸、硝酸按體積4∶2∶1 比例混合)對每個截面金相試樣腐蝕32 s，完成最終處理.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 截面試樣金相形貌

圖3為3D測量激光顯微鏡下觀察截面試樣金相形貌圖.從圖3a可以看出，在腐蝕液的腐蝕作用下，截面金相試樣磨削表層的金相組織與基體金相組織明顯不同.DD5典型的枝晶結(jié)構(gòu)和 γ/γ′ 共晶組織在基體金相形貌中可清楚觀察到.

圖3 截面試樣金相形貌及局部放大圖

圖3b更清晰地顯示磨削表層金相形貌，在磨削表面以下存在一層較連續(xù)的“白層”組織，該組織即為磨削變質(zhì)層.

DD5經(jīng)磨削加工產(chǎn)生磨削變質(zhì)層主要是因?yàn)槭艿侥ハ髁εc磨削熱耦合作用的影響，致使磨削變質(zhì)層內(nèi)材料的組織結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生了改變.磨削過程中，工件材料受到磨粒的擠壓作用產(chǎn)生較大應(yīng)變，從而在工件表層形成塑性流動.所消耗的磨削能轉(zhuǎn)化為大量磨削熱積聚于磨削區(qū)，DD5的低熱導(dǎo)率使短時內(nèi)僅有極少部分熱量傳入材料基體，磨削區(qū)內(nèi)瞬時產(chǎn)生局部高溫，材料變形加劇，促進(jìn)磨削變質(zhì)層的形成.

2.2 磨削表層硬度梯度分析

為深入分析磨削變質(zhì)層力學(xué)性能的變化，采用數(shù)顯顯微維氏硬度計，測量兩種冷卻條件下磨削表層內(nèi)距離磨削表面不同深度的顯微硬度.

硬度試驗(yàn)選用圖3中的截面試樣和同一磨削參數(shù)的干磨削截面試樣.試驗(yàn)加載載荷為25 g，載荷保持8 s，金剛石壓頭距離磨削表面每隔 5 μm 加載一次，共加載12次.將不同位置壓痕的對角線長度代入維氏硬度計算式，即可得到距離磨削表面不同深度的顯微硬度.磨削表層硬度梯度曲線如圖4所示.圖中兩條曲線走勢相近，隨著距磨削表面的距離不斷增大，磨削表層內(nèi)顯微硬度先逐漸減小后趨于在540 HV附近小范圍波動.此外，兩種冷卻條件下對應(yīng)的磨削變質(zhì)層厚度分別為10.3，12.7 μm.這說明兩種冷卻條件下的磨削變質(zhì)層硬度均大于材料基體硬度，而應(yīng)變硬化可能是引起磨削變質(zhì)層硬度較大的主要原因.磨削變質(zhì)層硬度的增加對材料表層的韌性會有所削弱，因此可能對單晶零件的疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響.

圖4 磨削表層硬度梯度曲線

2.3 塑性變形層顯微形貌

塑性變形層是磨削變質(zhì)層重要的組成部分.在場發(fā)射掃描電鏡下觀察塑性變形層材料顯微結(jié)構(gòu)變化，如圖5所示.DD5主要由基體相γ、析出增強(qiáng)相γ′、γ/γ′共晶組織等組成.塑性變形層內(nèi)材料的變形特征主要表現(xiàn)為γ相、γ′相沿著磨削方向發(fā)生明顯不同于基體的嚴(yán)重扭曲，且越靠近磨削表面材料的塑性變形越劇烈，兩相在表面附近扭曲纏結(jié)形成緊密的硬化層.位錯是材料塑性形變的根源，由于DD5含有大量γ′相，因此主要通過第二相強(qiáng)化.在磨粒的摩擦和擠壓作用下，材料表層產(chǎn)生大量位錯，位錯在滑移面運(yùn)動的過程中受到γ′相的阻礙，通過增大外力使得位錯克服阻礙繼續(xù)運(yùn)動.塑性變形層內(nèi)γ相、γ′相的扭曲變形可能為磨削變質(zhì)層的硬度增大提供依據(jù).

圖5 塑性變形層微觀形貌

2.4 磨削變質(zhì)層厚度測量結(jié)果

由于磨削變質(zhì)層的腐蝕特征明顯不同于基體，通過直接測量表層組織的深度即可獲得磨削變質(zhì)層厚度的大小.測量每個截面金相試樣三個不同位置的磨削變質(zhì)層厚度，取均值后的結(jié)果即為各試樣的磨削變質(zhì)層厚度.磨削變質(zhì)層厚度數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表3.

表3 磨削變質(zhì)層厚度測量值

2.5 磨削變質(zhì)層厚度影響規(guī)律分析

根據(jù)表3中數(shù)據(jù)分別繪制磨削變質(zhì)層厚度與磨削參數(shù)關(guān)系的折線圖，如圖6～圖8所示.根據(jù)圖中折線走勢可以得出以下規(guī)律：

1) 磨削變質(zhì)層厚度隨著砂輪線速度的提高而先減小后增大.提高砂輪線速度可有效減小磨粒的未變形切屑厚度，從而減輕材料的塑性變形，磨削變質(zhì)層厚度隨之減小.

磨削過程中的磨削能量除消耗少部分傳入砂輪和磨屑外，大部分用于加熱工件[10].比磨削能Ee的計算公式為

(1)

隨著砂輪線速度繼續(xù)提高，比磨削能逐漸增大，導(dǎo)致大量磨削熱傳入工件.DD5的低熱導(dǎo)率使磨削熱瞬時積聚于磨削區(qū)，材料產(chǎn)生較大應(yīng)變，塑性流動加劇，導(dǎo)致磨削變質(zhì)層厚度增大.因此，磨削變質(zhì)層厚度在砂輪線速度增加的過程中先減小后增大.

2) 磨削變質(zhì)層厚度隨著磨削深度的增加而增大.增加磨削深度導(dǎo)致磨粒的未變形切屑厚度增大，材料產(chǎn)生劇烈的塑性變形.此外，增加磨削深度使得磨粒與工件接觸弧更長，產(chǎn)生的磨削熱難以和外界交換，同樣會加劇材料塑性變形，磨削變質(zhì)層厚度因而不斷增大.

圖6 砂輪線速度對磨削變質(zhì)層厚度的影響

圖7 磨削深度對磨削變質(zhì)層厚度的影響

圖8 工件進(jìn)給速度對磨削變質(zhì)層厚度的影響

3) 磨削變質(zhì)層厚度隨著工件進(jìn)給速度的提高而先增大后減小.提高工件進(jìn)給速度使磨粒未變形切屑厚度增加，磨削區(qū)內(nèi)工件材料塑性變形加劇，磨削變質(zhì)層厚度增大.

由式(1)可知，工件進(jìn)給速度的提高可削減磨削比能的消耗.當(dāng)工件進(jìn)給速度較大時，用于加熱工件的磨削能大幅減少.減少磨削區(qū)內(nèi)的磨削熱可有效減緩材料的塑性變形，磨削變質(zhì)層厚度得以減薄.因此，在工件進(jìn)給速度不斷提高的過程中，磨削變質(zhì)層厚度先增大后減小.

4) 在相同的磨削參數(shù)下，MQL作為磨削鎳基單晶高溫合金DD5的冷卻條件所獲得的磨削變質(zhì)層較干磨削為冷卻條件下所獲得的磨削變質(zhì)層更薄，且磨削變質(zhì)層厚度可減少2.4～3.5 μm.

MQL通過噴嘴把油、水混合物霧化，混合物在壓縮空氣的作用下噴射到磨削區(qū)域，附著于試件表面上形成一層均勻的潤滑薄膜.一方面該潤滑膜中的水滴在高溫下蒸發(fā)成水汽，吸收了大量磨削熱，能在一定程度上降低磨削溫度；另一方面潤滑薄膜可起到良好的減磨、潤滑作用，在控制摩擦熱產(chǎn)生的同時可減小磨粒與工件接觸弧長，磨削區(qū)內(nèi)材料的塑性流動得以有效減緩.因此，MQL作為冷卻條件可獲得較薄的磨削變質(zhì)層.

3 結(jié) 論

1) DD5磨削表層主要受磨削力與磨削溫度的耦合作用，在表面及亞表面形成一定厚度的磨削變質(zhì)層，磨削變質(zhì)層具有比基體更高的硬度.

2) DD5磨削變質(zhì)層中的塑性變形層內(nèi)基體相γ和增強(qiáng)相γ′發(fā)生劇烈的扭曲變形，可能導(dǎo)致磨削變質(zhì)層的硬度增大.

3) 在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，DD5磨削變質(zhì)層厚度隨著磨削參數(shù)的變化表現(xiàn)出不同的變化趨勢：隨砂輪線速度的提高而先減小后增大，隨磨削深度的增加而增大，隨工件進(jìn)給速度的提高而先增大后減小.

4) 不同的冷卻條件對DD5磨削變質(zhì)層厚度表現(xiàn)出不同的影響程度，MQL作為冷卻條件可以減小磨削變質(zhì)層厚度，在本試驗(yàn)中最多可達(dá)3.5 μm.