航天GH4169材料特性及加工技術(shù)研究

米彥龍 劉天亮 張麗娜 張益坤 朱瑞燦

摘要： 隨著航空航天等高端制造業(yè)的發(fā)展，高溫合金在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)材料中的應(yīng)用越來越廣泛，特別是鎳基高溫合金的發(fā)展為我國航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提升起到了重要作用，GH4169的切削加工性能較低，加工效率不高也一直制約著航空航天等工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，本文以航天產(chǎn)品渦輪盤為例從高溫合金的材料特性、切削加工工藝以及刀具磨損等方面進(jìn)行了研究，預(yù)期為高效高質(zhì)量加工高溫合金提供參考。

關(guān)鍵詞： GH4169; 材料特性;切削加工性; 刀具磨損

1引言

高溫合金又稱為耐熱合金，以鐵、鎳、鈷為基，能在600℃ ～1200℃高溫及一定應(yīng)力作用下長期工作的一類金屬材料。本文以高溫合金GH4169材料為研究對(duì)象，通過車削、銑削試驗(yàn)獲得了最佳切削參數(shù)，并對(duì)刀具磨損進(jìn)行了研究，分析了刀具磨損的影響因素，對(duì)影響加工表面質(zhì)量的切削參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)新型刀具及冷卻方式進(jìn)行了總結(jié)。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

以航天某產(chǎn)品型號(hào)渦輪盤為例進(jìn)行切削試驗(yàn)，渦輪盤由輻板、輪轂、安裝邊等部分組成。該渦輪盤是一個(gè)直徑較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的典型盤件，在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的惡劣環(huán)境下工作，尺寸精度和技術(shù)要求很高，渦輪盤的材料為GH4169，其加工工藝性差;零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁薄、剛性差，易變形。

生產(chǎn)工藝路線安排：毛料→粗車→穩(wěn)定處理→精車基準(zhǔn)→腐蝕檢查→清洗→穩(wěn)定處理→銑葉形槽→孔邊拋光→去毛刺→加工投影檢查試件→拉榫槽→榫槽尖邊倒圓拋光→拋光型面→清洗→熒光檢驗(yàn)→清洗→中間檢驗(yàn)→噴丸→噴丸后磨加工修復(fù)→去毛刺→清洗→靜平衡→清洗→最終檢驗(yàn)→包裝入庫。

2.1 GH4169材料分析

GH4169含有這些高熔點(diǎn)元素﹑高激能合金元素，這些元素在合金中比較穩(wěn)定，導(dǎo)致材料塑性變形的抗力大，使得切削加工時(shí)切削力較大，切削溫度較高，而且GH4169的導(dǎo)熱系數(shù)較低，約為鋼的30%，加工時(shí)部位溫度集中，可達(dá)1000℃。在高溫下會(huì)增加刀具材料的擴(kuò)散磨損，刀具材料變得脆弱，隨著溫度升高磨損會(huì)愈發(fā)嚴(yán)重。

2.2 實(shí)驗(yàn)加工設(shè)備

普通車床日本馬扎克J1-MAZAK ，五軸數(shù)控加工中心 德瑪吉DMU65;利用車床進(jìn)行加工外圓及內(nèi)孔，利用五軸數(shù)控加工中心加工葉形。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法及刀具選擇

此次實(shí)驗(yàn)中，采用的刀具及加工參數(shù)統(tǒng)計(jì)如下：

普車采用YG（鎢鈷類）車刀加工，大切深，高效的去除材料，刀具磨損極快，磨刀頻繁。普通車床粗加工高溫合金固溶材料，手工刃磨的YG類車刀，每刀吃刀量可達(dá)2.5mm，切削抗力基本達(dá)到機(jī)床極限，吃刀量累積7.5mm左右刀具會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重磨損和崩刃現(xiàn)象。

采用山特維克車刀進(jìn)行加工，較YG6車刀，刀具壽命有所延長。

數(shù)控銑加工高溫合金基本沒有相應(yīng)規(guī)格的專用涂層刀具，使用的刀具一般為普通整體式合金銑刀，刀具材料為K30、M42，合金刀具損耗對(duì)產(chǎn)品切深基本是1：1的比例，加工途中出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1刀具磨損分析

GH4169中含有高硬度的碳?xì)浠铹p相間化合物和氮化物，這些硬質(zhì)點(diǎn)的磨損力很強(qiáng)。加工時(shí)切削溫度很高，工件中的某些元素或化合物與刀具材料容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致冷焊和形成滯流層，在滯流層周期性脫落以后會(huì)帶走一部分刀刃材料。另外，高溫會(huì)加劇擴(kuò)散磨損，使得刀具變得脆弱。由于切削溫度高，周圍介質(zhì)中的H、O、N等元素易使刀具表面生成相間脆性相，使刀具表面產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致局部剝落、崩刃。

經(jīng)過刀具磨損后進(jìn)行晶相分析，硬質(zhì)合金刀具前刀面與后刀面結(jié)合處出現(xiàn)月牙洼、粘結(jié)物、溝槽磨損。

3.2 形成強(qiáng)韌而連續(xù)的切屑和毛刺

在鎳基高溫合金切削時(shí)，當(dāng)速度提高了以后，容易產(chǎn)生側(cè)向塑性流動(dòng)，外側(cè)在刀具切削刃前端分裂成鋸齒狀側(cè)向切削毛刺和切屑毛邊。由于鎳基GH4169合金塑性較高，形成的連續(xù)卷狀切屑易纏繞刀具，造成刀具邊界磨損。

3.3 ?加工硬化嚴(yán)重

GH4169金相組織上分析，合金中含有大量的強(qiáng)化相碳化物和合金間化合物溶于奧氏體固溶體中，從而使固溶體強(qiáng)化。切削過程中，由于切削熱很高，這些強(qiáng)化相（碳化物或金屬間化合物）從固溶體中分解出來，并呈極細(xì)的彌散相分布，使已加工表面產(chǎn)生冷作硬化，表面上的硬度比基體要高50%～100%。

3.4表面粗糙度分析

渦輪盤在高溫高壓環(huán)境下服役4，表面的微小凹坑往往是應(yīng)力集中產(chǎn)生的多發(fā)處，凹坑過多會(huì)引起零件表面產(chǎn)生裂紋、降低零件疲勞強(qiáng)度、造成零件過早時(shí)效、縮短零件使用壽命，表面粗糙度值的大小常受切削用量、刀具、冷卻條件等因素影響

本文實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行不同切削速度下單因素車削實(shí)驗(yàn)，而進(jìn)給量f=0.15mm/r 、切削深度a p=0.4mm保持不變，分別測量不同切削速度下Vc=70、100、130、160、190m/min下表面粗糙度的大小，表面粗糙度隨切削速度的變化規(guī)律曲線

在進(jìn)給量、切削深度保持不變的情況下，表面粗糙度值隨著切削速度升高而降低，在Vc=190m/min時(shí)獲得了最優(yōu)的表面質(zhì)量，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

3.5 新型刀具及冷卻方式

新型刀具展望：

細(xì)晶粒、超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金以及涂層刀具材料的開發(fā)使硬質(zhì)合金刀具的強(qiáng)度和韌性顯著提高 ;

立方氮化硼（CBN）具有很高的硬度、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性，可作為難加工材料高速切削的首選;

陶瓷刀具適合于高速切削，可提高切削速度 3～5倍。陶瓷刀具的硬度可達(dá)到 HRC93～95，可加工HRC65的高硬度材料。陶瓷刀具加工鎳基高溫合金時(shí)，其性能遠(yuǎn)好于硬質(zhì)合金刀具，不僅切削速度可以大幅提升，而且能更好地解決切削熱不易排出的問題;

高壓冷卻方式：

高壓冷卻液噴射切削刀具，不僅起到了良好的潤滑效果，而且提高了切削的折斷能力，刀具壽命可以提高300%[5] ?。

4 結(jié)束語

高溫合金的研制與應(yīng)用一直受到各國學(xué)者的高度重視和研究機(jī)構(gòu)的支持，近年來高溫合金材料在航空航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其切削加工性的研究已成為切削研究的一個(gè)重要方向。本文經(jīng)過大量切削試驗(yàn)，得出了加工GH4169常用刀具的選擇、刀具切削參數(shù)以及提高表面粗糙的措施，可以為加工其他類型的高溫合金材料提供借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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[2]黃揆 《鎳基高溫合金機(jī)械加工性能分析研究》[J]. 機(jī)械工程師2010（6）：160-61

[3]孟少農(nóng)主編 ?《機(jī)械加工工藝手冊》 機(jī)械工業(yè)出版社 1992

[4]儲(chǔ)繼影 ?《高溫合金加工刀具選擇與工藝參數(shù)優(yōu)化研究》哈爾濱工業(yè)大學(xué) ?碩士學(xué)位論文 2016.6

[5]李錄彬 ?《高壓冷卻下鎳基高溫合金GH4169切削特性及冷卻潤滑機(jī)理研究》哈爾濱理工大學(xué) ?工學(xué)博士學(xué)位論文 ?2019.6

作者簡介：米彥龍 ，機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)，研究方向：工藝技術(shù)及工裝設(shè)計(jì)