電火花加工鎳基合金的熱影響層研究

閆步云，龍 金，宋 濤，馬良奇，王笑影，余祖元

（ 大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116024 ）

鎳基合金由于具有密度小、高溫性能好等良好特性而成為目前制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的主要材料。但是， 鎳基合金在機(jī)械加工中存在塑性變形大、切削力大、切削溫度高和加工硬化嚴(yán)重等特點(diǎn)，在常規(guī)刀具切削時(shí)易造成刀具嚴(yán)重磨損且加工效率低、工件加工質(zhì)量差[1]。 電火花加工不受材料的硬度、脆性等機(jī)械性能的影響，因此可用來(lái)加工在常規(guī)加工中不易加工的導(dǎo)電材料[2]。 由于電火花加工是利用放電產(chǎn)生的高溫去除材料，加工后的工件表面會(huì)產(chǎn)生由熔化凝固層和熱影響層組成的變質(zhì)層。 熔化凝固層是熔化后未被拋出的小部分金屬在工件表面再次凝固形成的，而熱影響層介于熔化凝固層和基體之間，是在加工過(guò)程中受高溫影響產(chǎn)生的[3]。 熱影響層的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致表層金屬在硬度、金相、晶粒大小等方面發(fā)生變化，這些變化將影響葉片的高溫性能與使用壽命，因此有必要對(duì)電火花加工后鎳基合金表面的熱影響層的產(chǎn)生情況進(jìn)行研究。

1 鎳基合金的電火花加工實(shí)驗(yàn)

1.1 鎳基合金的電火花加工

實(shí)驗(yàn)采用黃銅為電極、GH4169 鎳基合金薄片為工件。電火花加工參數(shù)見(jiàn)表1。加工方式示意圖見(jiàn)圖1。 在GH4169 鎳基合金的電火花加工過(guò)程中，采用壓電促動(dòng)器對(duì)工具電極施加振動(dòng)， 以減少短路，從而提高加工效率。 實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行粗加工和精加工。粗加工時(shí)，電極自上而下對(duì)寬度為2 mm 的工件進(jìn)行切斷；精加工時(shí)，在粗加工的基礎(chǔ)上電極沿圖示方向進(jìn)給15 μm，對(duì)工件進(jìn)行二次加工。

表1 鎳基合金電火花加工參數(shù)

圖1 工件加工方式示意圖

GH4169 鎳基合金的粗、精加工參數(shù)見(jiàn)表2。 其中，驅(qū)動(dòng)電壓與振動(dòng)頻率是指輔助電極振動(dòng)的促動(dòng)器在振動(dòng)時(shí)的驅(qū)動(dòng)電壓與振動(dòng)頻率。

表2 GH4169 鎳基合金粗、精加工加工條件

1.2 金相組織觀(guān)察樣件的制備

為了觀(guān)察放電加工的高溫對(duì)加工面表層的影響，分別采用粒度為 400＃、600＃、800＃、1200＃、1500＃和2000＃ 的碳化硅磨料金相砂紙對(duì)放電加工的切斷面?zhèn)让孢M(jìn)行打磨，然后進(jìn)行拋光，再采用配比為CuSO4∶H2SO4∶HCl∶H2O=5 g∶5 ml∶50 ml∶50 ml 的化 學(xué)試劑對(duì)拋光后的工件表面進(jìn)行為時(shí)75 s 的化學(xué)腐蝕，最終獲得了滿(mǎn)足放電加工表層金相組織觀(guān)察要求的樣件。

2 電火花加工鎳基合金的熱影響層觀(guān)察與分析

2.1 電火花加工鎳基合金GH3600 的熱影響層金相組織觀(guān)察

在電火花加工過(guò)程中，高溫作用使被加工工件的表層產(chǎn)生了所謂的熱影響層，可能造成工件表層金屬的微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。 在前期探索電火花加工鎳基合金的優(yōu)化參數(shù)過(guò)程中，本文對(duì)非正常放電加工的樣件進(jìn)行了金相組織觀(guān)察（圖2）。 該樣件的加工條件見(jiàn)表3。

表3 GH3600 工件發(fā)生短路的加工條件

圖2 GH3600 合金短路條件加工后金相圖[4]

從圖2 可看出，加工面表層的金屬晶粒與內(nèi)部基體的金屬晶粒不同，明顯產(chǎn)生了晶粒細(xì)化。 在該樣件的加工過(guò)程中未對(duì)電極施加振動(dòng)輔助加工，隨著加工深度增加， 去離子水介質(zhì)難以進(jìn)入放電間隙，加工屑排出困難。 加工屑在狹窄加工間隙的大量堆積， 導(dǎo)致電極與工件之間消電離無(wú)法徹底進(jìn)行， 放電加工過(guò)程產(chǎn)生了大量的短路和電弧放電，加工表面處于持續(xù)高溫加熱狀態(tài)，因此發(fā)生了晶粒細(xì)化現(xiàn)象。

然而采用振動(dòng)輔助后，即使增大放電加工能量（表4），薄板可在短時(shí)間內(nèi)切斷。其加工表面的金相組織見(jiàn)圖3。為了精確判斷晶粒是否發(fā)生變化，根據(jù)GB/T 6394-2017 金屬平均晶粒度測(cè)定方法中的截點(diǎn)法，使用金相圖像分析軟件對(duì)取樣圖片進(jìn)行了平均晶粒度分析。

表4 GH3600 工件最優(yōu)的粗加工條件

圖3 GH3600 鎳基合金電火花加工表面晶粒度評(píng)定

對(duì)距離合金片邊緣30 μm 處（此處為熱影響層可能存在的范圍） 的三個(gè)視場(chǎng)和距離合金片邊緣120 μm 處（此處可以被認(rèn)為是合金片基體）的三個(gè)視場(chǎng)分別進(jìn)行晶粒度分析。 分析結(jié)果表明：距離合金片邊緣30 μm 處的平均晶粒度為8.5 級(jí)，距離合金片邊緣120 μm 處的平均晶粒度為8.5 級(jí)； 合金片邊緣平均晶粒度與合金片基體的平均晶粒度相同，即合金片邊緣晶粒平均大小與合金片基體晶粒平均大小相同。 由此可見(jiàn)， 正常電火花加工未使GH3600 合金片表層的晶粒產(chǎn)生細(xì)化。

2.2 電火花加工GH4169 合金表面熱影響層金相組織觀(guān)察

采用表2 所示的加工條件， 用黃銅電極對(duì)GH4169 鎳基合金分別進(jìn)行粗、 精加工后的金相見(jiàn)圖4。 可見(jiàn)，無(wú)論是精加工還是粗加工，正常放電加工的GH4169 鎳基合金表層均未發(fā)生晶粒尺寸的變化。 根據(jù)文獻(xiàn)[5]，即使進(jìn)一步增大放電能量，也不易觀(guān)察到熱影響層的晶粒變化。

圖4 GH4169 鎳基合金電火花粗、精加工表層的晶粒觀(guān)察

3 電火花加工GH4169 鎳基合金的溫度場(chǎng)仿真計(jì)算與分析

為確定電火花加工GH4169 鎳基合金的熱影響層厚度及為后續(xù)工序去除余量提供數(shù)據(jù)，本文根據(jù)熱傳導(dǎo)理論對(duì)放電加工產(chǎn)生的高溫在工件材料上溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，并分析了熱影響層厚度。

3.1 材料性質(zhì)

GH4169 鎳基合金密度 ρ 為 8240 kg/m3、熔點(diǎn)為1260～1320 ℃。 該合金其他部分的物理性質(zhì)見(jiàn)表5。本文選擇1320 ℃作為仿真時(shí)該合金的熔點(diǎn)。

表5 GH4169 合金部分物理性質(zhì)

3.2 模型建立與網(wǎng)格劃分

圖5 是電火花加工后的工件表面SEM 圖?？梢钥闯?，電火花放電凹坑由凹坑底部區(qū)域和熔化再凝固邊緣組成。 凹坑底部區(qū)域較為平坦，在高度方向上沒(méi)有明顯變化，因此在仿真時(shí)將凹坑底部近似看成平面。 最大限度上，可以假設(shè)在整個(gè)放電脈寬區(qū)間內(nèi)，放電坑底部的溫度始終為熔點(diǎn)溫度。 仿真選取的模型為圓形的凹坑底部區(qū)域及其深度方向上對(duì)應(yīng)的一定厚度的金屬。

圖5 放電凹坑底部直徑測(cè)量（粗加工）

根據(jù)圖5 所示結(jié)果， 本文選用尺寸63.78 μm×45 μm 的圓柱體模型。 劃分網(wǎng)格后的模型見(jiàn)圖6。

圖6 模型建立及網(wǎng)格劃分結(jié)果

熱分析問(wèn)題主要包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種形式。 熱傳導(dǎo)發(fā)生在一個(gè)物體內(nèi)或者緊挨著的物體之間，熱對(duì)流發(fā)生在有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩種介質(zhì)之間， 而熱輻射是由于物體受熱激發(fā)磁場(chǎng)產(chǎn)生的，無(wú)需依靠介質(zhì)就能實(shí)現(xiàn)[6]。

在電火花加工過(guò)程中，放電脈沖的脈沖寬度期間可被認(rèn)為是熱傳導(dǎo)過(guò)程，即：熱量從工件表面?zhèn)飨蚧w，同時(shí)加工時(shí)無(wú)內(nèi)部熱源。 而脈沖間隔期間，去離子水介質(zhì)會(huì)對(duì)工件表面進(jìn)行冷卻，熱量從工件傳出，這一過(guò)程的熱傳遞形式可被認(rèn)為是熱對(duì)流過(guò)程。 本文的理論模型基于圓柱坐標(biāo)系建立。 下列公式中的比容熱系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)在大于1000 ℃時(shí)，均按照1000 ℃的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。

在放電脈沖的脈沖寬度期間，熱傳導(dǎo)的微分方程可表達(dá)為[7]：

式中：C 為比熱容，J·（kg·℃）-1；ρ 為密度，kg/m3；λ 為導(dǎo)熱系數(shù)，W·（m·℃）-1；T 為瞬時(shí)溫度，℃；t 為時(shí)間變量，s；r、z、φ 均為圓柱坐標(biāo)系的空間變量。

在電火花加工的脈沖間隔時(shí)段內(nèi)，脈沖間隔的邊界條件可表達(dá)為：

式中：h 為對(duì)流傳熱系數(shù)，W·m-2·℃-1；T 為工件加工表面某點(diǎn)溫度，℃；T0為電火花加工介質(zhì)溫度，℃。

3.3 熱載荷施加

加工環(huán)境溫度為室溫20 ℃， 這也是電火花加工介質(zhì)的溫度。 在加工過(guò)程中，模型上表面（對(duì)應(yīng)熱源的表面） 溫度保持為鎳基合金的熔點(diǎn)溫度，即1320 ℃。 脈沖間隔時(shí)段，去離子水對(duì)模型表面進(jìn)行冷卻， 此時(shí)表面對(duì)流傳熱系數(shù)為 1200 W·m-2·℃-1。需要說(shuō)明的是，水在水泵作用下流動(dòng)時(shí)的強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)通常在 1000～1 5000 W·m-2·℃-1之間。 為得到高溫時(shí)的最大影響結(jié)果，本文選取對(duì)流傳熱系數(shù)h 的較小值， 取值為水的常用對(duì)流傳熱系數(shù)，即1200 W·m-2·℃-1。 計(jì)算所用熱載荷參數(shù)見(jiàn)表 6。

表6 熱載荷參數(shù)

電火花放電加工去除材料是由無(wú)數(shù)個(gè)放電脈沖逐步熔化工件材料的過(guò)程。 電火花放電點(diǎn)隨機(jī)分布。 本文對(duì)放電粗、精加工高溫對(duì)工件的熱傳導(dǎo)溫度場(chǎng)的計(jì)算過(guò)程如下：第一次放電加熱后，計(jì)算工件內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布；在等待若干個(gè)放電周期的熱對(duì)流冷卻后，再次放電加熱，計(jì)算工件內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布。

3.3.1 粗加工的熱分析

加工時(shí)的放電脈沖頻率為50 kHz、一個(gè)放電周期為 20 μs、脈寬為 4 μs、脈間為 16 μs。 放電過(guò)程（熱載荷施加過(guò)程）見(jiàn)表7，冷卻階段時(shí)長(zhǎng)見(jiàn)表8。 其中，表7 中的t 對(duì)應(yīng)表8 中的冷卻階段時(shí)長(zhǎng)t。

表7 熱載荷施加過(guò)程（粗加工）

表8 冷卻階段時(shí)長(zhǎng)及對(duì)應(yīng)的放電過(guò)程（粗加工）

初次放電后，從加工表面向工件內(nèi)部的溫度梯度見(jiàn)圖7?？梢?jiàn)，初次放電結(jié)束時(shí)的工件表面溫度為1320 ℃，約在 5 μm 處降為 650 ℃，約在 18 μm 處降為環(huán)境溫度，即20 ℃。

圖7 初次放電結(jié)束時(shí)模型上溫度梯度分布（粗加工）

不同時(shí)長(zhǎng)冷卻階段（表8）之后的工件溫度梯度分布變化見(jiàn)圖8。由于表面的熱對(duì)流，工件表面溫度下降。在冷卻階段持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為16 μs 后，工件表面溫度為 518.3 ℃， 在 45 μm 處的溫度降為 22.1 ℃，這已接近環(huán)境溫度。 在冷卻期間，雖然工件表面溫度下降，然而在深度方向上的熱量繼續(xù)向金屬基體傳遞，熱量影響的范圍大幅增加，對(duì)于遠(yuǎn)離工件表面的工件部分，其在冷卻階段結(jié)束時(shí)的溫度相較于放電階段剛結(jié)束時(shí)的溫度有所上升。

圖8 冷卻階段結(jié)束時(shí)模型上溫度梯度分布（粗加工）

由圖8 可見(jiàn)，冷卻階段持續(xù)時(shí)長(zhǎng)達(dá)到196 μs 和9996 μs 時(shí)， 冷卻階段結(jié)束時(shí)工件表面與距該表面45 μm 處之間的金屬溫度基本持平，且溫度值隨著冷卻階段持續(xù)時(shí)間的增加呈下降趨勢(shì)。 當(dāng)冷卻階段持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為15 9996 μs 時(shí)，工件表面溫度恢復(fù)至接近環(huán)境溫度的狀態(tài)。

在不同時(shí)長(zhǎng)的冷卻階段結(jié)束后再次放電得到的工件內(nèi)部溫度梯度分布圖見(jiàn)圖9?？梢?jiàn)，在冷卻階段持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為16 μs 時(shí)， 再次放電階段結(jié)束時(shí)的工件表面溫度為1320 ℃。 然而，由于工件基體內(nèi)存在初次放電的熱量， 不同于圖7 的溫度梯度分布情況， 再次放電后在45 μm 處的溫度降為25.082 ℃，接近環(huán)境溫度， 工件表面溫度在約8 μm 處降為650 ℃。相比于其他更長(zhǎng)冷卻階段持續(xù)時(shí)長(zhǎng)的情況，650 ℃等溫線(xiàn)在冷卻階段持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為16 μs 時(shí)距工件表面最遠(yuǎn)。

圖9 再次放電階段結(jié)束時(shí)模型上溫度梯度分布（粗加工）

從圖9 還可看出， 對(duì)于接近表層的金屬而言，隨著冷卻階段持續(xù)時(shí)長(zhǎng)的增加，電火花加工介質(zhì)從金屬帶走的熱量也相應(yīng)增加，在同樣深度處的金屬溫度逐漸下降。

3.3.2 精加工的熱分析

精加工與粗加工的不同之處在于放電能量不同（表2）。 如圖10 所示，將測(cè)得的精加工工件表面凹坑底部的平均直徑取值為26.29 μm，選用的模型為尺寸 26.29 μm×35 μm 的圓柱體。 精加工時(shí)的脈寬為 0.5 μs、脈間為 19.5 μs。精加工放電過(guò)程（熱載荷施加過(guò)程）見(jiàn)表9，相應(yīng)的冷卻階段時(shí)長(zhǎng)見(jiàn)表10。其中，表9 中的t 對(duì)應(yīng)表10 中的冷卻階段時(shí)長(zhǎng)t。

表9 熱載荷施加過(guò)程（精加工）

表10 冷卻階段時(shí)長(zhǎng)及對(duì)應(yīng)的放電過(guò)程（精加工）

圖10 放電凹坑底部直徑測(cè)量（精加工）

圖11 是精加工初次放電結(jié)束后的溫度梯度分布圖。 工件表面溫度為1320 ℃，在縱向方向下降較快，約在 1.8 μm 處降為 650 ℃，約在 7.5 μm 處降為環(huán)境溫度20 ℃， 而粗加工時(shí)是在18 μm 處降為環(huán)境溫度（圖7）。 究其原因是，精加工脈寬短，加熱時(shí)間短，傳遞熱量較少。

從圖12 可看出， 當(dāng)冷卻階段持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為一個(gè)脈沖間隔時(shí)， 冷卻階段結(jié)束后的工件表面溫度為208.5 ℃，在 35 μm 處的溫度降為 28.181 ℃，接近環(huán)境溫度。 粗加工在冷卻階段持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為一個(gè)脈沖間隔時(shí)，冷卻階段結(jié)束后工件表面溫度為518.3 ℃。雖然在初次放電結(jié)束時(shí)，粗、精加工的表面溫度均為1320 ℃，但對(duì)比圖7 和圖11 可見(jiàn)，精加工后的溫度梯度更大，故可知精加工保存的熱量更少，經(jīng)過(guò)去離子水冷卻后的表面溫度遠(yuǎn)低于相同條件時(shí)的粗加工工件的表面溫度。 當(dāng)冷卻階段持續(xù)時(shí)長(zhǎng)達(dá)到75 999.5 μs 時(shí)， 工件表面溫度恢復(fù)到接近室溫狀態(tài)。

圖11 初次放電階段結(jié)束時(shí)模型上溫度梯度分布（精加工）

圖12 冷卻階段結(jié)束時(shí)模型上溫度梯度分布（精加工）

圖13 是不同時(shí)長(zhǎng)的冷卻階段結(jié)束后再次精加工放電的工件內(nèi)部溫度梯度分布圖。 可見(jiàn)，當(dāng)冷卻階段持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為一個(gè)脈沖間隔時(shí)，再次精加工放電后的工件表面溫度為1320℃， 約在2.5 μm 處降為650 ℃，約在 35 μm 處溫度降為 28.84 ℃，此時(shí)接近環(huán)境溫度。

3.4 工件表面高溫影響區(qū)域疲勞壽命分析

Jiang 等[8]在研究熱輻射對(duì)GH4169 鎳基合金高周疲勞行為影響時(shí)，在疲勞測(cè)試之前，將GH4169 鎳基合金標(biāo)本暴露在650 °C 溫度環(huán)境中長(zhǎng)達(dá)21 天，經(jīng)與原始條件下的樣品相比，該工件的疲勞壽命無(wú)明顯降低，表明650 °C 溫度對(duì) GH4169 鎳基合金的高周疲勞壽命的影響不顯著。 由此可推知，本文的放電加工過(guò)程中，溫度始終在650 ℃以下的表層金屬不會(huì)因短時(shí)間內(nèi)受到高溫影響而產(chǎn)生明顯的高周疲勞壽命降低現(xiàn)象。

圖13 再次放電階段結(jié)束時(shí)模型上溫度梯度分布（精加工）

γ″相是GH4169 鎳基合金的主要強(qiáng)化相， 對(duì)其力學(xué)性能起著的重要作用。 該合金在使用溫度超過(guò)650 ℃的高溫環(huán)境中， 強(qiáng)化相γ″會(huì)與基體相失去共格而向δ 相轉(zhuǎn)變，強(qiáng)化相的體積分?jǐn)?shù)下降導(dǎo)致合金的高溫強(qiáng)度、硬度等一系列性能下降[9-10]。因此，在加工期間受到高于650 ℃溫度影響的區(qū)域可能會(huì)因較高溫度的影響，發(fā)生強(qiáng)化相γ″與基體相失去共格而向δ 相轉(zhuǎn)變的情況，從而導(dǎo)致其高溫強(qiáng)度、硬度等性能下降。

結(jié)合仿真結(jié)果可知， 在電火花加工GH4169 鎳基合金的過(guò)程中，當(dāng)加工冷卻階段時(shí)長(zhǎng)處于最極端條件（再次放電在脈沖間隔后立刻發(fā)生）時(shí)，再次放電階段結(jié)束之后，在粗、精加工后工件表層觀(guān)察得出的650 ℃等溫線(xiàn)深度值分別為 8 μm 和 2.5 μm。因此， 在實(shí)際情況中， 與工件表面距離超過(guò)8 μm（粗加工）和2.5 μm（精加工）的金屬，不會(huì)因短時(shí)間的高溫影響而產(chǎn)生疲勞壽命降低的變化；與工件表面距離小于 8 μm（粗加工）和 2.5 μm（精加工）的金屬，可能會(huì)因γ″相轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生高溫強(qiáng)度、硬度等一系列性能下降的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

本文研究了電火花加工鎳基合金的熱影響層，采用黃銅工具電極對(duì)GH4169 鎳基合金分別進(jìn)行了電火花粗、精加工，對(duì)加工后的GH4169 鎳基合金表層金相組織進(jìn)行了觀(guān)察分析，并基于熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流的理論模型進(jìn)行計(jì)算仿真，進(jìn)一步分析了放電加工后的工件內(nèi)部溫度梯度分布情況，得出了如下的結(jié)論：

（1）相較于短路條件下電火花加工的情況，正常加工條件下電火花加工的鎳基合金，其表層金相組織無(wú)明顯的晶粒變化。

（2）在電火花粗加工條件下，至多有厚度8 μm的表層金屬可能受高溫影響而發(fā)生材料性能變化，而在精加工條件下， 至多有厚度2.5 μm 的表層金屬可能受高溫影響而發(fā)生材料性能變化。