GH4169超聲輔助磨削表面完整性研究

韓 璐，康仁科，張 園，董志剛，鮑 巖

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

GH4169是一種鎳基沉淀強(qiáng)化型高溫合金，在250～700 ℃的環(huán)境中具有良好的耐腐蝕、抗疲勞、抗氧化及抗蠕變性能[1]，工作可靠性高，被廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)葉片等重要轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件中[2]。但由于GH4169具有塑性變形系數(shù)大、強(qiáng)度高、硬度大、熱導(dǎo)率低[3]等特點(diǎn)，在加工時(shí)難以保證工件表面精度等。磨削是保證工件表面精度的有效加工方法[4]，但在GH4169結(jié)構(gòu)件磨削過(guò)程中，常出現(xiàn)磨削力大、磨削溫度高、砂輪易磨損等問(wèn)題[5]。超聲輔助磨削加工是一種先進(jìn)的加工技術(shù)，在磨削過(guò)程中對(duì)刀具或工件施加一定振幅的超聲振動(dòng)。與普通磨削相比，超聲輔助磨削能夠降低磨削力、磨削溫度，獲得良好的表面質(zhì)量[6]。

在磨削加工過(guò)程中，材料的磨削表面在高應(yīng)變、高應(yīng)變率與高溫[7-8]的影響下，其表面完整性受到影響。而表面完整性與零件的使用性能關(guān)系密切，對(duì)其抗疲勞、抗應(yīng)力、抗腐蝕性能有一定影響[9]，是材料加工的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。因此，在GH4169磨削加工時(shí)，有必要對(duì)其表面完整性指標(biāo)進(jìn)行研究與控制。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)超聲輔助磨削的研究主要集中在切削力、切削溫度及刀具磨損上。栗育琴等[10]研究了超聲輔助磨削鈦合金磨削力的變化，發(fā)現(xiàn)：超聲磨削的法向和切向磨削力均小于普通磨削的。何濤[11]進(jìn)行了燒結(jié)金剛石砂輪超聲輔助磨削SiC陶瓷的砂輪磨損分析，研究發(fā)現(xiàn)：與普通磨削相比，超聲輔助磨削時(shí)，燒結(jié)金剛石砂輪表面的磨粒更容易出現(xiàn)微破碎，磨粒過(guò)早脫落的數(shù)量也有所減少。在超聲輔助磨削表面完整性研究上，黃于林等[12]對(duì)超聲輔助干磨削45鋼表面完整性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)：與普通干磨削相比，超聲輔助干磨削能有效減輕工件表面燒傷，并將其表面的殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻鏆堄鄩簯?yīng)力。TAWAKOLI等[13]對(duì)超聲輔助磨削Inconel 718進(jìn)行了試驗(yàn)，分析發(fā)現(xiàn)：超聲輔助磨削改善了其表面形貌，降低了毛刺形成率。

到目前為止，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)超聲輔助磨削GH4169表面完整性的研究大多集中于表面粗糙度與表面形貌上，對(duì)其亞表面微觀組織的影響研究并不深入。因此，進(jìn)行超聲輔助磨削與普通磨削的對(duì)比試驗(yàn)，選取表面層顯微硬度、殘余應(yīng)力以及微觀組織3項(xiàng)表面完整性指標(biāo)為分析對(duì)象，研究超聲輔助作用及加工參數(shù)對(duì)GH4169磨削的顯微硬度、殘余應(yīng)力、亞表面微觀組織、表面層應(yīng)變及位錯(cuò)密度的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為GH4169高溫合金，元素組成及力學(xué)性能如表1與表2所示。進(jìn)行磨削試驗(yàn)的樣件尺寸為50 mm×30 mm×4 mm。

表1 GH4169高溫合金元素組成

表2 GH4169高溫合金力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)裝置和檢測(cè)方法

磨削試驗(yàn)在凝華三軸數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行，如圖1所示。機(jī)床主軸功率為5.5 kW，主軸轉(zhuǎn)速最大為18 000 r/min，重復(fù)定位精度為±0.002 mm。冷卻液為Castrol公司生產(chǎn)的Syntilo 9930冷卻液與水組成的混合冷卻液。采用CBN砂輪進(jìn)行磨削試驗(yàn)，砂輪如圖2所示，具體參數(shù)見(jiàn)表3。

圖 1 凝華三軸數(shù)控機(jī)床

圖 2 CBN砂輪

表3 砂輪參數(shù)

為研究砂輪轉(zhuǎn)速、磨削深度以及超聲作用對(duì)表面完整性的影響規(guī)律，固定進(jìn)給速度為100 mm/min，采用表4的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行磨削加工試驗(yàn)，每組參數(shù)重復(fù)3次進(jìn)行試驗(yàn)。

表4 磨削試驗(yàn)參數(shù)

采用HVS-1000Z型維氏顯微硬度計(jì)對(duì)磨削后的工件表面進(jìn)行硬度檢測(cè)，加載載荷0.49 N，保荷時(shí)間10 s。采用荷蘭帕納科公司Empyrean型X射線衍射儀對(duì)磨削后的工件表面進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)，靶材為Co，衍射晶面為(311)。采用日本基恩士的VHX-600E超景深三維立體顯微鏡、德國(guó)蔡司的Supra 55掃描電子顯微鏡對(duì)磨削加工后的樣件的微觀組織進(jìn)行觀察。在光學(xué)顯微鏡觀察之前需要對(duì)樣品進(jìn)行腐蝕，腐蝕液為HCl、H2O2和H2O，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為50%、25%和25%。EBSD檢測(cè)使用的是Supra 55掃描電子顯微鏡上配備的Nordlys Max2探測(cè)器，掃描步長(zhǎng)為0.57 μm。

在進(jìn)行硬度檢測(cè)及EBSD檢測(cè)之前，采用角度拋光法放大觀測(cè)表面，如圖3所示。角度拋光法利用了拋光斜面對(duì)垂直截面起到放大作用的原理，將截面上的變質(zhì)層通過(guò)一個(gè)小角度的斜面放大表現(xiàn)出來(lái)[14]，原始截面厚度h與放大后的長(zhǎng)度L的關(guān)系如式(1)：

圖 3 角度拋光法示意圖

h=L×sinθ

(1)

式中：θ是斜角，θ=6°。厚度h在磨削表面附近的區(qū)域被放大了約10倍。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面層顯微硬度

圖4為不同加工參數(shù)下的GH4169磨削表面層顯微硬度梯度圖。研究發(fā)現(xiàn)：磨削表面層存在明顯加工硬化，但是最大顯微硬度值沒(méi)有出現(xiàn)在磨削表面，而是在距離磨削表面幾微米的位置。從磨削表面到基體的方向上，顯微硬度值先增大，達(dá)到最大硬度，然后逐漸減小，直至達(dá)到基體硬度。這是因?yàn)槟ハ鞅砻嫣幠ハ鳒囟茸罡遊15]，對(duì)材料的軟化作用最強(qiáng)，表面顯微硬度值相對(duì)較小，隨著與磨削表面距離的增加，磨削溫度急劇下降，機(jī)械加工硬化作用占主導(dǎo)地位，顯微硬度值增大。繼續(xù)增加與磨削表面的距離，機(jī)械硬化作用逐漸減弱，顯微硬度逐漸減小，最終達(dá)到基體硬度值。

a 超聲磨削下 不同砂輪轉(zhuǎn)速對(duì)顯微硬度的影響Effectofdifferentwheelspeedonmicro-hardnessinultrasonicassistedgrinding b 普通磨削下 不同砂輪轉(zhuǎn)速對(duì)顯微硬度的影響Effectofdifferentwheelspeedonmicrohardnessinconventionalgrinding c 超聲磨削下 不同磨削深度對(duì)顯微硬度的影響Effectofdifferentgrindingdepthonmicro-hardnessinultrasonicassistedgrinding d 普通磨削下 不同磨削深度對(duì)顯微硬度的影響Effectofdifferentgrindingdepthonmicrohardnessinconventionalgrinding圖4 不同加工參數(shù)對(duì)GH4169表面層顯微硬度的影響Fig.4EffectofdifferentmachiningparametersonmicrohardnessofGH4169surfacelayer

由圖4可知：GH4169基體硬度值為405.0±12.7 HV0.05，加工后表面顯微硬度最大值為473.6～540.0 HV0.05。如圖4a所示：隨著砂輪轉(zhuǎn)速增加，顯微硬度最大值先減小再增大。這是因?yàn)楫?dāng)砂輪轉(zhuǎn)速增加時(shí)，磨削表面產(chǎn)生更多的磨削熱，表面層區(qū)域的γ″相長(zhǎng)大，降低了強(qiáng)化作用[5]，顯微硬度減??；進(jìn)一步提高砂輪轉(zhuǎn)速，塑性變形引起的機(jī)械硬化作用大于磨削熱軟化作用，顯微硬度最大值增加。如圖4c所示：隨著磨削深度增加，顯微硬度的最大值增加。主要原因是磨削深度增加，磨粒對(duì)工件表面的擠壓與沖擊增加，塑性變形程度增加，表面層顯微硬度增加。

對(duì)圖4進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：在相同磨削參數(shù)下，超聲輔助磨削的表面層顯微硬度大于普通磨削的。這是因?yàn)椋M(jìn)行超聲磨削時(shí)，在超聲振動(dòng)的作用下，磨粒對(duì)加工表面產(chǎn)生的擠壓與沖擊增加，表層材料的塑性變形增加，并且砂輪與工件間歇接觸，降低了磨削溫度，導(dǎo)致顯微硬度增加。

2.2 表面層殘余壓應(yīng)力

圖5為不同加工參數(shù)下的GH4169磨削表面層的殘余壓應(yīng)力。磨削加工后，試樣表面層均產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，這是由磨削產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力綜合決定的[16]。超聲輔助磨削產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力均高于普通磨削的，增加幅度在18.3%～39.5%。這是因?yàn)槌曒o助磨削過(guò)程中，砂輪與工件表面周期性間接接觸，散熱條件好，產(chǎn)生的磨削熱少。同時(shí)，在超聲振動(dòng)的作用下，磨粒對(duì)工件表面的擠壓與沖擊作用增加，使磨削表面產(chǎn)生塑性收縮，產(chǎn)生了更大的殘余壓應(yīng)力。

a 不同砂輪轉(zhuǎn)速Differentgrindingwheelspeed b 不同磨削深度Differentgrindingwheeldepth圖5 不同加工參數(shù)對(duì)GH4169表面層殘余壓應(yīng)力的影響Fig.5EffectofdifferentmachiningparametersonresidualstressofGH4169surfacelayer

如圖5a所示：隨著砂輪轉(zhuǎn)速增加，表面層殘余壓應(yīng)力增加。這是因?yàn)?，?dāng)砂輪轉(zhuǎn)速增加時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)參與磨削的磨粒數(shù)量增加，即增加了磨粒的耕犁次數(shù)，使表面塑性變形增加，因而殘余壓應(yīng)力增加。如圖5b所示：隨著磨削深度增加，試樣表面層殘余壓應(yīng)力增加。磨削深度增加導(dǎo)致磨削力變大，磨粒對(duì)工件表層的擠壓和剪切作用增強(qiáng)，使殘余壓應(yīng)力增加。

2.3 表面層微觀組織

圖6為ap=20 μm時(shí)，不同加工參數(shù)磨削后的GH4169磨削表面微觀組織圖。由圖6可知：在遠(yuǎn)離磨削表面的基體區(qū)域，晶粒組織均勻，晶粒尺寸約為32 μm，且可以觀測(cè)到等軸晶、少量退火孿晶。經(jīng)磨削加工后，工件表面平整，附近區(qū)域無(wú)宏微觀裂紋、剝落、凹坑等缺陷存在，表面加工質(zhì)量較好，沒(méi)有明顯變質(zhì)層，不同加工參數(shù)加工后的表面微觀組織相近。

a n=2000r/min A=3μm b n=4000r/min A=3μm c n=2000r/min A=0μm d n=4000r/min A=0μm圖6 不同加工參數(shù)磨削后的GH4169磨削表面微觀組織Fig.6MicrostructureofGH4169grindingsurfaceunderdifferentmachiningparameters

為研究超聲輔助磨削與普通磨削加工后的表面層微觀組織的差別，將樣件角度拋光后，對(duì)其進(jìn)行EBSD檢測(cè)。圖7為磨削后的GH4169磨削表面EBSD圖。

a n=2000r/min ap=20μm A=3μm b n=4000r/min ap=20μm A=3μm c n=4000r/min ap=40μm A=3μm d n=4000r/min ap=20μm A=0μm圖7 不同加工參數(shù)磨削后的GH4169磨削表面EBSD圖Fig.7EBSDmapsofGH4169grindingsurfaceunderdifferentmachiningparameters

經(jīng)過(guò)角度拋光后，放大磨削區(qū)域，可以看到：磨削表面均存在晶粒細(xì)化層。如圖7a與圖7b所示：隨著砂輪轉(zhuǎn)速增加，晶粒細(xì)化層深度從2.6 μm增加到4.1 μm；圖7b和圖7c所示：磨削深度由20 μm增加到40 μm，工件表面受到更強(qiáng)的擠壓、摩擦，產(chǎn)生的塑性變形增加，晶粒細(xì)化層由4.1 μm增加到5.3 μm；圖7b和7d顯示：在相同磨削參數(shù)下，超聲輔助磨削加工產(chǎn)生的晶粒細(xì)化層厚度4.1 μm遠(yuǎn)大于普通磨削的晶粒細(xì)化層厚度2.2 μm。這是因?yàn)樵诔曒o助磨削過(guò)程中，砂輪對(duì)工件的擠壓與沖擊作用更大，使加工表面的塑性變形程度增加，晶粒細(xì)化層厚度增加。

圖8為ap=20 μm時(shí)，不同加工參數(shù)磨削后的GH4169磨削表面EBSD局部取向圖，局部取向差越大，由塑性變形引起的殘余應(yīng)變?cè)酱?。如圖8所示：工件磨削后，表面層的局部取向差均高于材料基體部分，說(shuō)明表面層產(chǎn)生了較大的殘余應(yīng)變。

a n=2000r/min A=3μm b n=4000r/min A=3μm c n=4000r/min A=0μm圖8 不同加工參數(shù)磨削后的GH4169磨削表面EBSD局部取向圖Fig.8EBSDlocalmisorientationmapsofGH4169grindingsurfaceunderdifferentmachiningparameters

為了進(jìn)一步研究磨削加工后表面層位錯(cuò)密度變化情況，通過(guò)EBSD數(shù)據(jù)，利用pantleon方法[17]對(duì)不同加工參數(shù)磨削后的GH4169磨削表面位錯(cuò)密度進(jìn)行計(jì)算，得到的位錯(cuò)密度結(jié)果如圖9所示。對(duì)圖9分析發(fā)現(xiàn)：所有參數(shù)下，加工后的表面層位錯(cuò)密度先增加，達(dá)到最大值后逐漸減小，距離磨削表面越遠(yuǎn)，位錯(cuò)密度值越小，位錯(cuò)密度的變化趨勢(shì)與圖4的顯微硬度變化趨勢(shì)基本一致。圖9a為磨削深度20 μm，超聲振幅為3 μm的不同砂輪轉(zhuǎn)速對(duì)位錯(cuò)密度的影響，圖9b為砂輪轉(zhuǎn)速為4 000 r/min，超聲振幅為3 μm的不同磨削深度對(duì)位錯(cuò)密度的影響。由圖9a和圖9b可以看出：隨著砂輪轉(zhuǎn)速和磨削深度增加，表面層位錯(cuò)密度增加。圖9c為磨削深度20 μm，砂輪轉(zhuǎn)度4 000 r/min時(shí)，超聲作用對(duì)位錯(cuò)密度的影響。由圖9c可以看出：超聲輔助磨削加工產(chǎn)生的表面層位錯(cuò)密度大于普通磨削的。不同加工參數(shù)對(duì)位錯(cuò)密度的影響規(guī)律與對(duì)顯微硬度的影響趨勢(shì)基本一致。

a 不同砂輪轉(zhuǎn)速對(duì)位錯(cuò)密度的影響Effectofdifferentwheelspeedsondislocationdensity b 不同磨削深度對(duì)位錯(cuò)密度的影響Effectofdifferentgrindingdeepthondislocationdensity c 超聲作用對(duì)位錯(cuò)密度的影響Effectofultrasonicassistedgrindingondislocationdensity圖9 不同加工參數(shù)磨削后的GH4169磨削表面層位錯(cuò)密度Fig.9DislocationdensityofGH4169grindingsurfaceunderdifferentmachiningparameters

由圖7和圖9可知：不同加工參數(shù)磨削后的磨削表面附近均存在晶粒細(xì)化層。這是因?yàn)樵谀ハ鬟^(guò)程中，表面層發(fā)生了嚴(yán)重的塑性變形，生成了大量位錯(cuò)。同時(shí)，在磨削過(guò)程中，在高溫環(huán)境下，磨削表面發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，大量的位錯(cuò)滑動(dòng)收斂，并形成新的亞晶界，生成了納米晶粒。晶粒細(xì)化層區(qū)域的位錯(cuò)密度低，導(dǎo)致顯微硬度降低。緊鄰晶粒細(xì)化層的區(qū)域位錯(cuò)密度高，所以顯微硬度值達(dá)到最大。隨著與磨削表面距離的增加，塑性變形程度減小，位錯(cuò)密度降低，顯微硬度也降低，表明顯微硬度的變化主要是由位錯(cuò)強(qiáng)化導(dǎo)致的。

3 結(jié)論

(1)在相同的磨削參數(shù)下，超聲輔助磨削的表面顯微硬度高于普通磨削的。磨削參數(shù)對(duì)顯微硬度的影響規(guī)律為：隨著磨削參數(shù)增加，顯微硬度的最大值先減小再增大。磨削深度增加，顯微硬度的最大值增大。

(2)在相同的磨削參數(shù)下，超聲輔助磨削的表面層殘余壓應(yīng)力高于普通磨削的。表面層殘余壓應(yīng)力隨著砂輪轉(zhuǎn)速與磨削深度的增加而增加。

(3)不同的工藝參數(shù)加工后，工件表面層都出現(xiàn)了晶粒細(xì)化層，超聲輔助磨削的晶粒細(xì)化層厚度高于普通磨削的，晶粒細(xì)化層厚度隨著砂輪轉(zhuǎn)速以及磨削深度的增加而增加。

(4)位錯(cuò)密度的變化趨勢(shì)與顯微硬度變化趨勢(shì)基本一致，且顯微硬度的變化主要是由位錯(cuò)強(qiáng)化導(dǎo)致的。