納米切削鎳基單晶合金亞表面缺陷演化機(jī)理研究

劉嫻萍,郝兆朋,婁在禎,范依航

(長春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130012)

鎳基單晶合金是航空航天、核電站等裝備制造中主要零件材料,嚴(yán)苛的工作環(huán)境決定了其需要極高的加工精度和表面質(zhì)量。亞表面缺陷嚴(yán)重影響零件的使用性能和壽命。充分認(rèn)識鎳基單晶合金加工過程中常見的亞表面缺陷類型,掌握亞表面缺陷的演化機(jī)理,找到合適的加工工藝參數(shù)[1-3]對獲得高質(zhì)量、高精度、低損傷零件對實(shí)際加工有重要的指導(dǎo)意義。

在零件超精密加工材料去除過程中,其切削規(guī)律、物理現(xiàn)象與常規(guī)切削之間有極大差異,為了研究其切削規(guī)律,分子動力學(xué)方法[4-5](MD)被廣泛應(yīng)用。Wang等[6]利用MD方法研究了金剛石切削單晶金工件,發(fā)現(xiàn)切削過程中工件內(nèi)部正四面體堆垛層錯的形成是由于位錯的形核、演化導(dǎo)致的。Gao等[7]研究了單晶鐵正交切削過程缺陷演化機(jī)理,工件剪切區(qū)不斷發(fā)射位錯并且產(chǎn)生了層錯和孿晶等缺陷。Zhang等[8]利用MD仿真研究了單晶銅的納米劃痕過程,發(fā)現(xiàn)刀具劃過工件時,亞表面區(qū)域有大量的位錯形核。Liu等[9]采用應(yīng)力方法研究了單晶銅切削過程中亞表面區(qū)域的正四面體堆垛層錯演化過程。Zimmerman等[10]做了單晶金的MD壓痕仿真,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)利用掃描隧道顯微鏡觀察了內(nèi)部晶體缺陷的變化,分析在壓痕過程中單晶金內(nèi)部“V”型位錯的演化機(jī)理。Li等[11]對單晶硅納米切削過程進(jìn)行了MD仿真,研究了切削速度對加工硅的亞表面損傷的影響。Fang等[12]采用MD方法研究了不同加工參數(shù)對Ni/Cu多層膜亞表面損傷的影響,發(fā)現(xiàn)降低加工速度會導(dǎo)致工件亞表面出現(xiàn)更多地層錯。Wang等[13]研究了單晶銅的納米切削過程,分析了工件亞表面區(qū)域內(nèi)部各種缺陷的形成機(jī)理。

綜上所述,亞表面缺陷演化的研究主要集中在單質(zhì)金屬和實(shí)驗(yàn)觀察層面,取得了一定的、階段性成果,對于合金的分子建模技術(shù)和鎳基單晶合金納米切削過程中出現(xiàn)的亞表面缺陷的類型缺乏研究,對于不同的切削速度對亞表面缺陷演化機(jī)理的影響鮮有研究。針對上述情況和實(shí)際應(yīng)用需求,建立氮化硅刀具納米切削鎳基單晶合金的MD模型,對切削過程中出現(xiàn)的各種亞表面缺陷進(jìn)行分析,為揭示切削速度誘發(fā)的亞表面缺陷演化機(jī)制等方面開展了相關(guān)研究。

1 模型建立

由于納米切削過程亞表面缺陷演化很難通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)時觀察,并且加工設(shè)備要求苛刻,實(shí)驗(yàn)成本極高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展,分子動力學(xué)(MD)方法已經(jīng)成為研究納米切削機(jī)理的一個重要工具。MD仿真使用Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator(LAMMPS)[14]進(jìn)行建模,并采用Ovito軟件[15]對模擬結(jié)果進(jìn)行可視化。

塊狀的氮化硅材料具有高硬度,高耐熱性,抗氧化性并有良好的耐磨性,因此氮化硅材料主要用來做研磨的磨削頭和切削的刀具。氮化硅刀具常用來切削鎳基單晶合金等難加工材料,實(shí)際加工發(fā)現(xiàn)其切削效率比碳化鎢等傳統(tǒng)刀具有大幅度提高,并具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。氮化硅材料分為α-Si3N4與β-Si3N4兩種,由于α-Si3N4化學(xué)性能不穩(wěn)定,所以氮化硅陶瓷刀具一般選β-Si3N4[16],因此刀具選定為β-Si3N4刀具。β-Si3N4為密排六方結(jié)構(gòu),晶格常數(shù)a=0.760 8,c=0.291 0,原子層以ABAB的次序沿(0001)方向堆積。刀具前角設(shè)置為15°,后角設(shè)置為8°,共有4 186個原子組成,為了實(shí)現(xiàn)更好地切削效果,刀具圓弧半徑設(shè)置為3 nm,刀具的具體參數(shù)如圖1所示。

圖1 刀具模型

切削工件為鎳基單晶合金。為了簡化計(jì)算,取其主要的3種組份鎳鐵鉻作合金模型。為了最大程度模擬鎳基單晶合金特性,合金模型中Ni、Cr、Fe含量分別為57.75%、31.25%和11%。工件的晶體類型為面心立方晶體結(jié)構(gòu)(FCC),基體尺寸被設(shè)置為20 nm×10 nm×4 nm,具體模型如圖2所示。

圖2 工件模型

工件被分為牛頓層、恒溫層、邊界層3部分。為了使切削過程中工件內(nèi)部熱傳導(dǎo)接近真實(shí)情況,恒溫層原子遵循Berendsen熱動力學(xué),牛頓層原子遵循lammps NVE動力學(xué)。為了減小邊界效應(yīng),x,y方向采用s(shrink-wrapping)邊界條件,并將x,y的尺寸做的相對足夠大,z方向采用周期性邊界條件。具體的MD仿真模型在圖3中給出。

圖3 切削仿真中Ni-Fe-Cr 合金工件和氮化硅刀具采用的MD模型

表1 分子動力學(xué)切削仿真所取參數(shù)

在模擬金屬和合金的體系中,EAM勢函數(shù)被廣泛應(yīng)用[17-18],合金工件中3種原子之間的相互作用采用FeNiCr.eam.alloy勢函數(shù),工件中Ni、Fe、Cr原子與刀具的N、Si原子之間的相互作用關(guān)系采用Morse勢,計(jì)算公式為

u(rij)=D[e-2α(rij-r0)-2e-α(rij-r0)]

(1)

式中:D為結(jié)合能系數(shù);α為勢能曲線梯度系數(shù)；r0表示分子間作用力為零時的原子間距。

表2 相同元素之間Morse勢函數(shù)參數(shù)[19-21]

(2)

(3)

(4)

經(jīng)過計(jì)算得到不同Morse勢函數(shù)參數(shù),詳細(xì)值如表3所示。

表3 不同元素之間的Morse勢函數(shù)參數(shù)

刀具中N和Si的相互作用采用的是SiN-Tersoff[24-26],Tersoff勢函數(shù)具體參數(shù)如表4所示。

表4 SiN-Tersoff 勢函數(shù)參數(shù)

2 亞表面缺陷

采用可視化軟件OVITO[15]的中心對稱參數(shù)法[27]對仿真結(jié)果進(jìn)行分析,獲得亞表面缺陷結(jié)構(gòu)的分布圖,對各種位錯,層錯的分布及其演化進(jìn)行分析。圖4分析了切削速度為20 m/s時,工件內(nèi)部晶體缺陷的演化?？梢园l(fā)現(xiàn),隨著切削過程的進(jìn)行,亞表面中出現(xiàn)了大量的缺陷結(jié)構(gòu)。位錯在加工亞表面不斷擴(kuò)展,并滑移到工件表面逐漸湮滅。位錯的形核與擴(kuò)展導(dǎo)致工件亞表面晶體缺陷的形成。與此同時,刀具不斷向前運(yùn)動,并給工件施加剪切與擠壓作用,剪切區(qū)原子不斷滑移,沿著前刀面的表層原子被大量切除,切屑不斷向前向上擴(kuò)展,因此加工表面逐漸形成。

采用中心對稱參數(shù)(CSP)方法,可以很好地識別工件在切削過程形成的晶體缺陷(例如位錯與堆垛層錯),能夠較好地分析工件在切削過程中缺陷變化。中心對稱參數(shù)是表征晶體有序和無序的一個重要度量。當(dāng)CSP的值接近零時,表示晶體處于中心對稱的位置[27],當(dāng)CSP為非零時,表示晶體是有無序的,缺陷類型可以通過計(jì)算得到[27]，計(jì)算式為

(5)

式中：No表示被識別原子周圍最近鄰原子;Ri表示中心原子到一對最近鄰原子的距離。計(jì)算所得不同結(jié)構(gòu)的CSP取值及其在圖4、圖6、圖10的對應(yīng)顏色標(biāo)注如表5所示。

表5 不同晶體結(jié)構(gòu)CSP取值及其對應(yīng)顏色

圖4給出了vc=20 m/s“V”型位錯環(huán)、梯桿位錯、堆垛層錯四面體SFT、棱柱位錯缺陷、點(diǎn)缺陷和原子團(tuán)簇在工件內(nèi)部的位置,采用中心對稱參數(shù)法CSP作圖。為了更好的顯示缺陷的原子結(jié)構(gòu),圖5a)、圖5b)給出了堆垛層錯四面體SFT、原子團(tuán)簇局部放大圖。刀具不斷前進(jìn),切削區(qū)工件原子被迫移動,此時部分原子脫離原來的晶體位置,并不斷運(yùn)動形成間隙原子。間隙原子在工件的內(nèi)應(yīng)力作用下相互吸引并逐漸聚集,形成了圖5b)所示的原子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)。

圖4 工件內(nèi)部位錯與層錯等缺陷分布

圖5 亞表面缺陷局部放大

圖6采用CSP與DXA方法描述切削過程堆垛層錯四面體(SFT)演化過程,圖6a)與圖6d)的切削距離為4.8 nm,圖6b)與圖6c)的切削距離為5.2 nm,圖6c)與圖6f)的切削距離為5.6 nm。圖6a)、圖6b)、圖6c)中采用CSP方法作圖,洋紅色表示標(biāo)記的SFT原子,為了有更好地顯示效果,去掉CSP<2的原子;圖6d)、圖6e)、圖6f)中采用DXA方法作圖,深藍(lán)色表示完美位錯,綠色表示肖克萊位錯,紫色表示stair-rod位錯,淺藍(lán)色表示Frank位錯。

圖6 采用CSP與DXA方法描述切削過程堆垛層錯四面體演化過程圖

采用CSP和DXA位錯提取算法[28]對仿真結(jié)果進(jìn)行可視化,將SFT原子放在一組并標(biāo)記為洋紅色,結(jié)合圖6a)CSP分析與圖6d)中DXA分析可以發(fā)現(xiàn),在圖6d)中存在2條與梯桿位錯并存的肖克萊位錯時,SFT形成了除底面之外的3個表面。從圖6e)中發(fā)現(xiàn)肖克萊位錯在切削過程中不斷運(yùn)動,并與梯桿位錯和深藍(lán)色的完美位錯交叉,不運(yùn)動的梯桿位錯鎖留在原位置。肖克萊位錯取代梯桿位錯與SFT相連接。圖6b)中顯示此時SFT處于懸掛位置(即將形成)。從圖6c)與圖6f)中可以發(fā)現(xiàn),肖克萊位錯不斷運(yùn)動并與梯桿位錯發(fā)生分離[29],使得梯桿位錯獨(dú)立出來,形成了完整的堆垛層錯四面體。CSP分析與DXA的分析表明:SFT形成過程中釋放大量能量,并與其他缺陷結(jié)構(gòu)分離,逐漸開始形成相對穩(wěn)定的缺陷結(jié)構(gòu)。Lu等利用高分辨率透射電子顯微鏡(TEM)獲得了Ni-Fe單晶合金微觀SFT演化過程的圖像如圖7所示[30]。

圖7 高分辨率透射電子顯微鏡獲得的單晶Ni-Fe合金堆垛層錯四面體圖像[30]

實(shí)驗(yàn)過程得到的SFT微觀結(jié)構(gòu)圖像與仿真結(jié)果基本匹配,間接證明分子動力學(xué)仿真的正確性。

圖8和圖9分別顯示了“V”型位錯和梯桿位錯局部放大圖和形成原理圖。

圖8 “V”型位錯局部放大圖和形成原理圖

圖9 梯桿位錯局部放大圖和形成原理圖

“V”形位錯環(huán)的形成與演化對切削過程中亞表面質(zhì)量有著重要影響。切削過程中,刀具對工件產(chǎn)生了極高的擠壓力,使得工件這些缺陷結(jié)構(gòu)主要分布在加工區(qū)域下方,位錯環(huán)表示一些內(nèi)部形核的位錯由于沒有足夠的能量擴(kuò)展到工件表面而形成的封閉環(huán)。圖8a)給出“V”型位錯局部放大圖?！癡”形位錯由兩個X1與X2肖克萊位錯和梯桿位錯組成。首先,X1與X2位錯在C點(diǎn)與D點(diǎn)形核,X1與X2位錯沿著伯格斯矢量方向做滑移與擴(kuò)展運(yùn)動,在擴(kuò)展運(yùn)動中發(fā)生交叉滑移。沿[110]方向擴(kuò)展的位錯到達(dá)表層后停止,在圖8b)上表面沿[1-11]或[11-1]留下位錯線。當(dāng)兩個位錯向下運(yùn)動時,在節(jié)點(diǎn)A相交并發(fā)生干涉,共同形成了阻礙位錯滑移的位錯鎖。梯桿位錯B在A節(jié)點(diǎn)開始形核,并沿[1-11]方向擴(kuò)展,不斷運(yùn)動形成了梯桿位錯。梯桿位錯阻礙肖克萊位錯繼續(xù)滑移,兩個肖克萊位錯和沿著側(cè)面擴(kuò)展的梯桿位錯以及層錯共同組成“V”型位錯組態(tài)。

梯桿位錯(SRD)是工件被切削后亞表面內(nèi)部形成的缺陷結(jié)構(gòu)。圖9a)是切削過程形成的局部梯桿位錯放大圖,圖9b)圖給出了梯桿位錯的原子排布圖。局部放大圖可以發(fā)現(xiàn)梯桿位錯的兩層原子發(fā)生錯動,中間原子在擴(kuò)展過程中發(fā)生遷移,位錯與其他缺陷的在擴(kuò)展運(yùn)動中發(fā)生競爭導(dǎo)致原子錯排,最終形成了具有2個階梯的梯桿位錯。

3 切削速度對亞表面損傷的影響

在切削過程中,切削速度對工件的表面形成,切屑的運(yùn)動,工件內(nèi)部中各種缺陷的形核和演化和表面質(zhì)量有著重要的影響。這些演化會直接地影響工件亞表面晶體結(jié)構(gòu),缺陷演化,亞表面厚度,進(jìn)而會影響表面的質(zhì)量。圖10給出了3組不同的切削速度,分別是20 m/s,16 m/s,12 m/s,采用中心對稱參數(shù)表征的亞表面缺陷瞬態(tài)圖像,并比較了亞表面缺陷數(shù)量，黑色框選區(qū)域代表亞表面缺陷的面積與深度。

圖10 s=15 nm,切削速度不同時，工件亞表面缺陷與晶體結(jié)構(gòu)的變化

切削過程中,工件內(nèi)部缺陷與亞表面晶體缺陷是由于位錯的形核、擴(kuò)展運(yùn)動而形成的。刀具-工件接觸區(qū)域發(fā)生劇烈的剪切與擠壓作用,接觸區(qū)域附近的工件原子產(chǎn)生較大的遷移。其中亞表面原子遷移距離較大,未加工區(qū)域原子遷移距離較小。

在速度為12 m/s時,從圖10a)可以發(fā)現(xiàn)工件亞表面的缺陷數(shù)目很多,而且缺陷面積很大;隨著切削速度逐漸增加,亞表面各種層錯的面積和數(shù)目出現(xiàn)了明顯的減少,位錯的種類也明顯減少。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是:在切削速度較低時,切削相同距離下,切削時間較長,亞表面的缺陷有著充分的時間與足夠的能量進(jìn)行位錯的形核,滑移與湮滅,長時間應(yīng)力驅(qū)動[31]使得位錯可以擴(kuò)展到深層,位錯形核后得到充分?jǐn)U展。各種位錯發(fā)生相互交叉與干涉,新的位錯開始出現(xiàn),使得亞表面缺陷的種類增加。增大切削速度后,切削相同距離刀具對工件的切削時間較為短暫,工件內(nèi)部位錯的形核無法充分滑移,因此加工面的各種缺陷的面積和數(shù)目大為減少。隨著切削距離增加,切削產(chǎn)生的應(yīng)力持續(xù)驅(qū)動位錯的滑移與湮滅,因此亞表面的層錯與位錯的面積逐漸減少。

亞表面的深度[32]計(jì)算式為

H=10a-d-y

(6)

式中：d是切削深度；y是工件內(nèi)部未發(fā)生缺陷區(qū)域的y坐標(biāo)。容易發(fā)現(xiàn),亞表面的深度不隨切削速度的變化而發(fā)生改變。圖10也得到了與公式(6)計(jì)算相同的結(jié)果。

根據(jù)圖11得到3組不同速度下,原子勢能隨切削距離的變化。初始切削時,勢能出現(xiàn)上升過程,由于刀具切入工件后,合金原子受到剪切應(yīng)力與擠壓應(yīng)力作用,原子勢能增加,能量增加導(dǎo)致原子大量遷移。隨著切削距離增加,發(fā)現(xiàn)位錯的形核、擴(kuò)展和湮滅的過程伴隨著位錯的合并與分解,是不斷消耗能量的過程。3種不同的速度得到了相同的結(jié)果,鎳鐵鉻合金中晶體的位錯形核與擴(kuò)展應(yīng)克服高能勢壘,此時會導(dǎo)致能量的波動,勢能的波動代表著原子位置的遷移時原子之間相互作用的變化,切削區(qū)的原子遷移后,周圍原子通過調(diào)整位置降低體系勢能。圖11中勢能不斷降低,并逐漸趨于平穩(wěn),原子的遷移變化減小。

圖11 不同切削速度下,原子勢能隨切削距離的變化圖

圖12給出了3種不同速度下動能隨切削距離的變化。

圖12 動能隨切削速度的變化

可以發(fā)現(xiàn)動能隨切削速度的提高而增大,最后動能趨于平穩(wěn);初始切削時,刀具克服工件的切削阻力做功,在局部接觸區(qū)域大量原子發(fā)生位移,原子之間斥力很大;切削3 nm以后,原子運(yùn)動達(dá)到平衡態(tài),阻力減小,只需要一定的切削力提供刀具前進(jìn)的動力,因此動能趨于平穩(wěn);動能隨速度增加而逐漸變大,使得更容易克服位錯發(fā)射的勢壘?？偰芰繛閯菽芘c動能的和,容易發(fā)現(xiàn)總能量是降低的過程,這表明系統(tǒng)是逐漸趨于最穩(wěn)定狀態(tài)。

(7)

式中：l為位錯線的總長度;V為切削區(qū)域的體積。

圖13給出了3種不同切削速度下,位錯密度隨著切削距離變化的曲線。

圖13 位錯密度隨切削距離的變化圖

在s<5 nm時,切削速度越低,產(chǎn)生的位錯密度越大。在初始切削時,速度越快,產(chǎn)生的溫度越高,位錯的擴(kuò)展隨之加快。位錯的湮滅隨溫度升高加劇,因此出現(xiàn)當(dāng)初始階段位錯密度隨切削速度增加而降低。切削產(chǎn)生形變量隨著切削速度提高而增大,金屬的塑性變形抗力隨之增加,其硬度和強(qiáng)度明顯增加,此時位錯密度也會增加,出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象。可以發(fā)現(xiàn)前半部分(第一階段)是溫度機(jī)制起主要作用,后半部分(第二階段)是加工硬化對位錯密度影響起主要作用。

圖14給出了在不同切削速度下切削力的變化。

圖14 切削力隨不同切削速度的變化

可以看出,切削力的變化反映了刀具與工件作用以及材料切削去除過程,是表征刀具與工件作用的重要參數(shù)。切削力由切削過程的摩擦阻力和被去除材料的抗力組成?？梢园l(fā)現(xiàn),主切削力fx隨切削速度增加而逐漸增大。

研究切削力以后,同時測量了前刀面與滑動切屑之間的摩擦因數(shù)μ[33-34],摩擦因數(shù)μ計(jì)算式為

(8)

式中：Fx為平均切削力；Fy為沿y方向的平均推力;刀具前角γ0=15°,

從圖15可以發(fā)現(xiàn)摩擦因數(shù)隨切削速度的增加而不斷增大,切削速度越快,相同時間切屑產(chǎn)生的量越大,刀具與工件之間的相互作用就越大,因此摩擦因數(shù)也不斷增加。

圖15 摩擦因數(shù)隨不同切削速度的變化

切屑的厚度h采用

(9)

剪切角φ表達(dá)式為[34]

(10)

式中β為摩擦角,tanβ=μ。仿真得到的切屑厚度如表6所示。

表6 不同速度下切屑厚度變化

切削速度越大,單位時間切削距離越大,材料的去除率越高,形變量越大,因此形成的切屑厚度越大。

在圖16中對切削過程中晶體結(jié)構(gòu)演化進(jìn)行了分析,圖16a)顯示了FCC原子的數(shù)量隨著切削距離增加不斷減小,而且速度越高,轉(zhuǎn)化為其他結(jié)構(gòu)的速度越快。圖16b)給出了HCP原子(位錯、層錯等缺陷的主要組成結(jié)構(gòu))數(shù)量的變化趨勢,HCP原子數(shù)目隨著切削距離而增加,表明切削過程中不斷有缺陷產(chǎn)生,缺陷面積不斷增加;速度越高,HCP原子的數(shù)目越少,表明在速度較高時,亞表面缺陷的面積較小。

圖16 FCC、HCP原子數(shù)目隨切削速度的變化圖

4 結(jié)論

采用分子動力學(xué)(MD)的方法對氮化硅刀具切削鎳基單晶合金的加工過程亞表面缺陷演化進(jìn)行了研究。建立了綜合性能優(yōu)異的氮化硅刀具切削鎳基單晶合金模型,并開展了關(guān)于切削過程中出現(xiàn)各種亞表面缺陷的細(xì)致研究,從多個角度研究了不同切削速度對亞表面缺陷演化機(jī)制的影響。得到如下結(jié)論:

1) 切削過程中形成了原子團(tuán)簇、堆垛層錯四面體、V型位錯環(huán)和梯桿位錯,棱柱位錯等缺陷。利用CSP和DXA等先進(jìn)算法對4種典型缺陷的形核與演化進(jìn)行深入分析,揭示了缺陷演化機(jī)理;通過MD仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比,證明仿真結(jié)論的正確性。

2) 提高切削速度使得亞表面中各種缺陷的數(shù)量以及種類明顯減少,切削速度變化對亞表面缺陷深度沒有影響。

3) 能量分析表明切削過程中能量隨切削距離增加而降低;對位錯密度進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)切削第一階段位錯密度與切削溫度速度成正比關(guān)系,第二階段加工硬化對位錯密度起主要作用;通過分析晶體結(jié)構(gòu)變化,發(fā)現(xiàn)切削速度越低,缺陷的面積越大。

4) 綜合分析可知提高切削速度有利于減少亞表面缺陷,提高鎳基單晶合金零件表面質(zhì)量。