高溫合金材料特性及加工技術進展

吳明陽　王博　程耀楠　趙旭　高永斌

摘要：高溫合金是航空航天、運輸、航海及核電工業領域必需的金屬材料，特別是鎳基高溫合金的發展為我國航空發動機性能的提升起到了重要意義。高溫合金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以及其它工業領域的發展。本文從高溫合金的材料特性、切削加工特點以及切削加工工藝等方面進行研究，在此基礎上對加工高溫合金新的冷卻方式和條件進行探討，以期為高效高質量加工高溫合金提供參考依據。

關鍵詞：高溫合金；切削加工性；材料特性；高壓冷卻

中圖分類號：TG506 文獻標志碼：A 文章編號：1007-2683（2015）06-0024-08

0 前言

進入21世紀以來，隨著航天技術的成熟，高溫合金自研發以來獲得了重要發展。尤其是鎳基高溫合金，它在高溫條件下，仍然具有很高的抗疲勞強度、高屈服強度、抗拉強度和抗腐蝕性、抗氧化性。高溫合金的材料特征使其成為航空發動機中不可替代的關鍵材料。目前，已研制的航天發動機中，高溫合金材料已經占到發動機所用材質一半以上。因此高溫合金材料也被譽為“先進發動機基石”。高溫合金在民用工業中的應用也越來越廣泛，高溫合金在航空發動機用高壓渦輪粉末盤（圖1）、車用渦輪增壓器使用普遍、在核電、石油石化（圖2）等行業也有著重要的應用。工業化的推進和國內高端裝備制造業的發展將持續拉動民用工業對高溫合金的需求，目前民用高溫合金占總需求的20%，未來這一比例有望持續提升。

高溫合金的高效加工問題也一直是航空航天工業以及其它行業制造技術中亟待解決的重要問題。主要反映在刀具切削加工時切削溫度高，刀具受力大，加工硬化磨損嚴重，生產效率低等方面。以鎳基高溫合金為例，此合金在高溫合金領域應用最廣，其力學特性、抗氧化與抗高溫變形性能優良，但是缺點是導熱系數較低、加工容易產生硬化等。本文以高溫合金為典型材料進行高效切削加工技術及工藝研究，對高溫合金材料特性、種類及應用、加工特點、加工技術及工藝進行分析，對我國航空航天事業有著重要現實意義和應用價值。

1 高溫合金種類及材料特性分析

1.1 高溫合金種類分析

高溫合金是指夠能在600℃以上的高溫可以長期適應一定的抗壓力作用下工作的并且具有較好的綜合性能的金屬材料，而且在極端的高溫高壓下仍然具有優良的組織穩定性和可靠性。

傳統的劃分高溫合金材料可以根據以下3種方式來進行：按基體元素種類、合金強化類型、材料成型方式來進行劃分。

1）根據基體元素種類，高溫合金可以分為鐵基、鎳基、鈷基等，其中，鐵基高溫合金又可稱作耐熱合金鋼如圖3所示。它的基體是Fe元素，加入少量的Ni、Cr等合金元素，耐熱合金鋼按其正火要求可分為馬氏體、奧氏體、珠光體、鐵素體耐熱鋼等。鎳基高溫合金的含鎳量在一半以上，適用于1000℃以上的工作條件，采用固溶、時效的加工過程，可以使抗蠕變性能和抗壓抗屈服強度大幅提升。鈷基高溫合金是以鈷為基體，鈷含量大約占60%，同時需要加入Cr、Ni等元素來提升高溫合金的耐熱性能，雖然這種高溫合金耐熱性能較好，但由于各個國家鈷資源產量比較少，加工比較困難，因此用量不多。通常用于高溫條件（600～1000℃）和較長時間受極限復雜應力高溫零部件，例如航空發動機的工作葉片、渦輪盤、燃燒室熱端部件和航天發動機等。為了獲得更優良的耐熱性能，一般條件下要在制備時添加元素如W、MO、Ti、Al、Co，以保證其優越的抗熱抗疲勞性。目前就高溫環境使用的高溫合金來分析，使用鎳基高溫合金的范圍遠遠超過鐵基和鈷基高溫合金用處。同時鎳基高溫合金也是我國產量最大、使用量最大的一種高溫合金。很多渦輪發動機的渦輪葉片及燃燒室，甚至渦輪增壓器也使用鎳基合金作為制備材料。半個多世紀以來，航空發動機所應用的高溫材料承受高溫能力從20世紀40年代末的750%提高到90年代末的1200℃應該說，這一巨大提升也促使鑄造工藝加工及表面涂層等方面快速發展。

2）根據合金強化類型，高溫合金可以分為固溶強化型高溫合金和時效沉淀強化合金。所謂固溶強化型即添加一些合金元素到鐵、鎳或鈷基高溫合金中，形成單相奧氏體組織，溶質原子使固溶體基體點陣發生畸變，使固溶體中滑移阻力增加而強化。有些溶質原子可以降低合金系的層錯能，提高位錯分解的傾向，導致交滑移難于進行，合金被強化，達到高溫合金強化的目的。所謂時效沉淀強化即合金工件經固溶處理，冷塑性變形后，在較高的溫度放置或室溫保持其。1生能的一種熱處理工藝。例如：GH4169合金，在650℃的最高屈服強度達1000MPa，制作葉片的合金溫度可達950℃。

3）通過材料成型方式劃分有：鑄造高溫合金（包括普通鑄造合金、單晶合金、定向合金等）、變形高溫合金、粉末冶金高溫合金（包含普通粉末冶金和氧化物彌散強化高溫合金）。

（1）鑄造高溫合金。采用鑄造方法直接制備零部件的合金材料叫鑄造高溫合金。根據合金基體成分劃分，可以分為鐵基鑄造高溫合金、鎳基鑄造高溫合金和鉆基鑄造高溫合金3種類型。按結晶方式劃分，可以分為多晶鑄造高溫合金、定向凝固鑄造高溫合金、定向共晶鑄造高溫合金和單晶鑄造高溫合金等4種類型。

鑄造高溫合金是航天發動機零部件的重要組成部分，根據研究分析航空發動機壽命的長短影響最顯著的因素就是鑄造高溫合金的好壞，隨著航空航天領域的快速蓬勃發展，要求廣泛使用高科技含量的合金材料，如高性能等軸晶、單晶合金、定向合金。

隨著時間推移，發動機渦輪葉片材料已由變形高溫合金逐漸過渡到鑄造高溫合金，由第一第二代單晶合金已發展到第五代含錸高溫合金，成為高性能航空發動機渦輪葉片的主要材料。定向凝固合金已更新出了三代，這種凝固狀合金改變了高溫時橫向晶界的低效性，使合金可以承受更高的強度。定向、單晶高溫合金尚且還在研究中，新型高性能合金就不斷涌現，高溫合金領域正面向著高速、穩定、不斷更新的方向快速發展。目前各種先進鑄件制造技術和加工設備在不斷開發和完善，如熱控凝固、細晶工藝、激光成形修復技術、耐磨鑄件鑄造技術等，原有技術水平不斷提高完善從而提高各種高溫合金鑄件產品的質量一致性和可靠性。

（2）變形高溫合金。變形高溫合金，如圖4所示。目前仍然是航空發動機中使用最多的材料，在國內外應用都比較廣泛，我國變形高溫合金年產量約為美國的1/8。以GH4169合金為例，它是國內外應用范圍最多的一個主要品種。我國主要在渦輪軸發動機的螺栓、壓縮機及輪、甩油盤作為主要零件，隨著其他合金產品的日益成熟，變形高溫合金的使用量可能逐漸減少，但在未來數十年中仍然會是占著主導地位。

我國變形高溫合金最新進展是大型難變形合金盤件的生產加工取得了歷史性突破，解決了一直難以攻克的冶煉和熱加工中涉及的技術革新問題，成功研制了直徑為1.2m的GH4698合金盤和GH4742直徑為0.8m的合金盤，這項技術的成功運用擺脫了一直依靠國外才能實現的依賴性，滿足了我國大型艦船和燃氣輪機發展的迫切需要。

（3）新型高溫合金。新型高溫合金包括粉末高溫合金、鈦鋁系金屬間化合物、氧化物彌散強化高溫合金、耐蝕高溫合金、粉末冶金及納米材料等多種細分產品領域。第三代粉末高溫合金的合金化程度提升，使其兼顧了前兩代的優點，獲得了更高的強度較低的損傷，粉末高溫合金生產工藝日趨成熟，未來可能從以下幾個方面開展：粉末制備、熱處理工藝、計算機模擬技術、雙性能粉末盤；鈦鋁系金屬間化合物已經開發到第四代，逐步向著多元微量和大量微元這兩個方向拓展，德國的漢堡大學，日本京都大學，德國的GKSS中心等都進行了廣泛的研究，鈦鋁系金屬間化合物現已應用于船舶、生物醫用、體育用品領域；氧化物彌散強化高溫合金是粉末高溫合金一部分，正在生產研制的有近20余種，具有較高的高溫強度和低的應力系數，廣泛的應用于燃氣輪機耐熱抗氧化部件、先進航空發動機、石油化工反應釜等；耐蝕高溫合金主要用于替代耐火材料和耐熱鋼，應用于建筑及航天航空領域。

1.2 高溫合金材料特性分析

高溫環境下材料的各種退化速度都被加速，在使用過程中易發生組織不穩定、在溫度和應力作用下產生變形和裂紋長大、材料表面的氧化腐蝕，如圖5所示。高溫合金所具有的耐高溫、耐腐蝕等性能主要取決于它的化學組成和組織結構。以GH4169鎳基變形高溫合金為例，其主要化學成分見表1，力學性能見表2。通過表1可以看出GH4169合金中鈮含量高，合金中的鈮偏析成都與冶金工藝直接相關，GH4169基體為Ni-Gr固溶體，含Ni質量分數在50%以上可以承受1000℃左右高溫，與美國牌號Inconel718相似，合金由γ基體相、δ相、碳化物和強化相γ′和γ″相組成。表2中GH4169合金的化學元素與基體結構顯示了其強大的力學性能，屈服強度與抗拉強度都優于45鋼數倍，塑性也要比45鋼好。穩定的品格結構和大量強化因子構造了其優良的力學性能，但同時也反應了切削加工性差的特點。

高溫合金由于其復雜、惡劣的工作環境，其加工表面完整性對于其性能的發揮具有非常重要的作用。但是高溫合金是典型難加工材料，其微觀強化項硬度高，加工硬化程度嚴重，并且其具有高抗剪切應力和低導熱率，切削區域的切削力和切削溫度高，在加工過程中經常出現加工表面質量低、刀具破損非常嚴重等問題。在一般切削條件下，高溫合金表層會產生硬化層、殘余應力、白層、黑層、晶粒變形層等過大的問題。

2 高溫合金切削加工特點分析

鎳基高溫合金是難加工材料中最難加工的材料之一，與45鋼相比其加工難易程度僅為后者的（5～15）%，雖然難以加工但仍然廣泛應用，尤其是在航空發動機中所占比重特別大，雖然重量不是很大，但毛坯件的重量卻很大，材料的大部分作為切削余量被去除掉，切削時工作用量很大。因此高溫合金加工效率與加工質量是航空航天零部件加工急需解決的問題。

1）切削變形大

在切削加工高溫合金的過程中，切削的溫度很高，切削表面塑性變形增大明顯，塑性變形大小關系著切削變形系數的大小，低速情況下塑性變形過程并不明顯，高速切削時個別的延伸率超過40%，合金中奧氏體晶格滑移系數增多產生塑性測流，導致切削加工比較困難。

2）加工硬化傾向大

由于高溫合金的塑性、韌性大，在高溫和高壓作用下切削力和切削熱會使合金產生嚴重的塑性變形，變形的過程中活躍的奧氏體將部分轉變為穩定的馬氏體，合金中強化因子也會分散出來，同時化合物的分解融合都將導致合金材料的表面強化和硬度的提高，增大切削難度，切削試驗表明，切削速度越高，進給量越小硬化程度就越小。

3）刀具磨損較大

切削高溫合金時，由于本身含有許多金屬化合物和其他金屬元素等構成的硬質點，隨著一次次切割產生的大量的熱貼附在切削區，并沒有傳遞給工件或被切屑帶走，過高的溫度和過多的熱量促使刀具的刃口迅速磨損、崩裂，磨損的刀刃反過來又使切削區域產生更多的熱量，進一步縮短刀具的壽命如圖6、圖7所示。件與刀具接觸發生卷屑，雙方的內部不穩定的化學元素在切削區域中擴散與結合，導致原材料的物理與化學性能發生改變，導致刀刃很快變鈍，前刀面無月牙洼，后刀面磨損嚴重，刀具表層變得脆弱，從而加劇了刀具的磨損。

4）切削區域溫度較高

切削高溫合金時，材料具有較高的屈服強度較大的塑性變形，較大的進給速度下較大切深會產生大量的熱量，而材料的導熱系數又較小，切削區域聚集了很多的切削熱，而高溫合金散熱性能很差，形成了很高的切削溫度，刀具磨損加重。

5）切削精度較低

刀具切削高溫合金時，材料的導熱性散熱性能很差導致工件表面溫度較高，劇烈的切割會使工件產生輕微的熱變形，可能與需要測量數值有所偏差。又因切削時刀具前角較小、速度較低時產生的切屑呈擠裂狀，切削產生的變形會使所測物理量產生影響。

3 高溫合金切削加工技術分析

鎳基高溫合金含有鉻、釩、鈦、鋯、鈮、鐵、鋁、鈷、錳和稀土等很多活潑金屬元素。在空氣中會發生氧化反應，在高溫和較差環境下內部元素會發生轉變。這樣對材料的物理性能和化學性能都有著不利的影響。同時在切削時刀具磨損嚴重，加工效率低。因此選用合理刀具及工藝方式對于切削加工有著重要意義。

1）刀具材料的合理選用

高溫合金切削性差，普通的硬質合金和高速鋼幾乎無法加工鎳基高溫合金，所以這類材料應選用耐熱性好抗彎強度高、導熱性好、耐磨抗粘結性好的刀具材料。針對高溫合金切削加工特性以及刀具破損機理的研究，國外學者一直試圖開發出適合切削高溫合金的高效刀具。應用新型刀具可以很大程度提高難加工材料的加工效率，目前，加工高溫合金比較常用的刀具有：硬質合金、陶瓷、涂層硬質合金以及PCBN等刀具（圖8、圖9）。各種刀具材料物理熱力學性能見表3。表3中可以看出：切削硬度上硬質合金刀具較低，陶瓷刀具稍好，PCBN硬度最好。

2）刀具幾何參數選擇

硬質合金刀具在高速干切削加工高溫合金時，刀具前后刀面都會出現明顯磨損，切削刃處最大，同時也為了減小塑性變形，減小切削力，減小加工硬化和降低切削溫度，刀刃強度保持一定量的前提下，盡量選用較小的正前角。粗加工時：硬質合金刀具前角則取3°～6°，精加工時：硬質合金刀具則取5°～8°，當切削速度較大時，可以采用負前角。為了減小刀具后刀面與加工表面的摩擦，應選較大的后角，后角的增加可以減少后刀面的磨損，增加刀具的壽命。粗加工時：硬質合金刀具后角取8°～10°，精加工時：硬質合金刀具應取10°～12°。

對于銑削等斷續切削，在工藝系統的剛度、機床功率滿足要求的情況下，刀具必須有足夠的剛度，同時刀齒強度要高。一般銑刀前角通常取0°～5°，后角為13°～16°為宜。對于立銑刀螺旋角選較小為宜，通常選取28°～35°。對于鉆削，可以采用超硬高速鋼或者超細晶粒硬質合金鉆頭，通過鉆頭長度改變來改善切削效果。

3）切削高溫合金加工工藝

國內外研究加工高溫合金主要從切削力、切削溫度、刀具壽命及加工表面質量等進行實驗研究，這對于改善切削加工過程中刀具磨損、工件表面完整性提高都有深刻意義。

研究發現TiN涂層和無涂層的PCBN刀具高速車削GH4169時，在250m/min涂層刀具壽命高出無涂層20%左右，在相對較低速度的150m/min和225m/min時產生的是壓縮殘余應力，而當速度提高到300m/min時，產生的是拉伸殘余應力。在進行高速銑削GH4169高溫合金時，發現采用順銑加工的表面粗糙度比逆銑要高。如圖10所示。

4）高溫合金切削液的選擇

對于提升高溫合金加工性而言，多數研究還是停留在切削液改進上，在除去切削液后并沒有找到合適的替代介質，切削液的冷卻潤滑作用只能少部分的實現，因此對于刀具的使用、刀具的壽命、切削效率也受到不同程度的影響。選取合適的切削液可以減輕切削過程中的摩擦，及時帶走切削區的熱量。研究發現高溫合金適用于水基的切削液來冷卻降溫，水基切削液是應用最為廣泛的切削液，占到市場份額的70%以上，按稀釋后的狀態水基切削液包含乳化切削液、微乳化切削液、合成切削液。而對于高溫合金內部晶格特殊性，切削時采用合成切削液較為合適。

傳統的冷卻方式對于減少刀具破損現象、提高斷屑性能所起作用非常小，而且絕熱剪切作用對降低切削溫度的作用也并不明顯。但是，隨著機床輔助設備的發展，近來出現了高壓冷卻切削方式，為解決高溫合金的高效切削加工問題提供了技術支持。尋找傳統切削液替代品和新的冷卻方式已成為當下加工高溫合金材料的當務之急。

4 高壓冷卻切削高溫合金加工新進展

在切削高溫合金材料時，會發生嚴重的加工硬化，高溫合金內部存在許多高硬度的硬質化合物，單位時間內產生的切屑和熱量均較多，所以如果想得到較小的刀具磨損量應采用冷卻潤滑技術。目前切削技術主要采用干式切削技術、MQL技術、低溫冷風切削技術。

鎳基高溫合金的高速切削中PCBN刀具的磨損量在濕切削條件下比干切削減少40%～50%。鎳基高溫合金高速切削過程中，PCBN刀具磨損嚴重，受切削熱的影響很大，通過切削液冷卻可以明顯改善磨損問題。因此，通過PCBN刀具配合有效的冷卻方式，才可以提高PCBN的切削性能與刀具壽命，改善高溫合金切削加工性。與普通冷卻方式相比，高壓冷卻不但可以更加有效的降低切削溫度，而且還可以提高切削過程中的刀具的斷屑性能。高壓水射流通過刀具前刀面向上開口的方式，噴射到刀具的前后刀面如圖11所示。以提高刀一屑接觸面的潤滑性，并降低工件表面溫度。高壓冷卻液的使用對刀具壽命也會產生影響，刀具冷熱頻率交替變高，使刀具受到較多的熱沖擊，過高的冷卻液壓力直接噴射也會造成刀具的沖擊腐蝕，在10bar高壓冷卻的條件下，刀具壽命比100bar時高出33%～61%，尤其是在較低的速度（150m/min）切削時。所以在使用切削液情況下，合理選用切削速度、和切削液壓力有助于刀具壽命提高。

針對高溫合金等難加工材料冷卻潤滑方式的研究，國內外諸多刀具生產廠家和高等院校均開展了大量的試驗研究工作。因此，高壓冷卻切削技術已成為研究的重點，并且已經成為高溫合金切削加工技術應用研究的一個重要方向。

5 結論

高溫合金的研制與應用一直受到各國學者的高度重視和研究機構的支持，高溫合金材料的廣泛應用，其切削加工性的研究已成為切削研究的一個重是要方向，高溫合金承受溫度已接近極限，通過改變合金晶格內部來提升溫度的空間難以實現。高溫合金的發展重心已由普通鍛造和鑄造高溫合金發展為定向凝固高溫合金和單晶高溫合金，并向彌散強化高溫合金和纖維增強的高溫合金方向發展。

應該對于抗腐蝕性好、強度韌度好的變形合金如GH4169，GH4720等的深入研究，保持產品性能和強度，以延長發動機使用壽命和降低變形合金磨損為主要目標，同時對GH4169高性能合金材料的加工技術改進。也要大膽探索超過1100℃以上的新型材料，如鈮基合金和高溫抗腐蝕性金屬化合物。本文研究探討了高溫合金的組成、用途、使用情況和合理選擇刀具材料等，以及使用新式高壓冷卻技術對切削高溫合金的提升具有一定的參考使用價值。

（編輯：溫澤宇）