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)動機結(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)動機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材料為研究對象，通過車削、銑削試驗獲得了最佳切削參數(shù)，并對刀具磨損進行了研究，分析了刀具磨損的影響因素，對影響加工表面質(zhì)量的切削參數(shù)進行了優(yōu)化，并對新型刀具及冷卻方式進行了總結(jié)。

2 實驗材料與方法

以航天某產(chǎn)品型號渦輪盤為例進行切削試驗，渦輪盤由輻板、輪轂、安裝邊等部分組成。該渦輪盤是一個直徑較大、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→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→清洗→中間檢驗→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→包裝入庫。

2.1 GH4169材料分析

GH4169含有這些高熔點元素﹑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%，加工時部位溫度集中，可達1000℃。在高溫下會增加刀具材料的擴散磨損，刀具材料變得脆弱，隨著溫度升高磨損會愈發(fā)嚴重。

2.2 實驗加工設(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 實驗方法及刀具選擇

此次實驗中，采用的刀具及加工參數(shù)統(tǒng)計如下：

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2.5mm，切削抗力基本達到機床極限，吃刀量累積7.5mm左右刀具會出現(xiàn)嚴重磨損和崩刃現(xiàn)象。

采用山特維克車刀進行加工，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 實驗結(jié)果與分析

3.1刀具磨損分析

GH4169中含有高硬度的碳氫化物﹑相間化合物和氮化物，這些硬質(zhì)點的磨損力很強。加工時切削溫度很高，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帶走一部分刀刃材料。另外，高溫會加劇擴散磨損，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 形成強韌而連續(xù)的切屑和毛刺

在鎳基高溫合金切削時，當(dāng)速度提高了以后，容易產(chǎn)生側(cè)向塑性流動，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 ?加工硬化嚴重

GH4169金相組織上分析，合金中含有大量的強化相碳化物和合金間化合物溶于奧氏體固溶體中，從而使固溶體強化。切削過程中，由于切削熱很高，這些強化相（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，凹坑過多會引起零件表面產(chǎn)生裂紋、降低零件疲勞強度、造成零件過早時效、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

本文實驗中進行不同切削速度下單因素車削實驗，而進給量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時獲得了最優(yōu)的表面質(zhì)量，達到了設(shè)計指標要求。

3.5 新型刀具及冷卻方式

新型刀具展望：

細晶粒、超細晶粒硬質(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，其性能遠好于硬質(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重要方向。本文經(jīng)過大量切削試驗，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：

[1]師昌緒，仲增墉.《中國高溫合金五十年》[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2006

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

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

[4]儲繼影 ?《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 ，機械工程及自動化專業(yè)，研究方向：工藝技術(shù)及工裝設(shè)計