高溫合金材料切削加工研究

馬少榮

摘要：高溫合金是一種能夠在650℃以上及一定應力條件下長期工作的金屬材料，具有優異的高溫強度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能。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。在先進發動機研制中，高溫合金材料用量已占到發動機總量的40%-60%。所以，高溫合金材料也被譽為“先進發動機基石”。

關鍵詞：高溫;合金;材料;加工;

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。在航空、發電設備和造船行業都能看到高溫合金的身影，這種材料能在650℃以上的高溫及一定應力作用下長期工作，但是這種材料的切削比較困難。

一、高溫合金材料切削加工難點分析

（一）切削溫度高。高溫合金是航空航天工業中應用廣泛的一種難加工材料。因其導熱系數小、摩擦系數大及切屑與前刀面接觸面積小等原因，使得高溫合金材料在加工時，切削溫度高，還比切削45號鋼高60%左右。切削溫度主要受切削用量、刀具幾何參數、工件材料、刀具磨損和切削液的影響。盡管切削熱是切削溫度上升的根源，但直接影響切削過程的卻是切削溫度，切削溫度一般指前刀面與切屑接觸區域的平均溫度。

（二）切削力大。切削力是指在切削過程中產生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的切削力。通俗的講：在切削加工時，工件材料抵抗刀具切削時產生的阻力。由于高溫合金的加工需求也逐漸提高，但其材料的難加工性是制造中的難點，主要表現在切削過程中存在切削力大、刀具磨損嚴重及切削溫度高等現象。高溫合金強度高，變形抗力大，切削力和普通鋼相比高出一倍。切削硬材料時，刀屑接觸長度短，切削力及切削熱都集中在切削刃附近，很容易使切削刃剝落，甚至崩刃，這對硬質合金及陶瓷等材質較脆的刀具材料尤為明顯。

（三）加工硬化現象嚴重。加工硬化帶來的加工材料表面質量下降是尖端制造領域必須考慮的因素，尖端制造領域中對零件的表面質量要求較高，要獲得良好的表面質量通常需要經過多次的半精加工和精加工，多次的加工工序會加劇加工硬化，從而影響加工精度。金屬隨著變形量的增加，其強度硬度增加，而塑性韌性下降，這種現象稱為“形變強化”或“加工強化”。金屬在塑性變形時，晶粒發生滑移，出現位錯的纏結，使晶粒拉長、破碎和纖維化，金屬內部產生了殘余應力等。加工硬化的程度通常用加工后與加工前表面層顯微硬度的比值和硬化層深度來表示。

二、高溫合金材料切削加工技術

（一）降低切削溫度。切削溫度一般是指切屑、工件與刀具接觸區域的平均溢度.切削溫度的高低，除了用儀器測定外，還可以通過觀察切屑的顏色大致估計出來。航空航天發動機部件必須能夠承受極端高溫，目前對該需求日益增長，這一溫度已經超越了其它高性能超級合金的能力極限。在較高溫度時，仍保持高強度。加工時所需切削力是普通合金鋼材料的2-8倍;切削熱量高：高溫合金的導熱系數小，加工時熱量集中在切削區，不易擴散，致使切削刀具迅速磨損。切削速度對切削溫度影響最大，隨切削速度的提高，切削溫度迅速上升。而背吃力量變化時，散熱面積和產生的熱量亦作相應變化，故對切削溫度的影響很小。因此，高溫合金材料可以被特制成能夠承受更高溫度的材料。對于高溫合金的加工，一方面切削加工中特別是車削加工要求良好的耐磨性好，另外耐熱合金等材料的加工中產生的熱量高，又要求材料具有良好的耐熱性能。

（二）合理切削用力。在高速切削時，碳元素會從含碳量高的材料向含碳量低的材料擴散。強烈沖擊作用引起的磨損——在斷續切削時，由于強烈的沖擊作用或在頻繁的加熱與急劇的冷卻而產生的脆性破壞。對切削用量進行了優化，求取最長切削路程對應的最佳切削溫度，在此基礎上利用最佳切削溫度得到了最佳切削參數組合，實現了切削用量的優化。在切削熱的作用下，刀具與切屑、刀具與工件接觸區產生很高的溫度，由于刀具與工件的材料的不同，便構成熱電偶而產生熱電動勢，從而產生熱電流。在熱電流的作用下，碳的離子發生遷移，會導致刀具材料組織變弱，使刀具的磨損加劇。以及切削用量三要素中的切削速度、進給量、切削深度。其中切削速度影響最大。

（三）防范加工硬度。高溫合金加工硬化嚴重，必須保持刀刃鋒利，不允許有鋸齒等缺陷，一般不鐾磨出負倒棱，如要鐾出，也要比切削一般鋼材要小。由于高溫合金具備高延展性和高強度雙重特點，加工硬化傾向嚴重，過小的后角或者圓弧后角容易引起過早磨損，這種平面后角可以有效的解決這個加工難點。加工硬化可提高金屬的強度、硬度和耐磨性，特別是對于那些不能以熱處理方法提高強度的純金屬和某些合金尤為重要。具較高強度、良抗熱疲勞、抗熱腐蝕耐磨蝕性能且較焊接性適于制作航空噴氣發機、工業燃氣輪機、艦船燃氣輪機導向葉片噴嘴導葉及柴油機噴嘴等。理論上每次的切削深度要大于加工硬化的深度，否則會造成刀具磨損加劇，切削力增大，從而導致機床系統的振動，嚴重影響加工材料的表面質量，因此，必須考慮加工硬化的影響。

三、結束語

隨著科學技術的進步，航空航天、生物醫學、能源動力等領域對高溫環境下具有較高強度和耐腐性的微小型零部件的需求日益增加。這些合金元素與其它合金元素構成純度高、組織致密的奧氏體合金。而且有的元素又與非金屬元素C、B、N等構成硬度高、比重小、熔點高的金屬與非金屬化合物， 具有優異的高溫強度、良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能、良好的抗疲勞強度及斷裂韌性等綜合機械性能。因此，加強對高溫合金材料切削加工技術研究就顯得尤為重要了。

參考文獻

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