加工參數對高溫合金渦輪盤表面精度的影響研究

摘要：為研究車削加工參數對雙性能粉末高溫合金渦輪盤加工表面精度的影響，選取表面粗糙度和殘余應力作為評價指標，利用正交試驗設計和回歸分析方法建立了表面粗糙度的預估模型，并驗證了模型的可靠性。采用X射線應力測量技術對盤件表面殘余應力進行了測量，結果表明：盤件在加工時，半精加工的參數選擇較為重要；為避免引入較高的殘余應力，獲得更好的表面精度，應盡可能選擇高轉速和低進給量。半精加工后再進行去應力熱處理，能更好的消除加工殘余應力。

關鍵詞：雙性能粉末高溫合金；渦輪盤；表面精度；粗糙度；殘余應力

中圖分類號：TG506.9 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.02.008

文章編號：1006-0316 （2023） 02-0054-07

Research on Effect of Maching Parameters on Surface Precision of Superalloy Turbine Disc

SU Lei1，WANG Yuan2，XU Chun1，LI Zaiqiang1，LI Linfeng1，HUANG Kunlan2

（ 1.Chengdu Hangli （Group） Industry Co.， Ltd.， Chengdu 610093， China;

2.School of Mechenical Engineering， Sichuan University， Chengdu 610065， China ）

Abstract：In order to study the influence of turning parameters on the machining surface precision of dual-performance powder superalloy turbine disc， the surface roughness and residual stress are selected as the evaluation indexes， and the surface roughness prediction model ss set up by the orthogonal design and the regression analysis method， and the reliability of the model is verified. The X-ray stress measurement technology is used to measure the residual stress on the surface of the disc. The results show that the parameter selection of semi-finishing machining is very important during the machining of the disc. In order to avoid introducing higher residual stress and obtain better surface precision， a higher speed and a lower feed rate should be selected as much as possible. And stress relieving heat treatment after semi-finishing can eliminate residual stress better.

Key words：dual performance powder superalloy；turbine disc；surface precision；roughness；residual stress

隨著航空發動機的推重比越來越高，壓氣機出口和渦輪前溫度也不斷提高，同時由于渦輪盤工作條件的特殊性，盤緣溫度較盤心溫度梯度較大，對渦輪盤材料性能提出了更加嚴格的要求。近年來，渦輪盤材料已從傳統的變形高溫合金改為粉末高溫合金并進一步向著雙性能粉末的方向發展。美國、前蘇聯以及英國雖早在20世紀70年代開展航空發動機用雙性能盤的研究，但直到1997年才正式應用到F119發動機上。雙性能粉末高溫合金盤因制造工藝復雜，尤其是快速淬火熱處理中溫度精確控制難度大，國內僅極少數單位開展研制，故對其車削加工性能的探究更少，相關研究空白有待補充。

由于合金化程度較高，目前的變形高溫合金普遍存在填充成型困難，材料偏析嚴重，熱加工性能較差等問題，因此，利用粉末冶金法制得的粉末高溫合金應運而生，解決了上述加工問題。優勢性能的出現通常伴隨著新的問題，其一，粉末合金硬度較高（原材料硬度高達60HRC，產品硬度在40HRC左右）切削抗力大[5-8]，刀具損耗加快。其二，粉末冶金法制得的高溫合金導熱性差，在切削加工中刀尖的熱量迅速積累，易導致粘刀和積屑瘤。第三，材料中難以避免會存在硬質點或空洞，都將對刀具產生強烈沖擊，加劇刃口磨損。綜上所述，粉末冶金法制得的高溫合金具有難加工的特征，通常只能低俗切削，加工效率難以提高。而雙性能粉末高溫合金盤緣晶粒度在3～6級，盤心晶粒度在8～12級，即同一加工表面硬度和韌性變化大，導致刀具和加工參數難以優化。

同時，作為發動機核心零部件，渦輪盤的表面精度是影響其服役壽命和工作性能的關鍵因素[9-11]。在工程應用中，通常將表面粗糙度和表面殘余應力作為加工面質量評價的兩項重要參照，因此本文選取粗糙度和殘余應力作為表面精度的評價指標。在航空發動機的實際運行中，渦輪盤往往在高轉速、高載荷環境下長時間運行，材料疲勞破壞是失效主因，而材料的疲勞很大程度上受其應力狀態影響。所以深入探究渦輪盤殘余應力的形成機理，掌握加工應力的調控優化辦法，進而制造出有良好應力狀態的構件來保證發動機的穩定性能及工作壽命，具有十分重要的理論價值和現實意義。

本文以雙性能粉末高溫合金渦輪盤為研究對象，探究不同車削加工參數對渦輪盤表面粗糙度和殘余應力的影響，建立并驗證了表面粗糙度的預測模型，為后續盤件加工參數優化提供支撐。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗的研究對象為某雙性能粉末高溫合金渦輪盤，采用氬氣霧化法制備WZ-A3粉末，經熱等靜壓、熱擠壓、鍛造和固溶時效熱處理等加工流程制得。粉末的化學成分和渦輪盤的力學性能如表1和表2所示。

1.2 車削正交試驗

將正交試驗設計和回歸分析方法[12]相結合，可有效減少試驗次數，在有限的試驗點里

挖掘更多信息，并通過進一步分析優化，可篩選出更佳試驗參數，建立經驗預測模型。本文正交試驗設計思路依照L（2^3）正交表（三因素、二水平），共設計8組試驗，三因素為3個切削參數，具體編碼如表3所示。以國內外相關廠家的先進生產經驗為參考，選取帶涂層的硬質合金刀片VCGT160408-R9605，該刀片具有高硬度、強韌性、高耐溫性、耐磨性和潤滑性好等特性，能適用于較寬的加工范圍。匹配無涂層刀片的加工方案和冷卻液系統；按照不同的參數組合開展車削試驗。完成車削加工后，對樣件表面依次進行粗糙度測量。為減少試驗誤差，同一樣品表面沿徑向等距選取5個不同部位進行測量，將測量平均值作為該樣品的表面粗糙度。

1.3 殘余應力測試

近年來，X射線衍射測量技術已經作為殘余應力測量的主要手段被廣泛應用于研究或改進機械加工、焊接、噴丸等工藝方法。針對盤類零件的加工過程，采用X射線應力儀分別對熱處理后、粗車、去應力熱處理、半精車和精車的5種狀態進行殘余應力測定。測試時以軸向盤心位置作為起始點，沿四個方向，以最小間隔5 mm依次進行，最后對相同半徑的測試值取均值進行統計分析，減小測量誤差。圖1為盤件加工示意圖，圖2為盤件表面殘余應力測試點位置示意圖。

2 結果與分析

2.1 車削參數對表面粗糙度的影響

決定渦輪盤表面粗糙度的因素主要可總結

為幾何因素和物理因素[13-14]。前者是指在刀具的幾何參數與實際切削運動軌跡的共同作用下，被加工表面有局部區域始終未被切下，殘留在工件表面，并與已加工表面形成高度差，增大粗糙度值。后者是指由于加工過程中刀尖與被加工材料持續擠壓、摩擦，形成的積屑瘤會影響加工面精度；同時，在力熱耦合作用下，刀具磨損、材料形變、刀尖與工件相對位置變動等現象加劇，都會對加工件表面粗糙度產生影響。

對于零部件而言，最理想的表面粗糙度是在切削加工中沒有上述干擾因素，即設定切削

條件后，沒有積屑瘤產生，沒有振動與形變，完美工況下獲得的最好表面粗糙度值，可表示為：

式中：Vf為切削進給速度，mm/s；D為刀尖直徑，mm；n為主軸轉速，r/min。

由式（1）可見，隨著主軸轉速（即切削速度）的提高，表面粗糙度的值變小。因此，提高切削速度在一定程度上會改善工件的表面粗糙度。

根據分子－機械摩擦理論、摩擦-磨損計算理論和Hertz彈性接觸理論[15]可知，兩個不同硬度的接觸面上，較硬材料的凸起部分會使較軟材料表面產生塑性變形，受擠壓作用的接觸表面既存在塑性變形也存在壓力卸載后的彈性變形恢復。因此，加工后零件表面層的殘留高度可表示為：

式中：rε為刀尖圓弧半徑，mm；HV為零件表面硬度，HV0.1； 為被加工材料的屈服強度，MPa；Fz為垂直零件表面的切削分力，N；E為零件材料的彈性模量，GPa。

殘留高度描述的是已加工表面的微觀形貌特征，是不平整的基本形態，各種影響因素在殘留高度和殘留面積上疊加。從式（2）可知，工件表面的殘留高度一方面受零件材料本身的特性影響，包括硬度、密度、導熱性、彈性模量以及變形特征等；另一方面與切削加工條件有關，包括刀具幾何角度、切削力等。

本試驗中，不同的加工參數及其對應樣品的粗糙度測量值如表4所示。

對線速度（A）、進給量（B）和切削深度（C）等切削參數與粗糙度的相關性進行分析，各參數的單因素和交互作用的相關性結果如圖

3、圖4所示。如圖可知，線速度對粗糙度的影響較低，而進給量和切削深度對粗糙度的影響較為明顯，特別是進給量和切削深度的交互作用下，對粗糙度的影響最為顯著。這與式（2）較為一致，即零件在充分冷卻條件下，切削熱的影響因素降低，材料的表面硬度和彈性模量可視為不變，粗糙度僅與切削分力相關。

建立交互作用相關條件下粗糙度分布曲面圖，如圖5所示。

根據試驗結果建立表面粗糙度預估模型為：

對粗糙度預估模型進行驗證，補充車削試驗主要參數，并測量粗糙度值，如表5所示。對比可知，預估模型的最大誤差僅為10.83%，證明該預估模型較為準確，可以用于雙性能粉末高溫合金盤的表面粗糙度預測。

2.2 車削參數對加工表面殘余應力的影響

切削時，刀尖與材料擠壓帶來機械應力，持續的摩擦導致熱量積累產生熱應力，這兩類應力共同決定著加工表面的殘余應力[16-18]。機械應力和熱應力在切削過程中持續變化，在加工表面不均勻分布，其共同作用后的應力，根據理論分析可能有三種狀態：殘余拉應力、殘余壓應力以及殘余拉－壓混合應力。同時，也因為隨著加工的進行，機械力和切削熱既劇烈變化，又相互影響、相互作用，使最終的殘余應力狀態變得更為復雜，并對材料的力學性能產生影響。本試驗中，對不同狀態下盤件的加工表面測試了殘余應力，其結果如圖6所示。

從殘余應力測試結果可以看出，盤件在熱處理后、粗車、去應力熱處理、半精車和精車的加工狀態變化較為規律。熱處理后的殘余應力較低，粗加工后明顯升高，經去應力熱處理后又降低，半精加工后升高，精加工后降低。最終殘余應力處于熱處理與去應力熱處理之間的水平。分析可知，此類現象出現的主要原因是在切削加工時，不同工序條件下盤件表面受到刀具的切削力差別較大，對渦輪盤表面產生不同的局部高溫、高壓、高應變率以及不均勻的熱－彈塑性變形，進而殘留不同的殘余應力。在相同的冷卻條件下，切削力直接與進給量和切削深度的乘積相關，因此粗加工后的殘余應力較精加工后高。

對于小端面的殘余應力分布，經粗加工后緣板位置殘余應力顯著降低，可能與盤件擠壓、鍛造時，在變截面轉角處存在淺表裂紋有關。

此外，根據高速切削理論，當轉速達到某一臨界值后，隨著轉速的增加，切削力反而會減小。因此盤件在加工時，半精加工的加工參

數應選擇高轉速、低進給量，不然會引入較高的殘余應力。去應力熱處理工序應放在半精加工后，能更好的消除加工殘余應力。

3 結論

（1）通過對線速度、進給量和切削深度等切削參數與粗糙度的相關性進行分析，利用正交試驗和回歸分析方法建立表面粗糙度的預測模型對粗糙度預估模型，并對預估模型值進行驗證，其最大誤差僅為10.83%，證明該預估模型較為準確，可以用于該型號粉末高溫合金盤的表面粗糙度預估。

（2）熱處理后的殘余應力較低，粗加工后明顯升高，經去應力熱處理后又降低，半精加工后升高，精加工后降低。最終殘余應力處于熱處理與去應力熱處理之間的水平。

（3）盤件在加工時，半精加工的加工參數選擇較為重要。為避免引入更高的殘余應力，應盡可能選擇高轉速、低進給量。

（4）為更好地消除加工殘余應力，獲得更好的表面精度，盤件的去應力熱處理應調整至半精加工之后。

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收稿日期：2022-05-25

基金項目：國家自然科學基金（51705348）；國家科技重大專項（2017-Ⅵ-0009-0080）

作者簡介：蘇雷（1982－），男，陜西長安人，工學碩士，高工，主要研究方向為航空發動機零部件試驗及驗證，E-mail：sulei2120@163.com。*通訊作者：黃坤蘭（1987－），女，四川德陽人，博士，副教授，主要研究方向為航空發動機零部件再制造，E-mail：huangkunlan@scu.edu.cn