镍基高温合金切削加工技术

目录•镍基合金的特点和用途•硬质合金刀具加工镍基合金研究•陶瓷刀具加工镍基合金研究•CBN刀具加工镍基合金研究镍基合金的特点和用途•镍基合金性能特点–镍含量>50%，一般在固溶状态使用，基体为致密的固溶体，同时含有大量金属碳化物硬质点以及金属间化物的沉淀相；–室温强度>1400MPa，900°C时仍>300MPa，在137MPa应力下1000小时的蠕变温度达到1100°C，具有良好的相稳定性，良好的抗疲劳、腐蚀、氧化能力，导热系数低于45钢的1/3；镍基合金的特点和用途•镍基合金用途及工况–主要应用于航空发动机及燃气轮机的热端部件，如涡轮叶片、涡轮盘、机匣等部件：•涡轮前温度达1700~1750K，旋转速度达13000~16000rpm，叶尖速度300m/s以上，零件既要轻又在高温下承受极端载荷镍基合金的特点和用途•发动机镍基合金零件毛坯种类–锻造毛坯：涡轮盘、转子叶片等主承力零件；–板焊毛坯：机匣、火焰筒等–铸造毛坯：叶片、静子叶环、机匣–粉末冶金：涡轮盘–定向结晶、单晶铸件：涡轮叶片。

镍基合金的特点和用途•镍基合金的加工要求–强度高，尤其是高温强度高，固溶体组织加工硬化严重，弥散的硬质点提高变形抗力，造成刀具磨料磨损，导热系数低，加工难度高，对刀具性能要求极高；–由于航空发动机轻量化的要求，安全系数接近甚至等于1，材料强度利用到极致，制造精度有严格要求；–工作在高温、大应力、动载荷条件下，对零件表面质量有极高要求，零件表面粗糙度、加工残余应力、组织和缺陷对零件寿命极其重要；–薄壁机匣、薄壁盘、薄叶片容易产生加工变形，变形控制成为制造过程的关键技术之一；–单晶叶片的加工对刀具、切削用量有特殊要求，以防加工产生多晶化倾向。

硬质合金刀具加工镍基合金研究•实验条件–刀具：•PVD-TiAlN涂层；基体成分：94% WC+6% Co；–工件：•镍基高温合金GH4169棒料，固溶时效，40HRC；–切削液：•水溶性切削液，浓度：8%–切削用量•切削速度v (m/min)：58，82，115；•进给量f(mm/r)：0.1，0.13，0.2；•切削深度a p(mm)：1.2，1.9，2.4。

硬质合金刀具加工镍基合金研究•磨损曲线硬质合金刀具加工镍基合金研究•磨损机理–磨料磨损•工件材料的硬质点划擦刀具，产生磨料磨损，以平行于划擦方向的并列沟槽为特征。

•GH4169对刀具较强的粘附倾向，切削过程中在刀具表面经常覆盖着稳定的粘结层，保护了刀具，抑制了磨料磨损；•只有在前刀面上偶尔观察到沟槽，但后刀面难见磨料磨损的证据。

硬质合金刀具加工镍基合金研究–扩散磨损•跨越刀－工界面的线扫描显示出两侧成份的梯度变化，工件材料中的Ni、Fe，Cr元素以及刀具材料中的W元素浓度的变化发生在界面附近1～2µm左右；•在距离界面更远的部位进行区域能谱分析，也发现了W的存在；•上述证据表明刀－工界面确实发生了元素扩散，光滑的刀具表面也表征了扩散磨损的穿晶破坏特征。

硬质合金刀具加工镍基合金研究–粘接磨损•当粘接在刀具表面的工件材料脱落时，将刀具材料带走，产生粘接磨损；•发生粘接磨损的刀具表面呈现沿晶破坏的粗糙形貌；•切削理论认为，在中等切削速度下粘接磨损较大。

硬质合金刀具加工镍基合金研究•前、后刀面粘接层–EDS检测表明，粘结层的主要元素均来自于镍基高温合金硬质合金刀具加工镍基合金研究•不同切削速度下的粘接层–速度越高粘接越严重，而不是中等速度粘接严重切削速度82m/min切削速度115m/min硬质合金刀具加工镍基合金研究•粘接层沿刀刃变化–中部薄，均匀；边缘厚，不均匀。

切削速度82m/min硬质合金刀具加工镍基合金研究•缺口磨损–磨损带边缘产生大缺口，是刀具失效的主要原因；•粘接磨损（加氧缓解、加氩加剧）•温度梯度大，造成极大热应力；•切屑边缘划擦碰撞；•前次走刀加工硬化。

硬质合金刀具加工镍基合金研究•缺口的粘接磨损分析–大部份刀刃温度大于800°C，致使工件材料强度显著降低，塑性显著提高；–刀刃边缘温度急剧下降至700°C以下，工件强度升高，塑性变差；硬质合金刀具加工镍基合金研究•缺口的粘接磨损分析–刀刃中部的工件材料强度低、塑性好、剪切流动性好，易于形成薄粘接层，保护刀刃；–缺口部位温度急剧下降，强度升高，塑性降低，流动性变差，粘接层变厚，剪切力造成较大弯矩，界面产生拉应力；硬质合金刀具加工镍基合金研究–薄粘接层处剪切流动性好，剪切抗力低，刀具应力较小；–厚粘接层处剪切力大，还有弯矩的共同作用，刀具承受较大的剪应力和拉应力，容易产生晶粒团脱落，形成沿晶破坏的粗糙表面。

硬质合金刀具加工镍基合金研究•硬质合金刀具磨损机理小结–磨料磨损特征不明显，刀具大部分磨损区被工件材料粘接层复盖，保护刀具免受磨料磨损；–粘接磨损特征明显，可能是硬质合金刀具加工镍基合金时最主要的磨损机理；–扩散磨损有发生的迹象，稳定的粘接层有助于扩散磨损的发生。

–缺口磨损主要是由于边缘温度下降，工件材料强度提高而塑性降低，粘接层变厚，刀具在剪应力和拉应力共同作用下发生晶粒团的整体脱落。

•根据磨损机理分析提出对刀具材料的要求–粘接磨损是主要磨损机理，应该着力提高刀具材料晶界强度，抵抗晶粒团的沿晶破坏；–磨料磨损不明显，为提高强度可以适度牺牲刀具材料硬度。

陶瓷刀具加工镍基合金研究•陶瓷刀具分类–氧化铝基、氮化硅基、氧化铝+氮化硅、晶须增韧；–四种刀具材料在镍基合金加工中均有研究应用的报导，但以氧化铝+氮化硅、晶须增韧二种居多；•陶瓷刀具性能特点–常温硬度、高温硬度、耐磨性高于硬质合金；–与大多数工件材料化学亲和力小；–强度、韧性低于硬质合金，导热系数低；–抵抗机械冲击和热振的能力差；•应用条件–负前角、负倒棱，加强刃口强度；–高速度：200m/min~1000m/min，是硬质合金的数倍至数十倍；–多数情况采用干切削。

陶瓷刀具加工镍基合金研究•实验条件–刀具•氧化铝＋氮化硅(Sialon)：SX9，KY1540•晶须增韧(Al2O3+SiC w)：WG300，KY4300•氧化铝＋碳化钛(Al2O3+TiC)：LX21–工件：•镍基高温合金GH4169棒料，固溶时效，40HRC；–切削用量•切削速度为150m/min～370m/min，•进给量0.1～0.15mm/r•切削深度1mm陶瓷刀具加工镍基合金研究•磨损过程–后刀面VB磨损状况：Al2O3+SiC w好于SialonWG300-VB SX9-VB陶瓷刀具加工镍基合金研究•磨损过程–切深线磨损VN状况：Al2O3+SiC w差于SialonWG300-VN SX9-VN陶瓷刀具加工镍基合金研究•磨损机理–磨料磨损–刃部微崩–切深线沟槽磨损SX9v=200m/minf=0.15mm/r陶瓷刀具加工镍基合金研究•磨损机理–粘接磨损–破碎–剥落WG300v=370m/minf=0.1mm/r陶瓷刀具加工镍基合金研究•磨损机理–扩散磨损：粘接层Ni 、Fe 、Cr 含量远低于工件材料母材；–化学磨损：磨损带边缘富钛区，Ti 含量接近50%。

切削速度190m/min切削速度310m/minWG300陶瓷刀具加工镍基合金研究•磨损机理–采用310m/min切削速度，经过30S切削后的后刀面磨损WG300 KY4300 LX21 SX9 KY1540陶瓷刀具加工镍基合金研究•磨损特点–经过短期切削，晶须增韧陶瓷已形成显著缺口磨损，但后刀面其它位置磨损较小；–氧化铝－氮化硅陶瓷具有良好抗缺口磨损能力，但是其后刀面整体磨损较大；–氧化铝－碳化钛陶瓷的缺口磨损介于二者之间陶瓷刀具加工镍基合金研究–Sialon的导热系数、热膨胀系数、弹性模量较低，断裂韧性、强度较高；–同样热边界时温度更均匀，同样温差时胀缩更小，同样胀缩变形时应力更小，同样应力下更不易断裂和脆性破坏；–从Sialon陶瓷没有缺口磨损推论出：切深线处高温度梯度导致热应力增大，产生裂纹和脆性破坏，造成缺口磨损。

陶瓷刀具加工镍基合金研究•陶瓷刀具加工镍基合金小结–陶瓷刀具加工镍基合金的合理切削速度>200m/min，加工效率是硬质合金的3～6倍；–但加工镍基合金时陶瓷刀具的使用寿命较短，许多情况下为几分钟，虽然金属去除量不少，但仍影响陶瓷刀具的选用；–陶瓷刀具加工镍基合金时，磨料磨损、粘接磨损、扩散磨损、化学磨损都有发生，但影响寿命的主要原因是微崩、破碎、剥落等脆性损坏；–Sialon陶瓷具有良好抵抗切深线缺口磨损能力，但其磨损带整体磨损较大；Al2O3+SiCw陶瓷缺口磨损强度远大于磨损带其它部位；–切深线处高温度梯度导致热应力增大，产生裂纹和脆性破坏，造成缺口磨损。

CBN刀具加工镍基合金研究•CBN刀具特点–晶格结构与金刚石相似，硬度仅次于金刚石，晶体硬度8000~9000HV，聚晶体硬度3000~5000HV，高于陶瓷；–与Fe的化学亲和性低于金刚石，是可以加工黑色金属的最硬刀具；•CBN刀具的分类–按CBN含量分：CBN含量45～95％；–按粘接剂种类：金属粘接剂、陶瓷粘接剂、金属-陶瓷复合粘接剂–晶粒尺寸：普通晶粒、细晶粒、超细晶粒CBN刀具加工镍基合金研究•实验条件–工件材料：•GH4169，热处理状态为固溶时效，42HRC；–刀具：•郑钻KB91：PCBN＋硬质合金基底•Sumitomo BNS800：整体PCBN•刀片RNGN 120400T02020，•前角为-6°；后角为6°，倒棱宽度0.2mm，倒棱角度-20°；–切削用量(铣削)：•V=515, 615, 740, 890, 1065m/min•f z=0.03, 0.06, 0.09, 0.12 mm/z•a p=0.5, 0.7, 1.0 mm•a e=31.5 mm–测量值•VB、VN和缺口磨损宽度WCBN 刀具加工镍基合金研究•磨损实验：切削速度对刀具磨损的影响–在1065m/min 以下，速度升高，刀具磨损总体下降；–切深线磨损VN 低速下不十分明显，KB91高速下显示出缺口，BNS800始终不出现缺口；–KB91刀具的磨损总体小于BNS800；a p =0.5mm,a e =31.5mm0.61.21.82.433.64.24.85157408901065刀具磨损量(m m )v (m/min)VB VN W0.30.60.91.21.51.82.12.42.75156157408901065刀具磨损量(m m )v (m/min)VB VN W0.30.60.91.21.51.82.12.42.75156157408901065刀具磨损量(m m )v (m/min)VB VN WBNS800，f z =0.06mmKB91，f z =0.06mm KB91，f z =0.09mmCBN 刀具加工镍基合金研究•磨损实验：进给量对刀具磨损的影响–进给量增大，刀具磨损总体下降；–低速下缺口磨损不明显，高速下明显；–速度达到1065m/min 时磨损下降。