FGH95粉末高溫合金的拉削研究

中國人民解放軍駐黎陽機械公司軍事代表室 程相飛

中國南方航空工業(yè)(集團)有限公司 張土軍

粉末高溫合金是用粉末冶金工藝生產的高溫合金，它解決了傳統(tǒng)的鑄鍛高溫合金由于合金化程度的提高，所引起的鑄錠偏析嚴重、熱加工性能差、成型困難等問題，是現(xiàn)代高推重比航空發(fā)動機渦輪盤等關鍵部件的必選材料[1]。FGH95粉末高溫合金是一種高合金化的γ',沉淀強化型鎳基粉末高溫合金，γ'體積含量達到45%～55%。其屈服強度比GH4169高30%，在相同應力下使用溫度可提高1100C，是當今6500C使用溫度下強度最高的合金，其化學成分如表1所示[2]。

1 FGH95粉末高溫合金中的夾雜對拉削的影響

1.1 夾雜的種類及來源

粉末高溫合金中小缺陷的主要來源是在粉末冶金過程中引入的夾雜。非金屬夾雜物是粉末高溫合金中出現(xiàn)數(shù)量最多、出現(xiàn)幾率最大的缺陷。在現(xiàn)有的技術條件下，在粉末制造過程和處理過程中，夾雜還不能完全清除[3]。因此，非金屬夾雜物在粉末高溫合金中允許以一定的大小和聚集程度存在。

非金屬夾雜通常隨機分布在粉末高溫合金中，非金屬夾雜主要為氧化物陶瓷顆粒，也有少量有機夾雜，陶瓷夾雜物主要成分包括 Al、Si、Mg、Ca、Zr等。以Al2O3、SiO2等最為常見。目前，鋼鐵研究總院用PREP法制造的粒度為50～100μm和50～150μm的鎳基粉末高溫合金成份中夾雜物的數(shù)量少于20個/kg。定量分析為，熔渣70%、有機物17.5%、陶瓷10%、異金屬2.5%[4]。夾雜物的成分、分類及形貌詳見表2[5]。

非金屬夾雜物的尺寸從幾百納米到幾百微米不等，它們主要是在粉末高溫合金的制備過程(如母合金冶煉及制粉工藝過程中被引入的，可能來自在生產過程)中用到的真空感應熔化坩堝、澆道或用以制備粉末的霧化噴嘴；另外，母合金熔煉原料不純、脫氧不良或原始粉末處理不當，受到環(huán)境污染等都可能引入氧化物陶瓷顆粒[6]。粉末高溫合金渦輪盤中的夾雜類型與粉末中的夾雜基本一致，但夾雜在鍛造過程中發(fā)生了變形，呈扁平狀。

1.2 夾雜對拉刀的影響

拉削含有夾雜的粉末高溫合金渦輪盤時，夾雜物的存在勢必會對拉削過程產生一定的影響。非金屬夾雜的存在會惡化刀尖的工作條件，導致切削刃口的微觀疲勞，切削刃不斷地從夾雜切入基體材料，又從基體材料切入夾雜，重復的小沖擊導致切削刃上產生小裂紋，這些疲勞裂紋隨著切削的進行不斷增長，直至切削刃微崩。只是這種微崩通常很小，一般表現(xiàn)為正常的硬質點磨損。另外，當非金屬夾雜的硬度比整個粉末高溫合金零件的硬度高很多時，這些硬的夾雜會引起切削刃嚴重的硬質點磨損，甚至直接導致拉刀刀齒崩裂。

表1 FGH95粉末高溫合金的化學成分%

表2 FGH95合金中夾雜的成分、分類及形貌

1.3 夾雜在切削過程中的力學分析

為了研究夾雜在切削加工中的力學行為，先簡化切削加工時夾雜的力學模型，只考慮平面二維正交切削中粉末高溫合金中單一夾雜的力學行為。切削過程是一個剪切變形過程。切削中的剪應力包括剪切面上的剪應力及前刀面接觸區(qū)的剪應力，前刀面接觸區(qū)的剪應力對夾雜的影響很小，可以忽略不計。因此，只考慮由剪切面上的剪應力引起的夾雜的力學行為。

從微觀力學角度分析，夾雜物與基體界面脫離是一個包括應力和應變能釋放的復雜過程。應變控制的理論認為，應變存在一個臨界值，當應變低于該值時，就不會有足夠的應力解離界面或有足夠的彈性應變能以形成內部界面[7]。因此，在切削過程中，夾雜由于受到剪應力的作用而與基體材料脫離的條件包括：

(1)由于界面解離脫開引起夾雜粒子彈性能釋放量至少應等于形成內表面所需的能量。

由Griffith裂紋理論，經彈性理論計算，夾雜與基體材料脫離時，夾雜所釋放的彈性能為[8]：

式中，E為基體的彈性模量(GPa)；τ為剪應力(GPa)。

形成裂紋所需要增加的表面能為：

式中，γ為表面能(N/m)，C為裂紋半長。

此時總能量的變化為：

圖1表示了Q1、Q2和Q1+Q2與夾雜長度的關系。當夾雜長度達到2Ck裂紋，隨著切削的進行，裂紋繼續(xù)擴展。也就是說，裂紋擴展的過程就是系統(tǒng)總能量降低的過程。因而夾雜與基體脫離的能力判據可表示為：

由此，可以得出夾雜與基體脫離的臨界應力為：

它表明夾雜與基體脫離的應力和夾雜長度的平方根成反比。當夾雜在切削過程中受到的剪應力大于臨界應力時，夾雜就會與基體脫離。

圖1 裂紋生長時能量變化示意圖Fig.1 Energy change during crack growth

(2)考慮界面結合強度。當界面強度等于裂紋萌生時的應力臨界值，則界面開裂。只要滿足其中任何一個條件，則夾雜就會與基體材料脫離，產生裂紋。而由界面強度條件決定的臨界應變公式為[9]：

式中，δ=f(v,k)，v為材料的泊松比，k為最大剪切力。

當夾雜在切削過程中受到的剪應力小于此臨界應力時，夾雜就會被切削刃剪斷。當夾雜進入第一變形區(qū)時，在切削力的影響下便發(fā)生壓縮與剪切變形，因壓縮而變長，因剪切而傾斜。逐漸接近切削刃時，夾雜沿第一變形區(qū)的剪切方向傾斜，成為包圍住切削刃的細長纖維，如圖2所示。這條纖維越拉越長，越縮越細，最后在切削刃圓弧部分的C點斷開。C點以上的那部分成為切屑，沿前刀面流出；C點以下的那部分繞過切削刃沿后刀面流出。C點不是切削刃圓弧部分的最低點，因此，就有一層金屬沒有切除，在刃口下擠壓而過，在垂直已加工表面方向受到很大的壓應力。隨著切削過程的不斷進行，又受到后刀面磨損段的擠壓及摩擦，最終成為已加工表面的一部分[10]。

2 拉削過程的控制

由于在FGH95粉末高溫合金渦輪盤中夾雜不能完全消除，允許以一定的大小和聚集程度存在。根據前面的分析，在拉削過程中可能出現(xiàn)拉削力發(fā)生變化，拉刀異常磨損，甚至刀齒崩裂的現(xiàn)象。為確保零件、設備的安全和刀具的損失最小，對拉削過程進行控制就顯得十分重要。

圖2 切削加工時夾雜的變形示意圖Fig.2 Deformation of impurity during machining

2.1 對零件裝夾系統(tǒng)的控制

由于拉削粉末高溫合金時的拉削力比拉削普通高溫合金時的拉削力更大，特別是碰到陶瓷顆粒時尤其突出。為此，在加工之前必須仔細檢查零件的裝夾系統(tǒng)。

液壓部分須仔細檢查油箱的液壓油是否足夠，各管路系統(tǒng)是否有滲漏、堵塞、老化等現(xiàn)象，潤滑、冷卻系統(tǒng)是否正常，開動機床進行空運行30min以上，并調好油壓及往返行程。機械部分則重點檢查各構件有無裂紋，連接部分是否安全可靠，運動副的動作是否靈活，分度機構是否準確無誤，起始點是否對準拉削位置，裝好的渦輪盤其外圓和端面的全跳動是否在0.02mm以內。

2.2 對拉削過程的控制

為了讓零件的內應力和加工過程中產生的應力能得到合理的釋放，減少拉削過程中的零件變形和榫槽的形位公差滿足設計要求，必須對粉末高溫合金渦輪盤的拉削分粗、精拉2個工步，即將整套拉刀分2個行程進行安裝，完成整個零件的粗拉之后再進行精拉。如果使用的是新制或刃磨后的拉刀以及新制的夾具，首先要在試件上進行試拉，待工件加工尺寸測量合格后，方可進行正式拉削。

當使用普通拉床進行拉削時，不能使用自動擋而應該使用手動擋，以便出現(xiàn)異常情況時能緊急停車；當使用數(shù)控拉床進行拉削時則可使用自動擋，因為數(shù)控拉床具有過載保護功能。無論是使用普通拉床還是用數(shù)控拉床，拉削速度都必須嚴格控制，經過反復試驗證明：當對粉末高溫合金渦輪盤進行拉削時，粗拉的速度在1.5～1.8m/min，精拉在 1.8～2m/min 比較理想。

由于在拉削過程中可能出現(xiàn)拉削力發(fā)生變化、拉刀異常磨損甚至刀齒崩裂的現(xiàn)象，因此，在拉削時操作者需要集中精力仔細觀察拉削過程中的每個細節(jié)，特別是拉刀的磨損情況、各壓力表的指針變化等來判斷拉削過程是否正常，若有異常現(xiàn)象就必須及時停車檢查，待查清原因排除故障后方可繼續(xù)加工。

3 拉削中各種問題的解決措施

由于在現(xiàn)有技術條件下，在粉末制造和處理過程中，夾雜還不能完全消除，在拉削粉末高溫合金渦輪盤時，拉刀出現(xiàn)異常磨損甚至崩齒就難以避免。為了減少損失，有必要采取有效措施進行防范和解決。

3.1 拉削前對拉刀的處理

為了最大限度地減小拉刀異常磨損及崩齒現(xiàn)象的發(fā)生，對拉刀進行檢查和預處理很有必要。首先檢查拉刀的外觀有無裂紋、崩刃、燒傷、銹蝕、碰傷等缺陷；其次，檢查拉刀的齒升量是否均勻、前后段的銜接是否合理，特別是拉削FGH95粉末高溫合金渦輪盤時更有必要，統(tǒng)計結果證明，出現(xiàn)崩齒的多數(shù)情況與齒升量不均、前后段搭配不合理有關；再次，對拉刀的刃口進行“鈍化”處理，即將拉刀的刃口研磨為R0.018～R0.026mm的圓角，消除鋸齒狀的銳口以保證刃口平直無缺陷。實踐證明，這一處理結果可大大提高拉刀的正常使用壽命。

3.2 在拉削過程中出現(xiàn)異常磨損、崩齒的處理

由于非金屬夾雜物在粉末高溫合金中允許以一定的大小和聚合程度存在，因此即使在拉削過程中出現(xiàn)拉刀異常磨損、崩齒情況后，如果最終零件的幾何尺寸、形位公差、表面粗糙度和無損檢測均符合設計要求，F(xiàn)GH95粉末高溫合金渦輪盤不會影響正常使用。因此，對在拉削過程中出現(xiàn)崩齒的渦輪盤的挽救具有現(xiàn)實意義。

無論是出現(xiàn)異常磨損還是崩齒現(xiàn)象，都必須更換成套已經試拉合格的拉刀后，才能進行正常拉削。但更換之前對出現(xiàn)崩齒的零件的處理非常重要。當?shù)洱X出現(xiàn)粉碎性破壞時，不能繼續(xù)強行往下拉，必須將工作臺強行退出，然后將全套拉刀全部卸下，將機床各手柄或按鈕切換到空擋位置，把出現(xiàn)崩齒的榫槽內的拉刀碎片完全清理干凈，選一把沒有修磨的與崩齒拉刀的最后一個齒的高度最接近的同段拉刀，單獨作一個行程拉一刀，沒有問題后，用更換后的拉刀從出現(xiàn)崩齒的榫槽開始進行正常拉削。如果刀齒只是整體斷裂，沒有崩碎，則可以試著用點動的方式進行拉削，一般情況可以順利通過，完成這個行程后，進行成套拉刀的更換，從下一個榫槽開始進行拉削。

實踐證明，如果對拉削過程進行有效控制，即使在拉削FGH95粉末高溫合金渦輪盤中出現(xiàn)異常現(xiàn)象也不會對零件和拉刀造成毀滅性的破壞，反之，則后果很嚴重。

4 結束語

FGH95粉末高溫合金中的非金屬夾雜主要為氧化物陶瓷顆粒，也有少量有機夾雜，夾雜在現(xiàn)有技術條件下不能完全消除，允許以一定的大小和聚集程度存在。這些夾雜的存在會引起拉刀的異常磨損，甚至拉刀崩齒。如果對拉削過程進行有效控制，即使在拉削FGH95粉末高溫合金渦輪盤過程中出現(xiàn)異?，F(xiàn)象也不會對零件和拉刀造成毀滅性的破壞。

[1] 張義文,上官永恒.粉末高溫合金的研究與發(fā)展.粉末冶金工業(yè) , 2004,14(6)：30-42.

[2] 章守華,胡本芙,李慧瑩,等.鎳基粉末高溫合金FGH95的組織和性能.北京科技大學學報, 1993,15(1)：1-8.

[3] 鄒金文,汪武祥.粉末高溫合金中夾雜物特性及其質量控制.粉末冶金技術, 2001,19(1)：7-11.

[4] 張瑩,張義文,宋璞生,等.鎳基高溫合金中的夾雜物.鋼鐵研究學報 , 2003,15(6)：71-76.

[5] 國為民,吳劍濤,張鳳戈,等.不同成型工藝條件下FGH95粉末高溫合金中夾雜物對材料力學性能的影響.中國材料科學技術與設備 , 2006(2)：45-47.

[6] 張麗娜,張麥倉,李曉,等.粉末高溫合金中非金屬夾雜物問題的研究進展.兵器材料科學與工程, 2001, 24(3)：64-67.

[7] 樓志文.損傷力學基礎.西安：西安交通大學出版社, 1991.

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[9] 張麗娜,張麥倉,李曉,等.粉末高溫合金中非金屬夾雜物導致裂紋萌生和擴展的掃描電鏡原位觀察.稀有金屬材料與工程,2001, 30(2)：123-125.

[10] 杜勁,劉建強.夾雜物對FGH95粉末高溫合金切削加工力學特性的影響.組合技術與自動化加工技術, 2011,12(4)：19-23.