鞏亞東， 張偉健， 蔡 明， 周顯新

(東北大學 機械工程與自動化學院， 遼寧 沈陽 110819)

鎳基單晶高溫合金具有優(yōu)良的高溫性能，是目前制造航空發(fā)動機葉片的主要材料.作為單晶零件的重要加工手段，磨削容易在表層附近產生磨削變質層，使表層成分、組織、力學性能等發(fā)生改變，從而影響零件的疲勞、腐蝕、蠕變性能.因此對鎳基單晶高溫合金的磨削變質層開展深入研究非常必要.

杜隨更等[1]采用光學顯微鏡和透射電鏡對鎳基高溫合金GH4169的磨削變質層微觀組織結構進行研究，發(fā)現(xiàn)磨削變質層中的塑性變形層可進一步細化為表面非晶層、微觀剪切帶和納米晶層.Cai等[2]對鎳基單晶高溫合金DD5磨削表面質量進行了正交試驗，在給定的試驗參數(shù)范圍內得出了有效控制表面粗糙度的參數(shù)組合，試驗還觀察磨削亞表面微觀形貌，發(fā)現(xiàn)亞表面內基體相γ和強化相γ′劇烈扭曲形成塑性變形層.Wang等[3]對鎳基高溫合金Inconel 718進行了機器人砂帶磨削，研究發(fā)現(xiàn)在塑性變形和熱處理的綜合作用下磨削表面及亞表面發(fā)生了連續(xù)的部分動態(tài)再結晶，這種再結晶引起亞表面晶粒細化及產生大量位錯.

國內外研究人員對高溫合金磨削變質層的組織結構及形成機理的研究已取得一定進展[4-9]，但關于磨削參數(shù)及冷卻條件對鎳基單晶高溫合金磨削變質層的影響還少有研究.本文使用3D測量激光顯微鏡觀察磨削變質層的金相形貌，采用硬度梯度分析研究磨削變質層的性能變化，使用場發(fā)射掃描電鏡觀察塑性變形層的微觀組織變化，并研究不同磨削參數(shù)及冷卻條件對鎳基單晶高溫合金磨削變質層厚度的影響規(guī)律，以期對鎳基單晶高溫合金零件磨削表面質量改善具有一定現(xiàn)實意義.

1 試驗條件與過程

1.1 試驗材料

本試驗所加工單晶試件的材料為第二代鎳基單晶高溫合金DD5.DD5添加了稀土元素，具有比第一代鎳基單晶高溫合金更高的耐溫能力.試件的尺寸規(guī)格為60 mm×18 mm×1 mm，其中60 mm×18 mm所在平面為(001)晶面，加工時的磨削方向沿著[100]晶向，晶面和晶向已分別在圖中標出，如圖1所示.DD5主要力學性能參數(shù)見表1.

表1 DD5主要力學性能

1.2 加工機床與砂輪

磨削試驗所用機床為M7120A平面磨床，平面磨床通過安裝外部變頻器可實現(xiàn)調速，以獲得不同砂輪線速度下的磨削表面.

CBN具有高硬度、高強度、高熱導率等特性，因此用CBN制成的砂輪在磨削加工高溫合金等難加工材料上具有獨特優(yōu)勢.綜合考慮磨床性能參數(shù)、磨削參數(shù)及工件材料性能等因素，本次磨削試驗選用CBN砂輪磨削加工DD5.

圖1 DD5及其晶面和晶向

CBN砂輪主要規(guī)格參數(shù)為:砂輪粒度180#，中硬硬度，樹脂結合劑，砂輪直徑200 mm，安裝直徑75 mm，砂輪寬度5 mm，鋁合金基體.

1.3 磨削參數(shù)的選取

為研究不同磨削參數(shù)(砂輪線速度、磨削深度、工件進給速度)對磨削變質層厚度的影響規(guī)律，本試驗分別對3個磨削參數(shù)選用5個水平值進行單因素平面磨削試驗，磨削方式采用逆磨.結合試驗要求、機床轉速、砂輪粒度等因素，各磨削參數(shù)對應的具體水平值如表2所示.

表2 磨削參數(shù)水平值

1.4 冷卻條件的選取

本試驗除研究磨削參數(shù)對磨削變質層厚度的影響，還對比分析不同冷卻條件對磨削變質層厚度的影響.考慮到傳統(tǒng)切屑液對環(huán)境的負面影響，試驗冷卻條件選擇干磨削和微量潤滑(minimum quantity lubrication，下文均用MQL表示).

MQL是綜合考慮環(huán)境影響和資源使用效率的一種新型冷卻手段.在氣泵提供的壓縮空氣作用下，油水混合物經噴嘴霧化后以一定速度噴射至磨削區(qū)，起到冷卻、潤滑及排屑的作用.

MQL的主要技術參數(shù):氣源壓力 0.7 MPa，噴管2個，噴管出液量60 mL/h.

1.5 截面金相試樣制備

為觀測磨削變質層，需對磨削加工后的單晶試件進一步處理，以制備截面金相試樣.使用CA20低速走絲線切割機床沿單晶試件各磨槽的磨削方向切制2 mm寬的截面金相試樣.截面金相試樣尺寸較小，不便于后續(xù)處理，用金相試樣鑲嵌機對試樣鑲嵌處理，共制備4塊鑲樣(圖2).

圖2 截面金相試樣

為消除線切割加工在截面金相試樣表層產生的損傷，對鑲樣機械研磨、拋光，獲得光潔表面.然后用調配的腐蝕液(甘油、氫氟酸、硝酸按體積4∶2∶1 比例混合)對每個截面金相試樣腐蝕32 s，完成最終處理.

2 試驗結果與分析

2.1 截面試樣金相形貌

圖3為3D測量激光顯微鏡下觀察截面試樣金相形貌圖.從圖3a可以看出，在腐蝕液的腐蝕作用下，截面金相試樣磨削表層的金相組織與基體金相組織明顯不同.DD5典型的枝晶結構和 γ/γ′ 共晶組織在基體金相形貌中可清楚觀察到.

圖3 截面試樣金相形貌及局部放大圖

圖3b更清晰地顯示磨削表層金相形貌，在磨削表面以下存在一層較連續(xù)的“白層”組織，該組織即為磨削變質層.

DD5經磨削加工產生磨削變質層主要是因為受到磨削力與磨削熱耦合作用的影響，致使磨削變質層內材料的組織結構和性能發(fā)生了改變.磨削過程中，工件材料受到磨粒的擠壓作用產生較大應變，從而在工件表層形成塑性流動.所消耗的磨削能轉化為大量磨削熱積聚于磨削區(qū)，DD5的低熱導率使短時內僅有極少部分熱量傳入材料基體，磨削區(qū)內瞬時產生局部高溫，材料變形加劇，促進磨削變質層的形成.

2.2 磨削表層硬度梯度分析

為深入分析磨削變質層力學性能的變化，采用數(shù)顯顯微維氏硬度計，測量兩種冷卻條件下磨削表層內距離磨削表面不同深度的顯微硬度.

硬度試驗選用圖3中的截面試樣和同一磨削參數(shù)的干磨削截面試樣.試驗加載載荷為25 g，載荷保持8 s，金剛石壓頭距離磨削表面每隔 5 μm 加載一次，共加載12次.將不同位置壓痕的對角線長度代入維氏硬度計算式，即可得到距離磨削表面不同深度的顯微硬度.磨削表層硬度梯度曲線如圖4所示.圖中兩條曲線走勢相近，隨著距磨削表面的距離不斷增大，磨削表層內顯微硬度先逐漸減小后趨于在540 HV附近小范圍波動.此外，兩種冷卻條件下對應的磨削變質層厚度分別為10.3，12.7 μm.這說明兩種冷卻條件下的磨削變質層硬度均大于材料基體硬度，而應變硬化可能是引起磨削變質層硬度較大的主要原因.磨削變質層硬度的增加對材料表層的韌性會有所削弱，因此可能對單晶零件的疲勞強度產生不利影響.

圖4 磨削表層硬度梯度曲線

2.3 塑性變形層顯微形貌

塑性變形層是磨削變質層重要的組成部分.在場發(fā)射掃描電鏡下觀察塑性變形層材料顯微結構變化，如圖5所示.DD5主要由基體相γ、析出增強相γ′、γ/γ′共晶組織等組成.塑性變形層內材料的變形特征主要表現(xiàn)為γ相、γ′相沿著磨削方向發(fā)生明顯不同于基體的嚴重扭曲，且越靠近磨削表面材料的塑性變形越劇烈，兩相在表面附近扭曲纏結形成緊密的硬化層.位錯是材料塑性形變的根源，由于DD5含有大量γ′相，因此主要通過第二相強化.在磨粒的摩擦和擠壓作用下，材料表層產生大量位錯，位錯在滑移面運動的過程中受到γ′相的阻礙，通過增大外力使得位錯克服阻礙繼續(xù)運動.塑性變形層內γ相、γ′相的扭曲變形可能為磨削變質層的硬度增大提供依據.

圖5 塑性變形層微觀形貌

2.4 磨削變質層厚度測量結果

由于磨削變質層的腐蝕特征明顯不同于基體，通過直接測量表層組織的深度即可獲得磨削變質層厚度的大小.測量每個截面金相試樣三個不同位置的磨削變質層厚度，取均值后的結果即為各試樣的磨削變質層厚度.磨削變質層厚度數(shù)據處理結果見表3.

表3 磨削變質層厚度測量值

2.5 磨削變質層厚度影響規(guī)律分析

根據表3中數(shù)據分別繪制磨削變質層厚度與磨削參數(shù)關系的折線圖，如圖6～圖8所示.根據圖中折線走勢可以得出以下規(guī)律：

1) 磨削變質層厚度隨著砂輪線速度的提高而先減小后增大.提高砂輪線速度可有效減小磨粒的未變形切屑厚度，從而減輕材料的塑性變形，磨削變質層厚度隨之減小.

磨削過程中的磨削能量除消耗少部分傳入砂輪和磨屑外，大部分用于加熱工件[10].比磨削能Ee的計算公式為

(1)

隨著砂輪線速度繼續(xù)提高，比磨削能逐漸增大，導致大量磨削熱傳入工件.DD5的低熱導率使磨削熱瞬時積聚于磨削區(qū)，材料產生較大應變，塑性流動加劇，導致磨削變質層厚度增大.因此，磨削變質層厚度在砂輪線速度增加的過程中先減小后增大.

2) 磨削變質層厚度隨著磨削深度的增加而增大.增加磨削深度導致磨粒的未變形切屑厚度增大，材料產生劇烈的塑性變形.此外，增加磨削深度使得磨粒與工件接觸弧更長，產生的磨削熱難以和外界交換，同樣會加劇材料塑性變形，磨削變質層厚度因而不斷增大.

圖6 砂輪線速度對磨削變質層厚度的影響

圖7 磨削深度對磨削變質層厚度的影響

圖8 工件進給速度對磨削變質層厚度的影響

3) 磨削變質層厚度隨著工件進給速度的提高而先增大后減小.提高工件進給速度使磨粒未變形切屑厚度增加，磨削區(qū)內工件材料塑性變形加劇，磨削變質層厚度增大.

由式(1)可知，工件進給速度的提高可削減磨削比能的消耗.當工件進給速度較大時，用于加熱工件的磨削能大幅減少.減少磨削區(qū)內的磨削熱可有效減緩材料的塑性變形，磨削變質層厚度得以減薄.因此，在工件進給速度不斷提高的過程中，磨削變質層厚度先增大后減小.

4) 在相同的磨削參數(shù)下，MQL作為磨削鎳基單晶高溫合金DD5的冷卻條件所獲得的磨削變質層較干磨削為冷卻條件下所獲得的磨削變質層更薄，且磨削變質層厚度可減少2.4～3.5 μm.

MQL通過噴嘴把油、水混合物霧化，混合物在壓縮空氣的作用下噴射到磨削區(qū)域，附著于試件表面上形成一層均勻的潤滑薄膜.一方面該潤滑膜中的水滴在高溫下蒸發(fā)成水汽，吸收了大量磨削熱，能在一定程度上降低磨削溫度；另一方面潤滑薄膜可起到良好的減磨、潤滑作用，在控制摩擦熱產生的同時可減小磨粒與工件接觸弧長，磨削區(qū)內材料的塑性流動得以有效減緩.因此，MQL作為冷卻條件可獲得較薄的磨削變質層.

3 結 論

1) DD5磨削表層主要受磨削力與磨削溫度的耦合作用，在表面及亞表面形成一定厚度的磨削變質層，磨削變質層具有比基體更高的硬度.

2) DD5磨削變質層中的塑性變形層內基體相γ和增強相γ′發(fā)生劇烈的扭曲變形，可能導致磨削變質層的硬度增大.

3) 在試驗參數(shù)范圍內，DD5磨削變質層厚度隨著磨削參數(shù)的變化表現(xiàn)出不同的變化趨勢：隨砂輪線速度的提高而先減小后增大，隨磨削深度的增加而增大，隨工件進給速度的提高而先增大后減小.

4) 不同的冷卻條件對DD5磨削變質層厚度表現(xiàn)出不同的影響程度，MQL作為冷卻條件可以減小磨削變質層厚度，在本試驗中最多可達3.5 μm.