徐志強(qiáng) 易理銀 張高峰 吳 衡 王 軍

（1 湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湘潭 411105）

（2 復(fù)雜軌跡加工工藝及裝備教育工程研究中心，湘潭 411105）

文 摘 為了改善磨削后鎳基高溫合金GH4169 的表面完整性，本文采用磁流變彈性體砂輪對(duì)鎳基高溫合金GH4169進(jìn)行拋光試驗(yàn)研究。首先，通過(guò)模壓成型的方法制備了磁流變彈性體砂輪，并對(duì)其表面微觀形貌及不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的硬度進(jìn)行了表征。其次，將制備出的磁流變彈性體砂輪用于對(duì)鎳基高溫合金GH4169 的拋光工藝試驗(yàn)中，并討論拋光工藝參數(shù)中磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)鎳基高溫合金表面完整性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：在一定的磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)，零件拋光后的表面粗糙度和顯微硬度隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而減小，同時(shí)增大磁場(chǎng)強(qiáng)度也有利于改善零件的表面形貌，減少砂輪的磨損量，降低零件磨削后的亞表面損傷層厚度。

0 引言

鎳基高溫合金在高溫強(qiáng)度、耐酸堿腐蝕、耐磨損、抗疲勞等方面具有很好的綜合性能，因此在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中得到普遍應(yīng)用，其中屬GH4169應(yīng)用范圍最為廣泛，例如航空發(fā)動(dòng)機(jī)的蝸輪盤(pán)、葉片、燃燒室等熱端部件［1-2］。這些零部件的表面完整性將影響到整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)和零部件的使用壽命［3］。然而鎳基高溫合金GH4169作為一種難加工材料，其具有導(dǎo)熱性差、加工性能差、加工效率低、加工成本高等特點(diǎn)，使得其在磨削加工過(guò)程中容易發(fā)生表面及亞表面損傷，導(dǎo)致其表面完整性降低［4］。

在鎳基高溫合金零件磨削加工表面完整性研究方面，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要采用不同類型的砂輪磨削加工鎳基高溫合金，并對(duì)磨削后表面完整性進(jìn)行了研究。如Q.MIAO 等人［5］研究了黑剛玉（BA）和微晶剛玉（MA）砂輪的對(duì)比磨損行為及其對(duì)不同鎳基高溫合金緩進(jìn)給磨削表面微觀形貌及表面粗糙度的影響。DAI 等人［6］使用陶瓷CBN 砂輪對(duì)鎳基高溫合金Inconel 718 進(jìn)行了高速磨削實(shí)驗(yàn)，研究了砂輪線速度對(duì)工件表面粗糙度以及亞表面微觀組織的影響。YAO 等人［7］對(duì)比研究了單晶剛玉砂輪及CBN 砂輪磨削鎳基高溫合金Inconel 718 后表面完整性的影響。SINHA 等人［8］對(duì)氧化鋁及碳化硅砂輪磨削鎳基高溫合金的燒傷機(jī)理進(jìn)行了研究。黃新春等人［9］采用單晶剛玉砂輪對(duì)鎳基高溫合金GH4169 進(jìn)行磨削試驗(yàn)，并研究了磨削參數(shù)對(duì)表面完整性的影響。上述研究發(fā)現(xiàn)改進(jìn)磨削加工工藝雖然能一定程度上提高零件的表面完整性，但是不可避免的還存在表面及亞表面損傷，達(dá)不到零件的最終使用要求。需要后續(xù)的研磨和拋光來(lái)進(jìn)一步提高鎳基高溫合金GH4169 的表面完整性，因此研究及制備新的拋光方法和拋光工具顯得尤為重要。

研究表明拋光加工可以有效地降低磨削表面粗糙度，提高零部件的抗疲勞性能，增加零部件的使用壽命。目前常用的鎳基高溫合金的拋光加工方法有：手工拋光、機(jī)械拋光，少數(shù)采用電解拋光、化學(xué)機(jī)械拋光及磁力研磨拋光等方法。如T.B.DU［10］等人，采用Al2O3磨粒和H2O2作為氧化劑，對(duì)純鎳進(jìn)行了化學(xué)機(jī)械拋光試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)1wt%H2O2作為氧化劑時(shí)，拋光效果最好。DU［11］等人，采用電解-磁力復(fù)合研磨（EMAF）的方法對(duì)GH4169鎳基高溫合金進(jìn)行表面加工，結(jié)果表明EMAF 方法能有效降低表面粗糙度，并提高拋光效率。陳春增等人［12］采用霧化快凝法制備的Al2O3磁性磨粒，對(duì)鎳基高溫合金Inconel 718 進(jìn)行磁力研磨加工，并研究加工參數(shù)對(duì)Inconel 718 表面粗糙度的影響，并獲得了最佳磁力研磨加工參數(shù)。但是上述方法都是基于游離磨粒和手工拋光，普遍存在效率低、去除不穩(wěn)定、過(guò)程難以控制、設(shè)備復(fù)雜等缺點(diǎn)，因此有必要開(kāi)發(fā)和研究拋光鎳基高溫合金的新方法和新材料。

磁流變彈性體作為一種磁性智能復(fù)合材料，已被廣泛運(yùn)用到振動(dòng)控制、吸振隔振以及應(yīng)力位移傳感器領(lǐng)域［13-14］。它是由聚合物和軟磁性顆粒組成，由于具有高穩(wěn)定性、可控制性和對(duì)可變剛度的快速響應(yīng)等特性，因而在開(kāi)發(fā)拋光材料方面具有很好的發(fā)展前景［15］。綜上所述，本文提出了一種磁流變彈性體砂輪，以磁流變彈性體作為結(jié)合劑，金剛石微粉作為磨粒。利用磁流變彈性體的高彈性和柔性，可望有效解決上述拋光方法存在的問(wèn)題，提高鎳基高溫合金GH4169磨削后的表面完整性。

1 磁流變彈性體砂輪制備

1.1 材料及制備工藝流程

根據(jù)磁流變彈性體的制備原理，本文所研制的磁流變彈性體砂輪的主要成分包括結(jié)合劑、軟磁性顆粒和金剛石磨粒。其成分配比如表1所示，其中結(jié)合劑為美國(guó)奧斯邦公司生產(chǎn)的704室溫固化硅橡膠，軟磁性顆粒粉為巴斯夫公司生產(chǎn)的羰基鐵粉顆粒，均值粒徑為2.5 μm，磨料選用市售金剛石磨粒，粒徑為5 μm。選用美國(guó)道康寧公司生產(chǎn)的二甲基硅油（PDMS）作為增塑劑，用來(lái)調(diào)節(jié)磁流變彈性體砂輪材料的硬度。磁流變彈性體砂輪的制備工藝流程見(jiàn)圖1。

表1 磁流變彈性體砂輪成分Tab.1 Mass ratio of each component of magnetorheological elastomer wheel wt%

圖1 砂輪制備工藝流程Fig.1 Process chart of grinding wheel preparation

制備工藝流程包括以下6個(gè)步驟：（1）稱量，按表1所述對(duì)砂輪各成分進(jìn)行稱量；（2）混料，將各組分充分混合均勻；（3）裝模，將混合好的砂輪成型料均勻地澆注到模具中并壓平；（4）施加磁場(chǎng)，在砂輪模具兩側(cè)放置永磁鐵，至羰基鐵粉顆粒及金剛石磨粒穩(wěn)定分布；（5）壓制成型，在模具上施加壓力將砂輪壓制成型；（6）固化脫模，將模具放置在室溫下固化脫模，并采用油石對(duì)砂輪表面進(jìn)行修整。

1.2 制備結(jié)果及其基本性能表征

采用VHX-2000C 型超景深光學(xué)顯微鏡觀察磁流變彈性體砂輪的微觀形貌（圖2），羰基鐵粉顆粒在砂輪基體中大致沿磁場(chǎng)方向排列成鏈狀結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)樵谑┘哟艌?chǎng)過(guò)程中羰基鐵粉顆粒在磁場(chǎng)力的作用下沿磁場(chǎng)方向移動(dòng)并排列成鏈狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)撤除磁場(chǎng)后，在無(wú)磁場(chǎng)的作用下，羰基鐵粉顆粒形成的鏈狀結(jié)構(gòu)就會(huì)固化在基體中，從而得到各向異性結(jié)構(gòu)的磁流變彈性體砂輪。如果該階段未施加磁場(chǎng)，固化后顆粒規(guī)則地隨機(jī)分布在基體中，此時(shí)稱磁流變彈性體砂輪具有各向同性結(jié)構(gòu)。羰基鐵粉顆粒的有序排列，減少了金剛石磨粒在制備過(guò)程中的團(tuán)聚現(xiàn)象，增加了砂輪基體的致密度。此外，羰基鐵粉顆粒有序排布能夠提高砂輪的熱傳導(dǎo)效率，有利于拋光過(guò)程中砂輪的散熱［16］。

砂輪硬度對(duì)砂輪磨損量、耐用度以及拋光工件的表面質(zhì)量、去除率都有一定的影響。為研究磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)磁流變彈性體砂輪硬度的影響，本文采用邵氏橡膠硬度計(jì)對(duì)不同磁場(chǎng)強(qiáng)度條件下的砂輪硬度進(jìn)行測(cè)量，所采用的測(cè)量樣品成分與磁流變彈性體砂輪的成分及制備時(shí)所施加的磁場(chǎng)保持一致，測(cè)量樣品的尺寸為25 mm×25 mm×5 mm，測(cè)量裝置見(jiàn)圖3。

圖2 磁流變彈性體砂輪及其表面微觀形貌圖Fig.2 Magnetorheological elastomer grinding wheel and its surface micromorphology

圖3 邵氏硬度測(cè)量裝置圖Fig.3 Schematic diagram of Shore hardness measurement

測(cè)量時(shí)，在其表面隨機(jī)測(cè)量5個(gè)點(diǎn)后取其平均值作為最終結(jié)果，測(cè)量數(shù)據(jù)如圖4所示，可知測(cè)量樣品的邵氏硬度隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為0 mT 時(shí)，測(cè)量樣品的硬度為60 HA，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增加到300 mT 時(shí)，樣品的邵氏硬度增大到83.4 HA，增加了23.4 HA。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明磁流變彈性體砂輪的硬度能夠隨著磁場(chǎng)進(jìn)行變化和調(diào)節(jié)，因此可在加工過(guò)程中利用該性能對(duì)工件進(jìn)行程控拋光。

圖4 不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下砂輪的邵氏硬度Fig.4 Shore hardness of grinding wheels under different magnetic field strengths

2 拋光試驗(yàn)及條件

2.1 試驗(yàn)裝置

拋光試驗(yàn)裝置采用自主搭建的拋光試驗(yàn)平臺(tái)，其平臺(tái)主體為小型三軸電動(dòng)定位平臺(tái)，其分辨率為0.1 μm，最大行程為50 mm，在平臺(tái)的z軸上固定有調(diào)速電機(jī)，其最大轉(zhuǎn)速為2 800 r/min，功率為60 W，在調(diào)速電機(jī)的主軸上裝有轉(zhuǎn)夾頭，用來(lái)夾持拋光工具，即磁流變彈性體砂輪，同時(shí)在大理石臺(tái)面上固定有用于夾持工件的平口虎鉗，平口虎鉗上固定放置著磁場(chǎng)可調(diào)的永磁鐵，用以在拋光過(guò)程中對(duì)砂輪施加磁場(chǎng)。其整體裝置示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 拋光裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of polishing device

2.2 試驗(yàn)對(duì)象

本試驗(yàn)的工件材料選用鎳基高溫合金GH4169。拋光工件規(guī)格采用20 mm×10 mm×10 mm 的工件，材料的物理力學(xué)性能如表2所示［9］。工件材料在進(jìn)行拋光試驗(yàn)前需要對(duì)工件進(jìn)行預(yù)處理，即對(duì)拋光工件進(jìn)行磨削加工，依次采用80#的CBN 砂輪進(jìn)行粗磨加工，400#的CBN砂輪進(jìn)行精磨加工。

表2 GH4169的物理力學(xué)性能（20℃）Tab.2 Physical and mechanical properties of GH4169（20 ℃）

2.3 試驗(yàn)條件

為探究輔助磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)拋光表面完整性的影響。本文通過(guò)前期工藝實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選出拋光轉(zhuǎn)速、拋光時(shí)間等其他工藝參數(shù)，并對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度設(shè)置了3個(gè)梯度，分別為0、100、200 mT，其具體拋光參數(shù)如表3所示。拋光試驗(yàn)采用前文所研制的磁流變彈性體砂輪作為拋光工具，并對(duì)精磨后的工件表面進(jìn)行磁場(chǎng)輔助拋光，同時(shí)采用單因素試驗(yàn)的方法重點(diǎn)研究輔助磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)拋光表面完整性的影響。

表3 拋光試驗(yàn)參數(shù)Tab.3 Polishing test parameters

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 磁場(chǎng)對(duì)拋光力的影響

為了研究磁場(chǎng)輔助對(duì)拋光過(guò)程中拋光力的影響，采用TD8620 手持式數(shù)字特斯拉計(jì)對(duì)拋光表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量誤差在±1%以內(nèi)。采用載荷傳感器檢測(cè)GH4169 鎳基高溫合金在3 種不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的拋光力變化情況，其測(cè)量精度為0.1%，測(cè)量誤差在±1%以內(nèi)，所測(cè)拋光力曲線如圖6所示。從圖中可知，在沒(méi)有磁場(chǎng)輔助拋光的條件下，拋光力在10 N 左右，在100 mT 外置磁場(chǎng)的條件下，拋光力在11 N 左右。在200 mT 外置磁場(chǎng)的條件下，拋光力在12.5 N 左右波動(dòng)。這就說(shuō)明，在相同的拋光工藝參數(shù)下，增大外置磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，能在一定程度上提高拋光力。

圖6 不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下拋光力的變化Fig.6 Variation of polishing force under different magnetic field strengths

3.2 磁場(chǎng)輔助拋光對(duì)表面形貌的影響

采用VHX-2000C 型超景深光學(xué)顯微鏡觀察工件磨削初始表面及不同磁場(chǎng)拋光后的表面微觀形貌。從圖7（a）可知拋光前的磨削表面存在較深的磨痕，圖7（b）～（d）可發(fā)現(xiàn)拋光后的表面磨痕得到明顯改善。通過(guò)對(duì)比不同磁場(chǎng)強(qiáng)度條件下的拋光表面，發(fā)現(xiàn)隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，工件表面的磨痕也隨之減少，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為200 mT時(shí)，工件表面微觀形貌最好。

圖7 GH4169鎳基高溫合金拋光表面顯微形貌Fig.7 Micromorphology of polished surface of GH4169 nickel-based superalloy

3.3 磁場(chǎng)輔助拋光對(duì)表面粗糙度的影響

本試驗(yàn)采用MarSurf PS 10 測(cè)量?jī)x測(cè)量鎳基高溫合金GH4169磨削及拋光后表面粗糙度值，結(jié)果如圖8所示。可知，無(wú)論有無(wú)磁場(chǎng)輔助拋光，拋光后工件表面粗糙度值都有明顯的下降，且有磁場(chǎng)輔助拋光比無(wú)磁場(chǎng)輔助拋光表面粗糙度下降的幅度要大，而表面粗糙度值隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而減小。精磨后鎳基高溫合金GH4169 的表面粗糙度值Ra為0.493 μm，在經(jīng)過(guò)輔助磁場(chǎng)強(qiáng)度為0、100 和200 mT 的磁流變彈性體砂輪拋光后，表面粗糙度Ra值分別降低到0.267、0.238 和0.219 μm，相對(duì)下降率分別為45.8%、51.7%和55.6%。

圖8 不同磁場(chǎng)輔助條件下拋光表面輪廓曲線Fig.8 Contour curves of polished surface under different magnetic field assisted conditions

3.4 磁場(chǎng)輔助拋光對(duì)顯微硬度的影響

磨削鎳基高溫合金時(shí)，磨粒的耕犁、劃擦、切削會(huì)在磨削區(qū)域內(nèi)形成大量的磨削熱，使得工件存在回火軟化現(xiàn)象，同時(shí)磨削使工件材料表面產(chǎn)生塑性變形，而塑性變形的一個(gè)重要特征是加工硬化，當(dāng)塑性變形程度大于回火軟化程度時(shí)，就有加工工件表面顯微硬度明顯大于基體硬度現(xiàn)象［16］。本文采用維氏硬度計(jì)測(cè)量磨削和拋光后工件的表面硬度，其維氏硬度計(jì)的測(cè)量誤差在3%以內(nèi)，圖9為維氏硬度加載示意，圖10為鎳基高溫合金GH4169 在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度條件下的顯微硬度梯度分布，可知，GH4169 材料在距離拋光表面大于150 μm 的范圍，其顯微硬度HV0.2基本維持在400 HV 左右。在距磨削表面0～150 μm 的范圍內(nèi)，工件材料的顯微硬度呈現(xiàn)出一種下降的趨勢(shì)。工件拋光后的表面顯微硬度對(duì)比磨削原始表面有明顯的減小，且隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，表面顯微硬度呈現(xiàn)出下將趨勢(shì)。這就表明在拋光加工中磨削熱所產(chǎn)生的回火軟化作用稍大于磨粒的耕犁、劃擦、切削等機(jī)械作用的塑性變形作用。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增大時(shí)，拋光力增大，磨削熱也相應(yīng)的增大，從而回火軟化現(xiàn)象加劇，顯微硬度下降。

圖9 顯微硬度加載示意圖Fig.9 Schematic diagram of microhardness loading

圖10 不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下顯微硬度梯度分布Fig.10 Microhardness gradient distribution under different magnetic field strengths

3.5 磁場(chǎng)輔助拋光對(duì)拋光去除量及砂輪磨損量的影響

為研究磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)磁流變彈性體砂輪拋光效率的影響，本試驗(yàn)在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度的輔助磁場(chǎng)拋光條件下對(duì)材料的拋光去除量及砂輪的磨損量進(jìn)行了對(duì)比，圖11給出了不同磁場(chǎng)下材料去除量及砂輪磨損量的對(duì)比，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí)，拋光去除量隨之增加，而砂輪磨損量卻隨之減小，這說(shuō)明在一定的范圍內(nèi)，增大輔助磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)使砂輪對(duì)磨粒的把持力度加大，從而使砂輪磨粒難以脫落，砂輪磨損量也隨之減小。

圖11 不同磁場(chǎng)強(qiáng)度條件的拋光去除量及砂輪磨削量Fig 11 Polishing removal and grinding wheel grinding at different magnetic field conditions

3.6 磁場(chǎng)輔助拋光對(duì)亞表面損傷層深度的影響

為研究磁流變彈性體砂輪拋光對(duì)亞表面損傷層深度的影響。首先從磨削及拋光試樣橫截面取樣，采用機(jī)械研磨與拋光的方法制備金相試樣，然后使用體積比為2∶1 的HCl+HNO3溶液作為腐蝕劑對(duì)金相試樣進(jìn)行腐蝕，最后采用ZEISS EVO18 掃描電鏡對(duì)橫截面進(jìn)行觀察。從圖12（a）中可以看出，磨削后的原始表面存在大約35 μm 的磨削亞表面損傷層，而拋光后的亞表面損傷層深度得到明顯減小，如圖12（b）～（d）所示。這就表明磁場(chǎng)輔助拋光能有效去除磨削加工產(chǎn)生的亞表面損傷層，同時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度越高，去除效果越好。

圖12 不同拋光條件下的亞表面顯微圖Fig 12 Subsurface micrographs under different polishing conditions

4 結(jié)論

（1）通過(guò)模壓成型的方法制備了磁流變彈性體砂輪，并對(duì)其表面的微觀形貌及不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的邵氏硬度進(jìn)行了表征。發(fā)現(xiàn)磁流變彈性體砂輪基體中的羰基鐵粉在基體中大致沿制備磁場(chǎng)方向排列成鏈狀結(jié)構(gòu)；邵氏硬度隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，由0 mT下的60 HA 增加到300 mT 下的83.4 HA，這就說(shuō)明通過(guò)改變外置磁場(chǎng)強(qiáng)度能有效的改變砂輪的硬度，從而實(shí)現(xiàn)鎳基高溫合金GH4169的可控柔性拋光。

（2）對(duì)鎳基高溫合金GH4169 進(jìn)行了不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的表面完整性拋光試驗(yàn)研究。發(fā)現(xiàn)隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，拋光力隨之增加，拋光去除量增加，砂輪磨損量減小，表面顯微硬度減小，Ra由磨削時(shí)的0.493 μm 降低到0.219 μm。比較磨削與不同磁場(chǎng)強(qiáng)度拋光后的亞表面損傷層厚度，發(fā)現(xiàn)磨削亞表面存在約35 μm 損傷層，拋光后損傷層厚度明顯減小，這就表明提高外置磁場(chǎng)強(qiáng)度能有效的提高拋光后工件的表面完整性，同時(shí)也驗(yàn)證了磁流變彈性體砂輪拋光能有效的提高鎳基高溫合金GH4169 磨削后的表面完整性。