王英武

摘?要： 高溫合金是特種行業(yè)常見的材料，廣泛應(yīng)用于航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)等尖端領(lǐng)域。本文闡述了高溫合金的分類及性能，說明了高溫合金的切削加工特點(diǎn)，最后，討論了改進(jìn)高溫合金切削加工的工藝研究方向。

關(guān)鍵詞：高溫;合金;切削;加工

伴隨全世界制造業(yè)的日新月異，各種高精尖產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，對(duì)各類材料也不斷提出了新的要求。高溫合金以其高溫強(qiáng)度大、熱穩(wěn)定性好、抗疲勞性能佳等優(yōu)異性能，成為了眾多行業(yè)眾多工業(yè)產(chǎn)品尤其是航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)所離不開的重要基礎(chǔ)材料。

1 高溫合金的分類及性能

1.1 高溫合金的分類

按照成型工藝，高溫合金可以分為以下幾類。

1）變形高溫合金。即通過冷、熱變形工藝加工獲得的高溫合金。冷、熱變形工藝是最常見的高溫合金加工工藝，也是我國(guó)和全世界采用較多的高溫合金加工工藝。但隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，其他加工工藝的不斷涌現(xiàn)，冷、熱變形工藝所占比例已經(jīng)開始減少，但是從目前來看，今后一定時(shí)期，變形高溫合金仍將是全世界范圍內(nèi)使用最多的高溫合金。

2）鑄造高溫合金。即通過鑄造方法加工而成的高溫合金。由于鑄造工藝的基本特點(diǎn)，鑄造高溫合金具有合金化程度高、抗蠕變性能好等特點(diǎn)。目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用鑄造高溫合金的比例越來越高。

3）粉末高溫合金。即以金屬粉末為原料，加工獲得的高溫合金。粉末高溫合金加工工藝一般為熱等靜壓和等溫鍛造等方法。粉末高溫合金最大的優(yōu)勢(shì)在于能夠有效解決其他高溫合金加工工藝過程中難以避免的偏析問題，具有屈服強(qiáng)度高、晶粒細(xì)小、疲勞性能優(yōu)異等特點(diǎn)。

1.2 高溫合金的性能

高溫合金雖然種類繁多，但總體來看，都具備熱強(qiáng)度高、組織性能穩(wěn)定、抗氧化性強(qiáng)、抗腐蝕性強(qiáng)、硬度大、熔點(diǎn)高、無毒、抗蠕變性能佳的特點(diǎn)，可以保證它們?cè)趶?fù)雜惡劣的工作條件下仍然能夠具有良好的綜合性能，發(fā)揮其應(yīng)用的作用。

2 高溫合金的切削加工特點(diǎn)

高溫合金都是為特殊的工作環(huán)境而生，因此，高溫合金的加工質(zhì)量極為重要。高溫合金的切削加工具有以下特點(diǎn)。

2.1 切削力大

高溫合金普遍具備極高的硬度，從微觀結(jié)構(gòu)上來說，高溫合金極為穩(wěn)定，要破壞這樣的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，刀具的切削力也要足夠大才可以。

2.2 切削溫度高

較大的切削力會(huì)導(dǎo)致較大的產(chǎn)熱，而高溫合金的導(dǎo)熱性相對(duì)于一般金屬又比較差，這就會(huì)致使加工過程中的散熱不良，進(jìn)而導(dǎo)致切削溫度高，影響刀具壽命。

2.3 加工硬化嚴(yán)重

加工硬化是高溫合金加工過程中不可避免的現(xiàn)象。一方面，高溫合金具有較高的塑性和韌性，在刀具刃口和后刀面的擠壓和摩擦作用下，已加工表面的材料會(huì)產(chǎn)生明顯的塑性變形，導(dǎo)致強(qiáng)度和硬度的增加; 另一方面，高溫合金的切削加工會(huì)產(chǎn)生較高的切削溫度，導(dǎo)致合金中的強(qiáng)化相從固溶體中析出，并呈彌散相分布，使加工硬化現(xiàn)象變得更為明顯。

2.4 對(duì)刀具要求高

前面所述的切削溫度高和加工硬化嚴(yán)重對(duì)切削工藝中使用的刀具提出了高要求，刀具的使用壽命和散熱等都是高溫合金加工過程中需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。

2.5 排屑困難

高溫合金的塑性都比較好，因此切削過程中產(chǎn)生的切屑往往會(huì)連續(xù)成條狀，經(jīng)常會(huì)與材料本身及刀具發(fā)生纏繞。排屑難度大，對(duì)加工效率、刀具壽命乃至加工質(zhì)量都會(huì)產(chǎn)生不利影響。

3 改進(jìn)高溫合金切削加工的工藝研究

對(duì)于高溫合金的切削加工的研究主要集中在刀具和冷卻工藝兩個(gè)方面。

3.1 刀具優(yōu)化

與傳統(tǒng)切削工藝所使用的刀具相比較，加工高溫合金的刀具需要更好的抗腐蝕、抗氧化及耐熱性能，才能更好保障刀具的壽命和加工質(zhì)量。目前常用的高溫合金加工刀具有以下幾種類型。

3.1.1 高速鋼

高速鋼的特點(diǎn)是強(qiáng)度和韌性好，是傳統(tǒng)切削工藝中的常見刀具。但是高速鋼易發(fā)生崩刃，使用壽命短，加工效率不高。為了滿足高溫合金的切削需要，研究人員研發(fā)了新型高速鋼刀具，例如高鈷高速鋼M42和鋁高速鋼501等，均在高速合金的加工過程中取得了應(yīng)用。但應(yīng)當(dāng)指出的是，隨著新工藝的出現(xiàn)，高速鋼刀具在高溫合金的加工工藝中的應(yīng)用已經(jīng)越來越少。

3.1.2 硬質(zhì)合金

硬質(zhì)合金塑性好、耐磨性好、硬度高，是高溫合金切削加工中最常用的刀具材料。由于高溫合金切削溫度高的加工特點(diǎn)，常用的硬質(zhì)合金刀具材料以K類和S類硬質(zhì)合金為主。除這兩者之外，隨著對(duì)高溫合金加工精度要求的逐步提高，超細(xì)晶硬質(zhì)合金刀具已成為業(yè)內(nèi)普遍關(guān)注的一個(gè)發(fā)展方向。

3.1.3 涂層硬質(zhì)合金

顧名思義，涂層硬質(zhì)合金即刀具上具備一個(gè)涂層，起到保護(hù)刀具以延長(zhǎng)其使用壽命的作用。

研究人員發(fā)現(xiàn)，涂層可以減少刀具與工件之間的接觸擴(kuò)散與化學(xué)反應(yīng)，保持刀具的硬度和耐磨度，延長(zhǎng)刀具使用壽命。目前，用于高溫合金加工的涂層硬質(zhì)合金刀具已逐漸由單一涂層發(fā)展為復(fù)合涂層。今后的涂層硬質(zhì)合金刀具的研究方向?qū)⑹切滦屯繉拥拈_發(fā)與應(yīng)用。

3.1.4 陶瓷基材料

陶瓷材料除了硬度高、耐熱性好之外，作為切削高溫合金刀具材料最大的優(yōu)點(diǎn)是難于與工件發(fā)生黏結(jié)。可以顯著提升加工效率。但是陶瓷材料的脆性大、導(dǎo)熱系數(shù)小，對(duì)刀具使用壽命有一定的不利影響，限制了它的應(yīng)用。

3.2 合理的冷卻工藝

前已述及，高溫合金的加工過程產(chǎn)熱量大、散熱困難，因此，冷卻工藝也是高溫合金切削加工的關(guān)鍵工藝之一。

3.2.1 微量潤(rùn)滑切削

微量潤(rùn)滑切削技術(shù)是將壓縮后的氣體和極少量的潤(rùn)滑劑混合氣化后，形成微米級(jí)氣溶膠噴向切削區(qū)域，減少刀具與工件的摩擦黏結(jié)，便于切屑排出。目前，傳統(tǒng)的微量潤(rùn)滑切削已經(jīng)不能滿足高溫合金加工的需求，新型的微量潤(rùn)滑技術(shù)偏向于研制新的潤(rùn)滑劑或與其他技術(shù)相結(jié)合的方向發(fā)展。

3.2.2 高壓冷卻切削

高壓冷卻切削是指將冷卻液壓力升至預(yù)定數(shù)值后，利用高壓效應(yīng)將冷卻液噴射到切削區(qū)域，從而降低加工區(qū)域溫度的一種新技術(shù)。盡管高壓冷卻技術(shù)是一個(gè)很有前景的研究方向，但是，如何選擇合理的壓力和高壓冷卻劑也是非常值得研究的內(nèi)容。

3.2.3 低溫冷卻切削

低溫冷卻切削將液氮等低溫流體噴射到切削區(qū)域，在加工區(qū)域內(nèi)形成超低溫環(huán)境，此時(shí)部分材料會(huì)發(fā)生韌脆性轉(zhuǎn)變，使高溫合金切削加工性得到改善，提高切削質(zhì)量和效率。

大量試驗(yàn)結(jié)果表明，低溫切削工藝對(duì)切削區(qū)域具有連續(xù)冷卻效果，可以顯著降低高溫合金加工過程中產(chǎn)生的切削熱，大幅降低切削溫度，有助于改善合金切削質(zhì)量，但是，低溫切削所用的冷卻劑制造成本較高，經(jīng)濟(jì)價(jià)值與需求不符，是限制低溫切削工藝發(fā)展的一個(gè)重要原因。

4 結(jié)語

高溫合金在具備可以滿足復(fù)雜工作條件的優(yōu)異性能的同時(shí)，也具備加工難度大的特點(diǎn)。因此，如何在不斷提高高溫合金性能的同時(shí)，有效降低加工難度，提升加工質(zhì)量已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問題。目前，全世界的研究者都將目光聚焦在刀具材料和冷卻工藝兩個(gè)方面，希望能夠?qū)崿F(xiàn)突破，進(jìn)一步提高高溫合金的應(yīng)用范圍，滿足更大范圍的應(yīng)用需要。

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