張家瑁 ,杜 勁 ,李銀玲 ,石海川 ,蘇國勝 ,張培榮

(1.齊魯工業(yè)大學(山東省科學院)機械與汽車工程學院,濟南 250353;2.山東山水重工有限公司,濟南 250300)

0 引言

對于任何經(jīng)過機械加工的材料,其加工表面至某一深度的性能會與基體材料不同,該部分區(qū)域稱為變質(zhì)層[1]。通常,變質(zhì)層是在加工過程中通過使用不同的物理機制從工件上去除材料時產(chǎn)生的[2-3]。變質(zhì)層分為塑性變形層和白層,其中對工件性能影響最明顯的是位于最外面的白層。白層是指經(jīng)機械加工后在材料表面形成的,在光學顯微鏡下未觀察到明顯組織特征并呈現(xiàn)亮白色硬層的通稱[4]。白層通常比基體更硬、更脆[5],疲勞裂紋易在此處萌生和擴展,從而影響工件的疲勞壽命和耐磨性[6]。

GH4169鎳基高溫合金常用于制造航空發(fā)動機的熱端部件,對其疲勞壽命的要求相較于其他零部件更為嚴格,而高溫合金通常采用高速銑削進行加工,因此研究高速銑削參數(shù)對GH4169合金變質(zhì)層的影響具有重要意義。LI等[7]在車削加工淬硬鋼時發(fā)現(xiàn),加工產(chǎn)生的塑性變形細化了加工表面的晶粒,影響組織中奧氏體和馬氏體的相變溫度,從而加劇白層的產(chǎn)生。SUN 等[8]研究發(fā)現(xiàn),在銑削速度低于40 m·min-1時,隨著銑削速度的增大,GH4169合金的白層厚度減小,但當銑削速度大于40 m·min-1時,白層厚度增大。DU等[9]研究發(fā)現(xiàn),當銑削速度小于2 000 m·min-1時,隨著銑削速度的增大,FGH95鎳基高溫合金白層厚度增大,而當銑削速度大于2 000 m·min-1時,白層厚度減小。降低切削溫度可減小白層厚度[10-11]。白層是由于機加工導致材料的亞表面部分產(chǎn)生熱集中而形成的,鎳基合金的低熱導率會增強這種效果[12],導致其表面白層厚度增大,并產(chǎn)生嚴重的加工硬化[13-14]。

在切削加工過程中產(chǎn)生的加工硬化會使材料發(fā)生強塑性變形[15],而加工硬化和塑性變形的增加會導致變質(zhì)層厚度增大。隨著銑削速度的增加,材料表面殘余應力峰值增大,材料的加工硬化程度增大,進而影響變質(zhì)層的厚度[16-17]。塑性變形的程度與切削條件,如刀具磨損程度、銑削速度、進給速度以及冷卻劑的應用相關[18-19]。同時,刀具半徑與切屑厚度之比是決定加工表面塑性應變大小的最關鍵參數(shù),是鎳基高溫合金低速切削時產(chǎn)生白層和彎曲晶粒的原因之一[20]。

綜上所述,為提高零部件的疲勞壽命,減少加工過程中變質(zhì)層的產(chǎn)生,有必要分析切削參數(shù)對變質(zhì)層厚度的影響規(guī)律,但目前有關銑削參數(shù)影響GH4169高溫合金變質(zhì)層厚度的研究報道較少。因此,作者通過改變銑削加工時的銑削速度和徑向銑削深度,對GH4169鎳基高溫合金進行了切削試驗,研究了在不同參數(shù)下加工后變質(zhì)層厚度的變化趨勢,以及切削力、切削溫度、硬度分布和硬化層深度的變化。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料選用GH4169鎳基高溫合金,由深圳市百順金屬材料有限公司提供,硬度為40～45 HRC,化學成分如表1所示,熱處理工藝如下:960 ℃×1 h固溶處理,空冷至室溫;加熱至720 ℃保溫8 h,以50 ℃·h-1的速率爐冷至620 ℃保溫8 h,冷卻至室溫。

表1 GH4169鎳基高溫合金的化學成分Table 1 Chemical composition of nickel-based superalloy GH4169

在試驗合金上截取尺寸為50 mm×30 mm×3 mm 的試樣,采用DNM-415型數(shù)控立式加工中心進行銑削加工試驗,所選用的刀具為KENNAMETAL 生產(chǎn)的SNHX12L5PZFNGE KC510M 三面刃銑刀盤,刀片選用KC725M(物理氣相沉積TiAlN)涂層硬質(zhì)合金刀片,每次切削只切除少量的材料且每次切削加工后均更換新的切削刀片。選用的銑削速度分別為500,600,700,800,900,1 000 m·min-1,徑向銑削深度分別為0.1,0.2,0.3 mm,進給量保持在0.02 mm·r-1,切削試驗均為干切削。采用Kistler-9129AA 型三向動態(tài)切削測力儀和FlirA315型紅外熱成像儀對切削過程中的切削力和切削溫度進行采集。

在切削加工后的試樣上切割出含有加工表面的尺寸為10 mm×10 mm×3 mm 的試樣,經(jīng)過鑲嵌、研磨、拋光,用由1 g氯化銅、20 mL濃鹽酸和20 mL無水乙醇組成的溶液腐蝕2 min,用流水和酒精溶液進行沖洗,然后利用VHX-500型超景深三維光學顯微鏡(OM)和Phenom Prox型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察截面顯微組織。利用HXD-1000TMC型維氏顯微硬度計測截面硬度分布,測試間距為25 μm,當顯微硬度與基體硬度相同或相近時停止測試,載荷為19.6 N,保載時間為15 s。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 對切削力和切削溫度的影響

圖1中F為切削力合力,Fx為切向力,Fy為徑向力,因軸向力Fz幾乎無變化且數(shù)值遠小于Fx和Fy,因此未對其進行分析。由圖1可以看出,隨著銑削速度的增加,切削溫度明顯升高,而切削力呈下降趨勢,且在不同銑削深度下,切削力的變化規(guī)律基本相同。這是由于隨著銑削速度的增大,材料的熱軟化效應超過硬化效應[15],從而導致切削力的變化趨勢與切削溫度的變化趨勢相反。隨著銑削速度的增大,單位時間內(nèi)材料的去除率增加,消耗了更多能量的同時增加了切削熱,從而導致切削溫度的升高。對比不同銑削深度下切削力和切削溫度的變化可以看出,隨著銑削深度的增加,切削力和切削溫度均增大。這是因為隨著銑削深度的增加,單位時間內(nèi)材料的去除率增大,刀具在單位時間內(nèi)進行切削的面積也增大,這使得刀具前刀面受力增大,刀具與材料以及刀具與切屑之間的摩擦程度增大,最終導致切削力和切削溫度增大。

圖1 不同銑削深度下切削力和切削溫度與銑削速度的關系曲線Fig.1 Cutting force（a-c）and cutting temperature（d）vs milling speed curves at different milling depths（a）milling depth of 0.1 mm；（b）milling depth of 0.2 mm and（c）milling depth of 0.3 mm

2.2 對截面微觀形貌的影響

由圖2可以看出:銑削加工后GH4169合金基體組織主要由大塊的基體相γ、圓盤狀強化相γ'和γ″以及短棒狀析出相δ組成;加工表面有一層與基體顏色明顯不同的薄層,在光學顯微鏡下呈亮白色,即為白層,掃描電鏡下白層的微觀結(jié)構與基體明顯不同,呈致密化且無明顯結(jié)構特征[21]。白層與基體過渡處存在一個暗區(qū)域,為過渡區(qū)或塑性變形層[22],該區(qū)域沿切削方向有很強的塑性變形流動特征,出現(xiàn)了明顯的滑移線且表面晶粒明顯被拉長。由圖3可以發(fā)現(xiàn),增大銑削速度使得白層和變質(zhì)層厚度均明顯增大,塑性變形程度也明顯增大。GH4169高溫合金加工表面塑性變形層出現(xiàn)了明顯的晶粒傾斜、孔隙拉長和壓縮以及滑移帶和剪切流動等特征,而滑移帶是由多條滑移線成組出現(xiàn)形成的[23],這也從側(cè)面證明了強塑性變形導致了晶粒發(fā)生滑移[24]。

圖2 銑削加工后GH4169合金試樣的截面OM 和SEM 形貌（銑削速度800 m.min-1，銑削深度0.1 mm）Fig.2 OM（a）and SEM（b）morphology of section of GH4169 alloy sample after milling（milling speed of 800 m.min-1，milling depth of 0.1 mm）

圖3 不同參數(shù)銑削加工后GH4169合金試樣的截面形貌Fig.3 Section morphology of GH4169 alloy samples after milling under different parameters：（a）milling speed of 500 m.min-1，milling depth of 0.1 mm；（b）milling speed of 700 m.min-1，milling depth of 0.1 mm；（c）milling speed of 800 m.min-1，milling depth of 0.3 mm and（d）milling speed of 1 000 m.min-1，milling depth of 0.3 mm

由圖4 可以看出:隨著銑削速度由500 m·min-1增大至1 000 m·min-1,變質(zhì)層厚度增大約30 μm,白層厚度增大約5 μm;隨著銑削深度的增大,變質(zhì)層和白層厚度的變化更加明顯,銑削深度每增大0.1 mm,變質(zhì)層厚度增大約30 μm,白層厚度增大約3 μm,這與文獻[25]的試驗結(jié)果相一致。在高速銑削加工過程中,材料發(fā)生塑性變形,產(chǎn)生了大量的切削熱,進一步提高了加工表面的塑性變形程度,使表面產(chǎn)生了較大的殘余應力,表面晶粒明顯細化,從而加劇了變質(zhì)層的形成。銑削速度的增加會增大材料的應力和應變,使材料的塑性變形程度增大,變質(zhì)層厚度隨之增大。隨著銑削深度的增大,加工過程中的背向力明顯增大,表面應力和應變速率隨之提高,導致材料加工表面產(chǎn)生較大的塑性變形,并在亞表層產(chǎn)生較大的殘余應力[24],致使亞表層的晶粒之間發(fā)生滑移,從而促進變質(zhì)層的形成。銑削加工過程中產(chǎn)生的高應變和高應變速率導致高密度位錯的形成,促進了白層的形成,并且隨著銑削深度或銑削速度的增大,應變速率和應變進一步增大,位錯密度也進一步增大,因此白層厚度增大。

圖4 不同銑削深度下白層和變質(zhì)層厚度與銑削速度的關系曲線Fig.4 Curves of thickness of white layer（a）and metamorphic layer（b）vs milling speed at different milling depths

2.3 對顯微硬度分布和硬化層深度的影響

由圖5可以看出,合金基體的顯微硬度約為440 HV,不同銑削參數(shù)下加工表層和次表層都存在明顯的加工硬化現(xiàn)象,其中表層顯微硬度最高,隨著距表面距離的增大,顯微硬度逐漸降低。銑削速度的提高和銑削深度的增加均對合金加工表面的顯微硬度和硬化層深度產(chǎn)生了較大影響。在相同銑削深度下,隨著銑削速度由500 m·min-1增大至1 000 m·min-1,合金表層顯微硬度增大約200 HV,硬化層深度增大約100 μm;在相同銑削速度下,銑削深度每增大0.1 mm,硬度增大約20 HV,硬化層深度增大約20 μm。隨著銑削速度或銑削深度的增加,表面塑性變形程度增大,加工硬化現(xiàn)象明顯增強,因此顯微硬度和硬化層深度增大。

圖5 不同銑削參數(shù)下GH4169合金試樣的截面硬度分布曲線以及不同銑削深度下硬化層深度隨銑削速度的變化曲線Fig.5 Section hardness distribution curves（a-c）of GH4169 alloy samples under different milling parameters and curves of hardened layer depth vs milling speed under different milling depths（d）：（a）milling depth of 0.1 mm；（b）milling depth of 0.2 mm and（c）milling depth of 0.3 mm

3 結(jié)論

(1) 高速銑削GH4169高溫合金時,隨著銑削速度的增大,不同銑削深度下的切削力均呈下降趨勢,而銑削深度的增加會導致切削力明顯增大;切削溫度隨著銑削速度或銑削深度的增大呈升高趨勢。

(2) 高速銑削GH4169高溫合金表面白層的組織呈現(xiàn)致密化且無明顯結(jié)構特征的特點,塑性變形層中存在明顯的塑性變形和晶界滑移現(xiàn)象,且晶粒被拉長。在相同銑削深度下,隨著銑削速度由500 m·min-1增大至1 000 m·min-1,變質(zhì)層厚度增大約30 μm,白層厚度增大約5 μm;在相同銑削速度下,銑削深度每增大0.1 mm,變質(zhì)層厚度增大約30 μm,白層厚度增大約3 μm。

(3) 高速銑削GH4169合金后加工表面的顯微硬度最高,隨著距表面距離的增大,硬度逐漸降低。在相同銑削深度下,銑削速度由500 m·min-1增大至1 000 m·min-1后,表層顯微硬度增大約200 HV,硬化層深度增大約100 μm;在相同銑削速度下,銑削深度每增大0.1 mm,表層硬度增大20 HV,硬化層深度增大約20 μm。