吳明陽　王博　程耀楠　趙旭　高永斌

摘要：高溫合金是航空航天、運輸、航海及核電工業(yè)領(lǐng)域必需的金屬材料，特別是鎳基高溫合金的發(fā)展為我國航空發(fā)動機性能的提升起到了重要意義。高溫合金的切削加工性能較低、加工效率不高也一直制約著航空航天以及其它工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展。本文從高溫合金的材料特性、切削加工特點以及切削加工工藝等方面進行研究，在此基礎(chǔ)上對加工高溫合金新的冷卻方式和條件進行探討，以期為高效高質(zhì)量加工高溫合金提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高溫合金；切削加工性；材料特性；高壓冷卻

中圖分類號：TG506 文獻標志碼：A 文章編號：1007-2683（2015）06-0024-08

0 前言

進入21世紀以來，隨著航天技術(shù)的成熟，高溫合金自研發(fā)以來獲得了重要發(fā)展。尤其是鎳基高溫合金，它在高溫條件下，仍然具有很高的抗疲勞強度、高屈服強度、抗拉強度和抗腐蝕性、抗氧化性。高溫合金的材料特征使其成為航空發(fā)動機中不可替代的關(guān)鍵材料。目前，已研制的航天發(fā)動機中，高溫合金材料已經(jīng)占到發(fā)動機所用材質(zhì)一半以上。因此高溫合金材料也被譽為“先進發(fā)動機基石”。高溫合金在民用工業(yè)中的應(yīng)用也越來越廣泛，高溫合金在航空發(fā)動機用高壓渦輪粉末盤（圖1）、車用渦輪增壓器使用普遍、在核電、石油石化（圖2）等行業(yè)也有著重要的應(yīng)用。工業(yè)化的推進和國內(nèi)高端裝備制造業(yè)的發(fā)展將持續(xù)拉動民用工業(yè)對高溫合金的需求，目前民用高溫合金占總需求的20%，未來這一比例有望持續(xù)提升。

高溫合金的高效加工問題也一直是航空航天工業(yè)以及其它行業(yè)制造技術(shù)中亟待解決的重要問題。主要反映在刀具切削加工時切削溫度高，刀具受力大，加工硬化磨損嚴重，生產(chǎn)效率低等方面。以鎳基高溫合金為例，此合金在高溫合金領(lǐng)域應(yīng)用最廣，其力學特性、抗氧化與抗高溫變形性能優(yōu)良，但是缺點是導熱系數(shù)較低、加工容易產(chǎn)生硬化等。本文以高溫合金為典型材料進行高效切削加工技術(shù)及工藝研究，對高溫合金材料特性、種類及應(yīng)用、加工特點、加工技術(shù)及工藝進行分析，對我國航空航天事業(yè)有著重要現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。

1 高溫合金種類及材料特性分析

1.1 高溫合金種類分析

高溫合金是指夠能在600℃以上的高溫可以長期適應(yīng)一定的抗壓力作用下工作的并且具有較好的綜合性能的金屬材料，而且在極端的高溫高壓下仍然具有優(yōu)良的組織穩(wěn)定性和可靠性。

傳統(tǒng)的劃分高溫合金材料可以根據(jù)以下3種方式來進行：按基體元素種類、合金強化類型、材料成型方式來進行劃分。

1）根據(jù)基體元素種類，高溫合金可以分為鐵基、鎳基、鈷基等，其中，鐵基高溫合金又可稱作耐熱合金鋼如圖3所示。它的基體是Fe元素，加入少量的Ni、Cr等合金元素，耐熱合金鋼按其正火要求可分為馬氏體、奧氏體、珠光體、鐵素體耐熱鋼等。鎳基高溫合金的含鎳量在一半以上，適用于1000℃以上的工作條件，采用固溶、時效的加工過程，可以使抗蠕變性能和抗壓抗屈服強度大幅提升。鈷基高溫合金是以鈷為基體，鈷含量大約占60%，同時需要加入Cr、Ni等元素來提升高溫合金的耐熱性能，雖然這種高溫合金耐熱性能較好，但由于各個國家鈷資源產(chǎn)量比較少，加工比較困難，因此用量不多。通常用于高溫條件（600～1000℃）和較長時間受極限復雜應(yīng)力高溫零部件，例如航空發(fā)動機的工作葉片、渦輪盤、燃燒室熱端部件和航天發(fā)動機等。為了獲得更優(yōu)良的耐熱性能，一般條件下要在制備時添加元素如W、MO、Ti、Al、Co，以保證其優(yōu)越的抗熱抗疲勞性。目前就高溫環(huán)境使用的高溫合金來分析，使用鎳基高溫合金的范圍遠遠超過鐵基和鈷基高溫合金用處。同時鎳基高溫合金也是我國產(chǎn)量最大、使用量最大的一種高溫合金。很多渦輪發(fā)動機的渦輪葉片及燃燒室，甚至渦輪增壓器也使用鎳基合金作為制備材料。半個多世紀以來，航空發(fā)動機所應(yīng)用的高溫材料承受高溫能力從20世紀40年代末的750%提高到90年代末的1200℃應(yīng)該說，這一巨大提升也促使鑄造工藝加工及表面涂層等方面快速發(fā)展。

2）根據(jù)合金強化類型，高溫合金可以分為固溶強化型高溫合金和時效沉淀強化合金。所謂固溶強化型即添加一些合金元素到鐵、鎳或鈷基高溫合金中，形成單相奧氏體組織，溶質(zhì)原子使固溶體基體點陣發(fā)生畸變，使固溶體中滑移阻力增加而強化。有些溶質(zhì)原子可以降低合金系的層錯能，提高位錯分解的傾向，導致交滑移難于進行，合金被強化，達到高溫合金強化的目的。所謂時效沉淀強化即合金工件經(jīng)固溶處理，冷塑性變形后，在較高的溫度放置或室溫保持其。1生能的一種熱處理工藝。例如：GH4169合金，在650℃的最高屈服強度達1000MPa，制作葉片的合金溫度可達950℃。

3）通過材料成型方式劃分有：鑄造高溫合金（包括普通鑄造合金、單晶合金、定向合金等）、變形高溫合金、粉末冶金高溫合金（包含普通粉末冶金和氧化物彌散強化高溫合金）。

（1）鑄造高溫合金。采用鑄造方法直接制備零部件的合金材料叫鑄造高溫合金。根據(jù)合金基體成分劃分，可以分為鐵基鑄造高溫合金、鎳基鑄造高溫合金和鉆基鑄造高溫合金3種類型。按結(jié)晶方式劃分，可以分為多晶鑄造高溫合金、定向凝固鑄造高溫合金、定向共晶鑄造高溫合金和單晶鑄造高溫合金等4種類型。

鑄造高溫合金是航天發(fā)動機零部件的重要組成部分，根據(jù)研究分析航空發(fā)動機壽命的長短影響最顯著的因素就是鑄造高溫合金的好壞，隨著航空航天領(lǐng)域的快速蓬勃發(fā)展，要求廣泛使用高科技含量的合金材料，如高性能等軸晶、單晶合金、定向合金。

隨著時間推移，發(fā)動機渦輪葉片材料已由變形高溫合金逐漸過渡到鑄造高溫合金，由第一第二代單晶合金已發(fā)展到第五代含錸高溫合金，成為高性能航空發(fā)動機渦輪葉片的主要材料。定向凝固合金已更新出了三代，這種凝固狀合金改變了高溫時橫向晶界的低效性，使合金可以承受更高的強度。定向、單晶高溫合金尚且還在研究中，新型高性能合金就不斷涌現(xiàn)，高溫合金領(lǐng)域正面向著高速、穩(wěn)定、不斷更新的方向快速發(fā)展。目前各種先進鑄件制造技術(shù)和加工設(shè)備在不斷開發(fā)和完善，如熱控凝固、細晶工藝、激光成形修復技術(shù)、耐磨鑄件鑄造技術(shù)等，原有技術(shù)水平不斷提高完善從而提高各種高溫合金鑄件產(chǎn)品的質(zhì)量一致性和可靠性。

（2）變形高溫合金。變形高溫合金，如圖4所示。目前仍然是航空發(fā)動機中使用最多的材料，在國內(nèi)外應(yīng)用都比較廣泛，我國變形高溫合金年產(chǎn)量約為美國的1/8。以GH4169合金為例，它是國內(nèi)外應(yīng)用范圍最多的一個主要品種。我國主要在渦輪軸發(fā)動機的螺栓、壓縮機及輪、甩油盤作為主要零件，隨著其他合金產(chǎn)品的日益成熟，變形高溫合金的使用量可能逐漸減少，但在未來數(shù)十年中仍然會是占著主導地位。

我國變形高溫合金最新進展是大型難變形合金盤件的生產(chǎn)加工取得了歷史性突破，解決了一直難以攻克的冶煉和熱加工中涉及的技術(shù)革新問題，成功研制了直徑為1.2m的GH4698合金盤和GH4742直徑為0.8m的合金盤，這項技術(shù)的成功運用擺脫了一直依靠國外才能實現(xiàn)的依賴性，滿足了我國大型艦船和燃氣輪機發(fā)展的迫切需要。

（3）新型高溫合金。新型高溫合金包括粉末高溫合金、鈦鋁系金屬間化合物、氧化物彌散強化高溫合金、耐蝕高溫合金、粉末冶金及納米材料等多種細分產(chǎn)品領(lǐng)域。第三代粉末高溫合金的合金化程度提升，使其兼顧了前兩代的優(yōu)點，獲得了更高的強度較低的損傷，粉末高溫合金生產(chǎn)工藝日趨成熟，未來可能從以下幾個方面開展：粉末制備、熱處理工藝、計算機模擬技術(shù)、雙性能粉末盤；鈦鋁系金屬間化合物已經(jīng)開發(fā)到第四代，逐步向著多元微量和大量微元這兩個方向拓展，德國的漢堡大學，日本京都大學，德國的GKSS中心等都進行了廣泛的研究，鈦鋁系金屬間化合物現(xiàn)已應(yīng)用于船舶、生物醫(yī)用、體育用品領(lǐng)域；氧化物彌散強化高溫合金是粉末高溫合金一部分，正在生產(chǎn)研制的有近20余種，具有較高的高溫強度和低的應(yīng)力系數(shù)，廣泛的應(yīng)用于燃氣輪機耐熱抗氧化部件、先進航空發(fā)動機、石油化工反應(yīng)釜等；耐蝕高溫合金主要用于替代耐火材料和耐熱鋼，應(yīng)用于建筑及航天航空領(lǐng)域。

1.2 高溫合金材料特性分析

高溫環(huán)境下材料的各種退化速度都被加速，在使用過程中易發(fā)生組織不穩(wěn)定、在溫度和應(yīng)力作用下產(chǎn)生變形和裂紋長大、材料表面的氧化腐蝕，如圖5所示。高溫合金所具有的耐高溫、耐腐蝕等性能主要取決于它的化學組成和組織結(jié)構(gòu)。以GH4169鎳基變形高溫合金為例，其主要化學成分見表1，力學性能見表2。通過表1可以看出GH4169合金中鈮含量高，合金中的鈮偏析成都與冶金工藝直接相關(guān)，GH4169基體為Ni-Gr固溶體，含Ni質(zhì)量分數(shù)在50%以上可以承受1000℃左右高溫，與美國牌號Inconel718相似，合金由γ基體相、δ相、碳化物和強化相γ′和γ″相組成。表2中GH4169合金的化學元素與基體結(jié)構(gòu)顯示了其強大的力學性能，屈服強度與抗拉強度都優(yōu)于45鋼數(shù)倍，塑性也要比45鋼好。穩(wěn)定的品格結(jié)構(gòu)和大量強化因子構(gòu)造了其優(yōu)良的力學性能，但同時也反應(yīng)了切削加工性差的特點。

高溫合金由于其復雜、惡劣的工作環(huán)境，其加工表面完整性對于其性能的發(fā)揮具有非常重要的作用。但是高溫合金是典型難加工材料，其微觀強化項硬度高，加工硬化程度嚴重，并且其具有高抗剪切應(yīng)力和低導熱率，切削區(qū)域的切削力和切削溫度高，在加工過程中經(jīng)常出現(xiàn)加工表面質(zhì)量低、刀具破損非常嚴重等問題。在一般切削條件下，高溫合金表層會產(chǎn)生硬化層、殘余應(yīng)力、白層、黑層、晶粒變形層等過大的問題。

2 高溫合金切削加工特點分析

鎳基高溫合金是難加工材料中最難加工的材料之一，與45鋼相比其加工難易程度僅為后者的（5～15）%，雖然難以加工但仍然廣泛應(yīng)用，尤其是在航空發(fā)動機中所占比重特別大，雖然重量不是很大，但毛坯件的重量卻很大，材料的大部分作為切削余量被去除掉，切削時工作用量很大。因此高溫合金加工效率與加工質(zhì)量是航空航天零部件加工急需解決的問題。

1）切削變形大

在切削加工高溫合金的過程中，切削的溫度很高，切削表面塑性變形增大明顯，塑性變形大小關(guān)系著切削變形系數(shù)的大小，低速情況下塑性變形過程并不明顯，高速切削時個別的延伸率超過40%，合金中奧氏體晶格滑移系數(shù)增多產(chǎn)生塑性測流，導致切削加工比較困難。

2）加工硬化傾向大

由于高溫合金的塑性、韌性大，在高溫和高壓作用下切削力和切削熱會使合金產(chǎn)生嚴重的塑性變形，變形的過程中活躍的奧氏體將部分轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的馬氏體，合金中強化因子也會分散出來，同時化合物的分解融合都將導致合金材料的表面強化和硬度的提高，增大切削難度，切削試驗表明，切削速度越高，進給量越小硬化程度就越小。

3）刀具磨損較大

切削高溫合金時，由于本身含有許多金屬化合物和其他金屬元素等構(gòu)成的硬質(zhì)點，隨著一次次切割產(chǎn)生的大量的熱貼附在切削區(qū)，并沒有傳遞給工件或被切屑帶走，過高的溫度和過多的熱量促使刀具的刃口迅速磨損、崩裂，磨損的刀刃反過來又使切削區(qū)域產(chǎn)生更多的熱量，進一步縮短刀具的壽命如圖6、圖7所示。件與刀具接觸發(fā)生卷屑，雙方的內(nèi)部不穩(wěn)定的化學元素在切削區(qū)域中擴散與結(jié)合，導致原材料的物理與化學性能發(fā)生改變，導致刀刃很快變鈍，前刀面無月牙洼，后刀面磨損嚴重，刀具表層變得脆弱，從而加劇了刀具的磨損。

4）切削區(qū)域溫度較高

切削高溫合金時，材料具有較高的屈服強度較大的塑性變形，較大的進給速度下較大切深會產(chǎn)生大量的熱量，而材料的導熱系數(shù)又較小，切削區(qū)域聚集了很多的切削熱，而高溫合金散熱性能很差，形成了很高的切削溫度，刀具磨損加重。

5）切削精度較低

刀具切削高溫合金時，材料的導熱性散熱性能很差導致工件表面溫度較高，劇烈的切割會使工件產(chǎn)生輕微的熱變形，可能與需要測量數(shù)值有所偏差。又因切削時刀具前角較小、速度較低時產(chǎn)生的切屑呈擠裂狀，切削產(chǎn)生的變形會使所測物理量產(chǎn)生影響。

3 高溫合金切削加工技術(shù)分析

鎳基高溫合金含有鉻、釩、鈦、鋯、鈮、鐵、鋁、鈷、錳和稀土等很多活潑金屬元素。在空氣中會發(fā)生氧化反應(yīng)，在高溫和較差環(huán)境下內(nèi)部元素會發(fā)生轉(zhuǎn)變。這樣對材料的物理性能和化學性能都有著不利的影響。同時在切削時刀具磨損嚴重，加工效率低。因此選用合理刀具及工藝方式對于切削加工有著重要意義。

1）刀具材料的合理選用

高溫合金切削性差，普通的硬質(zhì)合金和高速鋼幾乎無法加工鎳基高溫合金，所以這類材料應(yīng)選用耐熱性好抗彎強度高、導熱性好、耐磨抗粘結(jié)性好的刀具材料。針對高溫合金切削加工特性以及刀具破損機理的研究，國外學者一直試圖開發(fā)出適合切削高溫合金的高效刀具。應(yīng)用新型刀具可以很大程度提高難加工材料的加工效率，目前，加工高溫合金比較常用的刀具有：硬質(zhì)合金、陶瓷、涂層硬質(zhì)合金以及PCBN等刀具（圖8、圖9）。各種刀具材料物理熱力學性能見表3。表3中可以看出：切削硬度上硬質(zhì)合金刀具較低，陶瓷刀具稍好，PCBN硬度最好。

2）刀具幾何參數(shù)選擇

硬質(zhì)合金刀具在高速干切削加工高溫合金時，刀具前后刀面都會出現(xiàn)明顯磨損，切削刃處最大，同時也為了減小塑性變形，減小切削力，減小加工硬化和降低切削溫度，刀刃強度保持一定量的前提下，盡量選用較小的正前角。粗加工時：硬質(zhì)合金刀具前角則取3°～6°，精加工時：硬質(zhì)合金刀具則取5°～8°，當切削速度較大時，可以采用負前角。為了減小刀具后刀面與加工表面的摩擦，應(yīng)選較大的后角，后角的增加可以減少后刀面的磨損，增加刀具的壽命。粗加工時：硬質(zhì)合金刀具后角取8°～10°，精加工時：硬質(zhì)合金刀具應(yīng)取10°～12°。

對于銑削等斷續(xù)切削，在工藝系統(tǒng)的剛度、機床功率滿足要求的情況下，刀具必須有足夠的剛度，同時刀齒強度要高。一般銑刀前角通常取0°～5°，后角為13°～16°為宜。對于立銑刀螺旋角選較小為宜，通常選取28°～35°。對于鉆削，可以采用超硬高速鋼或者超細晶粒硬質(zhì)合金鉆頭，通過鉆頭長度改變來改善切削效果。

3）切削高溫合金加工工藝

國內(nèi)外研究加工高溫合金主要從切削力、切削溫度、刀具壽命及加工表面質(zhì)量等進行實驗研究，這對于改善切削加工過程中刀具磨損、工件表面完整性提高都有深刻意義。

研究發(fā)現(xiàn)TiN涂層和無涂層的PCBN刀具高速車削GH4169時，在250m/min涂層刀具壽命高出無涂層20%左右，在相對較低速度的150m/min和225m/min時產(chǎn)生的是壓縮殘余應(yīng)力，而當速度提高到300m/min時，產(chǎn)生的是拉伸殘余應(yīng)力。在進行高速銑削GH4169高溫合金時，發(fā)現(xiàn)采用順銑加工的表面粗糙度比逆銑要高。如圖10所示。

4）高溫合金切削液的選擇

對于提升高溫合金加工性而言，多數(shù)研究還是停留在切削液改進上，在除去切削液后并沒有找到合適的替代介質(zhì)，切削液的冷卻潤滑作用只能少部分的實現(xiàn)，因此對于刀具的使用、刀具的壽命、切削效率也受到不同程度的影響。選取合適的切削液可以減輕切削過程中的摩擦，及時帶走切削區(qū)的熱量。研究發(fā)現(xiàn)高溫合金適用于水基的切削液來冷卻降溫，水基切削液是應(yīng)用最為廣泛的切削液，占到市場份額的70%以上，按稀釋后的狀態(tài)水基切削液包含乳化切削液、微乳化切削液、合成切削液。而對于高溫合金內(nèi)部晶格特殊性，切削時采用合成切削液較為合適。

傳統(tǒng)的冷卻方式對于減少刀具破損現(xiàn)象、提高斷屑性能所起作用非常小，而且絕熱剪切作用對降低切削溫度的作用也并不明顯。但是，隨著機床輔助設(shè)備的發(fā)展，近來出現(xiàn)了高壓冷卻切削方式，為解決高溫合金的高效切削加工問題提供了技術(shù)支持。尋找傳統(tǒng)切削液替代品和新的冷卻方式已成為當下加工高溫合金材料的當務(wù)之急。

4 高壓冷卻切削高溫合金加工新進展

在切削高溫合金材料時，會發(fā)生嚴重的加工硬化，高溫合金內(nèi)部存在許多高硬度的硬質(zhì)化合物，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的切屑和熱量均較多，所以如果想得到較小的刀具磨損量應(yīng)采用冷卻潤滑技術(shù)。目前切削技術(shù)主要采用干式切削技術(shù)、MQL技術(shù)、低溫冷風切削技術(shù)。

鎳基高溫合金的高速切削中PCBN刀具的磨損量在濕切削條件下比干切削減少40%～50%。鎳基高溫合金高速切削過程中，PCBN刀具磨損嚴重，受切削熱的影響很大，通過切削液冷卻可以明顯改善磨損問題。因此，通過PCBN刀具配合有效的冷卻方式，才可以提高PCBN的切削性能與刀具壽命，改善高溫合金切削加工性。與普通冷卻方式相比，高壓冷卻不但可以更加有效的降低切削溫度，而且還可以提高切削過程中的刀具的斷屑性能。高壓水射流通過刀具前刀面向上開口的方式，噴射到刀具的前后刀面如圖11所示。以提高刀一屑接觸面的潤滑性，并降低工件表面溫度。高壓冷卻液的使用對刀具壽命也會產(chǎn)生影響，刀具冷熱頻率交替變高，使刀具受到較多的熱沖擊，過高的冷卻液壓力直接噴射也會造成刀具的沖擊腐蝕，在10bar高壓冷卻的條件下，刀具壽命比100bar時高出33%～61%，尤其是在較低的速度（150m/min）切削時。所以在使用切削液情況下，合理選用切削速度、和切削液壓力有助于刀具壽命提高。

針對高溫合金等難加工材料冷卻潤滑方式的研究，國內(nèi)外諸多刀具生產(chǎn)廠家和高等院校均開展了大量的試驗研究工作。因此，高壓冷卻切削技術(shù)已成為研究的重點，并且已經(jīng)成為高溫合金切削加工技術(shù)應(yīng)用研究的一個重要方向。

5 結(jié)論

高溫合金的研制與應(yīng)用一直受到各國學者的高度重視和研究機構(gòu)的支持，高溫合金材料的廣泛應(yīng)用，其切削加工性的研究已成為切削研究的一個重是要方向，高溫合金承受溫度已接近極限，通過改變合金晶格內(nèi)部來提升溫度的空間難以實現(xiàn)。高溫合金的發(fā)展重心已由普通鍛造和鑄造高溫合金發(fā)展為定向凝固高溫合金和單晶高溫合金，并向彌散強化高溫合金和纖維增強的高溫合金方向發(fā)展。

應(yīng)該對于抗腐蝕性好、強度韌度好的變形合金如GH4169，GH4720等的深入研究，保持產(chǎn)品性能和強度，以延長發(fā)動機使用壽命和降低變形合金磨損為主要目標，同時對GH4169高性能合金材料的加工技術(shù)改進。也要大膽探索超過1100℃以上的新型材料，如鈮基合金和高溫抗腐蝕性金屬化合物。本文研究探討了高溫合金的組成、用途、使用情況和合理選擇刀具材料等，以及使用新式高壓冷卻技術(shù)對切削高溫合金的提升具有一定的參考使用價值。

（編輯：溫澤宇）