高 奇，郭光巖，靳 潑

(遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，錦州 121001)

0 引言

白層具有較好的耐腐蝕性，其硬度高于基體[1]。在各種白層中可見(jiàn)材料的高應(yīng)變、高密度位錯(cuò)及滑移線等大量塑性變形的現(xiàn)象，白層中也會(huì)存在不同角度的表面微裂紋，影響工件表面的磨損行為，白層是影響工件表面質(zhì)量及其服役性能的重要因素[2-4]。PRADEEP等[5]采用最小量潤(rùn)滑(MQL)對(duì)AISI52100鋼硬車(chē)削發(fā)現(xiàn)白層厚度受刀具刃徑、切削速度和進(jìn)給量的影響顯著。陳濤等[6]針對(duì)GCr15淬硬軸承鋼研究了不同切削條件下的白層形成機(jī)理，分析了切削速度和刀具磨損狀態(tài)對(duì)白層特征的影響規(guī)律。徐進(jìn)[7]通過(guò)高速硬態(tài)切削發(fā)現(xiàn)隨著切削用量和材料硬度增大，白層厚度增大，工件表層材料顯微硬度提高。辛奇[4]針對(duì)鈦、鈦合金以及合金結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行干式正交車(chē)削試驗(yàn)，采用單因素分析法，利用正電子湮沒(méi)等技術(shù)研究了切削加工表面白層與切削參數(shù)等加工條件之間的關(guān)系。張文盟[8]等研究了微銑削加工GH4169中加工硬化問(wèn)題，逆銑加工時(shí)硬化程度略高于順銑，微槽兩側(cè)面硬化程度沿深度方向逐漸降低。陳雄偉等[9]進(jìn)行高速銑削模具鋼的正交試驗(yàn)，分析了銑削參數(shù)對(duì)加工硬化的影響程度，通過(guò)回歸分析法建立加工硬化的預(yù)測(cè)模型。以往研究大多針對(duì)多晶材料通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行表征[10]，機(jī)理性實(shí)驗(yàn)探討較少，本文通過(guò)對(duì)單晶材料進(jìn)行白層和顯微硬度實(shí)驗(yàn)，基于表層的元素變化機(jī)制闡述對(duì)白層和顯微硬度的影響機(jī)理。

1 已加工表面白層產(chǎn)生機(jī)制

微銑削過(guò)程中，刀具后刀面與工件材料產(chǎn)生強(qiáng)烈的擠壓和摩擦作用，工件表面承受較大的塑性變形力和較高的溫度，使工件表層微觀組織產(chǎn)生變化。實(shí)驗(yàn)采用直徑0.6 mm硬質(zhì)合金刀具對(duì)單晶鎳基高溫合金DD98進(jìn)行溝槽微銑削，微銑削機(jī)床為JX-1A高速精雕機(jī)，主軸最大轉(zhuǎn)速60 000 r/min。實(shí)驗(yàn)切削參數(shù)設(shè)定為主軸轉(zhuǎn)速30 000 r/min，進(jìn)給速度20 μm/s，軸向銑削深度12 μm。如圖1所示，圖1a中在光學(xué)顯微鏡下切削表層微觀組織呈亮白色，即白層。圖1b為掃描電鏡下微銑削試樣經(jīng)過(guò)拋光腐蝕后的形貌圖，在切削表層存在和切削方向角度一致的滑移線，其中γ′扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生畸變，形成板條狀，數(shù)量明顯少于基體成分，滑移線層厚度即對(duì)應(yīng)光學(xué)顯微鏡下的白層厚度，約3 μm左右?；w區(qū)域中的γ′尺寸及形狀分布較為穩(wěn)定。光學(xué)顯微鏡下產(chǎn)生白層的厚度恰好是在SEM下產(chǎn)生的滑移帶寬度，塑性變形造成的應(yīng)變率促使了滑移帶的產(chǎn)生，因此，對(duì)于單晶鎳基高溫合金DD98的白層產(chǎn)生機(jī)制可以用熱-塑性變形來(lái)解釋。

(a)光學(xué)顯微鏡形貌 (b)SEM形貌

2 白層影響因素分析

由單晶高溫合金白層的熱-塑性產(chǎn)生機(jī)制，通過(guò)對(duì)工件表面質(zhì)量的影響因素分析，造成工件表面應(yīng)變顯著不同的主要原因?yàn)楣ぜ那邢魉俣群偷毒叩哪p量，因此通過(guò)試驗(yàn)對(duì)這兩個(gè)主要因素進(jìn)行分析。

2.1 切削速度對(duì)白層影響

采用0.6 mm直徑硬質(zhì)合金微銑刀，其中加工參數(shù)為ap=12 μm，進(jìn)給速度為80 μm/s，切削速度采用和前面試驗(yàn)中相同的參數(shù)。通過(guò)掃描電鏡測(cè)量單晶鎳基高溫合金DD98微銑削表面白層的厚度，結(jié)果如圖2所示，列出切削速度對(duì)白層厚度的折線圖如圖3所示?？梢钥闯觯?jiǎn)尉ф嚮邷睾辖餌D98微銑削白層厚度隨著切削速度的提高先緩慢減小后逐而增加。當(dāng)切削速度為1130 mm/s時(shí)，白層厚度最小為0.76 μm，切削速度達(dá)到1884 mm/s最高時(shí)，白層厚度達(dá)到2.26 μm，白層厚度為最大值，且后期白層厚度增加速度緩慢。分析原因?yàn)?，在低速切削階段，白層厚度由1.83 μm降低到0.76 μm，白層厚度最小時(shí)對(duì)應(yīng)主軸轉(zhuǎn)速為36 000 r/min，恰好解釋此切削速度下可以獲得最優(yōu)的表面質(zhì)量，此時(shí)塑性作用大于熱作用機(jī)制而使白層厚度達(dá)到最小值。切削速度提高時(shí)，工件受刀具切削力較大，產(chǎn)生的切削熱增多，熱量同時(shí)傳遞到工件的亞表層，在較高轉(zhuǎn)速階段，切削速度繼續(xù)提高時(shí)，產(chǎn)生的熱量來(lái)不及傳入工件，隨著切屑流出或被切屑帶走，因此白層厚度增大并不顯著。

(a) v=377 mm/min (b) v=754 mm/min

(c) v=1130 mm/min (d) v=1508 mm/min (e) v=1884 mm/min

圖3 切削速度對(duì)白層厚度影響

2.2 刀面的磨損對(duì)加工表面白層影響

刀具后刀面的磨損對(duì)加工表面白層也有著重要影響，刀具磨損量通過(guò)超景深顯微鏡檢測(cè)獲得，建立白層厚度隨刀具磨損變化折線圖，如圖4所示。

圖4 刀具磨損對(duì)白層厚度影響

由圖4看出，隨著刀具磨損量的加劇，造成白層的厚度不斷增加。后刀面磨損量由3 μm增加到15 μm，白層厚度由0.56 μm增加到1.85 μm，分析原因?yàn)榈毒吣p后，刀具鈍圓半徑增加，加大了刀具后刀面和刀尖與工件已加工表面的進(jìn)一步摩擦，增大了刀具與工件的接觸面積，造成工件表面的變形和回彈，產(chǎn)生了一定了殘余應(yīng)力，同時(shí)不斷的摩擦造成了熱作用機(jī)制的顯著提升，使亞表面產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變?cè)龃箫@著，促成了白層厚度的急劇增加。

2.3 白層SEM分析

為研究白層區(qū)與基體組織的成分變化，沿切削表層向基體深部進(jìn)行線掃描分析，如圖5a所示，線掃描能譜如圖5b所示。從圖5b看出，通過(guò)提取各元素變化，對(duì)比工件材料的基體成分，在0～4 μm時(shí)，為切削空域，在能譜圖中元素含量很少，切削白層位于能譜的4～7 μm之間，其中，白層元素Cr和Co成分有所降低，而對(duì)于單晶鎳基高溫合金DD98來(lái)說(shuō)，Cr和Co是γ基體相組成元素，其含量的降低證實(shí)了過(guò)飽和的γ相切削后冷卻過(guò)程中，發(fā)生沉淀相變生成γ′相。在切削熱的影響下，γ相和γ′相兩相間存在錯(cuò)配度，γ相不斷向γ′相析出，增大了γ′相的體積分?jǐn)?shù)，顯著提高了單晶高溫合金的綜合力學(xué)性能，使其在高溫工況下仍保持較高的強(qiáng)度和硬度。Ti元素含量有所增加，Ti元素替代γ′相Ni3Al中的Al，生成亞穩(wěn)定相Ni3Ti。由基體項(xiàng)工件表層O元素逐漸增加，證明了亞表層的熱作用機(jī)制使材料發(fā)生了氧化反應(yīng)，線掃面距離大于7 μm以后，各元素含量波動(dòng)穩(wěn)定，與基體相組織一致。

(a)亞表層線掃描 (b)線掃描能譜

3 亞表層顯微硬度分析

對(duì)微銑削單晶鎳基高溫合金DD98的表面亞表層微觀形貌觀察，亞表層的晶體組織產(chǎn)生了板條狀扭曲與細(xì)化，從而造成表面至基體的硬度變化，甚至裂紋的產(chǎn)生，同時(shí)加工硬化對(duì)后續(xù)的精度再提高帶來(lái)了切削困難，對(duì)微銑削表面亞表層進(jìn)行顯微硬度的表征是評(píng)價(jià)表面質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

3.1 顯微硬度的測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)選用正四棱錐金剛石壓頭結(jié)構(gòu)，在微銑削后的單晶DD98表面延伸至基體，依次進(jìn)行檢測(cè)，用微測(cè)物鏡測(cè)量出壓痕的長(zhǎng)度d，代入式(1)中，即可求出試樣表面的顯微硬度HV。

HV=1854.4P/d2

(1)

式中，P為試驗(yàn)所施加的負(fù)荷，mN；d為壓痕對(duì)角線的長(zhǎng)度。

圖6 顯微硬度取樣點(diǎn)

在微銑削單晶鎳基高溫合金DD98的表層微觀組織結(jié)構(gòu)特征表征中，為研究給定切削條件下表層硬化程度的變化規(guī)律，采用顯微硬度計(jì)加載負(fù)荷為20 gf，保持加載時(shí)間為10 s，測(cè)量在超景深顯微鏡下完成，如圖6所示白層顯微硬度的取樣點(diǎn)，壓痕之間距離為2 μm。試驗(yàn)切削參數(shù)為n=36 000 r/min，ap=10 μm，f=60 μm/s，考慮各向異性對(duì)顯微硬度的影響，加工晶向選擇為(100)晶面內(nèi)的[001]晶向。

3.2 顯微硬度結(jié)果分析

根據(jù)顯微硬度計(jì)算結(jié)果，微銑削單晶鎳基高溫合金DD98表面加工硬化變化折線圖如圖7所示。由圖看出顯微硬度值在2 μm位置時(shí)，數(shù)值最大為HV485，此時(shí)處于切削白層深度范圍內(nèi)，明顯高于基體顯微硬度，隨著距銑削表層深度的增加，即超過(guò)銑削白層深度后，微觀組織的顯微硬度處于平穩(wěn)狀態(tài)。原因?yàn)椋寒?dāng)?shù)毒咩娤鲉尉ф嚮邷睾辖餌D98材料表面時(shí)，造成金屬表面產(chǎn)生塑性變形，在亞表層內(nèi)的晶格產(chǎn)生位錯(cuò)的滑移抵抗切削力作用。用位錯(cuò)理論可解釋為塑性變形滑移區(qū)內(nèi)部平行滑移位錯(cuò)的彈性相互作用或相交的滑移平面位錯(cuò)的彈性相互作用，相應(yīng)的滑移帶之間的距離減小，切削層的外表面阻礙位錯(cuò)從被變形材料露頭。同時(shí)切削表層的位錯(cuò)密度高于基體，因此距離表層越近顯微硬度值越高，切削表層硬度提高的同時(shí)，造成了表面脆性的增加，當(dāng)切削參數(shù)不當(dāng)或在使用過(guò)程中零件受載時(shí)，降低了工件的疲勞強(qiáng)度和壽命，致使工件微裂紋的產(chǎn)生，有必要根據(jù)實(shí)際工況抑制白層的產(chǎn)生或降低白層的厚度。

圖7 表層深度對(duì)顯微硬度影響

4 結(jié)論

(1)實(shí)驗(yàn)切削參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速30 000 r/min，進(jìn)給速度20 μm/s，軸向銑削深度12 μm條件下，白層厚度約3 μm左右，對(duì)于單晶鎳基高溫合金DD98的白層產(chǎn)生機(jī)制可以用熱-塑性變形來(lái)解釋。

(2)白層厚度受切削條件和刀具磨損影響較為明顯。通過(guò)掃描電鏡對(duì)表層能譜分析了元素改變對(duì)材料力學(xué)性能的影響。

(3)單晶鎳基高溫合金DD98微銑削白層厚度隨著切削速度的提高先減小后增大。隨著刀具磨損量的加劇，造成白層的厚度不斷增加。白層顯微硬度在距表層2 μm位置時(shí)，數(shù)值最大為HV485。