镍基高温合金微铣削加工理论及应用技术

第1章绪论 1.1镍基高温合金组成、性质及应用 镍基高温合金是以镍为基体（镍含量一般大于50%），加入大量的强化元素W、Mo、Ti、Al、Nb和Co等构成的合金。镍基高温合金在高温条件下具有优良的热稳定性、抗疲劳强度、抗高温强度、抗腐蚀性能、抗辐射性能、抗氧化性能等[1]，广泛应用于航空航天、核工业、汽车工业、石油化工和生物医学等领域[2]。 镍基高温合金主要分类方法如表1-1所示[3，4]。 在众多镍基高温合金材料中，沉淀强化高温合金通常采用固溶强化、沉淀强化和晶界强化等方式进行强化，因此其具备优良的高温性能，可用于制作高温下承受较高应力的零部件。沉淀强化高温合金中的Inconel718合金具有良好的高温组织稳定性、抗氧化性能、抗腐蚀性能、焊接性能、抗疲劳强度和抗蠕变性能，并且在低温下也能保持优异的冲击韧性、塑性和强度，已成为当前应用*广泛的高温合金（占世界高温合金总产量的40%～50%[5]）。 Inconel718合金的化学组成成分如表1-2所示。镍的质量分数通常高达50%～55%，可以提高Inconel718合金的冶金稳定性、热稳定性、可焊性和抗腐蚀性；铁、铬、钴等元素在奥氏体中起固溶强化的作用；钛、铌等沉淀强化元素抑制γ″相转变为δ相；锰、硅、铬、钛等元素可以提高Inconel718合金的抗氧化性能和抗腐蚀性能；硼是晶界强化的重要元素，可以提高Inconel718合金的长期蠕变性。表1-3给出了Inconel718合金的物理性能参数[6]。 镍基高温合金Inconel718在航空发动机上的应用已经长达半个世纪。自从Inconel718合金被美国的INCO Huntington Alloys公司（现为SpecialMetals公司）发明并应用于涡轮零部件后，它以优良的综合性能迅速被各大涡轮发动机制造商接受并应用，在发动机减重、简化结构和降低成本方面起到了重要作用，成为航空发动机历史上应用*广泛的镍基高温合金材料。 20世纪60年代，镍基高温合金Inconel718*先在美国通用电气公司（简称GE公司）和普拉特 惠特尼集团公司（简称P&W公司）生产的军用飞机发动机系列上得到大规模的应用，如GE公司生产的TF39、LM2500发动机系列中的压气机叶片、轮盘，P&W公司生产的J58、TF30、F100发动机系列中的机匣等关键零部件。20世纪70年代，镍基高温合金Inconel718开始大规模被应用到民用飞机发动机上。在GE公司生产的CF6发动机上，Inconel718合金的质量占比达到34%[7]（图1-1）。在P&W公司生产的PW4000发动机上，镍基高温合金质量占比为39%（图1-2（a）），其中，57%为Inconel718合金[8]（图1-2（b））。2000年GE公司所需锻件金属材料质量占比如图1-3所示，其中Inconel718合金质量占比达到55%[7]。1995～2000年，GE公司所有发动机产品系列的关键旋转类零部件材料中，Inconel718合金质量占比一直高居60%以上，并且逐年增加，2001年达到近70%。至2011年，Inconel718合金（国内牌号GH4169）在发动机中的用量已由几个、十几个零件号增加到二百多个零件号[9]。现代航空发动机的很多零部件，如涡轮盘、 叶片、机匣、轴、定子、支撑件、紧固件等都由Inconel718合金制成。Pulidindi和Prakash发现，Inconel718合金占2019年的镍基高温合金市场的份额超过54%，相当于40多亿美元[10]。 镍基高温合金Inconel718是典型的难加工材料，主要表现在切削力大、切削温度高、刀具磨损严重、加工硬化严重、加工效率及加工质量难以提高等方面。 1）切削力大 镍基高温合金中有许多高熔点的金属元素，构成组织结构致密的奥氏体固溶体，塑性好，有很稳定的原子结构，使原子脱离原来的平衡位置需要较大的能量，因此加工时刀具遇到的阻力大。镍基高温合金的切削力是普通钢材的3～5倍[9]。通常情况下，工件与刀具摩擦产生的热量能够减小低熔点金属所需的切削力，但在切削镍基高温合金时，即使温度达到750℃，切削力也不会有明显的变化[10]。 2）切削温度高 镍基高温合金加工过程中，切削区域的塑性变形较大，摩擦加剧，切削热大量积聚，加之镍基高温合金材料本身导热性较差，大部分的切削热集中在切削区，导致切削区平均温度很高，变形区温度出现骤升现象。 3）刀具磨损严重 镍基高温合金对多种金属表现出高亲和力。在加工过程中，刀具、切屑与工件之间易产生黏附，导致扩散磨损严重。若镍基高温合金黏附在刀具表面，则刀具的前刀面容易产生涂层剥落，严重时甚至产生缺口[11]。虽然选择合适的涂层和切削参数可以延长刀具寿命，但加工镍基高温合金的刀具寿命仍然比加工不锈钢、铜、铁等材料的刀具寿命短得多[12]。 4）加工硬化严重 当切削一般金属时，加工硬化会被温度升高所引起的软化现象削弱，但是镍基高温合金软化温度较高，软化速度较慢，在允许的切削温度范围内，其软化程度远小于硬化程度。在较高的切削温度下，常有合金中的强化相从固溶液中析出，这也会进一步提高材料的表面强度和硬度。切削加工后，镍基高温合金的硬度可以达到原来硬度的2～5倍[13-15]。 5）加工效率及加工质量难以提高 在镍基高温合金切削加工过程中，切削力过大，切削温度过高，刀具磨损严重，导致切削速度、进给量和切削深度①难以加大，限制了加工效率、工件加工精度及表面完整性的提高。 1.2镍基高温合金切削性能 国内外专家学者围绕镍基高温合金的切削力、切削热（温度）、切削稳定性、刀具磨损、表面完整性等方面进行了大量研究。对于镍基高温合金切削力，王园伟[16]研究了镍基高温合金Inconel718高速铣削加工过程中的切削力，分析了铣削用量对切削力的影响，并建立了切削力的经验模型；杨振朝等[17]发现车削镍基高温合金Inconel718时，切削力随前角的增大而减小，随后角的增大而变化不大，随刀尖圆弧半径的增大而增大，说明前角和刀尖圆弧半径对切削力的影响显著；Liu等[18]研究了镍基高温合金Inconel718车削加工过程，发现影响主切削力*主要的因素是切削深度，其次是进给量，再次是切削速度。对于切削温度，杨辉等[19]应用DEFORM-3D对镍基高温合金切削加工进行了仿真研究，仿真结果表明，切削温度随切削速度的增加而显著增大；刘均伟[20]围绕高速铣削镍基高温合金Inconel718时切削热在切削刀具和工件上的分配进行了深入研究，研究发现，温度*高的地方在前刀面和切屑的摩擦位置，并且随着转速和进给量的增加，切屑带走的热量增加，但刀具与工件的温度没有明显增加。对于切削稳定性，Hoe等[21]对镍基高温合金Inconel718铣削过程中的动态响应进行了时域和频域分析，结果表明，在较低的切削速度下，变螺旋线和变螺距的铣刀能够有效抑制颤振。对于刀具磨损，Bushlya等[22]研究了用涂层和未涂层聚晶立方氮化硼刀具高速切削镍基高温合金Inconel718时的切削力、刀具寿命、刀具磨损和表面完整性，发现当切削速度超过300m/min时，有无涂层对刀具磨损的影响不大；Zheng等[23]揭示了加工镍基高温合金Inconel718时的陶瓷刀具磨损机理，结果表明，车削过程中陶瓷刀具的主要磨损机制为剥落、微裂纹、磨粒磨损和黏着磨损，铣削过程中刀具的主要失效机制为微裂纹、剥落和黏着磨损。 围绕镍基高温合金切削加工表面完整性，专家学者也进行了深入探索。Cai等[24]通过镍基高温合金Inconel718铣削试验发现，由于镍基高温合金Inconel718对应变率较为敏感，在高速铣削时应变率较大，随着切削速度的增大，加工硬化逐渐严重，显微硬度增大。Balbaa等[25]采用光滑粒子流体动力学（smoothed particle hydrodynamics，SPH）方法进行了激光辅助车削和传统车削镍基高温合金Inconel718仿真研究，结果表明，激光辅助车削表面为残余压应力，而传统车削表面为残余拉应力。Hua等[26]研究了切削速度、进给速度和刀尖半径对镍基高温合金Inconel718加工表面粗糙度、显微硬度和加工硬化情况的影响，研究结果表明，进给速度和刀尖半径对加工表面粗糙度的影响显著，切削速度对加工表面粗糙度的影响较小；随着切削速度和进给速度的提高，加工硬度增大，当采用较大的刀尖半径时，加工硬度会降低。Shen等[27]使用有限元法，研究了切削刃的微观几何形状对镍基高温合金Inconel718正交切削加工表面残余应力的影响，研究结果表明，使用较大切削刃半径的刀具或在切削刃上倒角，会增大残余拉应力和残余压应力。Feng等[28]提出了一种预测激光辅助端铣镍基高温合金Inconel718表面粗糙度的方法，研究表明，进给量对表面粗糙度影响显著，轴向切深对表面粗糙度影响很小。 镍基高温合金传统切削加工理论和技术研究已趋于成熟，相关研究思路和方法为镍基高温合金微铣削加工研究提供了理论和技术参考。 1.3介观尺度镍基高温合金微小结构/零件加工 随着科学技术的进步，航空航天、能源动力、生物医学等领域都出现了介观尺度微小结构/零件。介观尺度微小结构/零件尺寸一般为几毫米，几何特征尺寸只有几十至几百微米[27]。此类微小结构/零件精度要求高，具有三维（3D）几何结构形状，如台阶面、深孔、薄壁等，其中部分零件不仅要求能承受较高的工作温度，还要求具备较高的强度和耐腐蚀性能，如超微型涡轮发动机叶片（图1-4（a））、微型火箭发动机喷嘴（图1-4（b））和微流控芯片金属热压模具（图1-4（c））等。 目前，可用于加工镍基高温合金微小结构/零件的方法有微细电火花加工、微细电解加工以及微细激光加工等。微细电火花加工具有无切削力、不产生毛刺、可以加工三维结构等优点，但存在电极易损耗、加工稳定性不易控制等缺点；微细电解加工不会产生由切削力所引起的残余应力及变形，不会产生飞边与毛刺，也不会产生微细电火花加工时出现的凹坑和再凝固层，但微细电解加工不易达到较高的加工精度和加工稳定性，小批量生产成本高，电解产物需要妥善处理，否则会污染环境；微细激光加工精度高，无机械作用力，加工变形小，易于保证较高的加工精度，可加工材料范围广，对难加工材料的加工效果良好，加工速度快，生产效率高，但需要使用高性能激光器，成本较高，且加工后存在变质层。以上方法可有效实现镍基高温合金微小结构/零件二维（2D）或简单三维结构加工，但对