镍基高温合金高速铣削加工表面完整性

杜劲，刘战强，张入仁，苏国胜

(山东大学 机械工程学院，山东 济南，250061)

摘要：采用高速铣削加工试验，研究切削速度对2种不同的镍基高温合金FGH95和Inconel718已加工表面完整性的影响规律，并观察高速铣削加工后的切屑形貌。试验结果表明：在较低切削速度范围内(800~2 000 m/min)，切削速度对表面粗糙度的影响很小，两者表面粗糙度相差不大，但在较高的切削速度范围内(＞2 000 m/min)，FGH95的表面粗糙度要大于Inconel718的表面粗糙度。在相同切削条件下，Inconel718的加工硬化率和加工硬化层深度要明显比FGH95的大，并且Inconel718表面白层的厚度大于FGH95表面白层厚度。高速铣削加工FGH95和Inconel718切屑均出现明显的锯齿化现象，并且随着切削速度的提高，锯齿化程度不断加剧以至变为碎屑。

关键词：镍基高温合金；高速铣削；表面完整性

中图分类号：TG501.1.3        文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)07-2593-08

Surface integrity on high speed milling Ni-based superalloy

DU Jin, LIU Zhan-qiang, ZHANG Ru-ren, SU Guo-sheng

(School of Mechanical Engineering, Shandong University, Ji’nan 250061, China)

Abstract: By the experiments of high speed milling, the influence of the milling speed on machined surface integrity of two different forming process of Ni-based superalloys FGH95 and Inconel718 was investigated, and the chip morphology was observed after each experiment. The results indicate that at low cutting speed range (800-2 000 m/min), the influence of cutting speed on surface roughness is very small, with little difference between the surface roughness of FGH95 and Inconel718, but at the high cutting speed range (＞2 000 m/min), and the surface roughness of FGH95 is higher than the surface roughness of Inconel718. Work hardening rate and the depth of hardening layer of Inconel718 is significantly greater than FGH95 in the same cutting conditions, and the thickness of white layer of Inconel718 is greater than the thickness of white layer of FGH95 surface. Serrated chip occurs during high milling Ni-based superalloy, as the cutting speed increases, the grade of serrated tooth grows.

Key words: Ni-based superalloy; high milling; surface integrity

Inconel718镍基高温合金是采用传统锻造工艺生产的以体心立方和面心立方强化的镍基高温合金，主要用于发动机转动部件的盘件、承力环、鼓简轴以及非转动部件的机匣等^[1-2]。FGH95镍基粉末高温合金是用粉末冶金生产工艺生产的高温合金，用于代替Inconel718合金制造新型发动机的盘件和其他热部件，主要用于制造先进航空发动机的压气机盘、涡轮盘、涡轮轴以及涡轮盘挡板等高温承力转动部件^[3-6]。粉末高温合金解决了传统的铸锻高温合金由于合金化程度的提高，铸锭偏析严重，热加工性能差，成形困难等问题，是现代高推重比航空发动机涡轮盘等关键部件的必选材料^[7-10]。

切削加工表面完整性对高温合金零件的疲劳性能有很大影响^[11]。航空零件的可靠性和使用寿命取决于所用结构材料的疲劳特性，从航空发动机的使用过程和故障分析得知，各种形式的疲劳破坏几乎都集中在零件的表面或接近表面的地方。当零件处于腐蚀介质和交变载荷的共同作用时，较差的表面完整性将会加快零件的疲劳破坏，降低零件的使用寿命^[12]。

由于高温合金的特殊用途，对其加工表面完整性的研究一直受到重视。胡华南等^[13]发现低速切削高温合金时，塑性变形过程在试件表面内未发现有相变，而仅在晶粒内形成剪切滑移，晶粒的形状、尺寸及取向发生改变；切削液可提高工件表面质量；工件加工质量与切削参数直接相关。Vinean等^[14]试验研究表明，当用陶瓷刀片加工镍基高温合金时，对比K20硬质合金刀片，被加工表面层的拉应力提高，而次表层的压应力也高，但工件的疲劳强度却很接近。Xu等^[15]等通过试验研究磨削温度对K417镍基高温合金表面完整性的影响发现由于磨削产生的温度不足以产生磨削裂纹，除了表面粗糙度外工件的表面完整性不受磨削温度的影响。Pawade等^[16]研究了高速车削加工Inconel718镍基高温合金时，切削用量和切削刃几何参数对表面完整性的影响，研究发现当切削速度为475 m/min，进给量为0.05 mm，切削深度为0.75 mm，并采用珩磨切削刃时切削加工后表面为残余压应力；在大多数的加工条件下，已加工亚表面出现严重的加工硬化现象，硬化层深度可达200 μm，但当切削速度为300 m/min，进给量为0.15 mm，切削深度为0.50 mm，并采用20°倒角切削刃进行高速车削加工后，加工硬化程度较低。Arunachalam^[17]利用涂层硬质合金 刀具加工经过时效强化的Inconel718高温合金，研究发现切削刀具几何参数对残余应力的类型起主导作用，当采用涂层硬质合金具有倒角和负前角并且刀尖半径为0.8 mm的圆形刀片切削加工Inconel718时，产生的残余应力较小，并且大多是残余压应力。

Li等^[18]通过精密面车削高强度镍基粉末高温合金RR1000，研究了刀片类型、刀具涂层、刀具磨损和刀具破损对已加工表面残余应力的影响。研究发现：与菱形刀片相比，圆刀片引起的拉应力稍高，未涂层刀片的性能不亚于涂层刀片，随着刀具磨损的增加，表面拉应力也随之增加，但没有出现更多的塑性变形，无论刀具是否磨损，加工硬化层在50 μm左右，但是已破损的刀具则在30 μm左右。Veldhuis等^[19]利用TiAlN涂层硬质合金刀具精车削研究ME16加工表面形成2~4 μm深的白层，由于含氧化铝白层的出现，导致热传导率降低，引起切削温度的升高，这对加工表面的质量有负面作用，刀具寿命也降低。

综上所述，前人已经对高温合金的切削加工表面完整性做了大量的研究工作，得出的结论对生产实际起到了重要指导作用。高速切削FGH95粉末高温合金的表面完整性对航空发动机用涡轮盘的疲劳寿命和使用性能有至关重要的影响，但是对于在高速切削加工时，镍基粉末高温合金FGH95表面完整性以及切削速度对FGH95切屑形态的影响的研究仍是空白。由此，本文作者研究了切削速度对FGH95镍基粉末高温合金高速铣削加工表面完整性的影响，并对比研究了切削速度对Inconel718镍基高温合金高速铣削加工表面完整性的影响，分析了切削速度对两者切屑形态的影响规律，以期为优化镍基高温合金高速铣削加工参数，及进行表面完整性控制研究提供相关的试验数据基础。

1  试验条件及过程

1.1  试验材料

试验材料为采用热等静压成型的FGH95镍基粉末高温合金和采用传统锻造工艺生产的Inconel718高温合金。为了实现近似的正交切削，将上述2种材料的工件利用电火花线切割加工成厚度为2 mm的薄片，采用专用的夹具夹紧在铣床工作台上，图1所示为正交铣削示意图。

图1  正交铣削示意图

Fig.1  Schematic of orthogonal milling

1.2  试验条件

试验所用机床为ACE-500三轴数控铣床；刀具采用KENNAMETAL 生产的SNHX12L5PZFNGE KC510M三面刃铣刀，图2所示为刀具示意图。能够近似实现90°正交切削，采用KC725M涂层硬质合金刀片。为消除刀具磨损对加工后表面完整性的影响，每次切削只切除很少量合金，并且每次切削都采用新的切削刃，切削完成后观察切削刃保证无磨损。此次试验固定轴向切削深度为2 mm，固定每转进给量0.02 mm，切削速度依次选择800，1 200，1 600，2 000，2 400，2 800，3 200，3 600，4 000 m/min，收集每次切削加工后的切屑，采用超景深显微镜观察切屑形貌。采用电火花线切割将已加工试样含已加工表面部分切割，先观察已加工表面粗糙度，然后制备金相试样并进行腐蚀，腐蚀剂配比为盐酸100 mL，酒精100 mL，氯化铜5 g。采用扫描电镜对断面微观组织进行观察。

图2  刀具示意图

Fig.2  Cutting tool

2  结果及分析

2.1  表面粗糙度及表面形貌

表面粗糙度测量以及表面形貌观察采用WYKO NT9300白光干涉仪，在已加工表面上取3个点测量取平均值，取样长度为94 μm，取样宽度为126 μm。图3所示为FGH95和Inconel718表面粗糙度R_a的测量结果。

由图3可以看出：高速铣削加工FGH95当切削速度低于2 000 m/min时，已加工表面的表面粗糙度随切削速度的提高变化不大，当切削速度为2 000~3 200 m/min时随着切削速度的提高，表面粗糙度不断增大，表面粗糙度在切削速度为3 200 m/min时达到最大值。然而，当切削速度超过3 200 m/min时，表面粗糙度反而随着切削速度的提高而减小。高速铣削加工Inconel718表面粗糙度随切削速度变化的趋势与FGH95相同，当切削速度超过2 800 m/min时，表面粗糙度随着切削速度的提高而减小。

图3  切削速度对FGH95表面粗糙度的影响

Fig.3  Typical variation of surface roughness with cutting speed

由图3比较高速铣削加工镍基高温合金FGH95与Inconel718切削速度对表面粗糙度的影响可以看出，在较低的切削速度范围内(800~2 000 m/min)，切削加工FGH95与Inconel718所得表面粗糙度相差不大，并且表面粗糙度都随切削速度的提高变化不大。但是当切削速度超过2 000 m/min时，随着切削速度的提高，FGH95和Inconel718表面粗糙度都不断增加，并且高速铣削加工FGH95表面粗糙度的增加幅度要大于Inconel718表面粗糙度的增加幅度。在较高的切削速度范围内(＞2 000 m/min)，高速铣削加工FGH95的表面粗糙度要大于Inconel718的表面粗糙度。这表明在较高的切削速度范围内，Inconel718的切削性能要优于FGH95的切削性能，FGH95粉末高温合金中的非金属夹杂和PPB(原颗粒边界)和热诱导孔洞等对表面粗糙度的影响较大。高速铣削加工FGH95与Inconel718表面粗糙度出现拐点时的切削速度也不同，FGH95表面粗糙度拐点出现在切削速度为3 200 m/min时，此时的表面粗糙度为441.65 nm，而Inconel718表面粗糙度拐点出现在切削速度为2 800 m/min时，表面粗糙度为293.11 nm。

2.2  显微硬度

把线切割获取的试样经过镶嵌、研磨、抛光后采用MH-6微观硬度计在垂直于已加工表面的截面上进行显微硬度测量，测量方法如图4所示。在已加工表面下，每隔15 μm压痕测量一次，直至测量的硬度稳定接近于基体硬度。图5所示为FGH95和In718的铣削表面硬化层的分布深度与显微硬度的关系。

图4  加工硬化区

Fig.4  Microhardness region beneath machined surface

图5  铣削表面加工硬化的分布

Fig.5  Microhardness measured on sub-surface of machined surface samples

从图5可以看出：铣削FGH95镍基粉末高温合金和Inconel718镍基高温合金都会产生一定的加工硬化现象，切削速度对加工硬化层深度和加工硬化率的影响如图6和7所示。

由图6可知：高速铣削加工FGH95与Inconel718时，切削速度对加工硬化层深度影响的趋势相似，高速铣削加工FGH95时，当切削速度低于2 400 m/min时，加工硬化层深度随切削速度的提高变化较小，但当切削速度位于2 400~3 600 m/min时，加工硬化层深度明显增大。当切削速度高于3 600 m/min时，加工硬化层深度反而降低。高速铣削加工Inconel718时，当切削速度低于2 800 m/min时，加工硬化层深度随切削速度的提高变化较小，较深的加工硬化层出现的速度范围为2 800~4 000 m/min。并且当切削速度超过4 000 m/min时的硬化层深度呈减小趋势。由图7可知：高速铣削加工FGH95与Inconel718 2种镍基高温合金时，切削速度对加工硬化率的影响不大，其中FGH95的加工硬化率为119.63%，Inconel718为128.40%。从图5~7分析可以得出：Inconel718镍基高温合金的加工硬化现象比FGH95的加工硬化现象严重，这与材料结构及其成形工艺有很大的关系。

图6  切削速度对加工硬化层深度的影响

Fig.6  Typical variation of depth of work hardening with cutting speed

图7  切削速度对加工硬化率的影响

Fig.7  Typical variation of rate of work hardening with cutting speed

2.3  切削速度对白层的影响

白层是伴随着硬态切削过程所形成的一种组织形态，它是存在于已加工表面或亚表面下的、经金相试剂浸蚀后在光学显微镜下无特征形貌并呈白色的硬层，图8所示为切削加工表面的白层。白层具有2个特征：一是比基体硬度高；二是无特征组织形貌。白层的显微结构如图9所示。白层的微结构特征对工件的使用性能有着重要的影响：一方面白层的高硬度可提高抗磨能力；另一方面由于其脆性很大易形成裂纹，进而导致材料大块剥落或成为疲劳源。白层一般很硬、很脆、很薄(厚度一般为几μm至几十μm)，大多数情况下是非连续性的，因而在工件表面易形成剥落、增加磨损，而在亚表面内部的白层还可能有裂纹并易形成裂纹源，使零件断裂失效，另外，裂纹孔开裂也往往与白层有关，大大降低结构件的疲劳极限^[20-21]。由于白层尺寸薄，难于准确分析其组织特征，因此对其形成机制有一定争议^[22]，在对白层精细结构的认识上也没有达成一致看法，对白层组织的详细结构目前尚无法给出明确的定义^[23]。由此，研究高速铣削加工镍基高温合金时切削速度对白层厚度的影响对分析白层形成机制有一定的指导意义。

将切削加工后的工件经线切割加工成金相试  样，经镶嵌，在垂直于已加工表面的横截面上研磨、抛光后经金相腐蚀后利用KEYENCE超景深数码显微镜VHX-600ESO观察并测量白层厚度，结果如图10所示。

图8  切削加工表面的白层

Fig.8  White layers in machined surface

图9  白层的显微组织

Fig.9  Cross-section microstructures of machined part made of FGH95 P/M superalloy

由图10可以看出：在相同的切削用量下高速铣削加工FGH95表面白层的厚度小于Inconel718表面白层的厚度。切削加工FGH95镍基粉末高温合金时，较大的白层厚度出现在切削速度为2 800~3 600 m/min之间，出现的最大白层厚度12.99 μm，而高速铣削加工Inconel718镍基高温合金时，较大的白层厚度出现在切削速度为2 000~2 800 m/min之间，出现最大白层厚度为17.78 μm。从试验结果可以看出，白层的形成依赖于材料本身和切削加工条件。

图10  切削速度对白层厚度的影响

Fig.10  Variation of depth of white layer with cutting speed

2.4  切削速度对切屑锯齿化的影响

高速铣削加工FGH95和Inconel718高温合金时，切屑出现了明显的锯齿化现象，并且随着切削速度的提高，锯齿化程度不断加剧。这说明由于镍基高温合金的导热系数较低，在高速铣削加工时在应变率超过一定值后，由于塑性变形功产生的热量不能得到及时传导，在首先发生塑性屈服的局部区域聚集的大量热量对该局部区域产生的热软化效应超过其加工硬化效应，使该局部区域强度下降，形成变形较大的塑性变形带，即热塑剪切带，进而形成锯齿状切屑^[24]。并且切削速度越高，剪切变形越集中，热塑剪切带越窄。当切削速度提高到一定程度时，锯齿状基体屑片间连续面积随着剪切带开裂而减小，直至完全分裂分离^[25]。高速铣削加工FGH95时，当切削速度低于2 400 m/min时，切屑出现明显的锯齿化现象，随着切削速度的不断增加，锯齿化程度不断加剧，当切削速度超过2 400 m/min时，锯齿状切屑变为碎屑，图11所示为高速切削加工FGH95切屑形貌。而在高速铣削加工Inconel718时，当切削速度低于2 000 m/min时，切屑出现明显的锯齿化现象，随着切削速度的不断增加，锯齿化程度不断加剧，当切削速度超过2 000 m/min时，锯齿状切屑变为碎屑，图12所示为高速切削加工Incone1718切屑形貌。FGH95和Inconel718锯齿状切屑转变为碎屑的切削速度不同，FGH95转变为碎屑的切削速度要比Inconel718的高，这说明切削速度为2 000 m/min，时Inconel718高温合金的脆性比FGH95的大。

图11  高速切削加工FGH95切屑形貌

Fig.11  Chip morphologies of high speed milling FGH95

图12  高速切削加工Inconel718切屑形貌

Fig.12  Chip morphologies of high speed milling Inconel718

3  结论

(1) 在较低切削速度范围内(800~2 000 m/min)，加工FGH95与Inconel718表面粗糙度相差不大，切削速度对表面粗糙度的影响很小。但在较高的切削速度范围内(＞2 000 m/min)，加工FGH95的表面粗糙度在相同条件下大于Inconel718的表面粗糙度。

(2) 高速铣削加工FGH95和Inconel718都会产生一定的加工硬化现象，但是在相同的切削速度下，两者的加工硬化率和加工硬化层的深度不同，Inconel718的加工硬化率和加工硬化层深度要大于FGH95的加工硬化率和加工硬化层的最大深度。

(3) 在相同的切削用量下高速铣削加工FGH95表面白层的厚度小于Inconel718表面白层的厚度，并且两者白层最大厚度出现的速度区间不同。

(4) 高速铣削加工FGH95和Inconel718切屑出现明显的锯齿化现象，并且随着切削速度的提高，锯齿化程度不断加剧。高速铣削加工FGH95时当切削速度超过2 400 m/min时，锯齿状切屑变为碎屑，而高速铣削加工Inconel718锯齿状切屑变为碎屑的切削速度为2 000 m/min。

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(编辑 陈爱华)

收稿日期：2011-08-19；修回日期：2011-11-26

基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(50935003)；国家重点基础研究发展计划(“973”计划)项目(2009CB724401)；国家自然科学基金资助项目(50828501)；山东省自然科学杰出青年基金资助项目(JQ200918)

通信作者：杜劲(1985-)，男，山东济南人，博士，从事粉末高温合金的切削加工表面完整性研究；电话：13853120838；E-mail：dj84105@126.com