试论高温合金切削加工技术

2022-06-06 03:30王英武
科学与财富 2022年2期
关键词:合金高温加工

王英武

摘 要: 高温合金是特种行业常见的材料,广泛应用于航空航天发动机等尖端领域。本文阐述了高温合金的分类及性能,说明了高温合金的切削加工特点,最后,讨论了改进高温合金切削加工的工艺研究方向。

关键词:高温;合金;切削;加工

伴随全世界制造业的日新月异,各种高精尖产品不断涌现,对各类材料也不断提出了新的要求。高温合金以其高温强度大、热稳定性好、抗疲劳性能佳等优异性能,成为了众多行业众多工业产品尤其是航空航天发动机所离不开的重要基础材料。

1 高温合金的分类及性能

1.1 高温合金的分类

按照成型工艺,高温合金可以分为以下几类。

1)变形高温合金。即通过冷、热变形工艺加工获得的高温合金。冷、热变形工艺是最常见的高温合金加工工艺,也是我国和全世界采用较多的高温合金加工工艺。但随着科技的进步与发展,其他加工工艺的不断涌现,冷、热变形工艺所占比例已经开始减少,但是从目前来看,今后一定时期,变形高温合金仍将是全世界范围内使用最多的高温合金。

2)铸造高温合金。即通过铸造方法加工而成的高温合金。由于铸造工艺的基本特点,铸造高温合金具有合金化程度高、抗蠕变性能好等特点。目前航空发动机使用铸造高温合金的比例越来越高。

3)粉末高温合金。即以金属粉末为原料,加工获得的高温合金。粉末高温合金加工工艺一般为热等静压和等温锻造等方法。粉末高温合金最大的优势在于能够有效解决其他高温合金加工工艺过程中难以避免的偏析问题,具有屈服强度高、晶粒细小、疲劳性能优异等特点。

1.2 高温合金的性能

高温合金虽然种类繁多,但总体来看,都具备热强度高、组织性能稳定、抗氧化性强、抗腐蚀性强、硬度大、熔点高、无毒、抗蠕变性能佳的特点,可以保证它们在复杂恶劣的工作条件下仍然能够具有良好的综合性能,发挥其应用的作用。

2 高温合金的切削加工特点

高温合金都是为特殊的工作环境而生,因此,高温合金的加工质量极为重要。高温合金的切削加工具有以下特点。

2.1 切削力大

高温合金普遍具备极高的硬度,从微观结构上来说,高温合金极为稳定,要破坏这样的稳定结构,刀具的切削力也要足够大才可以。

2.2 切削温度高

较大的切削力会导致较大的产热,而高温合金的导热性相对于一般金属又比较差,这就会致使加工过程中的散热不良,进而导致切削温度高,影响刀具寿命。

2.3 加工硬化严重

加工硬化是高温合金加工过程中不可避免的现象。一方面,高温合金具有较高的塑性和韧性,在刀具刃口和后刀面的挤压和摩擦作用下,已加工表面的材料会产生明显的塑性变形,导致强度和硬度的增加; 另一方面,高温合金的切削加工会产生较高的切削温度,导致合金中的强化相从固溶体中析出,并呈弥散相分布,使加工硬化现象变得更为明显。

2.4 对刀具要求高

前面所述的切削温度高和加工硬化严重对切削工艺中使用的刀具提出了高要求,刀具的使用寿命和散热等都是高温合金加工过程中需要重点关注的问题。

2.5 排屑困难

高温合金的塑性都比较好,因此切削过程中产生的切屑往往会连续成条状,经常会与材料本身及刀具发生缠绕。排屑难度大,对加工效率、刀具寿命乃至加工质量都会产生不利影响。

3 改進高温合金切削加工的工艺研究

对于高温合金的切削加工的研究主要集中在刀具和冷却工艺两个方面。

3.1 刀具优化

与传统切削工艺所使用的刀具相比较,加工高温合金的刀具需要更好的抗腐蚀、抗氧化及耐热性能,才能更好保障刀具的寿命和加工质量。目前常用的高温合金加工刀具有以下几种类型。

3.1.1 高速钢

高速钢的特点是强度和韧性好,是传统切削工艺中的常见刀具。但是高速钢易发生崩刃,使用寿命短,加工效率不高。为了满足高温合金的切削需要,研究人员研发了新型高速钢刀具,例如高钴高速钢M42和铝高速钢501等,均在高速合金的加工过程中取得了应用。但应当指出的是,随着新工艺的出现,高速钢刀具在高温合金的加工工艺中的应用已经越来越少。

3.1.2 硬质合金

硬质合金塑性好、耐磨性好、硬度高,是高温合金切削加工中最常用的刀具材料。由于高温合金切削温度高的加工特点,常用的硬质合金刀具材料以K类和S类硬质合金为主。除这两者之外,随着对高温合金加工精度要求的逐步提高,超细晶硬质合金刀具已成为业内普遍关注的一个发展方向。

3.1.3 涂层硬质合金

顾名思义,涂层硬质合金即刀具上具备一个涂层,起到保护刀具以延长其使用寿命的作用。

研究人员发现,涂层可以减少刀具与工件之间的接触扩散与化学反应,保持刀具的硬度和耐磨度,延长刀具使用寿命。目前,用于高温合金加工的涂层硬质合金刀具已逐渐由单一涂层发展为复合涂层。今后的涂层硬质合金刀具的研究方向将是新型涂层的开发与应用。

3.1.4 陶瓷基材料

陶瓷材料除了硬度高、耐热性好之外,作为切削高温合金刀具材料最大的优点是难于与工件发生黏结。可以显著提升加工效率。但是陶瓷材料的脆性大、导热系数小,对刀具使用寿命有一定的不利影响,限制了它的应用。

3.2 合理的冷却工艺

前已述及,高温合金的加工过程产热量大、散热困难,因此,冷却工艺也是高温合金切削加工的关键工艺之一。

3.2.1 微量润滑切削

微量润滑切削技术是将压缩后的气体和极少量的润滑剂混合气化后,形成微米级气溶胶喷向切削区域,减少刀具与工件的摩擦黏结,便于切屑排出。目前,传统的微量润滑切削已经不能满足高温合金加工的需求,新型的微量润滑技术偏向于研制新的润滑剂或与其他技术相结合的方向发展。

3.2.2 高压冷却切削

高压冷却切削是指将冷却液压力升至预定数值后,利用高压效应将冷却液喷射到切削区域,从而降低加工区域温度的一种新技术。尽管高压冷却技术是一个很有前景的研究方向,但是,如何选择合理的压力和高压冷却剂也是非常值得研究的内容。

3.2.3 低温冷却切削

低温冷却切削将液氮等低温流体喷射到切削区域,在加工区域内形成超低温环境,此时部分材料会发生韧脆性转变,使高温合金切削加工性得到改善,提高切削质量和效率。

大量试验结果表明,低温切削工艺对切削区域具有连续冷却效果,可以显著降低高温合金加工过程中产生的切削热,大幅降低切削温度,有助于改善合金切削质量,但是,低温切削所用的冷却剂制造成本较高,经济价值与需求不符,是限制低温切削工艺发展的一个重要原因。

4 结语

高温合金在具备可以满足复杂工作条件的优异性能的同时,也具备加工难度大的特点。因此,如何在不断提高高温合金性能的同时,有效降低加工难度,提升加工质量已经成为行业内普遍关注的热点问题。目前,全世界的研究者都将目光聚焦在刀具材料和冷却工艺两个方面,希望能够实现突破,进一步提高高温合金的应用范围,满足更大范围的应用需要。

参考文献:

[1]赵娜.高温合金Inconel625本构模型及切削过程仿真研究[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学,2016.

[2]于敏,蔡凯洪,李振瑞,等.低膨胀高温合金概述[J].金属材料研究,2017,43(2):21-26.

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