冷切削加工高温合金实践

冷切削加工高温合金实践

魏倩

身份证号： 510108197408180 ***

摘要：相较于其他，高温合金为一种特别难加工的材料，实施冷切削时所得到的加工性能不好。因此，本篇文章将针对近些年来关于冷切削加工高温合金实践的研究实施分析以及总结，希望能为后续高温合金的进一步加工工作提供些许参考。

关键词：冷切削加工；高温合金；实践

伴随着国内工业化的飞快进步，诸多领域对一些核心构件的内部性能制定了更为严苛的标准。譬如在航空航天领域，具备高性能的发动机一定要事先符合飞行器起飞速度快，上升空间无限大和航程远的标准。所以，航空发动机所匹配的零部件一定要具备耐高热，耐强腐蚀以及强大杂应力的要求。不同于其他材料，高温合金具备强大的耐高温性能，可控的热稳定性以及优异的热疲劳特点，现在已经成为航空发动机最核心的材料。此外，在煤电领域当中，其也是凭借其有效的抗蠕变特点一步步变成超临界发电炉中过热器的最常用的生产材料。而在国内气电领域当中，由于高温合金的自身稳定性，其已经转变为燃气轮机轮叶片中的关键制作材料之一^[1]。至于国内核动力领域，考虑到发电锅炉的功能，其必须借助高耐腐蚀的高温合金来制备。除此之外，由于国内制造业的持续深入推进，加工高温合金时，其数量和品质必须提前进行把控。现阶段，已经有五分之一的高温合金正式应用到民用工业领域中，相信在未来，此比例还会一直提升。

一、高温合金的分类

（一）按成型工艺分类

首先就是变形保温合金。这类合金是可以按照制作零件的实际要求，借助冷热变形等诸多工艺，一步步加工制作形成的材料。此类合金已经是国内航空发动机最常用的材料，在众多国家都实现了宽泛的应用。然而，值得注意的是，伴随着合金工艺的持续进步，这种类型的合金相应的使用数量陆续降低。这些年来，国内研发加工人员已经慢慢解决了高温合金热变形加工中存在的问题，还在变形高温合金构件的制造研发中取得了重大成果。其次就是铸造高温合金。该类型的合金是借助铸造的形式实现的，而后经过加工所需构建得到所需的合金，在这个过程中，合金本身的性能完全不会被破坏。近些年来，这类合金渐渐变成了航空发动机的首选材料之一。这类合金中，最常见的就是高温合金 K403，其不仅拥有很好的铸造性能，还同时可以用来制造一些要求严苛的精铸件。最后就是粉末高温合金。此类型的合金往往需要以精细金属粉末作为制作原料，借助热等静压亦或是等温锻造等模式一步步加工形成。这类合金一方面克服了过往合金偏析不全，难以成型困难等，另一方面还拥有强大的屈服力以及不可忽视的疲劳性能。这当中就有 FGH96合金，其乃是涡轮盘制作中的必要也是首选材料^[2]。

（二）按基体元素主要成分分类

倘若按照基体元素主要成分实施分类，那么高温合金就可以划分为下述三类。首先就是铁基高温合金。这种类型的高温合金需要使用铁来充当基体，随后按照需求加入特定比例的镍亦或是铬等合金元素，整个过程耗费的资金不高，一般常用在温度不高的企业生产环境中^[3]。除此之外，其显微组织往往囊括有复杂的多边形晶粒，为十分普遍的奥氏体结构，很好的维持了合金自身的保韧性。值得注意的是，这类合金的组织一般不太稳定，内在抗氧化能力不好。第二类就是镍基高温合金。这种类型的合金需要使用镍充当基体，并同时加入多种的合金元素。和铁基高温合金一样，这种类型的合金同样以奥氏体为基体，最大的不同就在于组织更加的密实，不会破坏原先的组织性能和形状。另外，这种合金中囊括诸多种类的合金元素，整个耐温性能大大提高。至于其缺点，这种类型的合金往往疲劳性能不好，整体塑性很差。最后一类就是钴基高温合金。这种类型的合金则需要使用钴充当基体，并且钴占据了五成以上的比例，其余元素则主要是镍和硌。和上述两类合金相比，该类型的合金自身性能很好，可以承载的温度很高。然而，金属钴不管是产量亦或是挖掘量都不多，所以这种类型的合金还没有办法实现真正的宽泛应用。整体上来说，这三类高温合金中，镍基高温合金综合使用频率最多，国内已有的很多航天发动机中，其涡轮叶片都需要利用这类合金来实施制造。

（三）按合金强化类型分类

倘若按照合金强化工艺来区分，则高温合金还可以划分为下述两种类型。首先就是固溶强化高温合金，这种类型的合金需要在合金制作中加入提前设定好比例的合金元素，帮助其形成密实的单相奥氏体组织，这种合金中存在的溶质原子将会慢慢改变固溶体内部的阵列形式，并不断提高位错阻力，促使滑移无法顺利实施，继而使得合金整体性能大大增加。第二种就是时效强化合金，这种类型的合金最大的特点就是在固溶步骤结束后，立刻将合金取出，并将其放置于规定的区域和温度，使得固溶的合金元素析出，形成分布不均的硬质点，更好的加强合金的整体性质。

二、高温合金的切削加工特点

即使高温合金在在十分繁杂的生产环境中依旧可以实现性能的最大化的维持

，但是其切削加工性能较差，存在切削力大、切削温度高、刀具磨损严重等问题，导致加工质量无法满足应用要求。所以，全程保证高温合金的加工质量对更好地发挥其性能具备的作用很大。由于高温合金为十分典型的难加工材料，其切削加工期间具有下述特点。

（一）切削力大

一般来说，高温合金材料都需要具备大数量的硬质结合物，并拥有不容易变化的微观结构^[4]。然而，在实施切削加工时，这个过程出现的抵抗变形力是无法避免的。在一模一样的生产条件下，相较于普通碳钢材料，高温合金具备更高的摩擦系数，继而使得在实际切削时，刀具和不同工件之间的接触面当中会形成不可忽视的摩擦力，破坏合金的稳定性。

（二）切削温度高

众所周知，高温合金拥有其他材料没有的屈服能力，切削期间，其不可避免的会出现明显的塑性变形，继而形成诸多的切削热。加之高温合金已有的导热系数低于普通钢，更是小于常规合金材料，所以出现的热量是没有办法去散发出去的，出现不可控制的高切削温度。不仅如此，考虑到刀具和实施切削的位置间留有的面积很小，产生的热量不能以最快的速度实施分散，极易出现聚集，进一步使得刀具温度飞快提升，降低刀具的使用寿命。

（三）加工硬化严重

实施高温合金加工时，加工硬化也是最常见也是最不可忽视的问题之一。究其原因，一方面，已有的高温合金往往拥有强大的塑韧性，后续加工期间，刀具始终受到较大幅度的挤压亦或是压迫，长期下去，表面的材料势必难以维持形状，出现较大破坏，也就使得整个合金强度硬度要求持续提高。另一方面，由于切削加工出现的高温，诸多存在在合金内部的强化相难以继续发挥功能，会一步步的析出，并产生不均相分布，继而使得加工硬化的矛盾更加明显^[5]。

（四）刀具磨损严重

在具体高温合金的切削期间，由于所需的制造温度很高，加之存在的硬化情况等，这些都使得刀具在规定的周期内没有办法一直使用。所以，必须优先使用一些刀法来科学修整砂轮，使得砂轮原先的耐用性能可以大大提升。

（五）排屑困难

除上述几个不足外，在切削过程中，由于高温合金自身优异的塑性和强度，使得其形成的切削无法很好地进行截断。所以，很多切削都会和刀具之间形成不同的缠绕关而进一步破坏刀具的长期使用性，并破坏了加工效率，最普遍的就是合金表面存在的细微划痕等。

结语

就目前来说，和其他制造合金的国家相比，国内高温合金的一系列加工发展过程还是进步缓慢。所以，针对存在的这些切削加工特点，相关人员不仅需要尽快研制出具备高性能以及高效率的刀具材料，譬如优化已有的陶瓷刀具亦或是立方氮化硼刀具，还应当努力找到最科学的加工冷却手段，保证高温合金在加工之后还可以具备最佳的性能。

参考文献

[1]廖妙. 镍基高温合金轴件的预应力切削加工研究[D].湘潭大学,2012.

[2]孙克江.浅谈高温合金的切削加工[J].科技与企业,2012(01):151.

[3]康文利.高温合金的切削加工分析[J].装备制造技术,2010(09):124-125.

[4]刘逢博.高温合金零件切削加工工艺研究与应用[J].制造技术与机床,2010(11):97-100.

[5]李建明,王相宇,乔阳,郭培全.高温合金切削加工的研究进展[J].济南大学学报(自然科学版),2020,34(03):203-210.