高温合金材料加工中的问题

工欲善其事，必先选对刀具之高温合金

高温合金又称耐热合金或热强合金，能在600~1000℃的高温氧化气氛及燃气腐蚀条件下工作，热强性能、热稳定性及热疲劳性能良好。

高温合金按基体元素分为镍基高温合金、铁基高温合金及钴基高温合金，广泛应用于各个领域，特别是航空、航天、发电设备和造船等行业。

 

1、高温合金的分类及特点

高温合金按基础元素、成型工艺和强化方式大体可分为三类（括号内为合金材料应用范围的占比）

按合金所包含的基础元素为维度进行划分：分为铁基高温合金（占14.3%）、钴基高温合金（占5.7%）和镍基高温合金（占80%）；

按合金制造工艺为维度进行划分：分为变形高温合金（占70%）、铸造高温合金（占20%）和新型高温合金（粉末高温合金）；
   按合金强化方式为维度进行划分：分为固溶强化型、沉淀强化型、氧化物弥散强化型和晶界强化型。

 

 

2、高温合金的分类及特点

01.合金主要元素

名称：铁基高温合金

特性：使用温度较低（600-850℃）典型牌号有GH4033、 GH4169. K403等

应用：主要用于发动机温度较低部位，比如使用温度较低的航空航天发动机以及工业燃气的涡轮盘、机匣和轴等零件，以及一些承力件和紧固件

 

 

名称：镍基高温合金

特性：使用温度为中高温（650-1000℃）典型牌号有GH2036, GH2135等

应用：航空航天发动机涡轮部分工作叶片、导向叶片、涡轮盘和燃气室等（最热段零件）

名称：钴基高温合金

特性：使用温度高（730-1100℃） ,具有良好的铸造性和焊接性；钴资源较少导致价格贵，典型牌号有K640 等

应用：导向叶片材料

 

 

02.强化方式

 

名称：固溶强化高温金金

特性：优异的抗氧化性、良好的塑性和成型性以及一定的高温强度

应用：主要用于环境温度较高，但承受应力较低的零件，如燃烧室和火焰筒等部件

名称：时效任化高温合金

特性：具有较高的高温强度和蠕变强度以及良好的综合性能

应用：主要用于承受高负荷、环境温度为高温或中温的零件，如涡轮叶片和涡轮盘等结构件

 

名称：氧化物弥散强化高温合金

特性：弥散分布氧化物颗粒具有高燃稳定性，在1000℃以上仍能保持较高的   强度

名称：晶界强化高温合金

 特性：合金中加入微量硼、镁、锆等元素改善晶界状态以提高合金抗蠕变能力

03.制造工艺

名称：变形高温合金

特性：可以进行冷、热变形加工，具有良好的力学性能和综合的强韧性指标，具有较高的抗氧化、抗腐蚀性能，工作温度在-253℃-1320℃

应用：一部分用于制作航空、航天发动机燃烧室、机匣等部件；一部分用于制作航空、航天发动机的涡轮盘与叶片等结构件

 

名称：铸造高温合金

特性：以铸造方法直接制备零部件的高温合金材料（变形高温合金的下游）,工作温度在1300-1500℃应用：主要应用在航空发动机，涡轮叶片（包括成材率较低的单晶叶片）、导向叶片、整铸涡轮、增压器、 涡轮机匣、尾喷管调节器等

名称：粉末高温合金

特性：晶粒细小、成分和组织均匀，基本消除了偏析.显著改善了热加工性能，能把难于变形的铸造高温合金通过粉末法改善热塑性而成为变形高温合金

应用：航空发动机的涡轮盘、压气机盘、导流盘、涡轮工作叶片前后挡板、弹性环、鼓筒轴和承力环等部件

3、高温合金难切削的原因

原因：高温强度高，加工硬化倾向大

说明：切削加工时，塑性变形抗力大，切削负荷重，切削温度高，一般镣基高温合金的单位 切削力比中碳钢高50%,加工后表面层的加工硬化及残余应力大，硬化程度可达200%- 500%,刀尖及边界磨损极其严重，副后刀面的沟纹磨损也极易发生

 

原因：导热性差

说明：导热系数约为45钢的1/5~ 1/2,故切削温度高

原因：与刀具的粘结倾向大

说明：极易产生积屑瘤，影响加工表面质量

原因：强化元素含量高

说明：在合金中形成大量研磨性很强的金属碳化物、金属间化合物等硬质点，对刀具有强烈 的擦伤作用。

4、切削高温合金的具体措施

措施：刀具材料的选择

说明：

①常用的是硬质合金刀具，仅在切削速度很低的复杂型面加工时才采用高速钢。

②用硬质合金刀具切削时，最好选用性能较佳的新牌号，适宜的CVD涂层有TiCN、TiCN+Al2O3+HfN等。

③采用高速钢刀具时，可选用W10Mo4Cr4V3Al. W18Cr4SiAlNb, W12Cr4V3Mo3Co5Si等牌号。

④另外，氮化硅陶瓷由于其抗粘结性和耐热 性及硬度高于硬质合金，所以也适用于对高温合金的半精加工和精加工。

⑤PCBN刀具由于具有高硬度和高热性等特点，更适于对高温合金的连续切削加工。

 

 

措施：刀具几何参数的选择

说明：

硬质合金车刀几何参数选用：

①前角：粗车时前角5°~-15° ,精车时前角0°~5° ,车削铸造高温合金时3°~5°

②后角：粗车时后角10°~14°，精车时后角14°~18°，车削铸造高温合金时，10°~ 15°

③主偏角上：一般采用45°~75° ,以减小径向切削力。在机床动力和工艺系统刚 性允许的条件下尽量采用较小值

④刃倾角粗车时-10°，精车时，为了控制切屑流向待加工表面，可取 0°~3°

⑤刀尖圆弧半径：对变形高温合金粗车时取0.5~0.8mm,精车时0.3~0.5mm,对铸造高温合金取1mm

高速钢铣刀几何参数选用：

①前角：铣削变形高温合金时取3°~12°,铣削铸造高温合金时取0°~ 5°

②后角：13°~16°

③螺旋角：圆柱铁刀45°，立铣刀28°~35°

刀具的磨钝标准可取切削普通钢材刀具的1/3-1/2

措施：切削用量的选择

说明：

①选择原则与切削不锈钢基本相同，最主要是切削速度。

②切削高温合金时.切削速度过高或过低.刀具磨损均较迅速。

③采用硬质合金刀具时切削速度通常采用20~50m/min；进给量宜取偏小，一般取片0.1 ~0.5mm/r.，粗车时取大值，精车时取小值，背吃刀最不宜过小，粗车时取2~4mm，精车时取0.2-05mm，高速钢立铣刀加工高温合金常用的切削用量为vc=5- 10m/min, f=0.05-0.12mm/r,ap=1-3mm，硬质合金面铣刀则为vc =20~45m/min，f=0.05~0.1mm/r. ap=1-4mm。

④进行适当的热处理 铁基高温合金可采用退火处理，镍基高温合金可采用固溶处理。