粉末高温合金FGH95高速切削加工表面完整性研究

【摘要】：粉末高温合金具有晶粒小、组织均匀、无宏观偏析、合金化程度高、屈服强度高及抗疲劳性能好等优点,是现代高推重比航空发动机涡轮盘等关键高温部件的首选材料。切削加工表面完整性对航空发动机零部件的疲劳寿命等服役性能起着至关重要的作用。但是目前对粉末高温合金的切削加工表面完整性的研究几乎还是空白。本文主要针对FGH95粉末高温合金的材料特性,对其切削加工特点进行研究,重点研究切削加工表面的表面粗糙度,加工硬化、残余应力、白层及表面塑性变形及其影响因素,为生产实际中控制切削参数,提高粉末高温合金零部件的服役性能提供理论和技术指导。 分析研究FGH95粉末高温合金的组织结构、相、合金中的非金属夹杂以及力学性能,为切削表面微观组织结构的转变以及表面物理力学性能的变化的研究提供基础；与GH4169高温合金的切削加工性进行对比分析,通过切削试验研究切削速度、进给量和切削深度对切削力和切削温度的影响规律；研究切削速度对切屑形貌的影响,分析其难加工特点；采用正交铣削试验获取切屑根部,研究切削过程中材料的断裂特性,探索FGH95合金切屑形成的周期性断裂机制,揭示FGH95合金切削过程的延性断裂本质,为研究其切削表面完整性奠定基础。 建立考虑切削表面弹性回复的正交铣削FGH95合金表面粗糙度模型,研究切削深度和切削速度对FGH95合金正交铣削表面粗糙度的影响规律。发现随着切削深度的增大,表面粗糙度增大。在常规切削速度范围内的表面粗糙度值明显大于高速切削得到的表面粗糙度。采用具有不同后刀面磨损量的涂层硬质合金刀片进行FGH95合金切削加工试验,揭示刀具后刀面磨损量对表面粗糙度的影响规律,确定切削加工FGH95合金时涂层硬质合金刀具的磨钝标准。 基于切削加工过程中切削力和已加工表面的应力关系建立切削加工表面硬化层深度预测模型,通过切削试验验证该模型的有效性。对FGH95切削表面的残余应力进行试验测试和有限元仿真研究,探索残余应力沿切削深度方向的分布规律。 基于切削第四变形区形成理论建立切削加工表面塑性变形计算模型,对表面塑性变形及塑性变形深度进行理论预测,在不同切削速度下进行FGH95镍基粉末高温合金切削试验和有限元仿真表面塑性剪切应变和塑性变形深度验证该理论模型的有效性。结果表明：在常规切削速度下,随着切削速度提高,已加工表面的塑性变形深度减小,塑性变形深度在0.02-0.04mm之间；已加工表面的塑性剪应变随着切削速度的提高而增大,已加工表面塑性剪应变在1.2-4.0之间。高速切削加工FGH95粉末高温合金时在其他切削用量保持不变的情况下,获得表面塑性变形深度和表面塑性剪应变较小的切削速度区间为400～2400m/min。已加工表面的塑性剪应变在沿切削深度方向上服从负指数分布,即在已加工表面上具有最大值,然后沿着垂直于已加工表面方向塑性剪应变值急剧减小。 对FGH95合金基体和已加工表面白层进行EDS能谱、XRD衍射分析研究,结果表明：FGH95合金白层与基体组织不同,白层中的强化相γ'含量比基体中增加8%-15%,且发生了γ'相的细化；FGH95合金中的Ni基固溶体在切削加工过程中发生物相变化,白层中基体相γ和强化相γ'晶格错配度增大；白层的结晶度较差且晶粒发生细化,切削速度越高,晶粒细化程度越严重,合金中的大、中型晶粒的个数不断减少,细小晶粒的个数不断增多。基于切削加工过程中切削力及切削温度和加工后表面白层厚度分析,研究切削应力、应变率和切削温度对白层厚度的影响规律,揭示FGH95合金切削加工表面白层形成的形相变耦合机制。结果表明：白层的形成与切削过程中的应力和应变率有关,随着应力和应变率的增大,白层厚度增大；切削温度的升高也导致白层厚度的增大,但是在低于材料相变临界温度时,白层仍然形成,这说明严重的塑性变形在白层形成过程中起着不可或缺的作用。 本课题得到国家重点基础研究发展计划(973)(2009CB724401)和山东省自然科学杰出青年基金(JQ200918)的支持