镍基高温合金及其切削加工
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高温合金可细分为镍基合金、铁基合金和钴基合金。高温合金在780℃以上的高温环境中仍具有良好的机械强度和保持表面性能不下降的能力。正确的加工方法包括高刚性的机床设备、高压冷却方式、正前角刀片、适当的主偏角和最佳切屑厚度。只要很好地把握这五个关键要素,镍基高温合金的加工就成功在望。
许多需要“上天入地”的金属零部件必须在高温、高压的严酷环境中工作。零件设计者通常将此类零件统称为耐热超级合金(HRSA)零件。这些高温合金又可进一步细分为镍基合金、铁基合金和钴基合金。
镍基和钴基高温合金主要用于航空航天、石油天然气开采、石油化工等行业,其用量大约占到高温合金的90%。
高温合金在780℃以上的高温环境中仍具有良好的机械强度和保持表面性能不下降的能力。这是因为高温合金具有很高的抗拉伸强度、抗蠕变破裂强度和抗疲劳强度,以及良好的延展性和韧性,其抗氧化能力和耐热腐蚀性能也十分优异。与其他高温合金相比,铁基高温合金的成本较低,但其可添加的合金元素较少,有利的机械特性较为逊色,使用温度的上限值也较低。钴基高温合金的成本比其他高温合金高得多,而且通常无法进行时效硬化,以获得更高强度。不过,钴是镍基高温合金中添加的一种重要合金元素,因为它能通过降低时效硬化相的溶解度,来提高镍基合金的最高使用温度。
镍基高温合金的市场份额占到整个高温合金市场的一半以上,此类合金中最突出的代表包括Inconel 718合金、Waspaloy合金和Udimet 720合金。大约有60%的镍基高温合金都用于航空制造业。镍基合金大约占到一台典型飞机发动机重量的1/2 ,主要应用于两个高温部位:燃烧室和涡轮。
本文主要介绍镍基合金的应用领域、镍和所添加其他合金元素的特性、有效切削加工镍基合金的刀具与技术,以及选择合适工件材料时需要考虑的成本因素。

应用领域

除了飞机发动机以外,镍基合金常见的应用领域还包括发电机涡轮零件、飞机紧固件、汽车歧管螺栓、柴油发动机排气阀以及各种用于热加工的工模具。铸造车间的许多废气循环利用装置也需要用镍基合金制造。将铜作为一种主要的合金元素添加到镍基合金中,就能将其用于制造电子器件(如熔断器和分流器)。例如,Niclal 37/38 是一种常用的铜锰镍合金,用其制造的分流器可使电器设备在通过强大电流时不会因电流冲击而造成短路。
钴镍合金具有磁场屏蔽能力,因此往往用于制造零部件的屏蔽壳和屏蔽容器。而铜镍合金具有极佳的耐腐蚀性,因此非常适合制造熏蒸喷涂设备的各种零件。由于某些镍基合金兼具优异的强度、韧性和环境耐受能力,因此也适用于其他一些常温应用(如制造医用人体植入件)。

镍及合金元素的特性

虽然大部分高温镍基合金的含镍量都在50%以上,但也有一些合金的含镍量低于50 %。例如,PyrometA-286合金的含镍量只有25 %,但仍被认为是一种高温合金。在某些应用中,镍基合金的硬度和电气性能会随着含镍量的增加而提高,这对于熔断器或分流器的应用十分有利。
商品化的纯镍200(含镍量99.6%)具有良好的延展性和机械性能、高的电导率和热导率以及低硬度。虽然它的冷作硬化率相对较低,但经过冷作加工的镍板仍然可以适度提高其强度,同时保持其延展性。纯镍200 在很少或没有自由氧的还原环境中具有最佳的抗腐蚀性,但也可以在氧化条件下和具有腐蚀性的环境中使用。在氧化环境中,合金表面会形成钝态氧化膜。镍还能在低温或中温条件下抵御硫酸的侵蚀,在较高温度下抵御无水氢氟酸的侵蚀,并耐受任何浓度的有机酸(在曝气率不高的情况下)、烧碱及其他碱类和非氧化性卤化物。
含碳量较低的镍201具有与镍200类似的抗腐蚀性,是应用于高温(315℃以上)环境的首选工程材料。
对于大多数应用而言,合金元素都有助于使高温合金获得并保持在高温环境下工作所需的优异性能。除了镍以外,高温合金中还包含不同成分组合的铁、钴和铬,以及含量较少的其他一些元素(包括钼、铌、钛、铝)和添加的微量有益元素(如硼和锆)。
添加一些具有大原子直径的耐热元素(如钼、钨和铌),可以通过镍/铁基合金的基体应变,提高材料的高温强度和刚度。添加较多的钼能够提高这种固溶强化效应。添加其他合金元素(如铬和铝)也有助于促进固溶强化,但贡献度相对较小。
为了在时效硬化热处理时形成金属间化合物Ni3(Al, Ti, Nb)相,可在镍基或镍/铁基合金基体中添加钛、铝和铌元素。由此产生的主要γ相和次要γ相是高温合金中的主要强化因子。虽然其他一些元素(如硼、锌和镁)的添加量可能不足0.1%(按重量计),但其产生的有利影响却相当显著。这些元素能够分隔和稳定晶界,明显改善材料的热加工性、高温强度和延展性。少量添加碳元素可以形成碳化物,从而在高温环境下抑制晶粒长大和晶界滑移。

图1 用真空电弧重熔炉去除初级冶炼镍锭中的杂质(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图2 各种形式的镍基合金产品(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
必须严格控制许多其他元素(包括硅、磷、硫、氧、氮)和各种杂质元素(如铅、铋和硒)在高温合金中的含量,以避免对材料的高温性能产生不利影响。在熔炼之前选择原料时,以及在熔炼和重熔过程中,都必须对这些微量杂质元素进行严格控制。切削加工指南加工高温合金时,会出现多种刀具磨损机制,其中会对切屑形成造成不利影响的两种主要磨损机制是积屑瘤和因为工件表面容易冷作硬化而造成的沟槽磨损(也称为切深处磨损或刻划磨损)。
刀具的沟槽磨损发生在主切削刃和副切削刃上,在切削镍基合金和钴基合金时,这种磨损机制显得更为突出。在主切削刃上,沟槽磨损表现为在切深处发生崩刃,并且主要为机械磨损。在刀片退出工件的副切削刃上,沟槽磨损会对工件表面光洁度产生不利影响。副切削刃上出现的沟槽主要是由化学磨损造成的。为了尽可能减小这种磨损,建议采用Al2O3和PVD刀具涂层。
采用具有正切削角和强化几何形状的圆刀片,可以最大限度地减小发生在主切削刃和副切削刃上的积屑瘤和沟槽磨损。圆刀片具有极高的强度。用圆刀片加工镍基合金时,可以根据所选切深量的大小,通过改变主偏角/前置角,来避开沟槽磨损区。应该避免使用典型的CNMG刀片来加工高温合金,因为这种刀片会形成95°的主偏角,从而加剧刀片的沟槽磨损。
虽然加工淬硬材料时容易引起沟槽磨损,并促使切削温度升高,但在加工淬硬镍基合金时,更容易实现断屑的有效性,因为这种材料的塑性更小。通过将冷却液喷嘴调整到正确位置,可以形成高速平行层流冷却液射流,从而有效地分断淬硬镍基合金的切屑。
高温合金零件通常是在较软状态下(硬度约为26HRC)进行粗加工,然后经过热处理,在淬硬状态下(硬度为44-52HRC)进行精加工。高温合金材料越软,其粘性就越大。
切削高温合金时,刀具的其他磨损机制还包括塑性变形、切屑锤击和顶切磨损(仅出现于陶瓷刀片上)。塑性变形是由切削刃承受高温、高压而造成的热磨损。采用具有良好抗后刀面磨损性能和高热硬性的刀片有助于减小塑性变形。此外,刀片的磨损量不应超过0.2mm ,因为此时刀片就会开始出现塑性变形,并使工件产生负向残余应力。
切屑锤击是机械磨损的一种形式,由切屑对切削区外侧刃口的撞击造成,主要发生于加工硬度较低、韧性较好的镍基合金时。切屑锤击可能出现在刀片的顶部和底部,通过改变进给率和切深量,使切屑改变流向,可能有助于减小磨损。建议优先选用PVD 涂层刀片(而不是CVD涂层刀片)来加工镍基合金(尤其在粗加工时),因为PVD涂层刀片的刃口韧性更好。

图3 加工高温合金时的典型刀片磨损机制包括主切削刃的沟槽磨损(上左图)、切屑锤击(上右图)和塑性变形(下图)(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
顶切磨损是由高切削压力和振动引起的,在表面质量和减少毛刺至关重要的切削加工中,必须对这种磨损严加控制。为了尽量减小顶切,建议采取相应的措施来降低切削压力:在稳定的加工条件下,可以减小切屑面积;在会引起振动的不稳定加工条件下,可以利用编程技术减小刀片切入工件的角度。
采用摆线铣削和摆线车削方式加工镍基合金可能相当有效,因为这些切削方式可以大大减少刀片与工件的接触,并防止刀具卷刃。(卷刃通常发生在用圆刀片对工件转角进行插铣和仿形铣削时,因为此时的吃刀角度很大,会产生极大的切削压力。因此,在这种情况下必须减小进给速度。)
摆线刀轨与摆动刀轨非常相似。刀片不是猛然插入工件,而是以经过优化的平滑刀轨进行切削,避免了对刀具造成突然冲击。尤其是当采用较小的切深量时,摆线切削可以提高进给速度,并有利于断屑。
为了控制磨损,在一般情况下,建议采用45°的主偏角(最大不超过60°)。
切削镍基合金时,最困难的部分是通过工件表层(即锻造硬皮),因为该层材料中可能会有收缩气孔、夹渣和细小裂纹,容易损坏刀具和造成各种问题。
为了使刀具在锻造硬皮(也称为“象皮”)以下进行切削,建议采用具有正前角的锋利刀片和可高达10mm的切深量,以避免刀具产生严重的沟槽磨损。与此形成鲜明对照的是,精加工的切深量仅为0.5mm。

图4 与用圆刀片进行常规铣削(上图)不同,摆线切削时(下图)刀片以较低的进给速度平缓切入和切出工件,并以较高的进给速度进行直线切削(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

刀具与冷却

与钛合金的粗加工通常使用高速钢刀具不同,镍基合金的粗加工(以及精加工)适合采用硬质合金刀具和陶瓷刀具。如用高速钢刀具加工镍基合金,往往会出现严重的沟槽磨损,并且很容易打刀。
加工镍基合金时,有两大类陶瓷刀片可供选择:一类是晶须增强陶瓷刀片,适合加工具有粗硬表皮和圆度误差的锻件毛坯;另一类是赛龙(Sialon)陶瓷刀片。赛龙陶瓷是氮化硅和氧化铝陶瓷的混合体,其应用实例包括山特维克可乐满的CC6060牌号(用于纯净材料的大切削长度加工,以及利用优化编程技术的仿形切削和凹腔加工)和CC6065牌号(用于大载荷粗加工、插切加工和直接铣削工件转角)。
用陶瓷刀具加工镍基合金时,应均衡控制切削速度,使切削区既能产生足够的切削热,又不至于温度过高。如果切削区产生的热量不足以软化工件和剪切切屑,就会降低陶瓷刀具的切削性能,并产生顶切磨损。
与赛龙陶瓷刀片相比,晶须增强陶瓷刀片具有更好的韧性和整体强度,因此可用于条件更恶劣的粗加工。而赛龙陶瓷刀片的切削速度可以提高20%左右,其金属去除率比晶须增强陶瓷刀片大幅提高。因此,赛龙陶瓷刀片的应用更为广泛。
硬质合金刀片对重要零件进行精加工时,表面切削速度不应超过65m/min 。在精加工阶段,主要目标不再是最大限度地提高生产率,而是通过优化走刀路径,获得良好的工件表面质量和可预测的刀具寿命。此外,最好选用尽可能大的切屑厚度(0.08-0.15mm)。
虽然有些人认为,切削镍基合金时,喷淋冷却液会促使工件产生热裂纹。但是,由于此类加工会产生大量切削热,因此仍然刀片以55m/min的表面切削速需要使用冷却液。不过,用陶瓷度切削Inconel 718合金时,采刀具铣削镍基合金时最好采用用高压冷却技术可以显著延长干切削,这是因为陶瓷刀具需要刀具寿命,使金属去除率提高利用切削热来软化和剪切工件50%,并在具有相同或更长刀具材料。此外,铣削是一种断续切削,为了在铣削过程中产生和保持足够多的热量,不应使用冷却液。

图5 采用高压冷却技术车削加工高温合金(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
切削镍基合金时,最好采用能精确对准刀具/工件界面的高压冷却技术(冷却液压力可高达1,200psi)。该技术采用优化的冷却液喷嘴,可产生高速平行层流冷却液射流。采用高压冷却技术的好处包括延长刀具寿命、可提高切削速度,以及通过在刀具与切屑之间形成水楔,起到抬升切屑的作用,从而优化断屑控制(图5)。
山特维克可乐满在一次实验室切削试验中,对比了高压和低压冷却技术对切削加工高温合金的影响。结果表明,用CNMX刀片以55m/min的表面切削速度切削Inconel 718合金时,采用高压冷却技术可以显著延长刀具寿命,使金属去除率提高50%,并在具有相同或更长刀具寿命的情况下,可将切削速度提高20%。此外,高压冷却技术还改善了精加工时的切屑控制。

镍基合金成本

与普通钢相比,镍基高温合金钢能够耐受更为恶劣的工作环境,但其价格也更贵一些。虽然镍、钴、钼等合金元素的成本要比钢的主要成分铁昂贵得多,但合金钢零件在严酷工作环境中的使用寿命,以及其他一些因素和切屑(如发动机的效率),往往可以证明这种更高的成本物有所值。
前几年,主要因为全球竞争的影响,合金元素的价格忽高忽低。由于一些国家(如中国)供需 关系的变化,造成金属市场的价格不断波动(如镍价曾冲高到每磅21美元)。与以前的10-20年相比,过去五六年的金属价格很不稳定。
一些用户一直订购去除了外层硬皮的镍基合金棒材。生产车间可以通过购买热拉成形的镍基合金毛坯(而不是价格更贵的冷拉棒材)来降低材料成本,虽然这样做可能需要花费更多加工时间。
在能够满足使用要求的情况下,零件制造商可以通过换用价格较低的替代合金材料来节省成本。例如,可用一些具有良好耐磨性和耐腐蚀性的合金材料替代钴基和镍基合金。也可以用铸造合金替代锻造合金,从而将材料成本降低25%-50%。
不过,如果某种零件必须用镍基高温合金制造,就需要以严格规范的方式对其进行加工——包括采用重复精度高、刚性好的加工设备。由于镍基合金能在高温下保持其强度,并具有很高的动态剪切强度,因此加工时需要很大的切削力。此外,镍基合金的导热性较差,会产生很高的切削温度,其材料结构中的硬质碳化物还会在加工时造成刀具的磨料磨损。因此,人们对Inconel合金和镍基合金的切削加工往往存在畏难情绪。但是,只要采用正确的加工方法,镍基合金的加工并没有想象中那样困难。
正确的加工方法包括高刚性的机床设备、高压冷却方式、正前角刀片、适当的主偏角和最佳切屑厚度。只要很好地把握这五个关键要素,镍基高温合金的加工就成功在望。
本文作者:张宪(编译)
原载:《工具展望》2012年第4期
上载于:2014-7-29 16:33:42

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