难加工金属—高温合金的加工特点

航空制造技术是一种高尖端技术，其中航空发动机作为飞机的心脏，不仅是飞机飞行的动力，也是促进航空事业发展的重要推动力。而发动机中最需要技术含量的就是叶片了，因为它的工作环境极其恶劣，这就要求它的材质必须非常坚硬，耐高温且性能优异。

我们经常可以在一些媒体报道中看到，战斗机启动或飞行中发动机会产生尾焰，给予飞机飞行的推动力，就温度而言，尾焰颜色对应的温度分别是：

暗红色——600摄氏度左右

深红色——700摄氏度左右

橘红色——1000摄氏度左右

纯橘色——1100摄氏度左右

金橘色——1200摄氏度左右

金黄色——1300摄氏度左右

金白色——1400摄氏度左右

纯白色——1500摄氏度左右

白蓝色——1500摄氏度以上

天蓝色——2000摄氏度左右

蓝色——2500摄氏度以上

由此可知，发动机中的部件往往需要承受2000摄氏度的高温。零部件选用的材质对性能的要求也更为严苛。

高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料；并具有高温强度大，良好的抗氧化和抗腐蚀性能，良好的疲劳性能和断裂韧性等综合性能。

高温合金的材料特征使其成为航空发动机中不可替代的关键材料，尤其是镍基高温合金，在高温条件下，仍然具有很高的抗疲劳强度、高屈服强度、抗拉伸强度和抗腐蚀性、抗氧化性。目前已研制的航天发动机中，高温合金材料已经占到发动机所用材质一半以上。

高温合金切削加工特性

由于高温合金中含有许多高熔点合金元素Fe、Ti、Cr、Ni等，这些合金元素与其他合金元素构成纯度高、组织致密的奥氏体合金。而且有的元素又与非金属元素C、B、N等构成硬度高、比重小、熔点高的金属与非金属化合物，使其切削加工性变得很差。它的相对切削加工性只有45号钢的5~20%。

作为典型的难加工材料，高温合金微观强化项硬度高，加工硬化程度严重，并且其具有高抗剪切应力和低导热率，切削区域的切削力和切削温度高，在加工过程中经常出现加工内表面质量低、刀具破损非常严重等问题。在一般切削条件下，高温合金表面会产生硬化层、残余应力、白层、黑层、晶粒变形层等过大的问题。

1）切削变形大

切削加工过程中，切削温度高，切削表面塑性变形明显增大，高速切削时个别延伸率超过40%，合金中奥氏体晶格滑移系数增多产生塑性测流，导致切削加工比较困难。

2）加工硬化倾向大

塑性形变过程中活跃的奥氏体将部分转变为稳定的马氏体，合金中强化因子也会分散出来，同时化合物的分解融合都将导致合金材料的表面强化和硬度的提高，增大切削难度，试验表明，切削速度越高，进给量越小硬化程度就越小。

3）刀具磨损较大

切割产生的大量热贴附在切削区，并没有传递给工件或被切屑带走，过高的温度和过多的热量促使刀具的刃口迅速磨损、崩裂，磨损的刀刃反过来又使切削区域产生更多的热量，进一步缩短刀具的寿命。

目前国内生产的超硬刀具切削高温合金时，工件与刀具接触发生卷屑，双方的内部不稳定的化学元素在切削区域中扩散与结合，导致原材料的物理与化学性能发生改变，导致刀刃很快变钝，前刀面无月牙洼，后刀面磨损严重，刀具表面变得脆弱，从而加剧了刀具的磨损。

4）切削区域温度较高

高温合金具有较高的屈服强度较大的塑性变形，较大的进给速度下较大切深会产生大量的热量，而材料的导热系数又较小，切削区域聚集很多切削热，刀具磨损加重。

5）切削精度较低

高温合金的导热性散热性能很差导致工件表面温度较高，剧烈的切割会使工件产生轻微的热变形，可能与需要测量数值有所偏差。又因切削时刀具前角较小、速度较低时产生的切屑呈挤裂状，切削产生的变形会使所测物理量产生影响。

切削液的选择

切削高温合金时，单位时间内产生的切屑和热量均较多，由于高温合金的导热系数低，散热性能差，将会导致刀具磨损加剧，影响加工精度和操作安全，由此必须采取相应冷却措施降低切削温度并及时将高温切屑从切削区转移出去。

一般的切削液，在200℃左右就失去润滑能力。可是在切削液中添加极压添加剂(如氯化石蜡、四氯化碳、硫代磷酸盐、二烷基二硫代磷酸锌）后，就成为润滑性能良好的极压切削液，可以在600～1000℃高温和1470～1960MPa高压条件下起润滑作用。所以含硫、氯、磷等极压添加剂的乳化液和切削油，特别适合于难切削材料加工过程的冷却与润滑。

切削液在选择时要考虑工件与刀具的材质

1）用高速钢刀具切削时，使用以冷却为主的水溶液，以降低切削温度。

2）用硬质合金刀具切削时，应使用含S、P以及Cl为添加剂的极压切削油或者极压乳化液，不仅可降低切削温度、减少摩擦和防止粘结，还可使刀具寿命提高4倍左右。

3）对PCBN刀具只能用切削油，千万不可用水基切削液，否则会加剧PCBN刀具磨损。

4）对镍基高温合金，应避免使用含硫切削液，以免对工件造成应力腐蚀，降低零件的疲劳强度。

参考文献

[1] 吴明阳, 王博, 程耀楠, et al. 高温合金材料特性及加工技术进展[J]. 哈尔滨理工大学学报, 2015, v.20(06):28-35.

[2] 康文利, KANGWen-li. 高温合金的切削加工分析[J]. 装备制造技术, 2010(9):124-125.

[3] 郑文虎,张明杰. 高温合金的切削加工[J]. 金属加工, 2017(14):44-46.