GH镍基高温合金的切削特性从镍基高温合金GH的特性分析可以看出,由于其优异的高温强度和硬度,导致其在切削过程中的切削加工性较差。因此,GH镍基高温合金是典型的难加工材料,具体表现在以下几个方面:(1)切削力大由于GH高温合金的结构中含有高熔点和高活化能的元素,且这些元素在结构中相对稳定,脱离平衡点所需的能量较大,因此高温合金在高温下仍能保持高强度。温度,即材料具有更大的抗塑性变形能力,从而使切削力更大。因此,高温合金的切削力是一般钢材的2~3倍。(2)切削温度高
由于GH镍基高温合金的导热系数小,仅为一般钢的30%,在切削过程中,大量切削热聚集在刀具尖端,其温度可达℃左右,而GH在℃的高温下仍具有很高的强度,使切削时切削力很大,容易对刀具造成损坏,降低其使用寿命,影响加工表面质量和加工效率.
(3)刀具严重磨损和损坏
由于高温合金GH组织中含有高硬度化合物,如碳化物(TiC、VC、NbC、WC等)、相间化合物(FeCr、CoCr、FeCrMo等)以及氮化物(TiN、VN、NbN)等,碳化物的硬度可达HV~;氮化物的硬度较高,莫氏硬度达到8-9,相间化合物的显微硬度也高达HV~。因此,这些化合物在切削过程中很容易造成刀具磨损。另一方面,由于在切削过程中,高温合金GH与刀具材料发生化学反应,容易形成滞留层,导致刀具强度下降,刀具磨损并严重断裂。(4)加工硬化倾向大
当切削时,GH高温合金变形区的位错倍增、堆积和晶粒细化,使工件表面发生冷加工硬化。从金相组织分析,在切削过程中,在高切削热的作用下,GH合金中的强化相或合金间化合物从固溶体基体中分解,呈分散分布,增加其强化能力,产生加工硬化。(5)刀具磨损严重
由于GH镍基高温合金的韧性和强度高,断屑困难,所以在切削过程中,切屑不易断。而且,由于高温合金的热导率低,剪切区容易发生剪切不稳定,形成锯齿状切屑。在切削过程中,由于切屑不易碎裂,锯齿状切屑容易划伤加工面,划伤刀具的前刀面,从而降低刀具的使用寿命和工件加工面的精度.
GH可加工性
GH的切削性能主要取决于其化学元素的含量。作为GH中质量分数最高的化学元素,镍含量一般在50%以上,但镍含量对切割性能影响不大。当GH中钨、钼含量达到2-3%时,对GH的切削性能影响不大。一旦合金中钨元素和宏元素的含量达到3%以上,这些元素就会整合到GH基体中,起到固溶强化作用,使GH的可加工性较差。硼和铺装元素可以增强GH的晶界,这也会使GH的可切削性降低。GH中的钛、铝元素容易与ni3(Al,Ti)形成/强化相。随着GH中钛、铝含量的增加,合金强度增强。相数的增加增加了GH在加工过程中抵抗剪切塑性变形的能力,导致切削区温度升高,刀具磨损增加。例如,GH的钛和铝总含量为3%。当4%增加到7%时,GH的体积分数从11%增加到45%,导致刀具磨损程度高达原来的30倍,刀具寿命大幅降低。
GH金相组织含有体心四方强化相γ”和面心立方γ’,因此在较宽的温度范围内具有较高的强度。此外,GH结构还含有δ个相,主要沿晶界分布,起到”钉扎”作用,这将有效地防止晶粒长大和粗化。在GH合金中,如果δ相数太少,GH样品会出现缺口敏感性;而δ相数太少多,材料的强度会降低。控制δ相的含量在一定范围内δ相的形态和数量取决于热处理过程的温度,因此GH合金的特点是其金相组织对热处理过程非常敏感。不同热处理工艺影响GH相的析出溶解规律及结构、工艺和性能的相互关系。GH的热处理工艺分为三类
(一)固溶+时效处理:加热至(-)℃±10℃,保持1小时。空冷或水冷至室温;加热至°C±5°C,保温8小时,然后以50°C/h的降温速度降温炉内冷却至℃±5℃保温8小时,最后空冷至室温。
经过这种热处理工艺,GH材料晶粒粗化,晶界和晶粒内没有δ相,有缺口敏感性,但有利于提高冲击性能和高温合金的抗低温氢脆性能。(二)固溶+时效处理:加热至(-)±10℃,保温1小时,空冷或水冷至室温;加热至°C±5°C保持温度在8小时,然后冷却至°C±5以50℃/h的冷却速度在炉内保温8小时,最后空冷至室温。
经过这种热处理工艺,高温合金GH材料晶粒细化,δ相沿晶界析出,可以消除或降低缺口敏感性,有利于提高高温合金的强度。
(三)直接时效处理:加热至℃±5℃,保温8小时,然后在炉内以50℃/h的冷却速度冷却至℃±5℃,保持保温8小时,最后空冷至室温。经过这种热处理工艺后,高温合金金相组织中的δ相较少,可以提高GH的强度和冲击性能,但存在缺口敏感性。
GH材料特性及应用领域
GH材料的组织主要包括Y基休相、弥散分布的强化相如y’和Y〃、δ相以及碳氮化物等
y基体为面心立方结构,主要是镍,并添加了大量的钴、铁、钛、铝、钼等元素。这些元素被整合到y基体中,用于固溶和析出强化。y’相(Ni3(Al,Ti))为面心立方有序结构,数量少于Y〃相,约占组织体积的4%,直径一般为50-1.0nm左右对了,它在结构中呈球形分散,起到强化合金的作用。y相析出温度在60~℃之间,溶解温度在℃以上。y相与Y基体的界面能很低,因此Y相具有很高的结构稳定性。
y〃相是具有体心四方结构的亚稳态相,约占结构体积的16%。其直径一般为60nm左右。它在组织中呈盘状弥散分布,是合金的主要强化相。提高合金的屈服强度和抗拉强度。在高温的作用下,Y〃相会转变为相,从而降低材料的强度。Y〃相的析出温度在~℃之间,溶解温度在℃以上。
由于其优异的综合性能和长期的结构稳定性,GH已成为低温和高温条件下使用最多的高温合金。广泛应用于航空发动机涡轮盘、涡轮轴、工作叶片等关键部件的制造。