1、 毕业设计文献综述 机械设计制造及其自动化 INCONEL718 高速切削温度梯度分析 摘要： 高温合金又称热强合金、耐热合金或超合金，是 20 世纪 40 年代发展起来的一种新型航空金属材料；它可在 600 1100的氧化和燃气腐蚀条件下，承受复杂应力，能长期可靠地工作。主要用于航空发动机的热端部件，也是航天、能源、交通运输和化学工业的重要材料 。 高温合金按基体可分为镍基、铁基和钴基三类，其中以镍基合金的发展最快，使用也最广 关键词： 高温合金 ； 航空发动机 ； 材料 ；试验方法 Abstract: High temperature alloy say again hot strong
2、alloy, heat-resisting alloy or super alloys , In 1940s developed a kind of new aviation metal materials； It can be in 600 11 oxidation and gas corrosive conditions, borne complex stress, a long-term working reliably。 Mainly used in aviation engine hot end parts, also aerospace, energy, transportatio
3、n and chemical industry the important material，According to the high temperature alloy substrate can be divided into ni-based, iron and cobalt-based three kinds, among them with nickel-based alloy of the fastest growing and most widely used also。 Key words: High temperature alloy; aeroengine ; mater
4、ials; experimental method 0 引言 镍基高温合金（或称镍基合金）可分为镍基变形高温合金（ wrought nickle-based alloys）和镍基铸造高温合金（ cast nickle-based alloys）。对合金元素以及 镍基合金微观结构的不断研究促进了镍基合金的发展。一般地，可以说镍基合金是通过合金元素来区分的，这些合金元素可改善镍基合金的相和微观结构 3, 4。 （ 1） 固溶体（基体）。这种连续相是面心立方（ FCC）的镍基奥氏体相，是镍基高温合金的基体。构成这种镍基奥氏体基体的元素主要包括 Ni、 Co、 Cr、Mo、 W 等元素。 （ 2） 相
5、。铝、钛是 面心立方 （ Ni3Al）相的主要形成元素，通过 相在基体内弥散分布，从而强化合金。镍基高温合金的高温强度主要取决于合金中加入铝、钛形成 相的总量。 （ 3）碳化物（ MC、 M6C、 M23C6、 M7C3）。镍基高温合金中碳的含量是较低的，约为 0.05% 0.2%，并且常与其它元素作用形成重要的 MC 型碳化物，MC 型碳化物通常以大块球形颗粒出现。经过热处理，这 些碳化物将分解并生成M23C6 和 M6C， M23C6 型碳化物是沿晶界分布的。碳化物是重要的组成相，通常易于分布在晶界，对高温断裂强度起到重要作用。 （ 4）晶界 相。通过先进的热处理技术，很多合金可以沿晶界析
6、出一薄层 相，一般认为这样可以优化其断裂特性。 （ 5）拓扑密排相 TCP。在一定条件下，片状相（ plate-like phase）比如 相、 相和 Laves 相使得材料的断裂强度（ rupture strength）和延展性（ ductility）降低。 镍基高温合金中的合金元素大致分为以下几类： （ 1）形成 面心立方奥氏体基体的元素 Ni、 Fe、 Co； （ 2）形成稳定表面的元素 Cr、 Al、 Ti、 Ta、 Y、 Re、 Hf，其中 Cr、 Al、Y、 Re、 Hf主要提高合金的抗氧化能力，而 Cr、 Ti、 Ta 有利于提高抗热腐蚀性能； （ 3）固溶强化元素 W、 Mo、
7、 Cr、 Re、 Al、 Nb、 Ta，固溶于 基体中，起固溶强化作用； （ 4）金属间化合物形成元素 Al、 Ti、 Nb、 Ta、 Hf和 W，这些元素形成金属间化合物 Ni3Al、 Ni3Nb、 Ni3Ti，上述元素可固溶进金属间化合物中，进一步强化金属间化合物； （ 5）碳化物和硼化物形成元素 C、 B、 Cr、 W、 Mo、 V、 Nb、 Ta、 Zr、Hf，这些元素能形成各种类型的碳化物和硼化物相，强化合金； （ 6）晶界和支晶间强化元素 B、 Mg、 Ce、 Y、 Zr、 Hf，这些元素以间隙原子或第 二相形式强化晶界或支晶间。 合金元素对镍基变形高温合金和镍基铸造高温合金的高温
8、性能（ temperature capability）的影响见 表 1 和 表 24。 表 1 镍基变形高温合金其合金元素与其高温性能间的关系 4 表 2 镍基铸造高温合金其合金元素与其高温性能间的关系 4 镍基 合金中的组成元素及其微观组织结构，使得镍基合金具有优良的高温性能（即在高温下仍有很高的强度和硬度）以及抗腐蚀性，成为应用最为广泛的高温合金之一，主要用于制造航空发动机 2, 5-7。 图 2 显示出了在不同时期制造一个典型航空发动机所需的各种材料。从 图 2 中可见，直到 20世纪末镍基高温合金的使用量一直呈现上升趋势，成为制造航空发动机的主要材料 5。 图 2 制造航 空发动机所需
9、的各种材料 5 在航空制造业中，镍基合金的切削加工十分重要，但这种合金是公认的最难切削的材料之一。镍基合金切削性差的原因可归纳为以下几个方面 4, 6, 8, 9： （ 1）由于其高温特性，在切削加工过程中镍基合金仍保持良好的力学性能； （ 2）镍基合金具有很高的应变率敏感性，极易加工硬化，在切削加工过程中将导致进一步的刀具磨损； （ 3）由于镍基合金 的微观组织中存在碳化物硬质点，刀具易产生磨粒磨损； （ 4）由于镍基合金的导热性很差，在切削加工过程中刀尖温度高，刀具内部存在很大的温度梯度； （ 5）镍基合金对很多刀具材料的化学亲和性好，在高温下刀具的扩散磨损严重； （ 6）切屑多为韧性较好
10、的连续性切屑，断屑困难； （ 7）镍基合金强度高，所需切削力大，易使机床系统产生振动，影响表面质量。 镍基合金切削加工困难可归结于两个基本问题：刀具寿命短和加工表面质量差 4, 6。为解决这两大基本问 题，以获得足够长的刀具寿命和良好的被加工表面完整性，国内外学者进行了诸多方面的研究，包括刀具材料、刀具参数、切削用量（切削速度、进给量、背吃刀量）、冷却与润滑、切削加工方法等方面。本文将总结国内外镍基合金切削加工的研究现状和发展趋势。 1 温度场分析 在金属切削过程中，切削时所做的功除了 1%一 2%用于形成新表面以及以晶格扭曲等形式形成潜藏能以外，其余的都转化为热。切削热和由它产生的切削温度，
11、直接影响刀具的磨损和使用寿命，并影响工件的加工精度和表面质量。切削热主要有两个来源，一是在刀具的切削作用下切削层金属发生 弹性变形和塑性变形，二是切屑与前刀面，工件与后刀面之间消耗的摩擦功，也将转化为热能。切削热在产生的同时又由切屑、工件、刀具以及周围的介质传导出去。如果切削热没有及时地从切屑和工件传导出去，切削区温度就较高，使刀具磨损加快。所以，研究切削热和切削温度的产生和变化规律，是研究金属切削过程的重要方面，分析切削过程中的温度场分布具有重要的意义 148。切削进入稳定状态后，取第300 步处的切削状态为研究对象。图 4 一 8 为切削速度为 l00m/min 条件下工件和刀具温度场的分
12、布。 (a)工件温度场 (b)刀具温度场 图 4一 8第 300步时的温度场从中可以看出，最高切削温度在刀一屑接触面附近，为 703，这说明刀一屑接触面是摩擦最严重的地方。图中剪切区的等温线基本与剪切面平行，也就是说剪切面上各点的温度几乎相同。同时可以发现剪切区的等温线密度比较大，说明温度变化梯度较大。由于前刀面与切屑间及后刀面与已加工表面间的摩擦作用，再加上切削层金属不断发生塑性变形，产生的热量不断传导到刀具上。由图 4 一 8b可知，刀具上的温度呈辐射状，离前刀面和刀一屑接触区越远温度越低，刀具的最高温度在前刀面上距离刀刃不远的地方，即图中蓝色方框标记处，最高 温度为 498，低于工件上最
13、高温度。 图 4一 9为速度 v=loon订 min 时不同切削时间的刀具温度场分布。可见随着切削时间的延长，刀具的温度不断升高，刀具温度场范围也不断扩大。在切削过程的各个阶段，刀具上温度的最高点都不在刀刃处，这是因为切削温度是一个逐渐积累的过程，从刀刃到距其 1 到 2的地方，塑性变形和摩擦都在不断积累，而其散热条件相差不大，导致切削温度的最高点出现在距离刀刃往0.5mm 的地方，这个位置也是月牙洼容易出现的地方。图 4 一 10 为稳态切削第500 步时刀具最高温度随切削速度的变化曲线。从 中可以看出，随着切削速度的增大，最高切削温度也随之增加，但增加的幅度变缓。这是因为当切削速度提高后，
14、产生切屑的速度增加，传入切屑而被切屑带走的热量份额加多，而传入刀具的热量份额减小，故刀具升温不大。 参考文献： 1 朱有为 . 高速切削技术的应用分析 长沙大学学报 2 章宗城 .切削摩擦学特点与切削工具损伤分类及术语探 J东华大学学报 (自然科学版 ), 3 徐芗明 . 镍基高温合金切削加工锯齿形切屑研究 J机械制造 , 2008, (06) 4 郑文虎 ,张玉林 ,詹明荣 . 难切削材料加工技术问答 (续四 )J铁道机车车辆工人 , 2004, 5 肖曙红 ,张伯霖 ,李志英 . 高速机床主轴 /刀具联结的设计 J机械工艺师 , 2000, (03) . 6 刘战强 ,万熠 ,艾兴 . 高
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