鎳基Inconel 718葉輪加工工藝方法研究

張艷梅　富巖巖

摘? ?要：鎳基高溫合金Inconel718是用于航空產品的特殊材料，具有熔點高、熱傳導率低、加工硬化現象嚴重的特點，被認為是最難加工的金屬材料之一。目前，該材料的加工主要依靠進口，國內加工經驗不足。本文通過研究鎳基合金在車、銑加工中的工藝，選擇合適的刀具以及切削參數，達到自主加工鎳基合金葉輪的目標，打破鎳基葉輪全部進口的情況，為公司節省了大量外匯。

關鍵詞：鎳基;航空材料;加工工藝

鎳基Inconel 718高溫合金材料是用于航空產品的特殊材料。由于普通奧氏體不銹鋼僅在650 ℃以下具有抗氧化性，不滿足更高溫度的使用條件。因此，在溫度更高的工作條件下，應該采用鎳基高溫合金。鎳基高溫合金材料在航空發動機制造使用總金屬量中，總占比可達到10%～25%，是機械加工行業公認的難加工材料。目前，本公司在G62等5臺循環氫壓縮機的葉輪中采用該材料。對于該材料，國內幾乎沒有任何的加工經驗，以上葉輪均在國外整體采購。本項目通過研究鎳基合金在車、銑加工中的工藝，選擇合適的刀具以及切削參數，達到自主加工鎳基合金葉輪的目標。打破鎳基葉輪全部進口的情況，為公司節省了大量外匯。

1?   Inconel 718材料加工問題概述

20世紀50年代末，美國國際鎳公司研制出的鎳鉻沉淀硬化高溫合金—Inconel718合金（相當于國產牌號GH4169）[1]。合金中含有Ni、Cr、Nb、Mo等，其中鎳含量高達55%。在惡劣環境下該合金具有如下優點：良好的成型性能、較高的屈服強度、抗氧化及輻射性能強、耐腐蝕性能優。有別于用面心立方Ni3（Al，Ti）（γ′）進行沉淀強化的高溫合金。由于Inconel718的沉淀相和基體之間有較大的共格畸變，致使其在惡劣的環境下具有良好的熱強性和抗氧化性，因此得到受力轉動件制造行業的青睞（例如：制造航空發動機渦輪盤、壓氣機盤等）。

鎳基高溫合金切削困難產生原因在于其導熱性差，容易產生加工硬化現象，導致兩者黏結。在切削時產生的切削切應力遠遠超過45鋼，同時會伴有極高的切削溫度和極高的硬化程度。因此，降低切削溫度，減少加工硬化是切削高溫合金時需要考慮的因素。綜合以上考慮，切削鎳基高溫合金時應該考慮的問題有以下幾點。

（1）刀具的刀刃應該始終保持鋒利，否則就會發生切削刃的壓碎和切削深度線處嚴重的溝槽磨損。

（2）原則上選取低速切削，進給量控制在適中偏小。

（3）考慮到切削液會對工件造成應力腐蝕，進而影響零件的疲勞強度。因此，應避免選擇含硫元素的切削液。

（4）刀具系統剛性要高，機床功率應足夠大。

2? ? 切削刀具的選擇

耐磨性高、高溫硬度和韌性強、抗熱震性好和化學穩定性優是刀具切削鎳基合金的必備條件[2]。常用的Inconel718切削刀具有高速鋼刀具、硬質合金刀具、陶瓷刀具。

2.1? 高速鋼刀具

高速鋼（高速工具鋼或鋒鋼）具有硬度高、耐磨性好以及耐熱性強等優點，淬火后在空氣中冷卻即可硬化，主要可分為高碳系高速鋼、含鈷系高速鋼、高釩系高速鋼和鋁高速鋼[3]。

由于高性能高速鋼具有更高的硬度，熱硬性更好，耐用性遠超普通高速鋼（650 ℃切削溫度達時，硬度高達60 HRC）等優點，其發展迅猛，使用范圍分布在難加工材料的刀具（如制造加工鈦合金、高強度鋼、不銹鋼等）。

2.2? 硬質合金刀具

硬質合金刀是常用的金屬切削刀具材料（約占70%）。硬質合金比高速鋼更適宜對鎳基合金進行切削加工，原因在于硬質合金的硬度可達89～94 HRA（高于高速鋼的83～83.6 HRA），耐熱溫度為800～1 000 ℃（高于高速鋼的500～650 ℃）。但是當硬質合金刀具切削Inconel718時，若高速切削時（50～200 m/min），刀具邊緣會由于工件缺口處溫度的急劇升高而發生過早變形或破碎。這可以通過刀具材料改性和刀具涂層[4]兩個辦法緩解。

2.3? 陶瓷刀具

選取陶瓷材料能作為切削刀具用料的原因在于其熔點高、硬度高、較好的絕緣性、穩定的化學性能。

我國陶瓷刀具的實際應用與國外相比，發展較為緩慢。其中，我國陶瓷刀具占總刀具使用量比率低于百分之一。由于氮化硅陶瓷刀具是近期流行的新型刀具，使得相關研究不夠完善，比如說切削用量的選取、幾何參數等都難以確定。我國陶瓷刀年產量僅為硬質合金刀具產量的千分之一。但我國陶瓷刀具在切削性能逐步轉向粗加工、斷續切削。其中，ST新型復合陶瓷刀具能斷續切削高于HRC63的高速鋼滾刀（北京科技大學研制）。除此之外，陶瓷刀具種類不僅局限于車刀，銑刀和刨刀也是其發展方向。

針對Inconel 718特點，通過對比，選用了瑞典SECO公司的FM40M硬質合金銑刀。該刀具是專門為加工高溫合金設計的，其基體是細顆粒硬質合金，可以有效提高刀具的韌性，增加刀具使用壽命，另外，該刀表面還有PVD（物理氣相沉積）鍍層，可以提高刀具切削刃的耐磨性與韌性并且不犧牲細顆粒硬質、合金基體的抗壓縮強度與硬度，再配合鋒利的刀刃及較大的螺旋升角，可以實現優于其他刀具的切削效果，如圖1所示。

3? ? 切削參數及加工效果

根據實際加工情況可以達到如表1所示的切削參數。

通過對比可以看出，對于Inconel 718葉輪，其加工效率遠低于FV520B葉輪，刀具使用壽命短。刀軸變化大、非均勻切削、進刀角度為頂刀，都會造成打刀，刀具成本要遠高于普通葉輪加工。

4? ? 結語

通過對鎳基合金在車、銑加工中的工藝的研究，在選擇合適的刀具以及切削參數的前提下，可以達到自主加工鎳基合金葉輪，打破了鎳基葉輪全部進口的情況，為公司節省了大量外匯，但是加工鎳基合金的刀具成本要遠高于普通葉輪加工，這一點后面還需要再考慮應對措施。

參考文獻

[1]李劉合，楊海健，陳五一，等.用于加工Inconel718的切削刀具發展現狀[J].工具技術，2010（5）：3-12.

[2]劉海濱.鎳基高溫合金高速車削研究[D].南京：南京航空航天大學，2007.

[3]賈成廠，吳立志.粉末冶金高速鋼[J].金屬世界，2012（2）：5-10.

[4]郭建亭.高溫合金材料學（中冊）[M].北京：科學出版社，2008

[5]CARRELLA A，BRENNAN M J，WATERS T P. Optimization of a quasi-zero-stiffness isolator[J]. Journal of Mechanical Science and Technology，2007（6）：946-949.

[6]LE T D，AHN K K. A vibration isolation system in low frequency excitation region using negative stiffness structure for vehicle seat[J]. Journal of Sound and Vibration，2011，330（26）：6311-6335.

Study on processing technology of nickel-based Inconel 718 impeller

Zhang Yanmei， Fu Yanyan

（Shenyang Blower Group Shenyang Turbine Co.， Ltd.， Shenyang 110000， China）

Abstract：Nickel-based superalloy Inconel718 is a special material for aerospace products. It has the characteristics of high melting point， low thermal conductivity and serious work hardening. It is considered to be one of the most difficult metal materials to be processed. At present， the processing of this material mainly relies on imports， and domestic processing experience is insufficient. In this paper， by studying the process of nickel-based alloy in car and milling， selecting the appropriate tool and cutting parameters， the goal of autonomously processing nickel-base alloy impeller is achieved， and the nickel-based impeller is completely imported， which saves a lot of foreign exchange for the company.

Key words：nickel base; aerospace materials; processing technology