銑削參數對高溫合金GH4169低周疲勞性能影響研究

李子璇 雷學林 何 云 史玉凱

(華東理工大學機械與動力工程學院，上海 200237)

鎳基高溫合金GH4169是一種廣泛應用于航空航天領域內的難加工材料，經常是航空發動機渦輪盤，葉片，燃燒室等熱端部件的制造原料[1-2]。相比于鐵基和鈷基高溫合金，鎳基高溫合金由于加工硬化過程非常迅速使得其加工性能最差[3]。另外，鎳基高溫合金的導熱系數較差，這就造成在切削加工過程中局部出現很高的溫度，高溫下切削刀具與被加工材料很容易被焊接在一起[4]。不同的加工參數下刀具的切削力切削溫度也會產生差異，這也就使得不同加工參數下的零件表面加工白層的厚度、熱影響區域厚度、殘余應力的分布狀態不同[5-6]，最終影響零件的整體使用性能。

Rasti Amirt等在探究鉆削AISI 4340鋼的表面完整性對其疲勞失效的影響時發現，當提高鉆削速度并且降低進給量的時候，加工孔的疲勞壽命將會提高；在鉆削時，提前鉆好引導孔也有利于疲勞壽命的提升[7]。Giovanna Rotella等對鋁合金7075-T6的加工表面完整性和高周疲勞壽命的研究中發現不同的切削速度和冷卻方式對其高周疲勞都有所影響，高的切削速度和低溫冷卻可以提高加工表面質量和疲勞壽命[8]。Zhe Chen[9]等人研究了不同加工方式對高溫合金718疲勞壽命的影響，得出相比于磨削件而言，電火花加工出來的零件疲勞壽命會降低30%左右。零件的疲勞失效是零件損壞的主要原因之一，對于鎳基高溫合金GH4169而言，其工作時經常受到較高的應力[10]，因此對于其低周疲勞壽命的研究一直比較重視。Sun Jianfei等[11]研究不同車削速度下高溫合金GH4169的疲勞性能，指出不同的車削速度加工出樣品的表面質量不同，其疲勞性能也不同，當用涂層硬質合金刀具車削GH4169時，車削速度為30 m/min時可以得到最長的壽命。對于銑削參數而言，銑削力會隨著銑削速度、切深以及進給量的增加而增加[12]。并且在銑削速度、切深以及進給量變化時，切削區域的溫度也會隨之改變[13]。因此在不同的加工參數下，加工出零件的表面性能不同，其最后的疲勞性能將會產生差異。雖然對于表面完整性對疲勞性能的研究比較多，但是對于銑削參數關于GH4169的低周疲勞壽命的影響并不充分。因此，本文將對不同的銑削參數對銑削GH4169低周疲勞壽命的影響進行分析，并且觀察斷口形貌，總結加工參數對鎳基高溫合金GH4169低周疲勞壽命的影響，優化銑削加工參數。

1 實驗材料與過程

加工刀具采用整體硬質合金不等齒距四刃銑刀VSM-4E-D8，涂層為TiAlN，銑刀螺旋角分別為38°和41°，如圖1所示。被加工材料為80 mm×80 mm×100 mm的塊狀高溫合金GH4169，EDS元素分析結果如表1所示。根據被加工工件的尺寸來設計加工疲勞試樣的尺寸，其具體尺寸如圖2所示，厚度為3 mm。

采取三因素三水平的正交實驗L9(33)來研究銑削參數對加工試樣疲勞性能的影響，正交實驗參數如表2所示。

表1 GH4169元素組成

表2 加工實驗參數

表2中，Vc為銑削速度，ap為銑削深度，f為進給量。圖3為疲勞試樣加工流程圖。采用不同的銑削參數對試樣側面進行加工，加工中采用極壓切削油進行冷卻。銑削完成后，采用線切割將試樣從毛坯上取下，為了減小線切割面和原來工件表面對疲勞壽命的影響，對可能發生疲勞失效區域的上下表面進行磨削，保證試樣的上下表面工況一致，只有側面的銑削表面不同。

對銑削完成的GH4169表面在HXD-1000TMC/LCD顯微硬度計上進行顯微硬度檢測，試驗負荷為0.981 N(100gf)，保荷時間為15 s。沿著進給方向采用X射線衍射法來測量表面殘余應力，設備為PROTOiXRDCOMBO，靶頭為Mn靶，采用多次曝光采集，曝光時間設置為1，曝光輪廓次數為10，曝光增益次數為40，輻射類型為Kα射線，20 kV(4 mA)，波長為2.103 14 nm，衍射角為152°，測點直徑1 mm。在三維形貌儀InfiniteFocus G4上進行表面粗糙度Ra，Ry和Rz測量，取樣長度為250 μm。最后采用M-3000電磁動態試驗系統進行低周疲勞實驗，疲勞實驗機實物圖及如圖4所示。疲勞試驗采用應力控制，低周疲勞試驗的載荷應該大于材料的屈服強度，鎳基高溫合金GH4169在常溫時的屈服強度為550 MPa[14]。試驗拉伸載荷設置為700 MPa，根據疲勞試樣的尺寸，被拉伸的最小截面積為3 mm2，因此其加載的最大載荷為2 100 N，循環應力比設置為0.1，則最小載荷為210 N，應力幅A為945 N，平均應力為1 155 N。加載波形為正弦波，加載的頻率為80 Hz，加載過程中的載荷位移曲線比較穩定。收集加載過程中的應力循環周次，記錄數據直到疲勞試樣發生斷裂，最后采用掃描電鏡HITACHI S-3000N對斷口進行分析。

2 實驗結果

2.1 已加工表面質量實驗結果

工件表面質量的評定參數有很多，本文選取顯微硬度、表面殘余應力、表面粗糙度與表面應力集中系數來進行評定。其中應力集中系數可根據表面粗糙度計算，計算方法如下[15]：

式中：ρ為峰谷的平均半徑；Ra、Ry和Rz分別為輪廓算數平均偏差，輪廓最大高度和輪廓微觀不平度十點高度；n=1時代表扭轉載荷，n=2時代表拉伸載荷。

顯微硬度結果如圖5所示，從圖中得到第6組銑削參數下的表面顯微硬度最大為477.5 HV，第2組銑削參數下的表面顯微硬度最小為387.9 HV。不同加工參數下的表面顯微硬度差異并不是太大，最大表面顯微硬度比最小表面顯微硬度只增加了23.1%。沿著進給方向的殘余應力結果如圖6所示，進給方向的殘余應力為拉應力。其中第2組銑削參數下的殘余應力最大為379.68 MPa，第9組銑削參數下的殘余應力最小33.84 MPa，表層最大的殘余拉應力是最小的11.2倍。表面粗糙度的結果如圖7所示，第9組銑削參數下的表面粗糙度Ra最小為2.25 μm。第3組銑削參數下表面粗糙度Ra最大為3.65 μm。不同銑削參數下，表面粗糙度最大值相比于最小值增加了62.2%。應力集中系數的結果如圖8所示，第9組加工參數下的應力集中系數最小為1.95，第7組加工參數下的應力集中系數最大為3.72，最大的應力集中系數相比于最小的增加了90.8%。

2.2 低周疲勞實驗結果

不同銑削參數加工試樣的低周疲勞周次壽命結果如圖9所示。從圖中我們可以得到：第7組參數下加工的疲勞試樣疲勞壽命最短，只有25 573次循環周次；第9組加工參數下的疲勞試樣壽命最長，有89 535次循環周次，最高周次是最低周次的3.5倍。

采用極差分析法對于實驗結果進行分析，如表3所示。從極差中可以看出，銑削速度對低周疲勞壽命的影響變化最大，接下來是銑削深度，進給量對低周疲勞壽命的影響最小。

試樣低周疲勞壽命隨不同銑削參數的變化規律如圖10所示，可以看出隨著銑削速度和進給量的增加，GH4169的低周疲勞壽命先增加后減小，而隨著銑削深度的增加，低周疲勞的壽命一直增加。低周疲勞壽命的長短與加工表面質量密切相關，銑削速度和進給速度的增加使得加工區域溫度升高，溫度的升高使得加工表面的硬化程度降低，晶格缺陷減小，壽命也會增長，但隨著速度的持續增大，切削力也會相應增大，當力引起的塑性變形大于熱載荷作用時，晶格缺陷又會開始增加，從而又降低了疲勞壽命。當進給速度超過0.2 mm/r時，隨著進給速度的增加，加工表面理論殘余高度將會增加，從而使得加工表面粗糙度增大，加工試件的低周疲勞壽命縮短[16]。對于銑削深度而言，隨著銑削深度的增加，每次走刀刀痕減小，對于加工的側表面而言相當于是銑削寬度的增加，使得加工出表面的粗糙度減小[17]，加工表面就會越光整，加工缺陷也會越少，產生低周疲勞失效的裂紋源就會減小，從而使得低周疲勞壽命逐漸增大。當銑削參數為銑削速度Vc=40 m/min，銑削深度ap=0.45 mm，進給量f=0.2 mm/r時，試樣的低周疲勞壽命最長。

表3 疲勞壽命極差分析

2.3 低周疲勞壽命數學模型

機械加工參數的變化引起的是表面質量的變化，加工零件的表面質量會直接影響零件的疲勞性能。通過擬合分析，隨著切削成形表面顯微硬度的增加、殘余拉應力的增加、應力集中系數的增加試樣的疲勞壽命都會隨之降低，這表明3種因素對疲勞性能都有影響。綜合考慮3種表面質量參數的影響，來建立基于銑削參數的低周疲勞壽命數學模型。

基于不同銑削參數我們對其銑削成形后的表面顯微硬度總結其數學模型，對于正交試驗所建立的數學模型主要為指數形式[18]，可以表示為：

根據上述數學模型建立加工參數即切削速度Vc、切削深度ap以及進給速度f對加工后表面顯微硬度的數學公式。用H表示加工后顯微硬度則其關于加工參數的函數為：

(1)

其中：C0為常數，a、b、c分別代表了3個加工參數的常數指數，在Matlab中采用多元線性回歸方法進行擬合，求出公式中的常數及指數，得到的銑削表面顯微硬度關于3種銑削參數的方程為：

(2)

同理，分別用R、K表示基于不同的加工參數加工后的表面殘余應力與應力集中系數，經擬合得到數學模型：

R=7.845Vc0.909ap-0.914f0.716

(3)

K=0.713Vc0.331ap-0.167f0.054

(4)

加工試樣的低周疲勞壽命是多種因素共同作用的結果，本文考慮加工表面顯微硬度、殘余應力以及應力集中系數這3個因素對低周疲勞壽命的影響，建立低周疲勞壽命的數學模型如下：

N=C0HaRbKc

(5)

求出對應的系數，則得到的低周疲勞壽命關于3種表面因素的方程為：

N=5.94×106H-1.968R-0.151K-1.464

(6)

將式(2)～(4)代入到低周疲勞壽命式(6)中，可以得出低周疲勞壽命關于銑削參數的數學模型，如下：

N=51.123Vc-0.731ap0.325f-0.319

(7)

從低周疲勞壽命關于銑削參數的式(7)中可以看出，對低周疲勞壽命影響敏感程度的高低為：切削速度> 切削深度> 進給量。如前所述，數學公式得出的影響規律與極差分析所對應的規律一致，通過給定銑削參數，可估算低周疲勞壽命的長短。

2.4 低周疲勞斷口分析結果

疲勞試樣斷裂后的斷口形貌如圖11所示。從斷口處我們可以看出斷口截面發生了一定的塑性變形，這是因為在低周疲勞試驗時，加載的載荷超過了材料的屈服強度，材料會產生塑性變形。對于低周疲勞來說，載荷在裂紋尖端引起的塑性區的交互作用是造成斷口特點的主要原因。對于疲勞斷口來說，通常都有明顯的3個區域，分別為疲勞裂紋源區，裂紋擴展區和瞬斷區。從斷口截面上我們可以觀測到疲勞斷裂發展的3個區域，其中最好觀測的是疲勞瞬斷區，該區域一般具有不平坦的粗糙表面。對于裂紋擴展區而言，該區域在斷口截面中占比最大，該區域的裂痕有一定的方向性。相比于瞬斷區和裂紋擴展區而言，疲勞裂紋源區不易觀測，其主要發生在加工的表層區域，尤其是具有缺陷的地方，疲勞裂紋源區所占的區域是最小的。

3 結語

本文研究了銑削參數對高溫合金低周疲勞性能的影響規律，主要結論如下：

(1)銑削速度對低周疲勞壽命的影響最大，接下來是銑削深度，進給量對低周疲勞壽命的影響最小。

(2)隨著銑削速度和進給量的增加，GH4169的低周疲勞壽命先增加后減小，而隨著銑削深度的增加，低周疲勞的壽命一直增加。當銑削參數設為Vc=40 m/min、ap=0.45 mm、f=0.2 mm/r時，高溫合金GH4169的低周疲勞壽命最長。

(3)高溫合金低周疲勞斷裂的機理為：試樣在高于屈服強度的載荷循環作用下，內部產生塑性變形，引起疲勞裂紋源的萌生和擴展，最終導致試樣的斷裂。