高温合金材料特性及加工技术进展

吴明阳　王博　程耀楠　赵旭　高永斌

摘要：高温合金是航空航天、运输、航海及核电工业领域必需的金属材料，特别是镍基高温合金的发展为我国航空发动机性能的提升起到了重要意义。高温合金的切削加工性能较低、加工效率不高也一直制约着航空航天以及其它工业领域的发展。本文从高温合金的材料特性、切削加工特点以及切削加工工艺等方面进行研究，在此基础上对加工高温合金新的冷却方式和条件进行探讨，以期为高效高质量加工高温合金提供参考依据。

关键词：高温合金；切削加工性；材料特性；高压冷却

中图分类号：TG506 文献标志码：A 文章编号：1007-2683（2015）06-0024-08

0 前言

进入21世纪以来，随着航天技术的成熟，高温合金自研发以来获得了重要发展。尤其是镍基高温合金，它在高温条件下，仍然具有很高的抗疲劳强度、高屈服强度、抗拉强度和抗腐蚀性、抗氧化性。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。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。因此高温合金材料也被誉为“先进发动机基石”。高温合金在民用工业中的应用也越来越广泛，高温合金在航空发动机用高压涡轮粉末盘（图1）、车用涡轮增压器使用普遍、在核电、石油石化（图2）等行业也有着重要的应用。工业化的推进和国内高端装备制造业的发展将持续拉动民用工业对高温合金的需求，目前民用高温合金占总需求的20%，未来这一比例有望持续提升。

高温合金的高效加工问题也一直是航空航天工业以及其它行业制造技术中亟待解决的重要问题。主要反映在刀具切削加工时切削温度高，刀具受力大，加工硬化磨损严重，生产效率低等方面。以镍基高温合金为例，此合金在高温合金领域应用最广，其力学特性、抗氧化与抗高温变形性能优良，但是缺点是导热系数较低、加工容易产生硬化等。本文以高温合金为典型材料进行高效切削加工技术及工艺研究，对高温合金材料特性、种类及应用、加工特点、加工技术及工艺进行分析，对我国航空航天事业有着重要现实意义和应用价值。

1 高温合金种类及材料特性分析

1.1 高温合金种类分析

高温合金是指够能在600℃以上的高温可以长期适应一定的抗压力作用下工作的并且具有较好的综合性能的金属材料，而且在极端的高温高压下仍然具有优良的组织稳定性和可靠性。

传统的划分高温合金材料可以根据以下3种方式来进行：按基体元素种类、合金强化类型、材料成型方式来进行划分。

1）根据基体元素种类，高温合金可以分为铁基、镍基、钴基等，其中，铁基高温合金又可称作耐热合金钢如图3所示。它的基体是Fe元素，加入少量的Ni、Cr等合金元素，耐热合金钢按其正火要求可分为马氏体、奥氏体、珠光体、铁素体耐热钢等。镍基高温合金的含镍量在一半以上，适用于1000℃以上的工作条件，采用固溶、时效的加工过程，可以使抗蠕变性能和抗压抗屈服强度大幅提升。钴基高温合金是以钴为基体，钴含量大约占60%，同时需要加入Cr、Ni等元素来提升高温合金的耐热性能，虽然这种高温合金耐热性能较好，但由于各个国家钴资源产量比较少，加工比较困难，因此用量不多。通常用于高温条件（600～1000℃）和较长时间受极限复杂应力高温零部件，例如航空发动机的工作叶片、涡轮盘、燃烧室热端部件和航天发动机等。为了获得更优良的耐热性能，一般条件下要在制备时添加元素如W、MO、Ti、Al、Co，以保证其优越的抗热抗疲劳性。目前就高温环境使用的高温合金来分析，使用镍基高温合金的范围远远超过铁基和钴基高温合金用处。同时镍基高温合金也是我国产量最大、使用量最大的一种高温合金。很多涡轮发动机的涡轮叶片及燃烧室，甚至涡轮增压器也使用镍基合金作为制备材料。半个多世纪以来，航空发动机所应用的高温材料承受高温能力从20世纪40年代末的750%提高到90年代末的1200℃应该说，这一巨大提升也促使铸造工艺加工及表面涂层等方面快速发展。

2）根据合金强化类型，高温合金可以分为固溶强化型高温合金和时效沉淀强化合金。所谓固溶强化型即添加一些合金元素到铁、镍或钴基高温合金中，形成单相奥氏体组织，溶质原子使固溶体基体点阵发生畸变，使固溶体中滑移阻力增加而强化。有些溶质原子可以降低合金系的层错能，提高位错分解的倾向，导致交滑移难于进行，合金被强化，达到高温合金强化的目的。所谓时效沉淀强化即合金工件经固溶处理，冷塑性变形后，在较高的温度放置或室温保持其。1生能的一种热处理工艺。例如：GH4169合金，在650℃的最高屈服强度达1000MPa，制作叶片的合金温度可达950℃。

3）通过材料成型方式划分有：铸造高温合金（包括普通铸造合金、单晶合金、定向合金等）、变形高温合金、粉末冶金高温合金（包含普通粉末冶金和氧化物弥散强化高温合金）。

（1）铸造高温合金。采用铸造方法直接制备零部件的合金材料叫铸造高温合金。根据合金基体成分划分，可以分为铁基铸造高温合金、镍基铸造高温合金和钻基铸造高温合金3种类型。按结晶方式划分，可以分为多晶铸造高温合金、定向凝固铸造高温合金、定向共晶铸造高温合金和单晶铸造高温合金等4种类型。

铸造高温合金是航天发动机零部件的重要组成部分，根据研究分析航空发动机寿命的长短影响最显著的因素就是铸造高温合金的好坏，随着航空航天领域的快速蓬勃发展，要求广泛使用高科技含量的合金材料，如高性能等轴晶、单晶合金、定向合金。

随着时间推移，发动机涡轮叶片材料已由变形高温合金逐渐过渡到铸造高温合金，由第一第二代单晶合金已发展到第五代含铼高温合金，成为高性能航空发动机涡轮叶片的主要材料。定向凝固合金已更新出了三代，这种凝固状合金改变了高温时横向晶界的低效性，使合金可以承受更高的强度。定向、单晶高温合金尚且还在研究中，新型高性能合金就不断涌现，高温合金领域正面向着高速、稳定、不断更新的方向快速发展。目前各种先进铸件制造技术和加工设备在不断开发和完善，如热控凝固、细晶工艺、激光成形修复技术、耐磨铸件铸造技术等，原有技术水平不断提高完善从而提高各种高温合金铸件产品的质量一致性和可靠性。

（2）变形高温合金。变形高温合金，如图4所示。目前仍然是航空发动机中使用最多的材料，在国内外应用都比较广泛，我国变形高温合金年产量约为美国的1/8。以GH4169合金为例，它是国内外应用范围最多的一个主要品种。我国主要在涡轮轴发动机的螺栓、压缩机及轮、甩油盘作为主要零件，随着其他合金产品的日益成熟，变形高温合金的使用量可能逐渐减少，但在未来数十年中仍然会是占着主导地位。

我国变形高温合金最新进展是大型难变形合金盘件的生产加工取得了历史性突破，解决了一直难以攻克的冶炼和热加工中涉及的技术革新问题，成功研制了直径为1.2m的GH4698合金盘和GH4742直径为0.8m的合金盘，这项技术的成功运用摆脱了一直依靠国外才能实现的依赖性，满足了我国大型舰船和燃气轮机发展的迫切需要。

（3）新型高温合金。新型高温合金包括粉末高温合金、钛铝系金属间化合物、氧化物弥散强化高温合金、耐蚀高温合金、粉末冶金及纳米材料等多种细分产品领域。第三代粉末高温合金的合金化程度提升，使其兼顾了前两代的优点，获得了更高的强度较低的损伤，粉末高温合金生产工艺日趋成熟，未来可能从以下几个方面开展：粉末制备、热处理工艺、计算机模拟技术、双性能粉末盘；钛铝系金属间化合物已经开发到第四代，逐步向着多元微量和大量微元这两个方向拓展，德国的汉堡大学，日本京都大学，德国的GKSS中心等都进行了广泛的研究，钛铝系金属间化合物现已应用于船舶、生物医用、体育用品领域；氧化物弥散强化高温合金是粉末高温合金一部分，正在生产研制的有近20余种，具有较高的高温强度和低的应力系数，广泛的应用于燃气轮机耐热抗氧化部件、先进航空发动机、石油化工反应釜等；耐蚀高温合金主要用于替代耐火材料和耐热钢，应用于建筑及航天航空领域。

1.2 高温合金材料特性分析

高温环境下材料的各种退化速度都被加速，在使用过程中易发生组织不稳定、在温度和应力作用下产生变形和裂纹长大、材料表面的氧化腐蚀，如图5所示。高温合金所具有的耐高温、耐腐蚀等性能主要取决于它的化学组成和组织结构。以GH4169镍基变形高温合金为例，其主要化学成分见表1，力学性能见表2。通过表1可以看出GH4169合金中铌含量高，合金中的铌偏析成都与冶金工艺直接相关，GH4169基体为Ni-Gr固溶体，含Ni质量分数在50%以上可以承受1000℃左右高温，与美国牌号Inconel718相似，合金由γ基体相、δ相、碳化物和强化相γ′和γ″相组成。表2中GH4169合金的化学元素与基体结构显示了其强大的力学性能，屈服强度与抗拉强度都优于45钢数倍，塑性也要比45钢好。稳定的品格结构和大量强化因子构造了其优良的力学性能，但同时也反应了切削加工性差的特点。

高温合金由于其复杂、恶劣的工作环境，其加工表面完整性对于其性能的发挥具有非常重要的作用。但是高温合金是典型难加工材料，其微观强化项硬度高，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，高温合金表层会产生硬化层、残余应力、白层、黑层、晶粒变形层等过大的问题。

2 高温合金切削加工特点分析

镍基高温合金是难加工材料中最难加工的材料之一，与45钢相比其加工难易程度仅为后者的（5～15）%，虽然难以加工但仍然广泛应用，尤其是在航空发动机中所占比重特别大，虽然重量不是很大，但毛坯件的重量却很大，材料的大部分作为切削余量被去除掉，切削时工作用量很大。因此高温合金加工效率与加工质量是航空航天零部件加工急需解决的问题。

1）切削变形大

在切削加工高温合金的过程中，切削的温度很高，切削表面塑性变形增大明显，塑性变形大小关系着切削变形系数的大小，低速情况下塑性变形过程并不明显，高速切削时个别的延伸率超过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

由于高温合金的塑性、韧性大，在高温和高压作用下切削力和切削热会使合金产生严重的塑性变形，变形的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，切削试验表明，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

切削高温合金时，由于本身含有许多金属化合物和其他金属元素等构成的硬质点，随着一次次切割产生的大量的热贴附在切削区，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如图6、图7所示。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，刀具表层变得脆弱，从而加剧了刀具的磨损。

4）切削区域温度较高

切削高温合金时，材料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，切削区域聚集了很多的切削热，而高温合金散热性能很差，形成了很高的切削温度，刀具磨损加重。

5）切削精度较低

刀具切削高温合金时，材料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。

3 高温合金切削加工技术分析

镍基高温合金含有铬、钒、钛、锆、铌、铁、铝、钴、锰和稀土等很多活泼金属元素。在空气中会发生氧化反应，在高温和较差环境下内部元素会发生转变。这样对材料的物理性能和化学性能都有着不利的影响。同时在切削时刀具磨损严重，加工效率低。因此选用合理刀具及工艺方式对于切削加工有着重要意义。

1）刀具材料的合理选用

高温合金切削性差，普通的硬质合金和高速钢几乎无法加工镍基高温合金，所以这类材料应选用耐热性好抗弯强度高、导热性好、耐磨抗粘结性好的刀具材料。针对高温合金切削加工特性以及刀具破损机理的研究，国外学者一直试图开发出适合切削高温合金的高效刀具。应用新型刀具可以很大程度提高难加工材料的加工效率，目前，加工高温合金比较常用的刀具有：硬质合金、陶瓷、涂层硬质合金以及PCBN等刀具（图8、图9）。各种刀具材料物理热力学性能见表3。表3中可以看出：切削硬度上硬质合金刀具较低，陶瓷刀具稍好，PCBN硬度最好。

2）刀具几何参数选择

硬质合金刀具在高速干切削加工高温合金时，刀具前后刀面都会出现明显磨损，切削刃处最大，同时也为了减小塑性变形，减小切削力，减小加工硬化和降低切削温度，刀刃强度保持一定量的前提下，尽量选用较小的正前角。粗加工时：硬质合金刀具前角则取3°～6°，精加工时：硬质合金刀具则取5°～8°，当切削速度较大时，可以采用负前角。为了减小刀具后刀面与加工表面的摩擦，应选较大的后角，后角的增加可以减少后刀面的磨损，增加刀具的寿命。粗加工时：硬质合金刀具后角取8°～10°，精加工时：硬质合金刀具应取10°～12°。

对于铣削等断续切削，在工艺系统的刚度、机床功率满足要求的情况下，刀具必须有足够的刚度，同时刀齿强度要高。一般铣刀前角通常取0°～5°，后角为13°～16°为宜。对于立铣刀螺旋角选较小为宜，通常选取28°～35°。对于钻削，可以采用超硬高速钢或者超细晶粒硬质合金钻头，通过钻头长度改变来改善切削效果。

3）切削高温合金加工工艺

国内外研究加工高温合金主要从切削力、切削温度、刀具寿命及加工表面质量等进行实验研究，这对于改善切削加工过程中刀具磨损、工件表面完整性提高都有深刻意义。

研究发现TiN涂层和无涂层的PCBN刀具高速车削GH4169时，在250m/min涂层刀具寿命高出无涂层20%左右，在相对较低速度的150m/min和225m/min时产生的是压缩残余应力，而当速度提高到300m/min时，产生的是拉伸残余应力。在进行高速铣削GH4169高温合金时，发现采用顺铣加工的表面粗糙度比逆铣要高。如图10所示。

4）高温合金切削液的选择

对于提升高温合金加工性而言，多数研究还是停留在切削液改进上，在除去切削液后并没有找到合适的替代介质，切削液的冷却润滑作用只能少部分的实现，因此对于刀具的使用、刀具的寿命、切削效率也受到不同程度的影响。选取合适的切削液可以减轻切削过程中的摩擦，及时带走切削区的热量。研究发现高温合金适用于水基的切削液来冷却降温，水基切削液是应用最为广泛的切削液，占到市场份额的70%以上，按稀释后的状态水基切削液包含乳化切削液、微乳化切削液、合成切削液。而对于高温合金内部晶格特殊性，切削时采用合成切削液较为合适。

传统的冷却方式对于减少刀具破损现象、提高断屑性能所起作用非常小，而且绝热剪切作用对降低切削温度的作用也并不明显。但是，随着机床辅助设备的发展，近来出现了高压冷却切削方式，为解决高温合金的高效切削加工问题提供了技术支持。寻找传统切削液替代品和新的冷却方式已成为当下加工高温合金材料的当务之急。

4 高压冷却切削高温合金加工新进展

在切削高温合金材料时，会发生严重的加工硬化，高温合金内部存在许多高硬度的硬质化合物，单位时间内产生的切屑和热量均较多，所以如果想得到较小的刀具磨损量应采用冷却润滑技术。目前切削技术主要采用干式切削技术、MQL技术、低温冷风切削技术。

镍基高温合金的高速切削中PCBN刀具的磨损量在湿切削条件下比干切削减少40%～50%。镍基高温合金高速切削过程中，PCBN刀具磨损严重，受切削热的影响很大，通过切削液冷却可以明显改善磨损问题。因此，通过PCBN刀具配合有效的冷却方式，才可以提高PCBN的切削性能与刀具寿命，改善高温合金切削加工性。与普通冷却方式相比，高压冷却不但可以更加有效的降低切削温度，而且还可以提高切削过程中的刀具的断屑性能。高压水射流通过刀具前刀面向上开口的方式，喷射到刀具的前后刀面如图11所示。以提高刀一屑接触面的润滑性，并降低工件表面温度。高压冷却液的使用对刀具寿命也会产生影响，刀具冷热频率交替变高，使刀具受到较多的热冲击，过高的冷却液压力直接喷射也会造成刀具的冲击腐蚀，在10bar高压冷却的条件下，刀具寿命比100bar时高出33%～61%，尤其是在较低的速度（150m/min）切削时。所以在使用切削液情况下，合理选用切削速度、和切削液压力有助于刀具寿命提高。

针对高温合金等难加工材料冷却润滑方式的研究，国内外诸多刀具生产厂家和高等院校均开展了大量的试验研究工作。因此，高压冷却切削技术已成为研究的重点，并且已经成为高温合金切削加工技术应用研究的一个重要方向。

5 结论

高温合金的研制与应用一直受到各国学者的高度重视和研究机构的支持，高温合金材料的广泛应用，其切削加工性的研究已成为切削研究的一个重是要方向，高温合金承受温度已接近极限，通过改变合金晶格内部来提升温度的空间难以实现。高温合金的发展重心已由普通锻造和铸造高温合金发展为定向凝固高温合金和单晶高温合金，并向弥散强化高温合金和纤维增强的高温合金方向发展。

应该对于抗腐蚀性好、强度韧度好的变形合金如GH4169，GH4720等的深入研究，保持产品性能和强度，以延长发动机使用寿命和降低变形合金磨损为主要目标，同时对GH4169高性能合金材料的加工技术改进。也要大胆探索超过1100℃以上的新型材料，如铌基合金和高温抗腐蚀性金属化合物。本文研究探讨了高温合金的组成、用途、使用情况和合理选择刀具材料等，以及使用新式高压冷却技术对切削高温合金的提升具有一定的参考使用价值。

（编辑：温泽宇）