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        粉末高溫處理的工藝探究與實施

        作者:翔宇粉末冶金制品

        發布時間:2020-09-01

        來源:本站 閱讀數量:233次 點贊數量:58次

        導讀:翔宇粉末冶金制品有限公司為您提供粉末冶金技術、粉末冶金知識,讓客戶對粉末冶金制品的技術與知識有所了解。

        渦輪轉子部件是航空發動機重要的核心熱端部件之一,渦輪部件的材料必須具有高的屈服強度、拉伸強度和良好的熱穩定性,能適應高溫下可靠的工作要求。

        粉末高溫處理的工藝探究與實施

        隨著發動機推重比的提高,粉末高溫合金材料越來越多地被采用,一方面給切削加工帶來很大的困難,無論是車削、銑削、拉削還是鉆孔,采用普通的硬質合金刀具、高速鋼拉刀都不能滿足加工的需要;另一方面零件結構上突出的特點是形狀復雜、壁薄、剛性差、圓弧轉接多,加工時極易產生變形,傳統的加工工藝都是靠成型刀加工型面來進行加工,屬于面接觸加工,加工中切削力較大,增加了零件變形的產生。

        因此必須研究新的加工工藝和應用新型高硬度、高耐磨的刀具材料,引用高剛性、大功率的加工設備,優化工藝路線,改進傳統的加工方案,有效地控制并減少零件的加工變形,滿足高精度粉末冶金盤的加工需要。本課題以FGH96粉末渦輪盤為載體,重點從摸索粉末高溫合金材料的加工特性,優化工藝方案、新型刀具材料切削試驗及應用,加工變形控制等方面進行試驗與研究。

        1粉末渦輪盤結構及加工工藝性分析1.1零件類型及結構工藝性分析隨著發動機推重比和渦輪前溫度的不斷提高,渦輪盤的應力水平越來越高,傳統的變形高溫合金材料已經不能滿足需要,而迫切要求使用具有高抗疲勞蠕變性能的粉末合金。粉末盤的出現解決了渦輪盤材料高合金化造成的凝固偏析和變形困難的問題,提高了力學性能,而且性能波動小。在目前的渦輪盤制造技術中,粉末冶金已成為制造高性能渦輪盤最成熟、可靠的方法,國外已將粉末盤廣泛應用于多種先進發動機的研制和生產中。

        本課題所述粉末渦輪盤是大直徑、多型腔、結構復雜的環形薄壁盤件,尺寸多、精度高,如所示。其帶有77個縱樹形榫槽,φB、φC、φD等多處直徑配合表面,尺寸精度要求高,輪盤輻板為不等厚結構,靠多處坐標值控制輻板厚度。各型面轉接處為多圓弧與錐面轉接,要求轉接圓滑,且有輪廓度要求。在輪盤一側帶有伸臂安裝邊結構,其端面帶有弧齒。由于伸臂處安裝邊懸臂較長,直徑方向的壁厚僅為4mm,加工中極易產生變形,使得安裝邊處的內腔型面加工難度增大,需要多把刀具轉接加工才能完成。輪盤上的端面弧齒是與壓氣機軸頸的連接部位,受力情況復雜,再加上材料硬度高、切削性能差等因素,零件的加工難度非常大。

        1.2粉末高溫合金渦輪盤材料性能分析粉末盤采用FGH96材料制造,該材料具有較高的斷裂韌性和抗蠕變能力,其熱穩定性及綜合性能良好。

        粉末(鎳基)高溫合金晶粒細小,組織均勻,無宏觀偏析,合金化成度高,抗蠕變性能高、屈服強度高,疲勞性能好,是制造高推重比發動機渦輪盤部件的最佳材料。目前在粉末高溫合金領域,美國和俄羅斯工藝各異,都居于世界領先地位。FGH96材料粉末盤的化學成分及力學性能見和。由材料的化學成分及性能指標可看出該材料的切削加工性如下:(1)導熱性差,導熱系數僅為普通鋼的1/41/3,加工中傳熱困難,切削溫度很高,因此切削時容易產生粘刀現象。

        (2)熱強性好,粉末高溫合金在較高的溫度下仍具有高的物理、機械性能,切削阻力比普通鋼高35倍。

        (3)材料本身有大量的強化相,加工硬化嚴重,表面硬度比基體硬度高500,容易磨損刀具,降低刀具([url=http://www.chinaljrj.com/new_view.asp?id=365]數控刀具不斷創新促進機床快速發展[/url])的耐用度和壽命。

        由于粉末高溫合金具有這些性能特點,所采用的刀具材料必須具有高強度、高紅硬性、良好的耐磨性好和韌性、高導熱性和強的抗粘接能力,并保持刀刃鋒利、排屑流暢。同時選用剛性好的工藝裝備(刀具、夾具和機床等)合理的切削用量(如較低的切削速度),進給量適中,切削深度可較大,使刀尖在硬化層下工作,有利于提高刀具耐用度,加工時應保持冷卻液充分的冷卻。

        2切削加工試驗粉末高溫合金在切削加工時,由于上述材料的特點,刀具磨損劇烈,刀具壽命明顯下降,在高切削溫度(750℃1℃)下,刀具產生嚴重的擴散磨損和氧化磨損;加工硬化現象嚴重,已加工表面的硬化程度可達200以上。因此粉末高溫合金的切削加工性能低,切削加工困難大,通過試驗來選擇最佳的刀具的材料和優化切削參數是十分必要的。

        為了更好地摸索粉末高溫合金的切削特性,用于切削試驗的試驗件和零件的材料完全一致,均為粉末高溫合金FGH96材料。

        2.1粗車加工試驗在進行毛料的粗車加工時,去除的余量較大,切削過程中沖擊性較大,由于此時對零件的表面粗糙度及尺寸精度要求不高,考慮到加工的經濟性,所以在粗加工時首先在國產刀具材料中進行選擇。

        選用YD15、YG8和M42等不同材料的刀具分別進行切削試驗,試驗結果表明:YG8材料加工中刀具磨損嚴重,需頻繁換刀,甚至根本車不動。

        M42材料即使采用低的切削速度,也無法滿足加工需要,而且刀具磨損較快。YD15刀具晶粒細小,在車削過程中抗沖擊性較好,不易打刀,但切削速度較低,綜合考慮了多種因素,因此在粗加工時選用YD15材料刀具。

        2.2半精車加工試驗考慮到加工質量和加工效率,在進行半精加工時選用進口刀具進行了試驗。先后選擇了陶瓷、立方氮化硼(CBN)、涂層硬質合金及非涂層硬質合金等材料的刀具進行了試驗。

        通過對陶瓷刀具、硬質合金刀具、涂層硬質合金刀具分別對粉末高溫合金試件的切削對比試驗可知:陶瓷刀具材料具有硬度高、耐磨性能好、耐熱性和化學穩定性優良、不易與金屬產生粘結特點,在相同切削條件下,陶瓷刀具的耐用度高于硬質合金刀具和涂層硬質合金刀具,切削速度是硬質合金刀具的45倍,更適合于粉末冶金零件的切削加工;在相同切削參數下,因為陶瓷刀具的化學穩定性較好且與試件的摩擦系數小,其加工表面粗糙度值小于涂層硬質合金刀具。

        (1)通過所選用陶瓷刀具和K類、S類硬質合金刀具的切削對比試驗可知:陶瓷刀具比這2種硬質合金刀具更適合用于鎳基粉末高溫合金的半精車加工;(2)通過所選用陶瓷刀具和硬質合金刀具切削力和表面粗糙度對比試驗可知:在相同切削參數下,兩者的切削力相差不多,但陶瓷刀具的加工表面粗糙度值小于硬質合金刀具。

        (3)所選陶瓷刀具的磨損形態主要是前刀面的月牙洼磨損,主要破損形態是前刀面的剝落;前刀面主要磨損機理是擴散磨損和磨粒磨損,后刀面主要磨損形態是磨粒磨損。

        試驗結果表明:在一定的范圍內,隨著進給量的增大,加工表面的粗糙度值Ra明顯增大,而切削速度的變化對粗糙度影響不大;所以選用陶瓷刀具可進行高速切削,且加工表面的粗糙度值明顯低于所選用硬質合金刀具的加工表面粗糙度值。

        2.3精車加工試驗精車加工時重點考慮到零件的加工精度和表面粗糙度的要求,選用了CBN刀片和S05F復合涂層的硬質合金刀具。

        2.3.1CBN刀片切削試驗切削用量:v=6065m/min,ap=0.20.3mm,f=0.1mm/r.

        與硬質合金相比,用CBN刀片車削粉末高溫合金時刀具磨損小,不僅加工質量高,而且刀具壽命顯著提高,因而將CBN刀片用于精車,加工精度可以得到保證。由于粉末高溫合金材料中的Ni、Cr、Mo、Ti和Nb等元素在一定的切削溫度作用下與CBN刀片表面有較強的親合作用,因而發生較明顯的粘結。粘結會形成刀具表面的微粒脫落,造成粘結磨損。

        當切削溫度達到1000℃1刀具表面會產生氧化與放氮現象,過高的溫度還會產生CBN→HBN的轉化,使CBN刀刃失去切削能力。為此,在采用CBN刀具切削時,必須注意選擇合適的切削用量和刀具幾何參數,使切削溫度不致過高。

        CBN刀具應用的前提是:機床-工件-刀具系統要有足夠動力和良好的剛性,而且工件以及機床要能承受高切削熱和大切削力帶來諸如變形等影響。因此必須控制切削力和切削振動。

        2.3.2S05F復合涂層材料硬質合金刀具切削試驗S05F涂層硬質合金刀片,采用復合涂層,中間層涂層成分為:TiCN-Al2O3,表層涂層成分:MT-CVD化學涂層。

        采用切削參數:v=4560m/min,ap=0.20.3mm,f=0.1mm/r.S05F復合涂層材料適用于對硬質合金刀具鋒利切削刃的涂覆,這一點對粉末高溫合金加工尤為重要。該涂層刀具切削性能好,耐用度高,適合于復雜型面、型腔的半精車和精車加工。切削試驗證明,在很寬范圍運用時這種組合涂層比其他任何一種單一涂層更有效,因此,應用TiCN-Al2O3復合涂層材料的刀具,加工粉末高溫合金等難加工材料已成為應用新涂層材料硬質合金刀具的新亮點。

        3粉末盤的加工工藝3.1工藝路線安排粉末盤毛坯采用模鍛件,熱處理狀態:固溶 時效,HB≥388.根據以往加工盤類零件的經驗和對該盤件進行工藝性分析,考慮到零件的結構及材料的加工特點等因素,制定粉末盤主要加工工藝流程如所示。

        3.2加工過程中注意的問題從中可以看出,粉末渦輪盤結構復雜,型面點多,最小處壁厚只有4mm.在車削加工過程中,由于從毛坯到成品有較大的加工余量,因而會產生較大的切削力。加上材料本身的鍛造應力的影響,零件加工中極易產生變形,從而造成零件尺寸難以保證,技術條件達不到設計要求。以精車加工為例,加工時首先將輪盤輻板型面的大部分余量去除,留0.10.2mm的余量時,再加工端面A、直徑B等表面。加工中發現的問題集中體現在,將端面A、直徑φB基本加工到位,留有0.1mm左右的余量時,再加工R3端面型槽,當R3型槽加工合格后,卻發現尺寸(18.5±0.02)mm和直徑B尺寸φ298.6 0。

        096mm均超出圖紙要求,說明其變形程度已經超出了預留的加工余量,φ298.6mm尺寸縮小,18.5mm尺寸增大。同樣精車輪盤另一側時,應先將輻板處余量去除,在加工伸臂處安裝邊外圓φD和內腔型面時,為了保證外圓尺寸公差和壁厚要求,先車外圓,留0.2mm左右的余量,然后加工型腔處,最后再精車外圓,保證圖紙要求。

        針對加工中暴露出的問題,及時調整了加工方案和優化了加工順序和走刀軌跡,將預留的加工余量進行了調整,并增加了精車修復工序,通過這些措施有效的減小了零件的加工變形,保證了尺寸精度和嚴格的技術要求。

        3.3加工變形原因分析和控制措施3.3.1變形原因分析FGH96粉末高溫合金材料的加工難度大,以加工GH4169材料通用的YD15硬質合金刀具為例進行分析,加工FGH96材料其切削速度也只能達到加工GH4169材料的60,切削深度只能達到加工GH4169材料的50`,走刀量也不足GH4169材料的70,加工效率低,而且材料變形也很嚴重,大約為GH4169材料變形量的35倍。這給加工帶來了極大的困難,早日摸清粉末高溫合金材料的變形原因和變形規律,采取有效的控制措施,消除或降低變形所帶來尺寸超差,是亟待解決的問題。通過近些年對高溫合金、粉末高溫合金同等材料、不同的盤件以基本一致的工藝流程進行加工中,摸索的變形規律,說明如下:(1)對于高溫合金、粉末高溫合金材料,加工中產生的變形不僅僅是機械加工中的切削應力造成的,零件的毛坯鍛件在加工過程中內應力釋放后重新達到平衡狀態同樣會引起較大的變形。內應力的釋放過程,一是時間過程,零件加工的周期越長,內應力釋放的越充分,變形就越小,零件加工周期越短,內應力越不容易得到釋放,變形就越大。

        (2)不同的材料就有不同的變形量。針對高溫合金和粉末高溫合金的機械加工,材料的去除量是造成零件變形的主要原因,切削余量大,切削應力大,零件變形隨之增加。

        (3)零件加工的工藝路線、加工順序和走刀軌跡、刀具材料的選擇、零件的裝夾方式等工藝方案是否先進合理,直接影響到零件的加工變形。

        3.3.2控制變形的措施(1)劃分加工階段,合理分配各工序的加工余量。

        針對加工余量大、加工應力集中引起變形的問題,應優化、細化加工工藝路線,合理分配各加工階段的加工余量,盡可能在粗加工時去除更多的余量,使零件盡早釋放應力。

        (2)優化、固化切削參數,在粗加工時控制切削深度不大于0.5mm,通過多次進刀完成大余量的去除。這樣可以有效地減小加工應力,精加工留有盡可能小的加工余量,保證最終加工后應力較小。

        (3)零件的型槽、型腔部位,對變形的影響很大,所以盡可能都要在精車加工前開槽。槽的深度盡量大,寬度可以稍窄些。精加工時轉接圓角部位的加工余量也要盡量小,這對減輕零件軸向尺寸的變形非常有利。

        (4)盤類件的榫槽拉削加工后會產生較大的變形,一般精車加工后的所有徑向尺寸,經拉榫槽后會普遍縮小,也會使零件各表面的形位公差值發生改變,因此應摸索變形規律,采用尺寸補償的方法或增加修復加工工序消除變形的影響。

        (5)增加消除應力穩定熱處理工序。

        雖然采取了一系列減小加工應力、控制加工變形的措施,但在粗車后和半精車后都要增加消除應力穩定熱處理工序,使加工中的應力得到有效釋放,這樣可以減少精加工中的變形。

        (6)噴丸前后的尺寸測量及修復加工。

        噴丸過程中,由于丸粒是在一定的壓力下對零件表面的撞擊作用,在零件表面層產生壓應力,同時噴丸強化過程中零件加工應力也會得到一定釋放,所以不可避免地會使零件產生變形,造成零件尺寸發生變化。為了摸索出噴丸后尺寸變化規律,在噴丸前、后要對一些重要尺寸進行測量,安排修復加工工序,對于難以修復的重要尺寸,則需要考慮在噴丸前預留變形量等尺寸補償辦法解決變形問題。

        4粉末盤榫槽拉削4.1拉削技術要求粉末盤榫槽槽型及尺寸如所示:(1)滾棒距尺寸A1、A2偏差的差值不大于0.025mm;(2)任意兩榫槽之間F平面的高度差不大于0.025mm;(3)榫槽工作面在對稱平面方向上的相互最大允許錯移量不大于0.02mm.

        粉末盤兩側帶有安裝邊,尤其是一側伸臂處壁厚僅為4mm,使零件在夾具上定位裝夾困難,輪盤輪緣厚度較厚,拉削時拉削力大、剛性差,容易產生振動,使榫槽表面產生波紋,降低表面質量,因此必須設計制造專用拉削夾具,增加其夾具底座的剛性和耐振性,保證夾具定位正確可靠。同時該零件榫槽深度尺寸比以往加工的盤類件榫槽要深得多,這樣必然使拉削力增大,因此設計成套拉刀時必須選擇合適的齒升量和拉削方案,通過試加工選擇確定最佳拉削速度。拉削中采用良好的冷卻潤滑液進行充分的冷卻。

        4.2拉刀材料的選擇及拉刀方案設計由于此前沒有粉末高溫合金材料的拉削經驗,通過查閱大量相關資料,采用進口粉末高速鋼材料ASP2060制造拉刀,拉刀硬度HRC6668.

        采用成套拉刀共14把,排成2排分2次拉削完成。第17把為開槽刀,第8把粗拉齒型,第911把為粗拉齒底槽刀,第12把粗拉齒頂圓弧刀,第13把精拉槽底圓弧,第14把為精拉齒形刀。其拉削示意圖即各把拉刀的拉削余量如所示。

        4.3拉刀的工藝參數拉刀材料:ASP2060(粉末高速鋼材料)。拉刀前角:15°;后角:3°。齒升量:粗開槽刀為0.0450.06mm;粗拉齒型刀0.020.035mm;精拉槽底圓弧刀0.02mm;精拉齒形刀00.03mm.拉削方式:漸切式 全成型。

        4.4使用設備采用進口數控高速側拉床,主驅動功率135kW,額定拉力25t,最大行程7.5mm.

        4.5確定最佳拉削速度基于上述零件材料為FGH96的切削特點,試驗確定最佳拉削速度至關重要,考慮到現有機床行程7.5m,一套拉刀總長10m,因此拉刀必須排2排才能完成加工。

        根據以往加工GH4169材料渦輪盤的加工經驗,同時考慮到粉末材料的難加工性,開始時采用了1.52m/min的拉削速度,但發現拉刀磨損嚴重,每拉削7個槽就需要卸下拉刀進行重新刃磨,經多次拉削試驗,最后將拉削速度調整為粗拉1m/min;精拉11.5m/min,取得了良好的拉削效果。

        4.6拉削中出現的問題及改進方案通過拉削過程中刀具的磨損情況和投影檢查結果發現影響拉削質量和拉刀耐用度的主要因素有:(1)拉削速度。在數控高速側拉床上拉削,使用常規拉削GH4169材料的拉削速度2m/min,明顯發現拉刀磨損嚴重,榫槽表面粗糙度不好,經多次試拉將拉削速度調整為粗拉削1m/min,精拉削1.5m/min,取得了良好的拉削效果。

        (2)投影檢查小試件發現,榫槽輪廓轉接不圓滑,槽型局部有突起,經研究確定了拉刀的修磨方案,對粗拉槽底拉刀進行了結構和拉削方式的改進,將原側面拉削改為頂齒拉削,同時將精拉齒型刀的齒距加大,避免了刀具的快速磨損,保證了榫槽輪廓形狀完全符合放大圖要求。

        (3)在試拉削過程中,通過檢測發現輪盤輻板尺寸由于受到拉削力影響,輻板處向拉削方向產生了0.15mm左右的傾斜變形。通過對拉具結構方案進行改進,增加輔助支撐,有效地降低了拉削過程中的變形。

        (4)粗拉齒底槽拉刀齒升量偏大,造成拉刀刀齒崩刃,經重新進行拉削試驗,改進了拉削方式,降低齒升量,保證了拉削質量。

        (5)拉刀材料ASP2060含碳量高,拉削中發現材料脆性大,易產生崩齒現象,刀具材料改為T15粉末高速鋼后,拉刀壽命和耐用度提高。

        5結束語先進的制造技術是航空發動機技術發展的基礎,航空事業的發展依賴于材料、設計和加工技術的共同進步,粉末盤的研制與應用使我們的制造技術水平邁向了新的臺階。但就目前來說,我國在粉末盤制造技術領域與國外相比,存在較大的差距,特別是在機械加工方面,我們要快速開展切削技術研究工作,在消化吸收國際先進制造技術的基礎上,結合新材料、新結構、新工藝不斷應用的實際需要,開展工藝制造技術的創新和探索,開展針對性的技術合作,大力提升制造技術水平。


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