航空发动机命脉：高温合金(干货来了！高温合金的切削加工！)
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本文导读目录：
航空发动机命脉：高温合金
所谓高温合金，即能在600℃以上高温及一定应力作用下长期工作的一类合金。
高温合金材料相比于传统金属，在性能上具有高温高强；良好的抗氧化和抗热腐蚀性能；良好的抗疲劳性能、断裂韧性、良好的弹塑性。
在众多应用领域中，航空航天仍然占据最重要地位，占需求总量的55%，其次是电力行业，占比达20%。
高温合金从诞生起就应用于航空发动机，在现代航空发动机中，高温合金材料主要用于四大热端部件：燃烧室、导向室、涡轮叶片和涡轮盘，此外还用于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件。
由于不同机型的发动机所需的高温合金占比不同，根据测算，未来二十年全球民航各类型新机航空发动机，对高温合金的总需求为42.7万吨。
2016-2035全球民航飞机高温合金需求。
另外，现有军机的维护和修理折算成发动机所需数量为2000台，对应的高温合金需求量达到1万吨左右。
因此军用领域对高温合金的需求将达到6.7万吨。
燃气轮机是高温合金的另一个主要用途，其结构及原理与航空发动机类似。
由于燃气轮机喷射到叶轮上的气体温度高达1300℃，因此叶轮需要用高温合金来制造。
燃气轮机的应用分为发电用燃气轮机领域和舰船用燃气轮机领域，主要以后者为主，在军用领域，有75%以上的海军主力舰艇采用燃机动力。
我国目前大约只有10艘主力舰艇使用燃气机，国产舰船用燃气轮机的技术问题已经得到解决。
我国海军有望形成3大近海舰队和若干航母编队的作战体系，预计将新增驱逐舰及护卫舰97艘左右，中小型舰艇200艘左右，预计对高温合金的需求量约为3.3万吨左右。
据cnii报道，2015年我国新售乘用车中涡轮增压的配置率在31%左右，预计到2020年，我国乘用车涡轮增压比例将高达47%。
涡轮增压汽车将从2015年的750万辆增至到2025年2300万辆，期间累计高温合金总需求10.6万吨，市值超200亿元。
核电用高温合金包括：燃料元件包壳材料、结构材料和燃料棒定位格架，高温气体炉热交换器等，均是其他材料难以代替的。
干货来了！高温合金的切削加工！
高温合金又称耐热合金或热强合金，他是在一定温度下具有耐热性的合金。
热稳定性是指在高温下抗氧化、抗燃气腐蚀的能力；热强性则是指合金在高温下抵抗塑性变形和断裂的能力。
高温合金除含有大量的铁、铬、镍和钴等基本元素外，还含有铝、钛、铌、钡、钒、钨、钼及锰等强化元素。
其抗氧化温度可达900℃～1100℃，能够在高温氧化气氛或燃气条件下工作，目前已广泛应用于各个领域，特别是航空、航天和造船等工业部门。
其特点是高温塑性好，能进行锻造、热轧以及冷拔等压力加工，常见的牌号有GH2036、GH2132、GH4033、GH4037、GH4049和GH4169等。
此类合金含镍量为30%～45%，他抗高温氧化性能高于铁基高温合金，应用广泛。
其硬度为302～388HBW，抗拉强度b为922～1275MPa，伸长率为10%～25%，热导率为10.88～15.49W/mK。
常见的牌号有GH2135、GH1140、K4和K214等。
他是以镍为基体，含镍量达45%以上，是目前抗高温氧化性能最好的高温合金。
其硬度为255～361HBW，抗拉强度b为893～1236MPa，伸长率为10%～25%，热导率为7.95～11.72W/mK。
常见的牌号有GH4037、GH4049、GH4169、GH4698、K401和K417等。
此外，还有Mo、Ti及Nb为基体的高温合金。
以45钢的相对切削加工性为1，则高温合金的相对切削加工性只有0.08～0.3。
这其中以镍基高温合金和铸造高温合金为最差。
所以说，高温合金是各种难切削材料中最难切削的材料。
高温合金中的强化相愈多，分散程度愈高，其热强性愈好，热强性越好，则切削加工性越差。
由于切削高温合金时，产生巨大的塑形变形，刀具与工件、切屑之间产生强烈的摩擦，而产生大量的切削热。
加之高温合金的热导率很低（平均约为12.6W/mK），传热困难，切削热集中在狭小的切削区内，致使切削温度高达1000℃左右。
一般在相同的条件下，切削高温合金比切削45钢的切削温度高300℃左右，加剧刀具的扩散和氧化磨损。
由于高温合金中的各种强化相，特别是含有许多碳化物、氮化物、硼化物及金属间化合物，构成细微的硬质点。
加之硬化现象严重，切削温度高，刀具材料与工件材料的粘结和亲和作用，刀具材料某些合金元素（W、Co、Ti或Nb）向工件材料和切屑中扩散，致使刀具产生严重的磨料、粘结、扩散、氧化、沟纹和边界磨损，甚至使切削刃崩落。
切削高温合金时，要求刀具材料具有高的硬度和耐磨性、高的抗弯强度、良好的导热性以及良好的抗粘结、抗扩散和抗氧化等性能。
应选用抗粘结、抗扩散、与高温合金亲和性差的，并含TaC或NbC的超细晶粒YG或YW类硬质合金。
牌号有YS2、YS8、YD15、YG813、YG643及YW4等。
涂层硬质合金，应选Al2O3、TiAlSi及TiAlN涂层。
由于CBN的硬度很高（8000～9000HV），耐热性为1400～1500℃，具有很好的化学稳定性。
除用他高速地对高温合金进行精加工外，特别适合镍基高温合金的切削加工。
刀具前角的大小，取决于高温合金的种类和工件毛坯的状态。
切削变形高温合金时，高速钢刀具，012～15；硬质合金刀具，010。
这两种材料的刀具，切削铸造高温合金时，00～5。
陶瓷和立方氮化硼复合片（PCBN）刀具，00～-5。
刀具前刀面形式，高速钢和硬质合金刀具为直线圆弧形或全圆弧形的断（卷）屑槽，有利于排屑和断屑。
由于加工硬化现象严重，刀具要尽量锋利，一般不鐾磨出负倒棱（陶瓷和PCBN刀具除外），若要鐾磨出，其宽度br一定要小一些。
在工艺系统刚度允许的情况下，应选取较小的主、副偏角，有利于增大刀尖强度和改善散热条件，提高刀具寿命。
一般r45～75，r'8～15。
切削高温合金时，切削速度主要受刀具寿命和高温合金种类的影响与限制。
在不同的切削温度下，刀具的磨损情况也不同。
在最佳切削温度下，刀具相对磨损最小，刀具寿命就高。
用高速钢刀具切削高温合金时，最佳切削温度为450～540℃。
用硬质合金刀具切削时，最佳切削温度为750～900℃。
低于或高于这一温度区域，刀具磨损都会加剧。
所以，应尽量使刀具在最佳切削温度相对应的切削速度下工作。
高速钢刀具，vc3～6m/min；硬质合金刀具，vc10～40m/min。
铸造和镍基高温合金取小值，变形高温合金取中到大值。
PCBN刀具，vc80～120m/min。
为了防止刀具在硬化层上切削，f/（fz）0.15～0.3mm/r（z）。
停止进给时，要使钻头迅速脱离切削表面，以免加剧硬化，给下一次进刀钻削带来困难。
如发生此情况，就应适当降低切削速度，用力进刀钻削，就可消除钻不动的现象。
钻孔时，应尽量采用硬质合金钻头（镶片、焊头和整体），对于大孔（28mm～76mm）应采用可转刀片的浅孔钻头。
钻铸造高温合金孔时，一定要把钻头的刃带（0'0）改磨成0'4～6，以减小与孔壁的摩擦、粘结和防钻头的折断。
铰孔时，对铸造高温合金，应采用YG类硬质合金铰刀。
对各类高温合金的铰孔，除采用低速外，应采用润滑性能好的切削液，如极压切削油、硫化油以及二硫化钼油膏等。
在高温合金上攻螺纹，特别是在铸造高温合金上攻螺纹特别困难，往往因转矩大，丝锥咬死和折断在孔中。
这时应适当加大底孔直径，一般为标准牙高的80%～90%，采用煤油稀释氯化石蜡、硫化油加15%～20%的CCl4、石墨粉用植物油调成糊状和用MoS2油膏等作润滑剂。
在铣削时，应尽可能采用顺铣，不仅可以提高刀具寿命，而且可防止切屑粘刀。
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高温合金机匣电解加工技术基础研究
【摘要】：机匣零件是航空发动机的关键部件之一,其外形特征多为圆筒或圆锥形的回转体结构。
机匣零件种类繁多,根据机匣零件在发动机中承担的作用不同,其结构形式也存在较大差异。
有些机匣零件表面有大量的凹凸结构,如燃烧室机匣、涡轮机匣等,有些机匣零件结构比较简单,回转面上没有复杂的凹凸结构,如低压二级机匣、燃烧室外机匣等。
镍基高温合金材料兼具优异的高温强度、良好的抗氧化、抗热腐蚀等综合性能,已成为航空发动机机匣零件重要的服役材料。
为了减轻机身重量,追求更高的热效率,机匣零件通常采用薄壁机构,其局部壁厚甚至小于1mm。
机匣零件加工过程中去除余量大、材料难切削、加工易变形的特点给传统加工带来极大的挑战。
随着国防工业对航空发动机需求量和使用性能的不断提升,根据机匣零件不同结构特征的加工需求,寻找合适、高效的先进加工工艺方法具有极其重要的意义。
本文以航空发动机中高温合金机匣零件为研究对象,针对机匣零件凹凸结构型面加工成形和无凹凸结构回转面高效加工的需求,分别提出定点断电旋印电解加工技术、环形深切电解加工技术和环形深切电解磨削复合加工技术,并进行了大量的理论分析和试验研究。
论文研究工作主要完成以下内容:(1)围绕锻造高温合金机匣凹凸结构型面的加工需求,提出了定点断电旋印电解加工技术。
研究了旋印电解加工过程中,阳极表面的电流密度分布规律。
针对回转体表面凸条结构,提出定点断电法来保护阳极工件表面的非加工区域。
开发了阳极工件材料去除过程的仿真程序,并通过凸台成形过程的仿真模拟证实了定点断电法对阳极工件表面非加工区域的保护作用,得到了优化的断电间隔校正值。
最后,以锻造高温合金GH4169薄壁回转体工件为加工对象,开展了定点断电法的试验研究,结果表明定点断电法对阳极工件表面非加工区域的保护起到重要作用。
通过采用优化的断电间隔校正值,加工试样的成形精度和表面质量均有较好改善。
(2)针对锻造高温合金机匣无凹凸结构回转面的高效加工需求,提出环形深切电解加工技术,并优化了流场模式和阴极结构。
开展了环形深切电解加工的电场仿真研究,结果表明,环形深切能够显著提高阴、阳极间包络的加工面积,加工电流也因此得到显著提升。
同时,研究结果还表明,阳极工件材料的去除效率会随着阴极工具的切入深度加大而显著增加。
针对环形深切电解加工过程中,极间大量电解产物难以及时排除的问题,提出了内喷冲液的流场模式,并进行了内喷阴极工具的设计和优化。
开展了环形深切电解加工试验研究,结果表明,内喷冲液流场模式能够及时排除电解产物,实现了阳极工件材料去除效率的大幅提高。
通过几种典型结构形式的回转体零件的环形深切电解加工试验,证明了环形深切电解加工方法的应用潜力。
最后,以锻造高温合金GH4169回转体工件为加工对象,进行了高30mm、径向去除余量12mm的环形深切电解加工试验,取得良好的效果,其材料去除效速度达270mm3/min。
(3)面向铸造高温合金机匣的电解加工,分析了典型铸造高温合金K423A的微观组织结构特征,并研究了K423A在电化学溶解过程中的材料去除机制。
K423A的微观组织结构研究表明,相对于锻造高温合金,铸造高温微观结构更为复杂,大量碳化物、氧化物及杂质颗粒富含在基体材料中。
电化学溶解特性的研究表明,相对于锻造高温合金,铸造高温合金能够获得更高的电流效率,展示了电解加工技术在高效加工铸造高温合金材料中的应用潜力。
然而,研究结果也表明,由于铸造合金材料基体中大量难溶性微观颗粒的存在,导致铸造高温合金材料的电解加工试样表面质量明显较差。
(4)面向铸造机匣无凹凸结构回转面的高效加工需求,提出深切电解磨削复合加工技术,并研究了复合加工过程中阳极材料的去除机制。
针对铸造高温合金材料中难溶性成份导致其电解加工表面质量较差的问题,采用深切电解磨削复合加工技术,实现了对铸造高温合金材料的高速电化学溶解的同时,对基体中难溶性成份的磨削作用。
为此,开展了阳极材料去除机理的试验研究,建立了铸造高温合金在电解磨削复合加工过程中的材料去除模型,揭露了机械磨削在铸造高温合金材料去除过程中的作用。
此外,还开展了不同加工参数下的电解磨削复合加工试验,探讨了阴极工具的转速、磨粒粒度对加工电流及加工效率的影响。
(5)根据深切电解磨削复合加工的特点和工艺需求,研制了电解液的旋转转接装置,并设计了多自由度控制的辅助冲气装置。
为实现内喷阴极工具在高速旋转的同时,对加工间隙进行稳定供液,设计了精密的旋转转接装置。
设计了多自由度控制的辅助冲气装置,以期对不同大小、不同形状、不同切深的阳极工件实施任意角度的自由冲气,以达到对回转体零件已加工表面的保护作用。
(6)开展了某型号铸造高温合金机匣零件铸造余量的环形深切电解磨削复合加工试验,并针对铸造高温合金机匣零件的已加工表面极易遭受杂散电流侵蚀的特性,提出气绝缘的方法保护已加工表面。
通过建立阳极工件腐蚀速率的数学模型,优化了内喷阴极工具的直径,设计了阴极工具的出液口、壁厚等尺寸参数。
进行了辅助冲气的二相流仿真模拟,结果表明,辅助冲气能显著减小电解液的过渡区域。
最后,对某型号铸造机匣模拟件的铸造余量成功开展了环形深切电解磨削复合加工试验,加工效率和表面质量均得到有效的改善,阳极机匣零件的材料去除效率达到191mm3/min。
那么以上的内容就是关于航空发动机命脉：高温合金的介绍了，干货来了！高温合金的切削加工！是小编整理汇总而成，希望能给大家带来帮助。
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