张艳梅　富岩岩

摘   要：镍基高温合金Inconel718是用于航空产品的特殊材料，具有熔点高、热传导率低、加工硬化现象严重的特点，被认为是最难加工的金属材料之一。目前，该材料的加工主要依靠进口，国内加工经验不足。本文通过研究镍基合金在车、铣加工中的工艺，选择合适的刀具以及切削参数，达到自主加工镍基合金叶轮的目标，打破镍基叶轮全部进口的情况，为公司节省了大量外汇。

关键词：镍基;航空材料;加工工艺

镍基Inconel 718高温合金材料是用于航空产品的特殊材料。由于普通奥氏体不锈钢仅在650 ℃以下具有抗氧化性，不满足更高温度的使用条件。因此，在温度更高的工作条件下，应该采用镍基高温合金。镍基高温合金材料在航空发动机制造使用总金属量中，总占比可达到10%～25%，是机械加工行业公认的难加工材料。目前，本公司在G62等5台循环氢压缩机的叶轮中采用该材料。对于该材料，国内几乎没有任何的加工经验，以上叶轮均在国外整体采购。本项目通过研究镍基合金在车、铣加工中的工艺，选择合适的刀具以及切削参数，达到自主加工镍基合金叶轮的目标。打破镍基叶轮全部进口的情况，为公司节省了大量外汇。

1    Inconel 718材料加工问题概述

20世纪50年代末，美国国际镍公司研制出的镍铬沉淀硬化高温合金—Inconel718合金（相当于国产牌号GH4169）[1]。合金中含有Ni、Cr、Nb、Mo等，其中镍含量高达55%。在恶劣环境下该合金具有如下优点：良好的成型性能、较高的屈服强度、抗氧化及辐射性能强、耐腐蚀性能优。有别于用面心立方Ni3（Al，Ti）（γ′）进行沉淀强化的高温合金。由于Inconel718的沉淀相和基体之间有较大的共格畸变，致使其在恶劣的环境下具有良好的热强性和抗氧化性，因此得到受力转动件制造行业的青睐（例如：制造航空发动机涡轮盘、压气机盘等）。

镍基高温合金切削困难产生原因在于其导热性差，容易产生加工硬化现象，导致两者黏结。在切削时产生的切削切应力远远超过45钢，同时会伴有极高的切削温度和极高的硬化程度。因此，降低切削温度，减少加工硬化是切削高温合金时需要考虑的因素。综合以上考虑，切削镍基高温合金时应该考虑的问题有以下几点。

（1）刀具的刀刃应该始终保持锋利，否则就会发生切削刃的压碎和切削深度线处严重的沟槽磨损。

（2）原则上选取低速切削，进给量控制在适中偏小。

（3）考虑到切削液会对工件造成应力腐蚀，进而影响零件的疲劳强度。因此，应避免选择含硫元素的切削液。

（4）刀具系统刚性要高，机床功率应足够大。

2    切削刀具的選择

耐磨性高、高温硬度和韧性强、抗热震性好和化学稳定性优是刀具切削镍基合金的必备条件[2]。常用的Inconel718切削刀具有高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具。

2.1  高速钢刀具

高速钢（高速工具钢或锋钢）具有硬度高、耐磨性好以及耐热性强等优点，淬火后在空气中冷却即可硬化，主要可分为高碳系高速钢、含钴系高速钢、高钒系高速钢和铝高速钢[3]。

由于高性能高速钢具有更高的硬度，热硬性更好，耐用性远超普通高速钢（650 ℃切削温度达时，硬度高达60 HRC）等优点，其发展迅猛，使用范围分布在难加工材料的刀具（如制造加工钛合金、高强度钢、不锈钢等）。

2.2  硬质合金刀具

硬质合金刀是常用的金属切削刀具材料（约占70%）。硬质合金比高速钢更适宜对镍基合金进行切削加工，原因在于硬质合金的硬度可达89～94 HRA（高于高速钢的83～83.6 HRA），耐热温度为800～1 000 ℃（高于高速钢的500～650 ℃）。但是当硬质合金刀具切削Inconel718时，若高速切削时（50～200 m/min），刀具边缘会由于工件缺口处温度的急剧升高而发生过早变形或破碎。这可以通过刀具材料改性和刀具涂层[4]两个办法缓解。

2.3  陶瓷刀具

选取陶瓷材料能作为切削刀具用料的原因在于其熔点高、硬度高、较好的绝缘性、稳定的化学性能。

我国陶瓷刀具的实际应用与国外相比，发展较为缓慢。其中，我国陶瓷刀具占总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，使得相关研究不够完善，比如说切削用量的选取、几何参数等都难以确定。我国陶瓷刀年产量仅为硬质合金刀具产量的千分之一。但我国陶瓷刀具在切削性能逐步转向粗加工、断续切削。其中，ST新型复合陶瓷刀具能断续切削高于HRC63的高速钢滚刀（北京科技大学研制）。除此之外，陶瓷刀具种类不仅局限于车刀，铣刀和刨刀也是其发展方向。

针对Inconel 718特点，通过对比，选用了瑞典SECO公司的FM40M硬质合金铣刀。该刀具是专门为加工高温合金设计的，其基体是细颗粒硬质合金，可以有效提高刀具的韧性，增加刀具使用寿命，另外，该刀表面还有PVD（物理气相沉积）镀层，可以提高刀具切削刃的耐磨性与韧性并且不牺牲细颗粒硬质、合金基体的抗压缩强度与硬度，再配合锋利的刀刃及较大的螺旋升角，可以实现优于其他刀具的切削效果，如图1所示。

3    切削参数及加工效果

根据实际加工情况可以达到如表1所示的切削参数。

通过对比可以看出，对于Inconel 718叶轮，其加工效率远低于FV520B叶轮，刀具使用寿命短。刀轴变化大、非均匀切削、进刀角度为顶刀，都会造成打刀，刀具成本要远高于普通叶轮加工。

4    结语

通过对镍基合金在车、铣加工中的工艺的研究，在选择合适的刀具以及切削参数的前提下，可以达到自主加工镍基合金叶轮，打破了镍基叶轮全部进口的情况，为公司节省了大量外汇，但是加工镍基合金的刀具成本要远高于普通叶轮加工，这一点后面还需要再考虑应对措施。

參考文献

[1]李刘合，杨海健，陈五一，等.用于加工Inconel718的切削刀具发展现状[J].工具技术，2010（5）：3-12.

[2]刘海滨.镍基高温合金高速车削研究[D].南京：南京航空航天大学，2007.

[3]贾成厂，吴立志.粉末冶金高速钢[J].金属世界，2012（2）：5-10.

[4]郭建亭.高温合金材料学（中册）[M].北京：科学出版社，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