镍基单晶高温合金磨削表面白层的形成规律

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.09.011

摘要/Abstract

摘要：

表面完整性对零件的服役性能和寿命影响至关重要，但是目前仍缺乏关于单晶高温合金加工过程中微观组织演化机制的研究.本文对单晶高温合金磨削过程中的磨削力与温度进行采集，同时对亚表面微观组织以及显微硬度进行表征，研究了表面白层特性.结果表明，在试验参数范围内磨削力和温度随着磨削深度的增加呈现显著上升的趋势，白层和塑性变形层厚度随着磨削深度和进给速度的增加而增大.白层与塑性变形层之间发生元素扩散现象，导致白层富含Al和Ta元素.磨削之后表面显微硬度有所提高，其硬化程度随着磨削深度和进给速度的增加而提高.

关键词: 镍基单晶高温合金, 磨削, 白层, 元素扩散, 加工硬化

Abstract:

Surface integrity is very important to the service performance and lifespan of parts， but research of the microstructure evolution mechanism of single crystal superalloy during machining is still lacking. The grinding force and temperature of single crystal superalloy were collected， and the microstructure changes and microhardness on the grinding subsurface were characterized. The characteristics of the white layer were studied as well. The results showed that in the range of test parameters， the grinding force and temperature increase remarkably with the grinding depth increasing， and the thickness of the white layer and the plastic deformation layer increases with the increase of grinding depth and feed speed. The element diffusion is found between the white layer and the plastic deformation layer， resulting in rich Al and Ta elements in the white layer. The surface microhardness increases after grinding， and the hardening degree rises with the increase of grinding depth and feed speed.

Key words: Ni?based single crystal superalloy, grinding, white layer, element diffusion, work hardening

中图分类号:

TH 161

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图/表 14

表1 DD5合金化学成分（质量分数）

Table 1 Chemical composition of DD5 （mass fraction） %

Al	Cr	Co	Ti	Mo	Ta	W	Re	Ni
6.2	7.0	7.5	0.1	1.5	6.5	5.0	3.0	余量

图1 单晶高温合金原始微观组织及元素含量（a）—低倍图；（b）—高倍图；（c）— γ相元素含量；（d）— γ′相元素含量.

Fig.1 Original microstructure and element content of single crystal superalloy

表2 单晶高温合金磨削加工参数 (superalloy)

Table 2 Grinding parameters of single crystal

序号	磨削速度v_s	磨削深度a_p	进给速度v_f
序号	m·s^-1	μm	m·min^-1
1	15.7	50	0.6
2	20.9	50	0.6
3	26.1	50	0.6
4	31.4	50	0.6
5	26.1	10	0.6
6	26.1	20	0.6
7	26.1	100	0.6
8	26.1	50	0.2
9	26.1	50	0.4
10	26.1	50	0.8

图2 磨削力采集装置

Fig.2 Grinding force acquisition device

图3 磨削温度采集装置

Fig.3 Grinding temperature acquisition device

图4 半人工热电偶的标定

Fig.4 Calibration of the semi-artificial thermocouple

图5 磨削温度和磨削力随磨削速度的变化

Fig.5 Changes of grinding temperature and grinding force with grinding speed

图6 磨削温度和磨削力随磨削深度的变化

Fig.6 Changes of grinding temperature and grinding force with grinding depth

图7 磨削温度和磨削力随进给速度的变化

Fig.7 Changes of grinding temperature and grinding force with feeding speed

图8 磨削诱导表面微观组织变化的典型特征（a）—低倍图；（b）—高倍图.

Fig.8 Typical characteristics of microstructure change on the surface induced by grinding

图9 磨削参数对白层和塑性变形层厚度d的影响（a）—磨削速度；（b）—磨削深度；（c）—进给速度.

Fig.9 Influence of grinding parameters on thickness of the white layer and the plastic deformation layer

图10 磨削亚表面点元素含量（a）—选取点位置；（b）—A点；（c）—B点；（d）—C点；（e）—D点；（f）—E点.

Fig.10 Element content of points on the ground subsurface

图11 磨削亚表面沿线分布的元素含量（a）—选取线位置；（b）— γ相形成元素；（c）— γ'相形成元素.

Fig.11 Element content along the lines on the ground subsurface

图12 亚表面显微硬度随磨削参数的变化规律（a）—磨削速度；（b）—磨削深度；（c）—进给速度.

Fig.12 Variation of microhardness on the subsurface with grinding parameters

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