徐志強 易理銀 張高峰 吳 衡 王 軍

（1 湘潭大學機械工程學院，湘潭 411105）

（2 復雜軌跡加工工藝及裝備教育工程研究中心，湘潭 411105）

文 摘 為了改善磨削后鎳基高溫合金GH4169 的表面完整性，本文采用磁流變彈性體砂輪對鎳基高溫合金GH4169進行拋光試驗研究。首先，通過模壓成型的方法制備了磁流變彈性體砂輪，并對其表面微觀形貌及不同磁場強度下的硬度進行了表征。其次，將制備出的磁流變彈性體砂輪用于對鎳基高溫合金GH4169 的拋光工藝試驗中，并討論拋光工藝參數(shù)中磁場強度對鎳基高溫合金表面完整性的影響。試驗結果表明：在一定的磁場強度范圍內(nèi)，零件拋光后的表面粗糙度和顯微硬度隨著磁場強度的增大而減小，同時增大磁場強度也有利于改善零件的表面形貌，減少砂輪的磨損量，降低零件磨削后的亞表面損傷層厚度。

0 引言

鎳基高溫合金在高溫強度、耐酸堿腐蝕、耐磨損、抗疲勞等方面具有很好的綜合性能，因此在航空發(fā)動機中得到普遍應用，其中屬GH4169應用范圍最為廣泛，例如航空發(fā)動機的蝸輪盤、葉片、燃燒室等熱端部件［1-2］。這些零部件的表面完整性將影響到整個機械系統(tǒng)的運轉和零部件的使用壽命［3］。然而鎳基高溫合金GH4169作為一種難加工材料，其具有導熱性差、加工性能差、加工效率低、加工成本高等特點，使得其在磨削加工過程中容易發(fā)生表面及亞表面損傷，導致其表面完整性降低［4］。

在鎳基高溫合金零件磨削加工表面完整性研究方面，目前國內(nèi)外學者主要采用不同類型的砂輪磨削加工鎳基高溫合金，并對磨削后表面完整性進行了研究。如Q.MIAO 等人［5］研究了黑剛玉（BA）和微晶剛玉（MA）砂輪的對比磨損行為及其對不同鎳基高溫合金緩進給磨削表面微觀形貌及表面粗糙度的影響。DAI 等人［6］使用陶瓷CBN 砂輪對鎳基高溫合金Inconel 718 進行了高速磨削實驗，研究了砂輪線速度對工件表面粗糙度以及亞表面微觀組織的影響。YAO 等人［7］對比研究了單晶剛玉砂輪及CBN 砂輪磨削鎳基高溫合金Inconel 718 后表面完整性的影響。SINHA 等人［8］對氧化鋁及碳化硅砂輪磨削鎳基高溫合金的燒傷機理進行了研究。黃新春等人［9］采用單晶剛玉砂輪對鎳基高溫合金GH4169 進行磨削試驗，并研究了磨削參數(shù)對表面完整性的影響。上述研究發(fā)現(xiàn)改進磨削加工工藝雖然能一定程度上提高零件的表面完整性，但是不可避免的還存在表面及亞表面損傷，達不到零件的最終使用要求。需要后續(xù)的研磨和拋光來進一步提高鎳基高溫合金GH4169 的表面完整性，因此研究及制備新的拋光方法和拋光工具顯得尤為重要。

研究表明拋光加工可以有效地降低磨削表面粗糙度，提高零部件的抗疲勞性能，增加零部件的使用壽命。目前常用的鎳基高溫合金的拋光加工方法有：手工拋光、機械拋光，少數(shù)采用電解拋光、化學機械拋光及磁力研磨拋光等方法。如T.B.DU［10］等人，采用Al2O3磨粒和H2O2作為氧化劑，對純鎳進行了化學機械拋光試驗，發(fā)現(xiàn)1wt%H2O2作為氧化劑時，拋光效果最好。DU［11］等人，采用電解-磁力復合研磨（EMAF）的方法對GH4169鎳基高溫合金進行表面加工，結果表明EMAF 方法能有效降低表面粗糙度，并提高拋光效率。陳春增等人［12］采用霧化快凝法制備的Al2O3磁性磨粒，對鎳基高溫合金Inconel 718 進行磁力研磨加工，并研究加工參數(shù)對Inconel 718 表面粗糙度的影響，并獲得了最佳磁力研磨加工參數(shù)。但是上述方法都是基于游離磨粒和手工拋光，普遍存在效率低、去除不穩(wěn)定、過程難以控制、設備復雜等缺點，因此有必要開發(fā)和研究拋光鎳基高溫合金的新方法和新材料。

磁流變彈性體作為一種磁性智能復合材料，已被廣泛運用到振動控制、吸振隔振以及應力位移傳感器領域［13-14］。它是由聚合物和軟磁性顆粒組成，由于具有高穩(wěn)定性、可控制性和對可變剛度的快速響應等特性，因而在開發(fā)拋光材料方面具有很好的發(fā)展前景［15］。綜上所述，本文提出了一種磁流變彈性體砂輪，以磁流變彈性體作為結合劑，金剛石微粉作為磨粒。利用磁流變彈性體的高彈性和柔性，可望有效解決上述拋光方法存在的問題，提高鎳基高溫合金GH4169磨削后的表面完整性。

1 磁流變彈性體砂輪制備

1.1 材料及制備工藝流程

根據(jù)磁流變彈性體的制備原理，本文所研制的磁流變彈性體砂輪的主要成分包括結合劑、軟磁性顆粒和金剛石磨粒。其成分配比如表1所示，其中結合劑為美國奧斯邦公司生產(chǎn)的704室溫固化硅橡膠，軟磁性顆粒粉為巴斯夫公司生產(chǎn)的羰基鐵粉顆粒，均值粒徑為2.5 μm，磨料選用市售金剛石磨粒，粒徑為5 μm。選用美國道康寧公司生產(chǎn)的二甲基硅油（PDMS）作為增塑劑，用來調(diào)節(jié)磁流變彈性體砂輪材料的硬度。磁流變彈性體砂輪的制備工藝流程見圖1。

表1 磁流變彈性體砂輪成分Tab.1 Mass ratio of each component of magnetorheological elastomer wheel wt%

圖1 砂輪制備工藝流程Fig.1 Process chart of grinding wheel preparation

制備工藝流程包括以下6個步驟：（1）稱量，按表1所述對砂輪各成分進行稱量；（2）混料，將各組分充分混合均勻；（3）裝模，將混合好的砂輪成型料均勻地澆注到模具中并壓平；（4）施加磁場，在砂輪模具兩側放置永磁鐵，至羰基鐵粉顆粒及金剛石磨粒穩(wěn)定分布；（5）壓制成型，在模具上施加壓力將砂輪壓制成型；（6）固化脫模，將模具放置在室溫下固化脫模，并采用油石對砂輪表面進行修整。

1.2 制備結果及其基本性能表征

采用VHX-2000C 型超景深光學顯微鏡觀察磁流變彈性體砂輪的微觀形貌（圖2），羰基鐵粉顆粒在砂輪基體中大致沿磁場方向排列成鏈狀結構，這是因為在施加磁場過程中羰基鐵粉顆粒在磁場力的作用下沿磁場方向移動并排列成鏈狀結構，當撤除磁場后，在無磁場的作用下，羰基鐵粉顆粒形成的鏈狀結構就會固化在基體中，從而得到各向異性結構的磁流變彈性體砂輪。如果該階段未施加磁場，固化后顆粒規(guī)則地隨機分布在基體中，此時稱磁流變彈性體砂輪具有各向同性結構。羰基鐵粉顆粒的有序排列，減少了金剛石磨粒在制備過程中的團聚現(xiàn)象，增加了砂輪基體的致密度。此外，羰基鐵粉顆粒有序排布能夠提高砂輪的熱傳導效率，有利于拋光過程中砂輪的散熱［16］。

砂輪硬度對砂輪磨損量、耐用度以及拋光工件的表面質(zhì)量、去除率都有一定的影響。為研究磁場強度對磁流變彈性體砂輪硬度的影響，本文采用邵氏橡膠硬度計對不同磁場強度條件下的砂輪硬度進行測量，所采用的測量樣品成分與磁流變彈性體砂輪的成分及制備時所施加的磁場保持一致，測量樣品的尺寸為25 mm×25 mm×5 mm，測量裝置見圖3。

圖2 磁流變彈性體砂輪及其表面微觀形貌圖Fig.2 Magnetorheological elastomer grinding wheel and its surface micromorphology

圖3 邵氏硬度測量裝置圖Fig.3 Schematic diagram of Shore hardness measurement

測量時，在其表面隨機測量5個點后取其平均值作為最終結果，測量數(shù)據(jù)如圖4所示，可知測量樣品的邵氏硬度隨著磁場強度的增大而增大，當磁場強度為0 mT 時，測量樣品的硬度為60 HA，當磁場強度增加到300 mT 時，樣品的邵氏硬度增大到83.4 HA，增加了23.4 HA。實驗結果表明磁流變彈性體砂輪的硬度能夠隨著磁場進行變化和調(diào)節(jié)，因此可在加工過程中利用該性能對工件進行程控拋光。

圖4 不同磁場強度下砂輪的邵氏硬度Fig.4 Shore hardness of grinding wheels under different magnetic field strengths

2 拋光試驗及條件

2.1 試驗裝置

拋光試驗裝置采用自主搭建的拋光試驗平臺，其平臺主體為小型三軸電動定位平臺，其分辨率為0.1 μm，最大行程為50 mm，在平臺的z軸上固定有調(diào)速電機，其最大轉速為2 800 r/min，功率為60 W，在調(diào)速電機的主軸上裝有轉夾頭，用來夾持拋光工具，即磁流變彈性體砂輪，同時在大理石臺面上固定有用于夾持工件的平口虎鉗，平口虎鉗上固定放置著磁場可調(diào)的永磁鐵，用以在拋光過程中對砂輪施加磁場。其整體裝置示意圖見圖5。

圖5 拋光裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of polishing device

2.2 試驗對象

本試驗的工件材料選用鎳基高溫合金GH4169。拋光工件規(guī)格采用20 mm×10 mm×10 mm 的工件，材料的物理力學性能如表2所示［9］。工件材料在進行拋光試驗前需要對工件進行預處理，即對拋光工件進行磨削加工，依次采用80#的CBN 砂輪進行粗磨加工，400#的CBN砂輪進行精磨加工。

表2 GH4169的物理力學性能（20℃）Tab.2 Physical and mechanical properties of GH4169（20 ℃）

2.3 試驗條件

為探究輔助磁場的磁場強度對拋光表面完整性的影響。本文通過前期工藝實驗，優(yōu)選出拋光轉速、拋光時間等其他工藝參數(shù)，并對磁場強度設置了3個梯度，分別為0、100、200 mT，其具體拋光參數(shù)如表3所示。拋光試驗采用前文所研制的磁流變彈性體砂輪作為拋光工具，并對精磨后的工件表面進行磁場輔助拋光，同時采用單因素試驗的方法重點研究輔助磁場強度對拋光表面完整性的影響。

表3 拋光試驗參數(shù)Tab.3 Polishing test parameters

3 試驗結果及分析

3.1 磁場對拋光力的影響

為了研究磁場輔助對拋光過程中拋光力的影響，采用TD8620 手持式數(shù)字特斯拉計對拋光表面的磁場強度進行測量，其測量誤差在±1%以內(nèi)。采用載荷傳感器檢測GH4169 鎳基高溫合金在3 種不同磁場強度下的拋光力變化情況，其測量精度為0.1%，測量誤差在±1%以內(nèi)，所測拋光力曲線如圖6所示。從圖中可知，在沒有磁場輔助拋光的條件下，拋光力在10 N 左右，在100 mT 外置磁場的條件下，拋光力在11 N 左右。在200 mT 外置磁場的條件下，拋光力在12.5 N 左右波動。這就說明，在相同的拋光工藝參數(shù)下，增大外置磁場的磁場強度，能在一定程度上提高拋光力。

圖6 不同磁場強度下拋光力的變化Fig.6 Variation of polishing force under different magnetic field strengths

3.2 磁場輔助拋光對表面形貌的影響

采用VHX-2000C 型超景深光學顯微鏡觀察工件磨削初始表面及不同磁場拋光后的表面微觀形貌。從圖7（a）可知拋光前的磨削表面存在較深的磨痕，圖7（b）～（d）可發(fā)現(xiàn)拋光后的表面磨痕得到明顯改善。通過對比不同磁場強度條件下的拋光表面，發(fā)現(xiàn)隨著磁場強度的增加，工件表面的磨痕也隨之減少，當磁場強度為200 mT時，工件表面微觀形貌最好。

圖7 GH4169鎳基高溫合金拋光表面顯微形貌Fig.7 Micromorphology of polished surface of GH4169 nickel-based superalloy

3.3 磁場輔助拋光對表面粗糙度的影響

本試驗采用MarSurf PS 10 測量儀測量鎳基高溫合金GH4169磨削及拋光后表面粗糙度值，結果如圖8所示?？芍?，無論有無磁場輔助拋光，拋光后工件表面粗糙度值都有明顯的下降，且有磁場輔助拋光比無磁場輔助拋光表面粗糙度下降的幅度要大，而表面粗糙度值隨磁場強度的增加而減小。精磨后鎳基高溫合金GH4169 的表面粗糙度值Ra為0.493 μm，在經(jīng)過輔助磁場強度為0、100 和200 mT 的磁流變彈性體砂輪拋光后，表面粗糙度Ra值分別降低到0.267、0.238 和0.219 μm，相對下降率分別為45.8%、51.7%和55.6%。

圖8 不同磁場輔助條件下拋光表面輪廓曲線Fig.8 Contour curves of polished surface under different magnetic field assisted conditions

3.4 磁場輔助拋光對顯微硬度的影響

磨削鎳基高溫合金時，磨粒的耕犁、劃擦、切削會在磨削區(qū)域內(nèi)形成大量的磨削熱，使得工件存在回火軟化現(xiàn)象，同時磨削使工件材料表面產(chǎn)生塑性變形，而塑性變形的一個重要特征是加工硬化，當塑性變形程度大于回火軟化程度時，就有加工工件表面顯微硬度明顯大于基體硬度現(xiàn)象［16］。本文采用維氏硬度計測量磨削和拋光后工件的表面硬度，其維氏硬度計的測量誤差在3%以內(nèi)，圖9為維氏硬度加載示意，圖10為鎳基高溫合金GH4169 在不同磁場強度條件下的顯微硬度梯度分布，可知，GH4169 材料在距離拋光表面大于150 μm 的范圍，其顯微硬度HV0.2基本維持在400 HV 左右。在距磨削表面0～150 μm 的范圍內(nèi)，工件材料的顯微硬度呈現(xiàn)出一種下降的趨勢。工件拋光后的表面顯微硬度對比磨削原始表面有明顯的減小，且隨著磁場強度的增加，表面顯微硬度呈現(xiàn)出下將趨勢。這就表明在拋光加工中磨削熱所產(chǎn)生的回火軟化作用稍大于磨粒的耕犁、劃擦、切削等機械作用的塑性變形作用。當磁場強度增大時，拋光力增大，磨削熱也相應的增大，從而回火軟化現(xiàn)象加劇，顯微硬度下降。

圖9 顯微硬度加載示意圖Fig.9 Schematic diagram of microhardness loading

圖10 不同磁場強度下顯微硬度梯度分布Fig.10 Microhardness gradient distribution under different magnetic field strengths

3.5 磁場輔助拋光對拋光去除量及砂輪磨損量的影響

為研究磁場強度對磁流變彈性體砂輪拋光效率的影響，本試驗在不同磁場強度的輔助磁場拋光條件下對材料的拋光去除量及砂輪的磨損量進行了對比，圖11給出了不同磁場下材料去除量及砂輪磨損量的對比，當磁場強度增加時，拋光去除量隨之增加，而砂輪磨損量卻隨之減小，這說明在一定的范圍內(nèi)，增大輔助磁場的磁場強度會使砂輪對磨粒的把持力度加大，從而使砂輪磨粒難以脫落，砂輪磨損量也隨之減小。

圖11 不同磁場強度條件的拋光去除量及砂輪磨削量Fig 11 Polishing removal and grinding wheel grinding at different magnetic field conditions

3.6 磁場輔助拋光對亞表面損傷層深度的影響

為研究磁流變彈性體砂輪拋光對亞表面損傷層深度的影響。首先從磨削及拋光試樣橫截面取樣，采用機械研磨與拋光的方法制備金相試樣，然后使用體積比為2∶1 的HCl+HNO3溶液作為腐蝕劑對金相試樣進行腐蝕，最后采用ZEISS EVO18 掃描電鏡對橫截面進行觀察。從圖12（a）中可以看出，磨削后的原始表面存在大約35 μm 的磨削亞表面損傷層，而拋光后的亞表面損傷層深度得到明顯減小，如圖12（b）～（d）所示。這就表明磁場輔助拋光能有效去除磨削加工產(chǎn)生的亞表面損傷層，同時磁場強度越高，去除效果越好。

圖12 不同拋光條件下的亞表面顯微圖Fig 12 Subsurface micrographs under different polishing conditions

4 結論

（1）通過模壓成型的方法制備了磁流變彈性體砂輪，并對其表面的微觀形貌及不同磁場強度下的邵氏硬度進行了表征。發(fā)現(xiàn)磁流變彈性體砂輪基體中的羰基鐵粉在基體中大致沿制備磁場方向排列成鏈狀結構；邵氏硬度隨著磁場強度的增加，由0 mT下的60 HA 增加到300 mT 下的83.4 HA，這就說明通過改變外置磁場強度能有效的改變砂輪的硬度，從而實現(xiàn)鎳基高溫合金GH4169的可控柔性拋光。

（2）對鎳基高溫合金GH4169 進行了不同磁場強度下的表面完整性拋光試驗研究。發(fā)現(xiàn)隨著磁場強度的增加，拋光力隨之增加，拋光去除量增加，砂輪磨損量減小，表面顯微硬度減小，Ra由磨削時的0.493 μm 降低到0.219 μm。比較磨削與不同磁場強度拋光后的亞表面損傷層厚度，發(fā)現(xiàn)磨削亞表面存在約35 μm 損傷層，拋光后損傷層厚度明顯減小，這就表明提高外置磁場強度能有效的提高拋光后工件的表面完整性，同時也驗證了磁流變彈性體砂輪拋光能有效的提高鎳基高溫合金GH4169 磨削后的表面完整性。