為什麼要用 inconel 718 製造飛機零件

2020-05-09

為什麼要用 inconel 718 製造飛機零件

很久以前，人們就開始用拉削的方法在燃氣輪機盤上加工榫槽。葉片通過舌槽固定在渦輪盤上。但拉削會使渦輪盤表面和下層結構發生變化，從而影響車輪的抗疲勞性能。

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因此，在拉削工藝優化設計中，繪製出可靠、定量的拉削加工的榫槽金相組織圖非常重要。在本文中，我們使用光學顯微鏡檢查和掃描電子顯微鏡對工業燃氣輪機 Inconel-718 合金盤的榫槽表面和亞表面層的金相組織進行了分析。重點研究車輪表面和底層拉削榫槽引起的缺陷特徵。同時，研究還發現了榫槽表面的原材料γ"、γ'和δ的尺寸。在使用基於材料的有限元模型預測輪盤疲勞壽命時，有必要輸入這些金相組織的重要特徵參數，在組織結構研究中，我們發現了划痕、扭曲等缺陷，隨後將這些缺陷的特徵參數（大小和形狀）與給出的設計標准進行了比較。另外，受拉削影響的面積與原材對比表明δ晶粒的體積分數有明顯變化，這些變化與拉削時摩擦生熱有關。最後，通過對比原材材料，我們比較了拉削表面金相組織的顯微組織硬度演變，研究了變化的影響。

Inconel-718合金是1950年代國際鎳業公司發明的一種Ni-Fe-Cr高溫合金。這是一種沉澱硬化合金，可以表現出高屈服應力和很強的抗疲勞和抗蠕變性。 Inconel-718合金因其在高溫環境下的高抗氧化性和高強度而被廣泛應用於航空航天工業，特別是作為燃氣渦輪發動機輪轂的材料。一般來說，輪子和刀片是通過縱向樹形榫連接在一起的，拉削工藝是加工縱向樹形榫槽的關鍵。一般來說，大家關心的是溫度和張力對熱變形過程中晶粒尺寸變化的影響。拉削還會引起車輪表面和下墊面的金相組織發生變化，從而影響車輪的耐疲勞性。然而，文獻中關於Inconel-718合金車輪拉削微觀組織變化的定性和定量分析的論文很少。

本研究的目的是描述和量化 Inconel-718 合金車輪縱向樹枝狀凹槽表面和下表面的金相組織。特別是對拉削加工引起的輪盤表面和下表層缺陷進行了描述和定量分析，研究了加工區域的晶粒尺寸和晶粒特徵。

實驗方法

我們截取了部分 Inconel-718 合金輪轂進行研究（圖 1）。如圖2所示，我們採用電火花加工的方法從中間榫槽的首、中、尾取金相樣品。

圖 1 Inconel-718 合金輪轂部分帶榫槽

為了滿足金相分析的需要，樣品固定後，會經過自動化的研磨拋光過程。打磨時，會使用320、400、600和1200砂紙。拋光後，樣品將在MD絨布上用1μm金剛石懸浮液作為拋光液拋光2分鐘。為了能夠用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察晶界，將樣品在草酸溶液中以4V的電壓蝕刻20-40秒。為了高清晰地捕捉γ'和γ'的特性，樣品需要在10V電壓的溶液（8ml H2SO4和100ml H2O）中電蝕20秒，並在配備掃描發射槍的掃描電子顯微鏡下進行(FEG)。

用SEM分析缺陷時，樣品需要在電壓為3V的溶液（5g CuCl2、100ml HCL和100ml乙醇）中電蝕刻10秒。使用高差法得到顆粒的大小。用ASTM得到不同晶粒的體積分數：E562假設面積分數等於體積分數。使用 Clemex 圖像分析軟件測量不同晶粒的尺寸。為了獲得具有代表性的統計結果，必須至少使用 6 張金相圖來確定不同晶粒的尺寸和特徵。

洛氏A硬度測量每個樣品至少取5個樣品，然後每個樣品計算平均值。在實驗中，划痕之間的距離通常大於划痕直徑的 5 倍。為了與文獻中的硬度值進行比較，需要將洛氏A硬度值換算成維氏硬度，ASTM：E140。

缺陷分析

在這項研究中，我們系統地分析了榫槽中間排的缺陷。更準確地說，我們觀察並量化了拉削的開始、中間和結束。表 1 顯示了拉削的 Inconel-718 合金車輪的縱向樹枝狀凹槽中包含的不同類型的缺陷。需要說明的是，在研究樣品中，我們沒有觀察到白層、非月經層、次生生物量、黑點、重堆、異物、裂紋等缺陷。

圖 3 到 6 顯示了一些觀察到的缺陷。圖 3 顯示了侵蝕，例如出現在加工表面上的小孔。事實上，划痕是最常見的表面缺陷。大家都知道Inconel-718合金由於在加工過程中機械硬化很快，所以會發生機械硬化。不同的刀具材料和拉削條件，合金表面會增加側磨損、點蝕和沖孔。然而，在所有研究樣本中，可接受的最大侵蝕深度都小於設計的。同樣，如圖4所示，顯示了扭曲層的圖像。在該層（7 μm 寬）中，δ 相具有特殊排列。這種現像很容易在榫槽頂部發現，這可能與該區域拉削產生的應力有關。