李超 安来群
北京航空材料研究院，北京 100095
摘要：本文介绍了四种处理高温合金锭表面缺陷的加工技术，并通过显微镜观察合金锭表面状态，进而分析阐述了每种加工方式对于合金锭表面质量的影响，通过得出的实验结论，为本行业从业者提供选择不同所需表面加工方式的参考。
关键词： 表面质量 高温合金 加工 缺陷
前言
铸造高温合金是航空航天、能源、交通运输和化学工业的重要材料，主要服役在航空发动机、燃气轮机、车用涡轮转子等热端部件，对国防领域和民用领域，目前来看是不可替代的热端材料。
高温合金在浇注期，由于浇注温度、浇注真空度、锭模温度、锭模内表面清洁度、耐火材料等诸多因素的共同影响，会导致部分合金锭表面出现冷隔、气孔、缺肉、非金属夹杂物等缺陷，这些缺陷在不同程度上会影响合金锭的纯净度。故为了使合金锭的表面质量达到满意程度,必须采用特殊的表面处理技术[1]。本文重点介绍几种不同的表面处理方式，对高温合金锭表面质量的影响，供本行业从业者选择提供参考。
1、实验方案和设备
本次实验选取某牌号高温合金棒材4根，表面为浇注后的原始状态，直径为：φ52mm，棒材表面均有不同程度的冷隔、气孔等缺陷如图1所示。
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四根棒料分别编号为：A、B、C、D，根据表1的要求，对于四根棒料进行不同的表面处理方式，分别为：A棒料，抛丸处理；B棒料，砂带磨处理；C棒料，砂轮磨处理；D棒料，车床车削扒皮处理。
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A棒料进行抛丸处理，实验设备为履带式抛丸机（图2），抛丸所用钢丸为304不锈钢丸，直径为1.2mm，将棒料放入其中，抛丸时间为30分钟，使得棒料表面进行充分的处理，棒料表面无氧化皮，并呈现金属亚光泽。
B棒料进行砂带磨处理，实验设备为砂带式抛光机，（图3），砂带前段选用40#或60#砂纸，后段选用180#或240#砂纸，将棒料放入设备中，棒料从进口处进入，从出口处出来，这样反复砂带抛光磨5次，使得棒料表面无氧化皮，并呈现金属光泽。
C棒料进行砂轮磨处理，实验设备为砂轮式磨光机，（图4），砂带前段选用46#砂轮，后段选用60#砂轮，将棒料放入设备中，棒料从进口处进入，从出口处出来，这样反复砂轮磨光5次，使得棒料表面无氧化皮，并呈现金属光泽。
D棒料进行车床车削式扒皮处理，实验设备为卧式车床（图5），实验步骤：将车刀进入棒料表面，车削棒料单边0.5mm～1mm,使用冷却液，车削后棒料呈现金属光泽，使用酒精清洗掉表面残留的冷却液。
经过不同处理后的四个样件A、B、C、D，进行荧光渗透检测，显微镜观察荧光亮点显示区域的状态。
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2、实验结果讨论
2.1抛丸处理
A棒料，抛丸处理，棒料目视宏观呈现金属亚光泽，通过显微镜观察荧光区域表面状态，荧光亮点显示区域表现为深坑状缺陷，形成该缺陷的主要原因为浇注过程中，浇注温度低或者锭模烘烤温度低产生的冷隔，显微镜下表现为凝固后产生的“深坑”，如图6-1所示。在李化坤[2]等人的研究中，也称之为蜂窝缺陷。抛丸处理，在一定程度上可以清除合金锭表面的氧化皮，甚至是浅层缺陷中的夹杂物，但是对于深层次中的缺陷或者夹带的夹杂物不能有效的清除，如图6-2。
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2.2砂带磨处理
B棒料，砂带磨处理，棒料目视宏观呈现金属光泽，通过显微镜观察荧光区域表面状态，显微镜下观察发现，荧光亮点显示区域表现为大量的凹坑装缺陷，且在荧光下有显示，对其进行显微观察发现明显的氧化物夹杂缺陷，甚至发现有砂带的磨料残留在棒料的凹坑缝隙中，见图7-1，图7-2，这种处理方法，会带来对合金表面的二次污染，产生砂带的磨料残留在棒料的凹坑缝隙中的原因，极有可能是砂带打磨过程中，砂砾脱落所致，导致填入了蜂窝状缺陷，形成了相对深坑而言的凹坑。而砂带带来的夹杂物，大多是AL2O3和尖晶石氧化物，称作为脆性夹杂物[3]，高熔点，合金重熔浇注时有可能带入零件中，使得零件应力集中，产生裂纹。故如选用砂带磨处理合金锭表面，对于合金锭表面要有更高的要求，应选择合金锭表面光洁无冷隔、蜂窝等缺陷的棒料。
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2.3砂轮磨处理
C棒料，砂轮磨处理，样件宏观表面比较粗糙，目视有明显的凹坑，难以辨识出其他缺陷。但对有荧光显示的区域进行显微观察，荧光显示区表现为氧化物夹杂缺陷，（如图8-1,8-2），产生这种氧化夹杂，一种情况是浇注过程中难融的炉渣未能完全过滤所致，另一种情况是耐火辅助材料脱落至锭模中所致。该种加工办法，对整根长棒的同心度要求很高，如果棒料的同心度不高，加工时会出现棒料直径不均匀的现象，如图9。
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2.4车床车削扒皮处理
D棒料，车床扒皮处理，目视宏观表面干净光滑，呈现金属亮光（图10）。通过显微镜观察荧光区域表面状态，为圆形凹坑，内部干净图（图11），未发现氧化物夹杂。圆形凹坑应为铸造时产出的气孔，车床车削扒皮单边0.5mm-1.0mm的车削量，可以把绝大多数的表面氧化物夹杂，冷隔，蜂窝等缺陷铲除，是合金棒料表面达到最佳的状态，但是这种加工方式，加工量大，经济成本高。
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3、结论
1、抛丸处理，棒料表面呈现金属亚光泽，但是对于深层次中的缺陷夹带的夹杂物不能有效的清除。
2、砂带磨处理，棒料表面呈现金属光泽，但这种处理方法，有可能会带来对合金表面的二次污染，故应选择合金锭表面光洁无冷隔、蜂窝等缺陷的棒料进行此种处理方法。
3、砂轮磨处理，样件宏观表面比较粗糙，该种加工办法，对整根长棒料的同心度要求很高。
4、车床扒皮处理，合金锭宏观表面干净光滑，呈现金属亮光，可以清除合金锭表面绝大多数的氧化物夹杂，冷隔，蜂窝等缺陷，但是这种加工方式，加工量大，经济成本高。
参考文献
[1]桂忠楼.航空用有质高温合金锭制造技术的研究[J].材料工程，2002,（01）.
[2]李化坤.镍基高温合金真空感应熔炼过程研究[J].山东冶金，2020,（10）.
[3]牛建平.纯净钢及高温合金制备技术[M].北京：冶金工业出版社，2009.