studies on the grinding characteristics of directionally solidified nickel-based superalloy

5
Studies on the grinding characteristics of directionally solidi®ed nickel-based superalloy Chen Ming * , Li Xiaotian, Sun Fanghong, Xiang Yucheng, Xue Bingyuan School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, 1954 Hua Shan Road, 200030 Shanghai, PR China Received 18 November 1999 Abstract Directionally solidi®ed nickel-based superalloy DZ4 is a kind of very important structural material nowadays produced domestically. Grinding burn usually occurs in the grinding process, thus being an obstacle to further promoting grinding ef®ciency and grinding precision. This paper has discovered the grinding mechanism of this new type superalloy on the basis of systematic analyses of the variable characteristics: the grinding force, grinding temperature, topography of the ground surface, hardness distribution of the surface layer, as well as morphology of the surface layer from a metallographical viewpoint. The results will be bene®cial in the grinding of this new type superalloy with high ef®ciency and high precision. # 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. Keywords: Grinding burn; Nickel-based superalloy; Grinding mechanism 1. Introduction Nickel-based superalloy is mostly used as the material of aeroturbine blades for its high strength and high heat- resistance resulting from the regular dispersion of g 0 -phase. The operating temperature of aeroturbine blades need to be promoted high enough for the engine to create great pro- pulsive force and attain high combustion ef®ciency. The main method to secure a high operating temperature is to increase the volume ratio of the g 0 -phase and its solid solution temperature, but it is impossible to produce such alloy by hot-forming technology because of its narrow interval between the g 0 -solution temperature and melting point. Precision cast technology has proved feasible but, unfortunately, this technology may cause the decrease of the extensibility of the alloy. It is found that almost all the damage of equiaxed crystals obtained in the process of traditional cast technology such as high temperature creep and heat fatigue damage is related to the grain boundaries perpendicular to the axis of stress. By directional solidi®cation, a kind of newly developed cast technology, the blades can acquire columnar crystals with preferred orientation parallel to the stress axis, thus increasing the plasticity and ductility of the alloy by eliminating most of the grain boundaries perpendicular to the stress axis [1]. DZ4 is the directionally solidi®cated alloy nowadays developed domestically, which has been used on aeroturbine blades of a new model ®ghter plane. It is a kind of typical dif®cult-to-cut material with the smallest relative cutting coef®cient. In the process of manufacture of the cogging joint of aeroturbine blades, the demands on shape and dimen- sion precision as well as surface roughness of the cogging part of the blades are so high that creep feed grinding techno- logy is commonly used. In the process of grinding the cogging joint of a DZ4 blade, grinding burn of the workpiece is very likely to take place on account of its high temperature strength, easy hardening and low heat conductivity. In this paper, experimental research on the grinding characteristics of DZ4 was conducted systematically, espe- cially on grinding burn, enabling the authors to provide a theoretical and experimental basis for the optimization of the grinding process. 2. Experimental conditions and measuring system The grinding force is measured by a Kistler force measur- ing system. The system consists of a 9272 piezoelectric quartz force sensor, a 5019B charge ampli®er and a 12 bits A/D converter/sampler CIO-DAS1602/12. The force trans- ducer can measure three pair-wise orthogonal forces F x , F y , F z and a torque M z . The charge ampli®er can deal with the four measured signals simultaneously with adjustable magni®ca- tion. The A/D converter/sampler is plugged into an ISA slot of a PC and the signals can be used with DynoWare, which is a special data processing software developed by the Kistler. Journal of Materials Processing Technology 116 2001) 165±169 * Corresponding author. 0924-0136/01/$ ± see front matter # 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. PII:S0924-013601)01024-X

Upload: chen-ming

Post on 04-Jul-2016

217 views

Category:

Documents


2 download

TRANSCRIPT

Page 1: Studies on the grinding characteristics of directionally solidified nickel-based superalloy

������� � �� ������ ��� ������� � �� ���� ���������������� � ��������� ����������

�� ����� �� �������� �� ������ ���� �� ��� ��� ������������ �� ������� � ����� � �� �� ��� �� ���������� ���� �� �� ���� � ! �� ��� "� #��

� ��!�� "# $�!�%��� "&&&

��������

'��� ������� ��������� � ��������� ���������� '() �� � ��� �� !��� �%������ ���� ����� %������� �*����� ����� �� ��%���� ����+

,����� ��� ������� � ��� � �� ������ ��� ���� ��� ���� � ����� �� �� ������ ���%���� ������ ��� �� � �� ������ ��� ����+

-�� ����� �� ��� �!���� �� ������ %� ���% �� ��� �* ���� ���������� � �� ����� �� �����%��� ������� �� �� !�������

��� ������� �. �� ������ ��� �� ������ ��%��������� ��������� �� �� ����� ����� �� ������ ����������� �� �� ����� � ������ ��

*��� �� %�������� �� �� ����� � ����� ���% � %����������� �� !��*����+ -� ������� *��� �� ���� ��� � �� ������ �� ��� �* ����

���������� *�� �� ��� �� � �� �� ��� ����+ � /00" 1���!��� � �� � �+2+ 3�� ����� �����!��+

$��%����& ,����� ���4 $� ��������� ����������4 ,����� %� ���%

� ���� ������

$� ��������� ���������� �� %����� ���� �� �� %������� ��

���������� ������ ��� ��� �� ������ �� �� ����

������� � �������� ���% �� ������� ��������� �� �������+-� �������� ��%�������� �� ���������� ������ ��� �� ��

���%���� �� ���� ��� �� ���� �� ����� ����� ����

�����!� ��� � �� ����� �� �%������ ��� �� �+ -�

%�� %���� �� �� ��� � �� �������� ��%�������� �� ��

� ����� �� !���%� ����� �� �� ������� �� ��� �����

������� ��%��������� ��� �� �� �%�������� �� ����� � ��

����� �� ������%�� �� ����� �� ���� �� ��� ����*

����!�� ���*�� �� ���������� ��%�������� �� %���������+ 5�� ���� ��� �� ����� �� ���!�� �������� ����

������������ ��� �� ����� %�� ���� �� �� ����� �� ��

�6���������� �� �� �����+

7� �� ���� ��� ��%��� ��� �� ��%��� �� �8���6�� �������

������� � �� ��� ��� �� ���������� ��� �� ����� �� ��

�� ��%�������� ���� �� ��� ������� ��%��� �� ������� ��

�� ���� ��������� ������� ���� �� �� �6�� �� ������+ ��

���� ����� ������� ����� � ��� �� �*�� ��!������ ���

�� ������ �� ������ � � 8���� ���%�� ������� *��

��������� ��������� �������� �� �� ������ �6��� ��� � ������

�� ������ ��� �� �� ������ �� �� ����� �� ���%����� %��� ��

�� ���� ��������� ������� ���� �� �� ������ �6�� 9":+

'() �� �� ���� ������� ������� ���� ����� �*�����

��!������ ��%���� ����� *� �� ��� ���� � ����������

������ �� � �* %���� ����� ����+ 7� �� � ��� �� ���� ��

���� ������� �� %������� *�� �� �%������ ������!� �����

���� ���+ 7 �� ��� ��� �� %���� ���� �� �� �����

;��� �� ���������� ������� �� ��%��� � ���� �� ��%��

��� ��� ���� �� *��� �� ����� � ������� �� �� �����

���� �� �� ������ ��� �� �� ��� ���� ���� ������ �� ��

���� �� �%%��� ����+ 7 �� ��� ��� �� ������ �� �����

;��� �� � '() ������ ������ ��� �� �� *������ � �� !���

������ �� ���� ��� � � � ��� �� ��� �� ��%��������

������� ���� ������ �� ��* ��� ��� ��!���+

7 ��� ������ �6����%���� ������ � �� ������

��� ������� � �� '() *�� ��� ��� �����%��� ����� �����

����� � ������ ���� ������ �� ������ �� ���!��� �

������� �� �� �6����%���� ����� ��� �� ����%�<���� �� ��

������ ��� ���+

� ������������ ��� ������ �� ��������� ������

-� ������ ��� � �� %������� �� � =������ ��� � %������

�� �����%+ -� �����% ������ �� � &/>/ ���<���� ���

8����< ��� � ������ � ?0"&� ���� �%������ �� � "/ ����

3@' �!�����@��%���� �7A�'3�"B0/@"/+ -� ��� � �����

�� �� �%������ ���� �����*��� �������� ��� ��'(�'��')

�� � ���8�� �)+ -� ���� �%������ � ���� *�� �� ����

%������� ������ ��%���������� *�� ��;������� %���� ��

���+ -� 3@' �!�����@��%���� �� ������� ��� � 7�3 ����

�� � 5� �� �� ������ � �� ���� *�� '��C���� *� ��

� ��� ��� ���� ��� ����� ����*��� ��!������ �� �� =������+

D����� �� ��������� 5�� ����� -� ����� ""B E/00"F "B?G"B&

� ����������� �����+

0&/)�0"HB@0"@I G ��� ���� %����� � /00" 1���!��� � �� � �+2+ 3�� ����� �����!��+

577. � 0 & / ) � 0 " H B E 0 " F 0 " 0 / ) ��

Page 2: Studies on the grinding characteristics of directionally solidified nickel-based superalloy

-� ���<���� ��� 8����< ������ �� �� ���� �%������

�!� � �� %������� ��� ����� ������!��� �� ���%�

������� ����+ -� ������!��� �� >+B? ��@$ ��� ��������

��� � �� H+?? ��@$ ��� ��%�� ��� �+ -� �������� �������

��� �� ���� �� �"J �� �� ��������� ���*�� ��

�������� �� ��%�� ��� � �� ���� ���/J+ -� �������������� ���8�� � �� )000 K< �� �� ��%�� ������ ����

8�� � �� >000 K<� �� �� �� ��� � %������� �����% ��

�������� ��� ���%� �� 8���������� ��� � %�������+

-� ������ ��%�������� �� %������� �� � 8���������� ���

������G'() ��� ��� ���%�� ������ �� ������� ��� ��

���%�� ����� ���� 0�?%%� 0�"%%+ -� ���%�� ������� ��������� �� � �� ��� ���� 8�� � ��������� �������

��������� �� �� ������+ -� ������ �� ��������� �� ��

�����*�.

� � "H�>)� ������ � ?��*��� � �� �� ��� ��� �������� ����� �� �� �� ���%��

����� E%2F� �� � �� %������� ��%�������� E��F+-� ��%�������� ������ *��� �� ����� ���� � K�H?BB?3

���%� ����� ����<�� *� �� �� ������!��� ��

�������� � ��;� ���+ 7� � �� � �� *��� ������ �� � %���

��%����!����� �� � ����%������ �� �� ������+ -� ����<��

� ���%� ���� ������� �� *�!����% �� �� ����� �� ��

����� � ���� �� ��!�� �� � ���� ��� ��� ������ ������� �� ��

5�+ 3 ������% �� �� %������� �����% �� ��* � ���+ "+

-� ����� �� �� �� ����� �������� �� *��� ������� ��

%� �� �� �� ��� ������� �� %����� �� � ����� �� �

��8�� �� �� 1'3� �1� E*�� ����� ��� ���% ����<��F

���� ���� �� � � �� ����� � ��������� �� �� %�������

����� �� ����� � �����+ -� ������ ����������� �� ��

����� � ����� *�� %������� ���� � K��"000 %� ������

��� ������ �� �� �������� ������ �� �� ����� � ����� *��

%������� �� � 6�H?03 ����� ������ ����<��+

� ������������ �������

!*�* +���� ��,-������

-� ������ ��%�������� ����������� � �� ������

��� � <�� ������� ������� � ��!� ������� �� � ����%

����������� �� LL���� ���� ��%���������MM � �� ���� �� �

LL�!����� ��%��������MM+ -� �!����� ��%�������� �� ��

�!����� ������ �� ��� ���� ��!� ������!� ����� ��� � �� ��� �

<��� *����� �� LL���� ��%��������MM �� ����� �� ��

��� ��� �� ���!����� ������!� ����� ����� �!�� ��

���%�� ����� ;���+ -� ������ ��%�������� %������

� ��� ����� �� �� %�6�%�% !���� �� �� �!����� ��%�

��������� *� �� �� ���� � ����� ��� ������ ��� 9/:+

���+ / ��*� �� ������ ��%�������� ����� ��!� ���

�������� ���� �����+ C�� �� ���� ����� �� ��* �

���+ /E�F� �� ����� ���� �� ������ ��%�������� �� �������

����� �� ����� �� ��� ���% *� �� ���� �� �� ������

��� ��� �� � �� ����%����+ C� �� ���� ���� ��

������!��� ��*� �� � ���+ /E�F� �� ������ ��%��������

��*� �� ���� �� ���% �� �!����� ��%�������� �� ����

��%��������+ -� �%��� �� �!����� ��� �� ����!�� ��

���� ��!� ����� � �� �!������� �� �� ��%� ����!��� ��

���� ��%�������� �����+

!*�* +���� �����

-��� ��� ��!���� !�������� �� ��� �������� �� ���

%�� ������ ��� �� *� ������ ��� �������� �� ��* �

���+ H+

3� ��* � ���+ H� *� ������ ��� ����� ��� �� ����

��� ������� ;�%�� �� ��� ��%�� �� �������� ������

��� �+ -� ������ ��� � ����� '@'� ����� �����6�%�����

����� ������ ������ ���� ��� ;�%�� ���% H+?GH+> ��

���+ "+ '�����% �� �� %������� �����%+

���+ /+ ,����� ��%�������� ������ ���� �������� ���� �����. E�F ����

���� �.* � ">�>/%%���4 E�F ���* ���� �.* � "�)?H%%���+

"BB #* �� �� �* / ����� �� ������� "������� ������� � ��0 1� �2 �0�3�0�

Page 3: Studies on the grinding characteristics of directionally solidified nickel-based superalloy

)+/G)+? *� ������ ��� � ���� �� ��* � ���+ )+ -�

����� ��� �� ���%�� �� ��� *� ������ ���

�������� '() ����� �� ������� �� �� ��%�������� ��

��� ����� � �� ������ *��� �� ��!���� �� �� �� ����� �

����� �� �� �������� � �� ������� �6������� *� ����� �

� ����� �� ��%�� ������ ��� �+ �� ���� �� ��� � �����

'@'� �� � ����%������ ����%����� �� � ���%���� ��

!�������� ����� �� �� ��� �� ������ ����%������ ��

�� ���� ���� �� ������ ����+ 7� �� � !������� ��� �������

����%���� ��� %������� ������ ��� � ���� ��%� 9H:+

!*!* ������ ��-� �-�� �� ��� ����4-����

-� ����� � �� �� �������� � ������� �� ���� �� ����

�����* *� ���� ������ ��� ����� ��� �+ C�� �� ������

�� ��� � ������� �� ���� �� �� ����� � ���� ���% ����

�����* �� � ���� ����� �!� �� � �����*���� � ���� � ��%�

�� �����+ ���+ ?E�F� E�F �� E F ��� �1� ��������� �� ��

����� � ��������� �� �������� �� � �� ��%�� ������ ��

���� ��� ����� �� �� ��!��� ��� ������ ����� ��!���+

3� ���+ ?E�F ��*�� � �� ��%�� ������ !���� � ��

����� � �� ����� *�� ������� ������ *����� � �� ���� ���

������ �� !���� ���� ���� �� �� ����� �� �%� ��!���

�� ��* � ���+ ?E�F+ -�� ��� ���� ��� �� ������ N�*

�� �� '() ����� ����� �� ������!� ����� �� �� ��

�� �� ����� �� �6������ �� �� ���� �� �� ������!� �����+

C� ��!��� ��� �������� '() ����� �� ������� �� ��

��%��������� �� ����� ���� �� ������!� ����� ��������

������ N�* �������*�� �� ����� ����� �� ������!� �����+

-� ������ N�* �� �� ����� ���� �� ������!� ����� ����� ��

%�� � �������� ����� � �� ����� � �� �� �������� �� ��

��* � ���+ ?E F+ -��� ��� ��%� %� �� �� �� �� �� ����

���%��� �� ���� � �������� �����+ 3� �� ����� �� �� � ����

���� ������ ��� %���� ����� � �� ���� *� *��� ���%��

�� � �%��� 8������ �� %����� '() ����� �������� � ��

������ ��� ���+ -�� ��� ���� ��� �� ������ ��%�����

����� �� ��%� ����� �� �� �������� � ����� � %�� �6 ��� ��

%����� ���� �� '() �����+

!*�* ������� ������ �� ��� ������ ����

C� ������ ��� � ��� � �� ������ �� � '() �����

��� �� �� ����� � ����� �6����� �� ��!��� ������ ������

������ �� �� %������� *��� �6��� ���� �� ��%��������+

-��� �� ���� � ������ � �� �������� ������ ������ � ��

�������� � ����� �+ -���� " ����� �� ����� %������%��

������� �� �� �������� ������ �� �� �������� � ����� � ������

�� ����� ������ ���+

������ ������ ���� �� �������� ������ ������ "0 �%����* �� ����� � �� �� �������� � �� ��� "H �5�� ���

���+ H+ 2������� �� ������ ��� � *� ������ ��� � ���+

���+ )+ 2������� �� ������ ��� � ����� *� ������ ��� � ���+

���+ ?+ ����� � ��������� �� ���� ��� �� E/000�F. E�F ��%��4 E�F ���� ���4 E F ��!��� ���+

#* �� �� �* / ����� �� ������� "������� ������� � ��0 1� �2 �0�3�0� "B>

Page 4: Studies on the grinding characteristics of directionally solidified nickel-based superalloy

�%���� �� /&0 �5� ��� �� ��!��� ������ ��� ����� ��

�� ��%� �������+

C� ������ ��� �������� �� �8���<�� � ��� �� ��

������!� ����� �� �� ��� �� ����� ��� ��� ���*�� ��

����� �� �� �������� � ��� �� �� �� �����!���� �� '()

����� �� ��!��� ������ ����� �� ������ ������ �� �� ����� �

�����+ -� ����� � ����� ���� �6���� ���� �� �� ������

��%��������+ C� �� ������ ��%�������� ����� ��������

�� �6����� %�������� ������ �� ��� �������� ������ ������

�� ����� �� *� �� ������� �� �� ����� %�������� ��

������ �� �� ��� %��������+

,�������� �� ������ ��%��������� ����� ��%��������

������� �� �� ����� ��%�� �� �� %������� � ���� �� ��

�������� ������+ 7 ������ '() ������ �� ������ ��%�����

���� �� ��%�������� ������� �� �� ��� ��� �� ��%��������

������ �� ��* ��� ��� ��!���+ '() ����� ���� �� ��

����� ��%���� �� ��� ���� �� ���� ���� �� �� �������� ������

������ �� '() ����� *� ������ ��� �������+

���+ BE�F �� � %� ��� ��� %���������� �� ��%�� '()

������ ���% *� � �� ��� �� ���� ����� ������� ��

���� ����� ��'()+ ���+ BE�F ��*� �� ����������� ���������� '()� �� *��� ��;� �� � �� ����� ���� �G������� �� �+7���������� �������� ��� ������!��� ����� �� ������

8������� ���% �� ��������� ������%��� *����� �������

�������� ��� ������!��� �� �� ��������� �������+���+ > �� � %� ��� ��� %���������� �� � ����� ����� �

�����+ -� ��� � ����� � ���+ >E�F ��� ������� ��������

��������� �� ����������� ���� ����� ��� ������ ���� �

�� ��������+ -� ������� ��� ������ �� ��%�� ���

�� �!� ������ ���������� ���% �� ����+ -�� ��� ����

��� �� ������ ��%�������� �� ������ �� �� �!�

�6 ����� �� %����� ���� �� '() �� ��%� �� ������ ��

� �%��� 8������ �� %����� %�������� �� ��� �������� �

�� �������� � ����� �+

-� ������� � '() E0+0"/G0+0/? *�+JF ��� ��������

���%��� �H�/� *� �� � ���� �� *�� ��* %����� ����+

-� %����� �H�/ � ���%��� �� ���������� �� ���� ��

-���� "

����� %������%�� ������� �� �������� ������

����� ������� � E�5�F

��!��� ��� �/&"$��%�� �"H

���+ B+ -� %������ ���� �� '() � �� ��%�� �����+ ���+ >+ -� %������ ���� �� '() *� ������ ��� � ���+

"B# #* �� �� �* / ����� �� ������� "������� ������� � ��0 1� �2 �0�3�0�

Page 5: Studies on the grinding characteristics of directionally solidified nickel-based superalloy

������� � �� '() 9):+ 3� ���� �� �� �� �H�/ %���� ��

%����� ���� �� �� '() %����6 �� �� ������ ���� ��+����� ������� ������� ��� ����� �� *� �� %�����

%����� ��� ������������+ -� %����� �� ������ �� ������

� '() ���� ��������� ��� ��* � ���+ >E�F+

����� ������� ������� � �� ����� � ����� ��!����� ���� �

�� �����%��� �� ������%� � �� '()+ -� �� ������

��%��������� *� ������ �� '()� %����� ����� �����

�� ������� �� �� �������� *� �� �� %�;�� ������������� � '()+ 3���� �� ������ ��� ���� �� ��%�������� ��

� �������� � ����� � *�� ��� ���� ����� 8�� ��� ����*

>00��� *� �� ��� ��*�� �� �� ����� ��%�������� ��'()� �� ��� �� ������� ������� ��� �� ����� ��� ���������+ -� ������ �� �� '() *��� �� ���� �� ��� �� ��

�� ����� �� �������+-� ������ ����������� �� ����� ����� � ����� *�� ����

%�������� �� %������%�� ������� ���� ��* � ���+ #�

*� ��� ���� ������ �� *������ �� �� ������ ���

�����+

� �����������

"+ 7 ������ '() ������ ���� ��� ������� ��������

�� �� �%�� �� ������ ��%��������� �� ���������

�� �� ���� �� �� �������� � ����� �+ C� ��

������ ��%�������� �6 ���� ""00��� � �����*���� � ���� ������� � �� �������� � ����� �� �� ��

��������� �� %� �� �� ���������� �� �� ����� �

����� ����������� �������+

/+ C� ������ ��� �������� �� �������� ������ ������

�� �� ����� � ����� �� ������!��� ��+

H+ -� ������ ��� � ����� '@'� ���� ��%������� ��

��� �� ������ ��� ����� ��� � �� � �� ���� �� ��

��� ������� ����%���� ��� ���� ��%� ������ ���

%�������+

)+ C� ������ ��� �������� �� %������ ���� �� ��

����� � ����� ����+ -� %�� ��������� ����������� ������� ��� �� ������� �� ����� ������� ��

���� ����� ��� ����� ��� *� ���� ������������ �� ��

������ �� ������ �� �� '() ������ �� ���� �� ��

���� ��� ����� �6 ����� 0+? %%+

�������� �������

��� ��� ������� �� �� $������ $������ � �� �

�������� �� 5 ��� �� ������� ����� �����+

����������

9": + -��!���� C+ =��<� '������ ���*�� 7�+ �����+ �!+ H& E"&&)F

)&G>)+

9/: �+ ���� C+ �� �� + ����;��� 16����%���� ����� � ����� � ��

��������� � 8������ ����� ������ �� � ��������� ����������� �.

5�� ������ �� �� ����� 7��������� ������ � � O������ ��

����������� "&&?� ��+ H"GH)+

9H: 5+ ������� �+ ���� �+ C��� ������� � %� ���%� �� �%���!��

%�� �� *������ � ��� � ������ �� ����� ��� �� ���� %������ �.

5�� ������ �� �� ��6� 7��������� ����� ����� ������ ��

���� 2��+ "� "&&H� ��+ H"GH?+

9): �+ ��� O+ C�� D+ (��� (+ K�� � %�������� � � ���� �

������� ���������� � ��������� ����������� �����+ ����+ "> E"&&HF

HB0GHBH+

���+ #+ K������ ����������� �� �� ���� �����+

#* �� �� �* / ����� �� ������� "������� ������� � ��0 1� �2 �0�3�0� "B&