Cryogenic machining of the aeronautic alloy: Inconel 718

Abstract

Nickel-based alloys are widely used in the manufacture of aerospace engine components due to their excellent high-temperature thermo-mechanical properties and good corrosion resistance. However, machining these materials poses a number of challenges, mainly because they maintain their properties at high temperatures. Additional difficulties result from their high chemical reactivity with most cutting tool materials and their low thermal conductivity, which leads to wear due to the high temperatures reached at the cutting edge. In this context, the use of cooling/lubrication systems are very relevant in order to improve productivity in machining. Thus, this research work focuses on cryogenic machining, which consists of projecting liquid nitrogen (LN2) or liquid carbon dioxide (LCO2) into the cutting zone to reduce the temperature. The aim is to reduce some wear mechanisms and increase tool life. However, the application of this lubrication system machining Inconel 718 has to date shown limitations in terms of tool life and surface integrity of the machined part, as opposed to Ti64 titanium alloy. It is therefore considered of great interest to discern the mechanisms responsible for the poor machinability of Inconel 718 in cryogenic machining in order to propose a suitable process window. To this end, the dynamic behavior of Inconel 718 at cryogenic temperatures is characterized to determine the metallurgical alterations that may occur in the machined part. The surface integrity condition obtained is also analyzed and a study is made of the fatigue behavior of drilled specimens under cryogenic conditions.

Las aleaciones base níquel se utilizan ampliamente en la fabricación de componentes de motores de industria aeroespacial debido a sus excelentes propiedades termomecánicas a altas temperaturas y buena resistencia a la corrosión. Sin embargo, el mecanizado de estos materiales es particularmente difícil debido, principalmente, a que mantienen sus propiedades a altas temperaturas, pero también a su elevada reactividad química con la mayoría de los materiales de herramientas de corte y su baja conductividad térmica, lo que conlleva a desgates debidos a las altas temperaturas alcanzadas en el filo de corte. En este contexto, el empleo de sistemas de refrigeración/lubrificación son muy relevantes de cara a mejorar la productividad en su mecanizado. Así, este trabajo de investigación se centra en el mecanizado criogénico, que consiste en proyectar nitrógeno líquido (LN2) o dióxido de carbono liquido (LCO2) en la zona de corte para reducir la temperatura. Se busca que algunos mecanismos de desgaste disminuyan y la vida útil de la herramienta aumente. Sin embargo, la aplicación de este sistema de lubrificación mecanizando Inconel 718 ha mostrado hasta la fecha limitaciones en cuanto a la vida útil de la herramienta y la integridad superficial de la pieza mecanizada, a diferencia de lo que sucede con la aleación de titanio Ti64. Por ello, se considera que es muy interesante discernir los mecanismos responsables de la mala maquinabilidad del Inconel 718 en el mecanizado criogénico para poder proponer una ventana de procesos adecuada. Para ello, se caracterizará el comportamiento dinámico del Inconel 718 a temperaturas criogénicas de cara a determinar las alteraciones metalúrgicas que puedan ocurrir en la pieza mecanizada. Asimismo, se analizará la condición de integridad superficial obtenida y se hará un estudio del comportamiento de fatiga en probetas taladradas bajo asistencia criogénica.