磁流体柔性微织构砂轮的单晶叶片形性协同磨削研究

Nickel-based single crystal alloy have been widely used in hollow turbine blade because of their excellent high temperature performance. However, high grinding force and grinding temperature are the main problem due to their high hardness, low thermal conductivity material properties and hollow thin structure characteristics. To solve this problem, this project presents a magnetic fluid flexible micro structure grinding wheel and its efficient preparation technology. First, the controllable viscoelastic magnetic fluid is used as the control medium of grinding force at the interface between grinding wheel and workpiece, the grinding force is improved by flexible grinding method. Second, molding technology is used to fabricate micro structured grinding wheels with high efficiency, the problem of recrystallization caused by high grinding temperature is improved. Last, grinding experiments are conducted, the influence law of viscoelastic parameters, current size and grinding process on normal / tangential grinding force is analyzed by theoretical analysis, simulations, and experiments. And the influence mechanism of molding temperature, molding rate and annealing rate on mesoscopic morphology and grinding temperature of microstructure grinding wheel is studied. The coordination mechanism of shape and properties in blade grinding is revealed, and finally, establishes the efficient preparation theory and grinding theory of the magnetic fluid flexible micro structure grinding wheel. The research is expected to promote the finishing technology of hollow single crystal blade.

镍基单晶合金因其优异的耐高温力学性能而广泛于空心涡轮叶片，但由于其高硬度、低导热率材料属性和空心薄型结构特点，存在磨削力大、磨削温度高的问题。为解决上述难题，本项目提出一种磁流体柔性微织构砂轮及其高效制备方法。首先以粘弹性可控的磁流体作为砂轮与工件接触界面磨削力的控力介质，以期通过柔性磨削方式改善磨削力过大的问题；然后采用模压成形技术来高效制备微织构砂轮，以期解决传统磨削温度高而导致再结晶的难题；最后进行空心单晶叶片磨削试验，通过理论计算、仿真分析及实验方法研究粘弹性参数、电流大小、磨削工艺等对法向/切向磨削力的影响规律，探讨模压温度、模压速率、退火速率等对砂轮微织构介观形貌及磨削温度的影响机制，从而揭示叶片磨削加工的形性协同调控机理，最终建立磁流体柔性微织构砂轮的高效制备理论与磨削理论。本项目的研究将有望推动空心单晶叶片精加工技术的发展。

镍基单晶合金因其优异的耐高温力学性能而广泛于空心涡轮叶片，但由于其高硬度、低导热率材料属性和空心薄型结构特点，存在磨削力大、磨削温度高的问题。为解决上述难题，本项目提出一种磁流体柔性微织构砂轮及其高效制备方法。1）提出了聚氨酯磁流变胶制备工艺，并对其成分组成、羰基铁颗粒微观形貌等进行了观测分析。研究发现MRG的储能模量随着磁性颗粒含量的增加而增大；MRG储能模量随着MDI与CO摩尔比增加而增加；相对磁流变效应随着MDI与CO摩尔比增大而减小。2）设计了微织构硬质合金砂轮成型模具，分析了磁流体柔性砂轮成形参数与砂轮残余应力之间的关系，研究发现残余应力与模压温度成反比关系、与模压速率成正比关系、与退火速率成正比关系。3）在不同磁场条件下使用磁流体柔性砂轮与氧化铝砂轮不同的磨削深度下磨削镍基沉淀硬化型定向凝固柱晶高温合金（DZ22）的磨削对比试验，并对磨削过程中不同磨削深度条件下的两种砂轮磨削后的工件表面轮廓曲线、粗糙度和表面形貌进行了测量与分析。随着磨削深度的增加，氧化铝砂轮磨削后的工件表面粗糙度越来越大，磁流体柔性砂轮磨削后的工件表面粗糙度先增大后减小。同时在相同磨削深度下磁流体柔性砂轮磨削后的工件表面质量比氧化铝砂轮更好；且随着磨削深度增多，磁流体柔性砂轮磨削后工件表面缺陷现象涨幅不明显。4）形状精度、表面粗糙度、残余应力达到设计要求后，进一步提高表面质量对叶片服役性能改善有帮助，但改善程度很小。其中，发现残余应力比形状精度和表面粗糙度对服役性能影响更大，尤其在服役寿命方面。5）制备出了一种抛光稳定性能好、不易沉降的新型磁性磨料—MRGs柔性磨料，研究了抛光时间t、磁极转速S、进给量F等参数对工件抛光的影响规律。最终建立磁流体柔性微织构砂轮的高效制备理论与磨削理论。本项目的研究将有望推动空心单晶叶片精加工技术的发展。