航空发动机单晶零件磨削加工工艺理论与技术基础研究

This project aims to solve the key issue in grinding processing technology of the key single crystal parts which are used in aero engine. Currently, owing to the lack of processing parameters and the evaluation criteria for processing quality as well as the occurrence of recrystallization during the grinding processing of single crystal parts, it is very necessary to systematically study the new processing mechanism and key technology of single crystal parts grinding processing. Molecular dynamic is an effective tool to communicate the macro characteristics and microstructure of single crystal parts, the material removal theory and the processing mechanism of the single crystal parts grinding processing can be innovatively revealed by means of numerical simulation and experimental verification. In addition, an overall study including the recrystallization influence factors and control measures as well as the methods for inhibiting grain nucleation during the process of grinding will be carried out, meanwhile, the microstructure evolution of single crystal parts induced by grinding processing will be explored, and it is convincing to find the reasonable grinding processing parameters and processing scheme optimization as well as the prediction method of grinding quality. Moreover, the surface quality inspection and evaluation standard of processed single crystal parts will be proposed to improve the low surface quality and poor qualified rate, which are the bottleneck in application of single crystal parts. The research results of this project will play an important role in improving the mechanical processing quality and promoting the engineering application of single crystal parts.

本项目以解决航空发动机关键单晶零件磨削加工工艺技术为目标，针对目前单晶零件磨削加工缺少合理工艺参数和加工质量检测评价标准以及磨削加工中产生再结晶等问题，系统研究单晶零件磨削加工工艺新的机理和关键技术。采用分子动力学作为沟通宏观特性与微观结构的多尺度仿真方法，通过数字仿真和实验验证的方法，探究单晶零件材料去除理论，创新揭示单晶零件材料切削磨削加工的新机理。研究磨削加工再结晶的影响因素和控制工艺措施以及抑制晶粒形核生长的方法，探索磨削加工诱导的单晶零件微观组织演化规律，寻找其合理的磨削加工工艺参数和工艺方案优化以及加工质量预测方法。提出单晶零件磨削表面质量检测与评价标准，解决单晶零件磨削表面质量较差和合格率偏低而阻碍工程应用的瓶颈问题和关键工艺科学问题。本课题的研究成果将为提高单晶零件机械加工产品的质量和推动其工程化应用起到重要的促进作用。

基于单晶零件磨削加工机理尚未形成统一磨削理论的背景，项目针对单晶零件无晶界其加工机理与普通金属多晶材料加工沿晶界剪切滑移机理不同的问题，系统开展了航空发动机单晶零件磨削加工工艺理论与技术基础研究。将分子动力学作为联系宏观特性和微观结构的方法，采用嵌入原子势函数描述金属原子之间的相互作用，建立了磨粒的运动模型，推导出磨粒运动的轨迹方程，并给出相应算法。研究了单晶零件磨削外力诱导材料内部出现不同缺陷结构与位错相互作用影响的材料去除新的机理，并进行了仿真。分析了单晶零件磨削加工力学行为，阐释了单晶零件磨屑与磨削表面的形成，并通过与多晶材料磨削加工的对比分析研究，揭示单晶零件材料的去除新的磨削机理和特征。依据单晶零件磨削机理仿真结果分析和实验观测，讨论了镍基单晶高温合金发生塑性变形的主要形式，观察不同工艺条件下磨屑形态和类型，检测磨削热和温度场分布等，进而验证所提出单晶零件的磨削加工机理的正确性。选择典型的DD5和DD98镍基高温合金材料制备出航空发动机单晶零件的试验件和工艺模拟件，并制备多种磨削实验砂轮，设计合理的实验研究方案。对多种材料单晶零件和不同工艺条件进行大量磨削工艺实验和系统的工艺优化研究以及工艺对比实验研究，创新提出单晶零件的加工工艺和工艺方案优化方法。通过正交实验极差分析和方差分析得到了各因素对单晶零件磨削加工影响的相关性，分析了多磨削工艺参数对航空发动机单晶零件的磨削表面完整性实验影响机制，探索再结晶行为与塑性变形量、磨削工艺参数、磨削温度、热处理温度与时间、母材原始组织状态以及单晶体学取向的影响因素和变化规律，研究不同种类和不同取向单晶合金磨削后的表面质量和微观组织特征。给出单晶零件磨削质量表征与检测评价的方法，解决不同取向材料单晶零件磨削加工表面质量关键工艺背后的科学问题。项目研究工作和成果对于单晶零件加工工艺应用和推广具有重要意义和促进作用。