高可靠性表面加工中切削液的物理化学作用机理与基础数据研究

Precision machining for high reliable surface has become the necessary requirement of long-term and stable service of key components, e.g. ultra-supercritical steam turbine blade, driving rod in nuclear power unit, high precision optical components, etc. Cutting fluid has a deciding influence on the surface quality as well as material, machine tools and cutting tools. Comparing with international research on systematic mechanism and rigorous trial statistics, the engineering application on traditional lubrication and cooling effect in macro scale has been the domestic focus, which results in difference on fundamental and methodology in between. This proposal will investigate the mechanism and effect of the cutting fluids on the precision machining of high reliable surface for superalloy blades with focus on material evolution in micro scale. The variation of microstructure and defects affected by the cutting fluid and its remaining will be revealed with the consideration of material removal and in-service conditions. The fundamental model and expandable framework of basic data on cutting fluid will be established, and the quantitative analysis conducted based on the methodology of deterministic deduction and massive trial statistics. The achievement will provide a theoretical foundation and comprehensive data support for cutting fluid, and benefit its performance assessment, control and application for high reliable surface machining.

高可靠性表面精密加工已成为保障超（超）临界汽轮机高温叶片、核电机组主驱动杆、高精密光学元件等核心零件长期、稳定服役的必要条件。切削液是除材料、机床、刀具外，影响表面加工质量与长期服役性能的决定性因素。相比国外深入机理研究或严密试验统计，国内对于切削液作用的认识仍集中在宏观润滑冷却等传统的应用研究范围，造成基础性的、方法论层面的差距。本申请以汽轮机高温合金叶片高可靠性表面的精密加工为载体，在微观尺度材料演变为重点，研究切削液与高温合金间的理化作用机理，揭示材料去除瞬间大梯度条件、服役期苛刻条件下切削液及其残留对表层组织演化、缺陷产生与发展的影响规律；建立切削液静态保持、动态切削条件下的基础数据模型与可扩展框架，从确定性规律演绎和大量试验数据统计两方面进行切削液作用的定量分析。本课题成果将为以高温合金叶片为代表的高可靠性表面加工中切削液的综合评价、性能控制与工程应用提供理论基础与完整数据模型。

超超临界汽轮机组是我国能源工业发展的重要装备，关键零部件高温叶片及转子的精密加工质量和性能严重制约其发展。叶片作为整机核心零件之一，由于工作环境十分严苛，对加工表面质量的要求非常高。而叶片采用的高温合金等材料加工难度大，加工过程中必须使用切削液。国内外的研究长期关注切削液的冷却、润滑等作用，忽视了其对加工表面质量及性能的影响。.本文面向超超临界汽轮机叶片材料铁基高温合金和镍基高温合金的精密铣削加工，分析了实际生产中广泛应用的两种切削液的粘度、表面张力、润滑性能、冷却性能、pH值等理化特性，并对切削液可能造成的表面腐蚀进行了无机热力学计算，分析比较了两种切削液的理化性能差别。.采用实际生产中的精加工工艺参数进行了不同切削液条件下的切削实验，并测试了切削力。分析了不同切削液条件下加工表面的微观形貌、表面粗糙度等几何特性，以及表面硬化、残余应力、表面元素流失等材料特性，并对局部Cr元素流失机理进行分析；将切削液的理化性能差异引入表面完整性指标的分析，初步建立了切削液的理化特性对加工表面完整性的作用。.采用浸泡实验模拟加工后切削液的残留对表面的长期腐蚀，采用电化学分析仪测试不同浸泡时间的Tafel曲线、自腐蚀电流、自腐蚀电位以及电化学阻抗谱，对不同切削液对表面的腐蚀特性进行分析，并测试了不同腐蚀条件下的表面形貌；将切削液对表面的腐蚀与其理化性能和特殊成分建立起关联，分析了不同的切削液对表面的长期腐蚀机理，为切削液的选用和使用控制提供了一定的基础。