切削液对叶片材料精密加工表面微组织演变的作用机理研究

As key component of steam turbine or gas turbine, precision machined surface quality and service performances of blades severely restrict the performance and stability of the entire unit. Study shows that cutting fluid is one of the key factors that affect the quality and performance of the blade surface, but it is lack for thorough inquiry in China. This proposal is focused on the action mechanism of cutting fluid during precision machining of heat-resistant stainless steel blades, with the goal of improving surface quality and service performance of the blade. With dynamic mechanical properties and electrochemical theory are introduced into evaluation of cutting fluids, the main contents include: effect on multi-scale response model during machining deformation process; effect of dynamic evolution of microstructure and mechanical properties of fresh machined surface based on the theory of electrochemistry; evaluation criteria of cutting fluid in precision machining process of turbine blades. This study will associate the static surface integrity indicators, dynamic deformation of material surface microstructure evolution and the cutting fluids. The results are important for formation mechanism and precise control of properties of subsurface of the blades, and form the theoretical and technical basis for selection and control of cutting fluids during machining of high surface quality and performance.

汽轮机、燃机关键零部件叶片的精密加工表面质量与服役性能严重制约整机的性能与稳定性。现有研究表明，切削液是影响叶片表面质量和性能的关键因素之一，但国内尚缺乏深入系统的分析。本项目面向典型耐热不锈钢叶片材料加工过程中切削液的作用，以提高叶片表面质量及服役性能为目标，将材料动态力学性能和电化学理论引入切削液的评价，主要研究内容包括：切削液对叶片加工变形过程多尺度响应模型的影响；基于电化学理论的切削液对叶片材料新鲜加工表面微组织及性能影响的动态演变规律；面向表面质量及服役性能的水基切削液评价标准。本研究将建立静态的表面完整性指标、动态的材料变形规律和表面微组织演变与切削液的关联，并对现有标准进行丰富和完善。本课题成果，对切削液作用下耐热不锈钢叶片表层亚表层材料性态的形成机理与精确控制有重要意义，并为叶片加工过程切削液选用与使用控制、高质量低缺陷表面的生成提供理论基础与支持。

燃气轮机的核心高精密部件长期服役于高温高压严苛环境下，对表面完整性及服役性能提出高要求。这些核心零部件所采用的高温合金具有高强度、抗腐蚀、抗疲劳等良好的综合性能，在实际加工时必须使用切削液。切削液除具有冷却、润滑等功能外，对表面微观组织、残余应力等同样具有重要的影响。国外相关企业已制定了切削液对产品质量的相关标准且对国内保密，而国内长期忽视其对加工表面质量及服役性能的影响。.本文面向镍基高温合金精密加工表面完整性及抗疲劳性能，以典型镍基高温合金叶片材料NiCr20TiAl和实际生产中通用的切削液为研究对象，从切削液对镍基合金高应变率剪切变形机理、切削性能与表面质量、加工表面腐蚀特性等方面入手，探讨切削液对镍基高温合金精密加工性能、表面完整性及服役性能的影响。本文的主要研究内容和结论包括以下几个方面：.(1) 研究了在高应变率条件下切削液对镍基高温合金叶片材料变形及失效的影响。利用分离式霍普金斯压杆和帽形试样模拟切削时的材料剪切过程。结果表明切削液中的表面活性成分将令Rehbinder效应更为剧烈，造成材料在剪切变形中明显的应力波动，且这种波动随着应变率的提高将更剧烈，进而影响切削过程中的刀具寿命与加工质量。.(2) 通过在实际生产参数下的铣削试验分析了切削液对镍基合金加工性能以及表面质量的影响，并检测了切削液的物理化学性能。切削液的冷却性能比较接近，润滑性能差的切削液会造成切削力振幅增大，加剧切屑的毛边现象，且由于无法在加工区形成强度较大的润滑膜，加工表面的残余应力状态和表面质量也较差。试验结果与霍普金斯压杆试验吻合较好。.(3) 研究了镍基合金长期处于切削液环境下的腐蚀情况，并分析切削液与材料的匹配问题。通过电化学阻抗谱与Tafel曲线分析材料浸泡后的表面腐蚀速率与腐蚀倾向。扫描电镜观察到材料表面腐蚀的形式为点蚀。使用匹配性好的切削液能减小材料表面腐蚀，提高零件的使用寿命和服役性能。