航空发动机钛材料磨削技术研究现状及展望

钛材料主要指钛合金、钛铝金属间化合物和钛基复合材料,具有密度低、强度高、抗氧化与蠕变性能好等优异特性,在航空发动机领域具有广泛应用前景。钛材料属于典型的难加工材料。磨削是高效精密加工钛材料的重要方法,可以获得良好的加工精度和表面质量。首先概述了钛材料在航空发动机中的应用及其磨削工艺技术总体情况。随后,从磨削力与磨削温度、砂轮磨损、材料去除机理、表面完整性等方面阐述了钛材料磨削技术的研究进展,并总结了针对钛材料磨削关键问题提出的新工艺和新方法。最后,对钛材料磨削技术未来的研究方向进行了展望。     

难加工材料磨削弧区强化换热的研究

分析了难加工材料磨削烧伤的机理；在分析现有换热方法存在的不足的基础上，设计了高压定向射流冲击强化换热方法和装置，对生产实践具有较高的应用价值。①磨削去除单位体积材料所消耗的能量 比其他常规加工方法要大得多，而这些能量在磨削弧区几乎都转化为热，从而导致弧区温度升高，尤其是难加工材料比普通磨削产生更多的热量，极易发生工件磨削烧伤。针对磨削弧区近似封闭的情况，人们曾构想了包括常规供液、高压喷注顺流供液有气流挡板辅助的供液以及利用砂轮气孔的内、外渗透供液等各种磨削液引入弧区的方法。弧区引入磨削液是否能确…     

F-22 战斗机上的第一个钛基复合材料零件

Ｆ┐２２战斗机上的第一个钛基复合材料零件第一个钛基复合材料（ＴＭＣ）零件可望在Ｎｏ．５Ｆ－２２试验机上飞行，这个零件将用于该机两台Ｆ－１１９发动机中的一台发动机扩散喷管的作动器活塞，代替不锈钢活塞，可减重４０％。它是由ＡＲＣ公司制造的。该活塞大约长３...     

Ti—15—3钛合金板材冷成形

纯钛强度偏低，合金钛工艺性差，使钛合金用量受到限制，。本文通过对伞梁零件的研制证明Ｔｉ－１５－３钛合金具有优异的性能，可以冷上加工成形复杂形状的板金零件，经时效 后获得高的强度并有较好的焊接性能，是一种比较理想的航空材料。     

TC4钛合金高效磨削加工用环形热管砂轮的研制

针对航空航天高强韧性难加工材料TC4钛合金在磨削加工中存在磨削温度高而导致工件表面烧伤的问题,提出利用热管换热技术冷却磨削弧区的新方法.分析了环形热管砂轮在加工中对磨削弧区的强化换热原理,并设计制作出能够用于磨削加工的环形热管砂轮,同时实现了对砂轮基体内环形管腔的密封、抽真空、精确注液与机械式真空封口.最后,在相同磨削工艺条件下,使用环形热管砂轮和无热管砂轮进行TC4钛合金缓进给深切磨削对比试验,验证了环形热管砂轮对磨削弧区温度的控制效果.试验结果表明:设计制作的环形热管砂轮在TC4钛合金高效磨削过程中可以有效降低磨削温度,避免工件表面出现烧伤.     

强冷风磨削技术

强冷风磨削技术日本明治大学横川和彦教授开发出向磨削点供给强冷风的磨削技术。通常，磨削加工时是向磨削点供给磨削液，由于砂轮的高速旋转和工件的旋转，造成在磨削区弥漫着磨削液中散发出的油、氯和硫等雾气，形成公害，污染环境。横川教授开发的强冷风磨削技术是用液...     

颗粒增强钛基复材缓进深切磨削加工研究

颗粒增强钛基复合材料(PTMCs)属于典型的难加工材料,在航空航天领域具有广阔应用前景.本文开展了PTMCs材料的缓进深切磨削研究,揭示了磨削用量和磨削方式(顺磨与逆磨)对磨削力与磨削温度的影响规律,同时利用有限元法分析了磨削温度场特征和材料去除机理.研究发现,缓进深切磨削PTMCs时,磨削力随工件进给速度和切深增加而增加,顺磨时的磨削力比逆磨大10％～20％,而顺磨的磨削温度要比逆磨约低10％.由于逆磨和顺磨工件的温度分布不同,当切深大于0.6mm、工件进给速度大于400mm/min时,顺磨比逆磨更易发生烧伤.在此基础上,提出了顺磨与逆磨条件下磨削温度场仿真计算的不同热源模型与边界条件,分别获得了两种磨削方式的温度分布特征,有限元仿真结果与试验结果相符.颗粒增强钛基复材磨削表面典型加工缺陷是表面涂覆和硬脆增强相破碎和拔出导致的孔洞,单颗磨粒切厚对硬脆增强相的去除行为有显著的影响.     

砂带研磨Ti—6Al—4V合金工艺研究

研究了Ti-6Al-4V合金的砂带磨削工艺和磨削机理。试验结果表明,不同砂带、不同砂带运动速度和不同磨削压力对磨削深度和磨削量影响较大,并对它们之间的关系作了一些探讨。     

断续缓磨射流冲击强化磨削弧区换热的实验研究

通过深切缓磨时磨削烧伤机理的分析,提出高压射流冲击强化磨削弧区换热新构想,并通过断续缓磨射流侧向冲击弧区的磨削实验显示其换热效果．     

颗粒增强钛基复合材料磨削试验与仿真研究

采用单层钎焊CBN砂轮开展了颗粒增强钛基复合材料（PTMCs）磨削试验,对比研究了在磨削TC4钛合金和PTMCs时,磨削用量对磨削力与磨削温度的影响规律,利用有限元仿真研究了PTMCs材料去除演变过程。结果表明,磨削过程中PTMCs的磨削力较TC4增加了15%～30%,磨削温度提高了7%～11%,PTMCs比TC4钛合金更难加工;PTMCs材料去除过程为TC4基体材料的延性去除和Ti C增强颗粒的脆性去除,脆性去除形成了磨削表面孔洞缺陷;当磨削速度从120 m/s降到20 m/s时,磨削表面孔洞缺陷深度由0.8μm增至3.5μm,增加了约3.4倍;提高磨削速度可以降低增强颗粒脆性去除对PTMCs磨削表面孔洞缺陷的影响程度。     

表面完整性对FGH95合金高温疲劳性能的影响

金属构件的加工表面完整性状态对其整体疲劳性能具有显著影响。本工作研究了磨削、磨削+铸钢丸喷丸、磨削+陶瓷丸喷丸和磨削+复合喷丸4种表面加工集成方法对FGH95合金高周疲劳性能的影响规律。采用表面粗糙度仪、X射线残余应力测试仪和显微硬度计分别对不同复合加工方法试样的表面粗糙度、表面残余应力分布和硬度梯度等表面完整性参数进行了表征;采用旋转弯曲疲劳试验机测试了缺口(应力集中系数Kt=1.7)试样的旋转弯曲疲劳,研究不同表面完整性状态对缺口试样高温疲劳寿命的影响规律。结果表明:相对磨削,磨削+铸钢丸喷丸、磨削+陶瓷丸喷丸和磨削+复合喷丸三种方法均可显著提高试样的高温疲劳寿命;其中,磨削+复合喷丸方法获得了最优的表面残余应力场、硬度梯度、表面粗糙度和高温疲劳寿命增益效果。     

Al2O3/ZrO2(n)微纳米复合陶瓷超声振动精密磨削表面微观特征试验研究

 基于Al₂O₃/ZrO₂（n）微纳米复合陶瓷的“晶内型”微观结构，应用原子力显微镜(AFM)重点分析了微 纳米复合陶瓷二维超声振动磨削表面微观形貌。结合磨削表面X射线衍射定性分析与定量计算，研究了“晶内型”微纳米复合陶瓷材料超精密振动磨削表面变质层结构。X射线衍射分析表明：二维振动磨削和普通磨削表面均以α-Al₂O₃和四方相ZrO₂为主，存在少量单斜相ZrO₂，磨削表面无非晶相产生；磨削表层和基体之间的过渡层的X射线衍射峰具有半峰宽化现象。AFM分析结果表明：细粒度金刚石砂轮普通磨削和振动磨削表面均无微裂纹和断裂破碎，磨削表面粗糙度是由不同幅值的多种波形叠加的结果；AFM轮廓特征分析表明：二维超声振动磨削表面峰谷较均匀，磨削表面均匀一致性优于普通磨削表面；材料晶化过程中产生的固有缺陷是限制硬脆材料近纳米表面形成的重要因素。     

航空发动机钛火防护技术及试验验证方法

钛合金在航空发动机上应用广泛,特别是对于追求高推重比的军用发动机更是如此。但采用钛合金存在钛火风险,且钛火故障危害大、发生频率高。分析了钛火故障产生的原因,描述了故障导致的后果,并结合发动机上典型钛火故障,总结了4种较为有效的钛火防护设计技术。阐述了钛火防护技术的试验验证方法和目的,指出只有通过试验验证,才能确认钛火防护技术的安全有效。     

开槽砂轮缓磨时射流冲击强化换热的研究

提出了运用磨削弧区强化换热技术开发高效磨削潜力的创新构想,并在开槽砂轮的基础上研制开发了能够实现磨削弧区沿砂轮径向定向高压水射流冲击强化换热的新型磨削液供液装置;完成了关于开槽砂轮缓磨时弧区定向高压水射流冲击强化换热效果的理论计算和实验研究,计算结果与实验结果基本吻合。     

纯钛搅拌摩擦焊晶粒细化机制

通过搅拌摩擦焊实现了5 mm纯钛的可靠连接,并对焊接接头组织进行了细致研究。通过光学、扫描电子显微镜和透射电子显微镜对纯钛搅拌摩擦焊组织进行了精细表征,对焊接过程中的再结晶机制进行了研究。结果表明：采用搅拌摩擦焊可以得到成型良好,组织致密的焊缝;焊缝组织可以分为焊核区( NZ)、热机影响区( TMAZ)、热影响区( HAZ)和母材区( BM);根据各区组织形态和结构特点对纯钛搅拌摩擦焊动态再结晶过程进行了分析,揭示了纯钛搅拌摩擦焊焊缝细化机制;钛的层错能较大,搅拌摩擦产生的位错不能完全分解,遇到阻碍时,只能通过滑移和攀移继续运动,在多次搅拌摩擦作用下,位错缠结堆积,位错密度不断上升,产生新的晶界,从而形成细小晶粒,实现晶粒细化。     

电镀砂轮磨损对GH4169磨削表面完整性的影响

电镀砂轮具有优异的成型性和形状保持能力,越来越广泛地应用于复杂曲面的加工,但是磨损对零件表面完整性影响的研究并不充分.在深入分析利用圆环型砂轮在插磨方式下加工GH4169试件所产生的表面形貌形成规律的基础上,对高刚度矩形试件的磨削表面粗糙度随砂轮磨削量的变化进行了详细记录,并对某型号发动机静子叶片进行实际磨削验证.试验结果表明,精磨时适当的砂轮磨损可以使高刚度试件表面粗糙度下降35％,对表面硬度和残余应力影响不大;而叶片的弱刚度会大幅提高磨削粗糙度,但适当的砂轮磨损可以使叶片端部粗糙度下降64％,并降低刚度对粗糙度的影响,进而提高叶片表面磨削质量的一致性.因此,通过磨削粗糙度对砂轮的磨损状况进行大致评估,选择合适磨损量的砂轮用于精加工,以充分降低工件的表面粗糙度并提高磨削质量的一致性.     

基于单颗粒模型的航发叶片砂带磨削微观仿生锯齿状表面形成及实验

基于鲨鱼皮衍生出来的微观仿生表面被广泛应用于机翼等航空零部件的设计中，对于提高航空零部件的疲劳寿命、气流动力性等服役性能具有重要作用。砂带磨削能实现零部件表面的高完整性要求的加工，故常用于叶片、整体叶盘等复杂曲面的精密磨削，且能实现微观表面形状，但目前缺乏砂带磨削微观表面的系统研究从而难以实现其精确控制。首先，分析了微观仿生锯齿状表面的典型结构特征，基于单颗粒砂带磨削模型，研究了单颗粒砂带磨削去除机理；然后，建立了砂带磨削多颗粒参数化数学模型，提出了微观仿生锯齿状表面砂带磨削方法；最后，以钛合金叶片型面为对象，搭建以钛合金为典型材料的微观仿生锯齿状表面砂带磨削基础实验平台，进行仿生表面的实验验证。通过对磨削后叶片的表面微观形状参数进行检测，结果表明通过砂带磨削方法实现的微观仿生锯齿状表面以锯齿形沟槽为主，其中沟槽的宽度在2.5~8 μm之间、平均值为4.91 μm，沟槽的高度在3.5~9 μm之间、平均值为5.91 μm，沟槽的夹角在28°~68°之间、平均值为42.3°，验证了微观仿生锯齿状表面砂带磨削的可行性。     

磨削钛合金的磨削力数学模型

本文以磨削钛合金的粘附现象为基础,分析了磨削力与粘附面积百分率间的关系,并导出了磨削力数学模型。该模型计及由于切削工件材料而产生的力以及由于粘到工作磨粒上的工件材料与工件相互接触而产生的力。试验结果证明该模型对钛合金磨削是适用的。     

钛硅共晶合金中硅化物及其对显微硬度的影响

观察了钛硅共晶系合金的微观组织。综合分析了X射线能谱（X－EDS）、透射电子显微镜（TEM）以及X射线衍射（XRD）结果，确认了铸态组织中析出的硅化物本质，并测得该硅化物的显微维氏硬度。结果表明，钛硅共晶合金铸态组织由α-Ti和Ti5Si3两相组成。亚共晶钛硅合金中共晶区比枝晶区具有更高的显微硬度，而共晶和过共晶合金的共晶区显微硬度明显高于亚共晶合金。     

软轴疲劳断裂原因分析及改进措施

软轴断裂失效以疲劳断裂为主；针对软轴疲劳断裂的主要因素：软轴材料冶金缺陷，软轴加工中的磨削工艺质量缺陷及扭力试验中产生的摩蚀等；采取严格控制软轴材料质量，合理选择加工中的磨削工艺参数，提高软轴加工质量，改进软轴扭力实验中的装夹条件，克服软轴产生摩蚀疲劳，改善软轴表面残余应力状态等措施，提高软轴疲劳强度。