鎳基高溫合金具有優(yōu)異的抗蠕變和耐腐蝕性能、能長期可靠地工作、穩(wěn)定性高等特點，因此廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)渦輪導(dǎo)向葉片、轉(zhuǎn)子葉片等在惡劣工況服役的零部件[1]。現(xiàn)階段，航空發(fā)動機(jī)最具應(yīng)用前景的鎳基高溫合金主要有鎳基多晶高溫合金和鎳基單晶高溫合金。與鎳基多晶高溫合金相比，鎳基單晶高溫合金可消除易產(chǎn)生裂紋源的晶界，因此具有較好的耐高溫、抗蠕變性能。然而，鎳基單晶高溫合金的承溫能力相對而言仍然有限。為此，通過添加稀土元素的方法進(jìn)一步提高鎳基單晶高溫合金的承溫能力成為新的研究熱點。

鎳基高溫合金可在高溫環(huán)境下服役，具有較好的抗剪切能力和抗蠕變性能。但是，這些物理性能對其磨削加工具有諸多不利影響，使鎳基高溫合金成為典型的難加工材料[2?3]。其原因是：鎳基高溫合金熱導(dǎo)率低，所產(chǎn)生的磨削熱聚集在切削弧區(qū)內(nèi)，形成磨削燒傷，損壞其表面質(zhì)量；鎳基高溫合金具有熱強(qiáng)性，在去除時消耗較多能量；在加工過程中，鎳基高溫合金中的親氧元素（Al、Cr等）極易與氧反應(yīng)，使磨粒發(fā)生黏附，切削力增加，砂輪壽命降低。

目前，航空發(fā)動機(jī)零件的制造方法主要有機(jī)械加工（磨削、銑削、車削等）和特種加工（電解加工、電火花加工、增材制造等）。特種加工適用于對航空發(fā)動機(jī)葉片的整體加工，機(jī)械加工適用于航空發(fā)動機(jī)葉片榫齒成形加工。特種加工技術(shù)近年來發(fā)展迅速，并逐漸得到行業(yè)認(rèn)可，但是磨削技術(shù)在鎳基高溫合金的制造中仍占據(jù)極為重要的地位。與銑削技術(shù)相比，緩進(jìn)深切磨削加工可以節(jié)約大量時間（約40%）；與電解加工技術(shù)相比，磨削加工技術(shù)不僅能節(jié)約加工時間（約70%），還能降低成本（約50%）[4]。此外，磨削加工技術(shù)還具有加工質(zhì)量好、精度高等特點，能夠加工可在特殊工況下使用的鎳基高溫合金。

本文綜述了鎳基單晶高溫合金和鎳基多晶高溫合金的發(fā)展及其材料特性，揭示了兩者在磨削去除機(jī)理上的差異，總結(jié)了磨削工藝、表面完整性等方面的最新研究進(jìn)展，并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望，旨在為鎳基高溫合金磨削加工技術(shù)的基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用提供參考。

1、鎳基高溫合金的發(fā)展及其材料特性

1.1鎳基高溫合金的發(fā)展

隨著航空事業(yè)的發(fā)展，對航空發(fā)動機(jī)用材料耐溫能力的要求不斷提高，為此我國從1956年開始試制了GH3030高溫合金。自20世紀(jì)60年代以來，我國相繼研制出具有優(yōu)異性能的各種鎳基高溫合金，其承溫能力不斷提高[5]。從變形鎳基合金到鑄造鎳基合金再到鎳基單晶合金[6]，研究人員期望通過合金強(qiáng)化[7]、工藝強(qiáng)化[8]等方法制備具有優(yōu)異性能的鎳基合金。

得益于定向凝固技術(shù)的熟練應(yīng)用，自1982年以來，鎳基單晶高溫合金得到了廣泛的應(yīng)用[9]。研究人員將Co、Cr、Ru、Re等稀土元素加入鎳基單晶高溫合金中改善合金組織，提高其熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性和抗蠕變性。與定向凝固高溫合金（如DZ3）相比，第一代鎳基單晶高溫合金（如DD3、DD402等）通過加入Co元素以獲得更高的固溶度、穩(wěn)定性、抗蠕變性和耐高溫性能。與第一代鎳基單晶高溫合金相比，第二代和第三代鎳基單晶高溫合金通過加入Re元素，其耐受溫度分別提高了30℃和60℃。

第四代鎳基單晶高溫合金加入Ru元素（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%），第五代和第六代進(jìn)一步提高Ru和Re元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～6%），使其具有更高的抗蠕變性能。國外研究的第七代鎳基單晶高溫合金主要添加Ru、Re、Ir等少量稀土元素。但是，由于稀土元素價格昂貴，尋求其替代品成為國內(nèi)外學(xué)者研究的重點。

隨著鎳基高溫合金的快速發(fā)展，合金中強(qiáng)化元素含量不斷提高，其抗剪性能和耐磨蝕能力不斷增強(qiáng)，鎳基高溫合金的磨削越加困難，導(dǎo)致磨削中常出現(xiàn)磨削溫度過高、發(fā)生磨削燒傷、加工表面質(zhì)量差等問題。國內(nèi)外相關(guān)研究人員嘗試尋求材料特性、磨削工藝參數(shù)以及磨削表面質(zhì)量三者之間的平衡，以期在保證材料擁有足夠優(yōu)異性能的同時，提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量和效率。

1.2鎳基高溫合金的材料特性

1.2.1鎳基單晶高溫合金的材料特性

鎳基單晶高溫合金只有一個晶粒，沒有垂直于主應(yīng)力的橫向晶界，其內(nèi)部原子按照一定順序重復(fù)周期性排列，不同晶體取向上的原子排列不同，各個晶向的性能也不相同，是典型的各向異性材料，屬于面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)[10]。鎳基單晶高溫合金微觀組織結(jié)構(gòu)見圖1。

鎳基單晶高溫合金主要由基體相（γ相）和金屬間化合物即強(qiáng)化相（γ'相）組成。Al和Ti元素是形成強(qiáng)化相γ'相的主要元素，其含量直接決定γ'相的占比。γ'相的作用主要是提高鎳基單晶高溫合金的強(qiáng)度，其力學(xué)性能主要取決于Al和Ti元素的含量。

γ相主要提高材料的塑性，其體積約占鎳基單晶高溫合金體積的70%。在制備鎳基高溫合金時，常加入Re、Co、Cr、Mo、Al等元素強(qiáng)化γ相和γ'相以提高其綜合性能。合金中的Al、Cr等元素還可在高溫環(huán)境下與空氣形成致密的氧化膜，氧化膜覆蓋在鎳基單晶高溫合金表面，提高合金的耐腐蝕和抗氧化能力。鎳基單晶高溫合金在凝固過程中，Al、Ti、Ta等元素在枝晶間偏聚，當(dāng)其含量達(dá)到臨界值時，形成γ/γ'共晶組織，其典型的組織形態(tài)有網(wǎng)狀、層片狀和葵花狀等。

1.2.2鎳基多晶高溫合金的材料特性

鎳基多晶高溫合金是由許多單個晶粒聚集到一起而形成的多晶聚集體，每個晶粒的取向都是隨機(jī)的，晶界存在于相鄰晶體之間。鎳基多晶高溫合金微觀組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。多晶體中單個晶粒的滑移方式與單晶相同，其位錯滑移機(jī)制需要多晶體中各個晶體晶界的相互協(xié)同作用，所以在宏觀上表現(xiàn)為各向同性[11]。

與鎳基單晶高溫合金金相組織相比，鎳基多晶高溫合金基體中存在大量不同形狀和尺寸的晶粒。

鎳基多晶高溫合金以體心立方Ni3Nb（γ''相）和面心立方Ni3Al（γ'相）為強(qiáng)化相，其中γ''相的數(shù)量最多，是主要的強(qiáng)化相。當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時，處于亞穩(wěn)態(tài)的γ''相會轉(zhuǎn)變?yōu)檎挥行蚪Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)定相（δ相）。

2、鎳基高溫合金磨削去除機(jī)理研究

2.1宏觀磨削去除機(jī)理

磨削加工的實質(zhì)是通過砂輪上數(shù)以萬計微小磨粒之間的協(xié)同作用對工件材料進(jìn)行去除[12?13]。在磨削弧區(qū)內(nèi)，由于砂輪的高速旋轉(zhuǎn)和工件的進(jìn)給，單顆磨粒與被加工材料之間的作用機(jī)制發(fā)生變化，因此可將磨削過程分為劃擦（Rubbing）、耕犁（Ploughing）和磨屑形成（Chipformation）即切削三個階段[3]（見圖3）。在磨粒進(jìn)入切削區(qū)域的過程中，磨粒切刃與工件的切削深度逐漸增大然后迅速減小。當(dāng)切削深度很小時，磨粒與工件之間的相互作用力較小，工件材料發(fā)生彈性變形，導(dǎo)致磨粒在工件上劃過，此過程沒有磨屑產(chǎn)生；當(dāng)切削深度達(dá)到一定值，磨粒與工件之間的作用力超過材料的彈性極限時，工件材料發(fā)生塑性流動而堆積在磨粒兩側(cè)和磨削刃前刀面而隆起；當(dāng)磨削深度繼續(xù)增大，磨粒與工件之間的作用力超過材料的斷裂強(qiáng)度時，材料在磨粒的作用下從工件表面撕裂下來形成磨屑。

如上所述，劃擦和耕犁階段不僅不利于材料的加工，而且損害磨削加工表面質(zhì)量和加工效率。因此，研究鎳基高溫合金宏觀磨削去除機(jī)理，確定其劃擦—耕犁—磨屑形成三個階段的轉(zhuǎn)變因素，對深入了解鎳基高溫合金磨削去除機(jī)理、控制材料發(fā)生劃擦和耕犁的時間、提高磨削加工效率具有重要意義[3]。鎳基高溫合金的宏觀磨削去除機(jī)理研究方法主要有單顆磨粒試驗法[14?16]、單顆磨粒有限元仿真分析法[17?18]、磨削表面形貌分析法[19]。單顆磨粒試驗法將復(fù)雜的磨削過程簡化為單顆磨粒磨削過程，主要通過觀測磨痕形貌、磨屑形態(tài)、磨削力等磨削特征信息來探索磨削加工階段的轉(zhuǎn)變。相較于單顆磨粒試驗法，單顆磨粒有限元仿真分析法能更有效地獲得并分析磨削過程中磨屑的形成過程（即劃擦—耕犁—磨屑形成）、磨屑形態(tài)（鋸齒形、帶狀）以及其形成過程中的應(yīng)變、應(yīng)變率、溫度等特征信息，磨削表面形貌是數(shù)以萬計的微小磨粒之間相互協(xié)同作用對材料進(jìn)行磨削加工的結(jié)果。由于砂輪上的磨粒并非是均勻分布的，其形狀、尺寸、突出高度是隨機(jī)的，因此磨削表面形貌能夠表現(xiàn)出不同的磨削特征。對比不同磨削用量下的磨削表面形貌，有助于更進(jìn)一步了解不同磨削用量下的磨削去除機(jī)理。

2.2微觀磨削去除機(jī)理

微觀磨削去除機(jī)理主要研究材料微觀粒子在復(fù)雜應(yīng)力作用下發(fā)生的位錯滑移。傳統(tǒng)的微觀磨削去除機(jī)理認(rèn)為，材料在復(fù)雜應(yīng)力的作用下發(fā)生塑性變形，大量位錯沿晶界發(fā)生滑移而形成磨屑。塑性變形不僅受晶粒取向和密度的影響，還受晶界的影響。鎳基單晶高溫合金沒有晶界，是典型的各向異性材料[20]，沿不同的晶面和晶向磨削時會表現(xiàn)出不同性質(zhì)，導(dǎo)致單晶材料和多晶材料的磨削在微觀層次上有較大差異。

受試驗設(shè)備和試驗條件的限制，通過現(xiàn)有的納米制造工藝很難研究鎳基高溫合金的微觀去除機(jī)理。因此，以分子運動為主要研究對象的分子動力學(xué)方法成為鎳基高溫合金微觀去除機(jī)理的主要研究方法[21?23]。然而，查閱國內(nèi)外公開發(fā)表的文獻(xiàn)可知，鎳基高溫合金磨削去除機(jī)理以及磨屑形成過程方面的分子動力學(xué)研究較為缺乏，其研究內(nèi)容主要集中在鎳基高溫合金在外力作用下的位錯滑移機(jī)制。

2.2.1鎳基單晶高溫合金的塑性變形機(jī)理

鎳基單晶高溫合金的塑性變形主要通過晶內(nèi)滑移的方式進(jìn)行，當(dāng)應(yīng)力超過其彈性極限時，晶體中便會產(chǎn)生層與層之間的相對滑動，導(dǎo)致位錯沿著一定的滑移面和滑移方向運動。由于原子密度最大的晶面擁有最大的晶面間距，其派?納（P?N）力最小，所以滑移面和滑移方向主要是原子排列密度最大的晶面和晶向[24]。鎳基單晶高溫合金屬為面心立方結(jié)構(gòu)，共有12個滑移系，其滑移面是｛111｝晶面，滑移方向是[110]晶向，其塑性斷裂主要發(fā)生在｛111｝晶面[25]。

2.2.2鎳基多晶高溫合金的塑性變形機(jī)理

在常溫下，鎳基多晶高溫合金中單個晶粒的變形方式與鎳基單晶高溫合金相同。但是，由于晶界的存在以及各個晶粒的取向不同，鎳基多晶高溫合金的塑性變形變得極為復(fù)雜。當(dāng)其受到外力時，由于晶體的各向異性，作用在不同晶體取向上的應(yīng)力差異較大，受到的切應(yīng)力也不同。鎳基多晶高溫合金中各個晶粒不是同時變形的，滑移通常先發(fā)生在有利位向。每個晶粒的滑移帶都在晶界附近，滑移不能從一個晶粒沿著某一方向延續(xù)到相鄰的晶粒。鎳基多晶高溫合金中每個晶粒的變形需要相鄰晶粒的協(xié)調(diào)配合。當(dāng)受到磨削力時，大量位錯積累在晶界處，晶界發(fā)生遷移或斷裂形成磨屑[24]。

2.3磨削參數(shù)對鎳基高溫合金去除過程的影響

磨削參數(shù)主要包括磨削深度、磨削速度、進(jìn)給速度等，是影響鎳基高溫合金磨削加工過程的重要因素。就整個砂輪而言，磨削參數(shù)的改變會影響單位時間內(nèi)參與切削的磨粒數(shù)以及單顆磨粒最大未變形切削厚度agmax。具體來說，當(dāng)加快磨削速度或降低進(jìn)給速度和磨削深度時，會導(dǎo)致單位時間內(nèi)參與磨削的磨粒數(shù)增加，從而降低單顆磨粒的最大未變形切削厚度。其中，單顆磨粒的最大未變形切削厚度與磨削三階段（即劃擦—耕犁—磨屑形成）息息相關(guān)。因此，國內(nèi)外學(xué)者對該方面的研究主要集中在單顆磨粒磨削條件下的去除機(jī)理。

3、鎳基高溫合金磨削加工工藝特性研究

國內(nèi)外學(xué)者對鎳基高溫合金的磨削加工工藝過程進(jìn)行了諸多探索，主要內(nèi)容包括砂輪參數(shù)、冷卻特性、材料特性、磨削參數(shù)、機(jī)床特性和修整參數(shù)等條件對材料磨削溫度和磨削力、砂輪磨損、表面完整性的影響[3,18]，如圖4所示。

3.1磨削力及磨削溫度

磨削力及磨削溫度是磨削加工工藝的主要參數(shù)。砂輪在磨削過程中不斷被磨損，磨屑在磨粒前刀面堆積，導(dǎo)致磨削力和磨削溫度在整個磨削過程中呈增長趨勢[26]，其主要影響材料的磨削表面質(zhì)量、砂輪壽命以及磨削比能等。因此，控制磨削過程中的磨削力和磨削溫度，對提高磨削加工整體質(zhì)量具有重要的意義。

鎳基高溫合金具有低導(dǎo)熱率與熱強(qiáng)性等特點，因此在磨削鎳基高溫合金這一類難加工材料時，磨削溫度高，磨削力大，常出現(xiàn)加工表面質(zhì)量差、砂輪磨損、磨削燒傷等情況[27]。其原因主要是：在鎳基高溫合金材料中不斷加入稀土元素和合金強(qiáng)化元素，使鎳基高溫合金的物理性能不斷提高；在磨削過程中，鎳基高溫合金中的親氧元素與磨粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并黏附在砂輪上，導(dǎo)致磨削力和磨削溫度升高，表面質(zhì)量變差；在高速磨削環(huán)境下，冷卻液難以打破“氣障”層，磨削區(qū)域得不到有效的潤滑和冷卻。

目前，國內(nèi)外對磨削力和磨削溫度的研究主要集中在材料特性、冷卻條件、砂輪類型、磨削用量等方面。一般來說，提高砂輪線速度、降低磨削深度和進(jìn)給速度、采用新型冷卻技術(shù)（微量潤滑、納米流體微量潤滑等）有利于改善鎳基高溫合金的加工性能，降低磨削力與磨削溫度。針對鎳基高溫合金的冷卻，現(xiàn)常用的技術(shù)主要有微量潤滑技術(shù)[26,28]、納米微量潤滑技術(shù)[29]、低溫冷風(fēng)技術(shù)[30?31]等，這些技術(shù)能夠直接或間接地降低磨削溫度從而降低磨削過程中的磨削力[32]。需要指出的是，在相同的磨削參數(shù)下，使用不同類型的砂輪，磨削力和磨削溫度也會不同。與一般砂輪相比，使用超高硬度的砂輪（CBN砂輪）有助于獲得更低的磨削力和磨削溫度。

3.2磨屑形貌

通過磨屑的微觀形態(tài)，在一定程度上可以了解材料磨削加工的去除機(jī)理，而磨屑的形狀、大小等信息體現(xiàn)磨削加工過程中材料的塑性變形情況以及加工形式等信息。磨屑的形成標(biāo)志著磨削加工過程的實現(xiàn)，研究鎳基單晶高溫合金的磨屑形成過程，有助于更加深入地揭示鎳基單晶高溫合金的磨削加工去除機(jī)理。鎳基高溫合金磨屑形態(tài)主要有帶狀磨屑、鋸齒狀磨屑、崩碎狀磨屑、單元狀磨屑[14,17,33]。當(dāng)磨削速度為20～165m/s時，鎳基高溫合金主要發(fā)生絕熱剪切形成鋸齒形層狀磨屑[15]。鎳基高溫合金的磨屑具有兩個典型面：一是偏向于磨粒前刀面一側(cè)的接觸表面，其主要特征為表面光滑平整，流出方向與磨粒刀角基本一致；二是自由表面，其主要特征為表面呈片層節(jié)狀。程澤[14]和夏江等[17]建立鎳基多晶GH4169磨削仿真模型進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著磨削速度的增加，磨屑形狀呈連續(xù)鋸齒形到單元節(jié)鋸齒形，最后發(fā)展為不規(guī)則帶狀磨屑。夏江等[17]還發(fā)現(xiàn)，鎳基多晶GH4169的臨界成屑深度約為0.3μm，在切削厚度為0.8μm時出現(xiàn)鋸齒形磨屑；隨著單顆磨粒切削厚度的增加，切屑頻率下降，鋸齒化程度增強(qiáng)。

3.3砂輪磨損

影響砂輪使用壽命的因素有材料特性、磨粒硬度、結(jié)合劑強(qiáng)度、砂輪的修整工藝和冷卻條件等。

鎳基高溫合金強(qiáng)化工藝和金相組織的不同，會導(dǎo)致其在高溫硬度、加工硬化等方面的較大差異。因此，在磨削鎳基單晶和多晶合金材料時，砂輪會表現(xiàn)出不同的磨損特性。砂輪磨損的主要形式：磨粒磨耗磨損（磨粒發(fā)生磨損，砂輪表面光滑，磨損面積增大，導(dǎo)致磨削力和磨削熱增加）、磨粒破碎磨損、砂輪黏附堵塞（磨削加工產(chǎn)生的磨屑大量黏附在砂輪表面）。

在鎳基多晶材料（如GH4169[32,34]等）磨削加工時，容易發(fā)生黏附磨損，黏附磨損在磨粒磨損區(qū)域容易發(fā)生。因為鎳基單晶材料（如DD6[20,27]、DD98[35?36]等）與鎳基多晶材料相比具有更好的延展性，所以在磨削加工鎳單晶高溫合金時容易引起磨粒磨損脫落、砂輪黏附堵塞[27]。此外，使用不同類型的砂輪磨削鎳基高溫合金時，其砂輪磨損形式也不同。普通砂輪（如剛玉砂輪）因硬度低、材料熱軟化效應(yīng)顯著，容易導(dǎo)致黏附堵塞磨損；CBN砂輪具有超高硬度，所以容易導(dǎo)致磨粒磨損或磨粒破碎。

C.W.Dai等[37]進(jìn)一步指出，在鎳基高溫合金的磨削過程中，磨粒主要發(fā)生月牙洼磨損、磨粒破碎、后刀面磨損等情況。

4、鎳基高溫合金磨削表面完整性研究

表面完整性研究內(nèi)容主要包括表面粗糙度、表面形貌、顯微硬度、殘余應(yīng)力等。表面完整性對工件的耐磨、抗疲勞等性能具有重要影響。

4.1表面粗糙度

表面粗糙度是表面完整性研究中極為重要的一步，也是研究最為廣泛的一步。在鎳基高溫合金的磨削加工中，影響表面粗糙度的因素主要有磨削力和磨削溫度、磨削參數(shù)（刀具進(jìn)給速度、磨削深度、主軸轉(zhuǎn)速）、砂輪類型、冷卻特性以及材料特性等。其中，磨削溫度和磨削力對加工表面的粗糙度有重要影響，磨削溫度越高、磨削力越大，材料塑性就越強(qiáng)，導(dǎo)致已加工表面粗糙度增加。選用合理的磨削參數(shù)可以有效減少磨削過程中產(chǎn)生的磨削溫度和磨削力，對降低加工表面粗糙度具有重要意義。

減小磨削深度和進(jìn)給速度，增大磨削速度，采用細(xì)粒度砂輪，有助于降低鎳基高溫合金的粗糙度[33]。這些方法的本質(zhì)特征主要是降低單顆磨粒的最大切削厚度，提高切削性能，從而降低表面粗糙度。但是，Q.Liu等[38]指出，對普通砂輪磨削鎳基高溫合金，當(dāng)砂輪線速度達(dá)到一定值時，表面光潔度反而降低；當(dāng)使用普通砂輪磨削鎳基高溫合金時，若砂輪線速度大于30m/s，則砂輪會發(fā)生嚴(yán)重的黏附堵塞，工件表面光潔度降低。在低速磨削鎳基高溫合金時，使用普通砂輪能夠獲得比超高硬度砂輪更低的表面粗糙度；在高速或超高速磨削鎳基高溫合金時，得益于超高硬度磨料的優(yōu)異切削性能，CBN砂輪和金剛石砂輪更能體現(xiàn)出其優(yōu)異性。

4.2表面形貌

工件材料在磨削加工過程中經(jīng)歷劃擦、耕犁、切削三個階段，在磨粒的作用下，一部分被去除形成磨屑，一部分發(fā)生塑形流動堆積在磨粒兩側(cè)形成隆起，未被除去的磨屑在隨后的磨削中容易形成涂覆。在鎳基高溫合金的磨削過程中會產(chǎn)生大量磨削熱，使材料的熱軟化效應(yīng)突出甚至發(fā)生磨削燒傷，材料更容易發(fā)生重涂覆或者產(chǎn)生微裂紋。表面形貌主要的表現(xiàn)形式[33,39?42]有磨粒切削劃痕明顯，工件材料重疊、撕裂、隆起、脫落，產(chǎn)生微裂紋，磨屑涂覆在工件材料表面等。

磨削加工表面形貌常采用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡等進(jìn)行檢測。除此之外，磨削加工表面形貌建模也是常用來描述鎳基高溫合金磨削表面質(zhì)量的方法。但是，由于存在磨粒眾多、在砂輪上呈隨機(jī)不重合分布、切刃角度不一、形狀不同等困難，通常采用理論與實際相結(jié)合的方法來預(yù)測磨削表面形貌。W.F.Ding等[40]利用改進(jìn)的模型成功預(yù)測了CBN砂輪磨削鎳基高溫合金的表面形貌。鞏亞東等[41]基于單顆磨粒的幾何運動學(xué)及改善磨粒的建模方法，成功預(yù)測了磨削鎳基單晶DD5的表面粗糙度和表面輪廓線，預(yù)測誤差平均值為0.26μm。

4.3顯微硬度

在鎳基高溫合金的磨削加工過程中，加工表面經(jīng)過塑性變形，表面硬度增大，達(dá)到基體硬度的120%～200%。鎳基高溫合金材料硬度大，可提高零件的耐磨性，但同時也增加磨削加工的難度和磨粒的磨損。

然而，由于加工條件不同，并不是所有加工表面都會發(fā)生加工硬化現(xiàn)象。磨削表面在高溫環(huán)境下也會發(fā)生熱軟化效應(yīng)。在這種弱化、強(qiáng)化的雙重作用下，可能會造成已加工表面的硬化，也可能降低已加工表面的硬度[43]。磨削加工表面層的硬化程度取決于磨削過程中的變形強(qiáng)化和弱化的綜合作用。其中，普通砂輪因硬度低、切削能力較弱而導(dǎo)致磨削力大，磨削溫度高，使鎳基高溫合金在離亞表面一定范圍內(nèi)發(fā)生顯著的熱軟化效應(yīng)；超高硬度砂輪因硬度高、切削能力強(qiáng)等優(yōu)勢會導(dǎo)致鎳基高溫合金容易發(fā)生加工硬化現(xiàn)象。根據(jù)文獻(xiàn)[44]對亞表面變形層的分類方法，亞表面從上到下的變形依次為非晶質(zhì)層、塑性變形層和基體，其變形程度依次減小，非晶質(zhì)層塑性變形最為劇烈。

減少磨削加工過程中產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象的措施主要有選用合適的磨削參數(shù)、采用性能良好的冷卻液、采用高硬度和導(dǎo)熱系數(shù)大的磨料、降低工件進(jìn)給速度、提高砂輪轉(zhuǎn)速、降低磨削深度等[45?46]。

4.4殘余應(yīng)力

殘余應(yīng)力是磨削加工時殘存在工件已加工表面表層中的內(nèi)應(yīng)力，可分為殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力。磨削加工表面殘余應(yīng)力形成的原因主要有彈塑性變形和熱塑性變形作用。彈塑性變形常導(dǎo)致工件形成殘余壓應(yīng)力，通過調(diào)整使已加工表面具有一定的殘余壓應(yīng)力，有助于提升工件的疲勞強(qiáng)度；熱塑性變形常導(dǎo)致工件形成殘余拉應(yīng)力，降低其強(qiáng)度，使工件在制造時產(chǎn)生變形甚至開裂。研究殘余應(yīng)力的形成需要綜合考慮磨削變形區(qū)的熱?力耦合問題[47]。當(dāng)彈塑性效應(yīng)占優(yōu)勢時，在已加工表面形成殘余壓應(yīng)力；當(dāng)熱塑性變形占優(yōu)勢時，在已加工表面形成殘余拉應(yīng)力。鎳基高溫合金熱導(dǎo)率低，在磨削加工時產(chǎn)生的磨削熱聚集，因此鎳基高溫合金主要形成殘余拉應(yīng)力，磨削表面溫度越高，殘余拉應(yīng)力越大。目前，常用激光超聲波法[48]、有限元法[49]、X射線衍射原理[50]等檢測工件表面的殘余應(yīng)力。

降低鎳基高溫合金磨削加工表面殘余拉應(yīng)力的方法主要是減少磨削區(qū)表面產(chǎn)生的磨削熱，降低磨削過程中熱塑性的影響。合理減小磨削用量、選用合適的冷卻條件及砂輪類型，可以降低磨削過程中的磨削熱，從而降低表面殘余拉應(yīng)力，提高工件強(qiáng)度。此外，在磨削過程中通過加入熱源可以實現(xiàn)已加工表面殘余拉應(yīng)力向殘余壓應(yīng)力的轉(zhuǎn)變。P.Z.Wang等

[51]在磨削鎳基高溫合金GH4169的過程中加入熱源，并對其進(jìn)行了仿真，對比了有無熱源時殘余應(yīng)力的分布情況以及熱源分布、長度和高度等對殘余應(yīng)力的影響。結(jié)果表明，通過加入熱源可以使已加工表面殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力。F.Li等[52?53]根據(jù)溫度梯度調(diào)節(jié)原理建立了復(fù)合磨削工藝，將熱源嵌入到工件亞表面，通過控制合適的溫度梯度調(diào)節(jié)了鎳基高溫合金GH4169在磨削過程中的殘余應(yīng)力分布。

影響殘余應(yīng)力的因素眾多，國內(nèi)外學(xué)者主要運用有限元仿真的方法對鎳基高溫合金磨削加工表面殘余應(yīng)力開展了理論研究[54?55]。但是，通過有限元仿真僅研究了溫度對殘余應(yīng)力的影響，對影響殘余應(yīng)力的其他因素（金相組織、塑性變形等）的探索較少。

5、總結(jié)與展望

本文在概述鎳基單晶高溫合金和鎳基多晶高溫合金的發(fā)展及其材料特性的基礎(chǔ)上，總結(jié)了國內(nèi)外學(xué)者在鎳基單晶高溫合金和鎳基多晶高溫合金磨削去除機(jī)理、工藝特性、表面完整性等方面的主要研究成果。總結(jié)分析現(xiàn)有的研究成果，可以得到如下結(jié)論。

（1）磨削用量通過應(yīng)變率強(qiáng)化與熱軟化效應(yīng)之間的博弈關(guān)系，影響臨界成屑深度以及磨屑形態(tài)。鎳基高溫合金的磨屑主要為鋸齒狀或崩碎狀。

（2）與鎳基多晶高溫合金相比，鎳基單晶高溫合金具有更好的延展性，在磨削加工時容易引起磨粒磨損脫落、砂輪堵塞，而磨削鎳基多晶高溫合金則容易發(fā)生材料黏附磨損。

（3）普通砂輪（氧化鋁砂輪等）適用于鎳基高溫合金的低速磨削條件（砂輪線速度小于30m/s），而超高硬度砂輪（金剛石砂輪或CBN砂輪等）則適用于鎳基高溫合金的高速或超高速磨削條件。

隨著鎳基高溫合金耐高溫能力和抗蠕變性能的不斷提升，給其磨削加工帶來了巨大挑戰(zhàn)。近年來，鎳基高溫合金磨削加工技術(shù)已經(jīng)取得了顯著的成果，但現(xiàn)有的工藝難以完全滿足其特殊工況的要求，未來仍需在以下幾方面繼續(xù)進(jìn)行研究。

（1）晶界對磨削加工過程中塑性變形和塑性斷裂的影響可延伸至其對磨削加工工藝特性的影響，目前國內(nèi)外還缺少該方面的研究。通過納米加工技術(shù)或分子動力學(xué)模擬方法進(jìn)一步探索晶界對磨削去除過程的影響，對了解磨削微觀去除機(jī)理以及實現(xiàn)鎳基高溫合金先進(jìn)磨削制造具有重要意義。

（2）進(jìn)一步探索磨削新型微量潤滑及其增效技術(shù)、先進(jìn)磨粒磨料技術(shù)，對實現(xiàn)鎳基高溫合金先進(jìn)磨削制造同樣具有重要意義。

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