1、第 14 卷 第 1 期2023 年 2 月Vol.14 No.1Feb.2023航空工程进展ADVANCES IN AERONAUTICAL SCIENCE AND ENGINEERINGDD9镍基单晶高温合金磨削表面质量实验研究靳淇超1，刘红军2，张世贵3，蒋睿嵩4（1.长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室，西安 710064）（2.机械工业信息研究院 业务处，北京 100037）（3.中国航发成都发动机有限公司 机匣厂，成都 610503）（4.四川大学 机械工程学院，成都 610065）摘要：涡轮叶片榫齿常采用磨削加工，磨削工艺参数决定了其加工表面的质量和疲劳性能。基于正交试验
2、研究磨削参数对第三代镍基单晶高温合金 DD9磨削表面粗糙度及硬度的影响规律和机理。结果表明：磨削表面粗糙度受砂轮线速度 vs的影响最大，工件进给速度 vw对其的影响次之，而受磨削深度 ap的影响最小；磨削表面出现加工硬化，加工硬化程度在 1.9%13.8%之间，亚表面硬化层深度在 60120 m 之间；为获得粗糙度小、纹理均匀、硬化程度小的 DD9 高温合金磨削表面，精加工推荐的磨削参数为 vs 20 m/s，25 m/s，vw 12 m/min，16 m/mim，ap 10 m，15 m。关键词：DD9；磨削；表面粗糙度；表面硬度；微观形貌中图分类号：V263.1+1；TG580.6 文献标
3、识码：ADOI:10.16615/ki.1674-8190.2023.01.08Experimental study on grinding surface quality of DD9 nickel-based single crystal super-alloyJIN Qichao1，LIU Hongjun2，ZHANG Shigui3，JIANG Ruisong4（1.Key Laboratory of Road Construction Technology and Equipment of MOE，Chang an University，Xi an 710064，China）（2.B
4、usiness Department，China Machinery Industry Information Institute，Beijing 100037，China）（3.Casing Factory，AECC Chengdu Engine Co.，Ltd.，Chengdu 610503，China）（4.School of Mechanical Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China）Abstract：Turbine blade root are commonly processed by grinding，and th
5、e grinding process parameters determine the surface quality and fatigue performance.The effect and mechanism of grinding parameters are investigated on the surface roughness and hardness of third generation nickel-based single crystal super-alloy DD9 based on orthogonal experiment.The experimental r
6、esults show that grinding surface roughness is mostly affected by the wheel speed vs，followed by the workpiece feed vw，the grinding depth ap is few effects on the grinding surface roughness.The machining hardening is appeared at the grinding surface for grinding DD9，the hardening degree is ranged fr
7、om 1.9%to 13.8%，and the depths of hardening layer are between 60 and 120 m.In order to obtain a surface with small surface roughness，uniform texture and small degree of hardening in grinding DD9 super-alloy，a grinding parameter scope is recommended as，vs 20 m/s，25 m/s，vw 12 m/min，16 m/mim，ap 10 m，15
8、 m.Key words：DD9；grinding；surface roughness；surface hardness；microtopography文章编号：1674-8190（2023）01-073-08收稿日期：20220224；修回日期：20220526基金项目：国家科技重大专项(2017-0001-0070);陕西省自然科学基金青年项目(2021JQ-284);四川省科技计划项目(2021ZHCG0009)通信作者：蒋睿嵩,引用格式：靳淇超,刘红军,张世贵,等.DD9镍基单晶高温合金磨削表面质量实验研究J.航空工程进展,2023,14(1):73-80,150.JIN Qichao
9、,LIU Hongjun,ZHANG Shigui,et al.Experimental study on grinding surface quality of DD9 nickel-based single crystal super-alloyJ.Advances in Aeronautical Science and Engineering,2023,14(1):73-80,150.(in Chinese)第 14 卷航空工程进展0引 言DD9合金是我国自主研发的第三代镍基单晶高温合金，具有优异的高温综合性能，被广泛应用于航空发动机高压涡轮叶片的生产1-3。单晶高温合金涡轮叶片主要采用
10、熔模精密铸造工艺，基本可以实现叶片型面的无余量精密铸造成型，然而榫齿和缘板作为涡轮叶片与涡轮盘的安装定位结构，其预留余量需要机械加工，且对加工表面质量要求很高。磨削作为一种精密加工方式，可获得较高的表面质量和加工精度，常被用于航空航天高温合金材料的精密机械加工4-6。镍基高温合金作为一种典型的高强度、高韧性难加工材料，加工过程中易出现磨削温度高、砂轮磨损大等问题，导致磨削表面质量差，甚至发生烧伤，严重影响工件的机械性能和疲劳强度7-8。因此，有必要研究DD9单晶高温合金的磨削工艺性能和高质量磨削加工工艺。国内外已针对镍基高温合金磨削机理与规律开展了广泛研究。张达9开展了二代镍基单晶高温合金 D
11、D5 磨削性能研究，分析了各向异性对粗糙度、磨削力和表面变质层的影响规律，并比较了不同磨削润滑方式下磨削力、磨削温度、磨削表面质量；冯耀利10研究了磨削参数、磨削方式对 DD5磨削力、表面质量、再结晶等方面的影响规律，并获得了最优工艺参数；靳淇超等11研究了 DD5 缓进磨削表面完整性形成机理，得到了工艺参数对表面完整性的影响规律，分析其形成机理，并通过工艺参数优化提出了 DD5缓进磨削不同工况下的工艺参数；张帅奇等12基于实验研究了蠕动磨削工艺参数对 DD5单晶高温合金磨削力和温度的影响规律，表明较小的磨削深度可避免磨削表面出现热力耦合影响层；Yao C F 等13研究了磨削参数对镍基高温合
12、金 Inconel 718 磨削表面形貌、粗糙度的影响规律及亚表面组织、显微硬度分布和残余应力的分布情况，结果表明，相同工艺参数下，采用 SA 砂轮可以获得更好的表面，且磨削深度对Inconel 718表面加工质量影响较大；杨忠学等14对定向合金 IC10缓进给磨削表面完整性进行了实验研究，结果表明，IC10 合金加工硬化现象较为突出，且磨削参数对硬度影响大小依次是磨削深度、砂轮线速度和工件进给速度，并指出磨削产生的白层和塑性变形是导致加工硬化的重要原因；Miao Q 等15对比了四种镍基高温合金（变形高温合金 GH4169、等轴高温合金 K403、定向高温合金DZ408 和单晶高温合金 DD
13、6）的磨削性能和磨削表 面 完 整 性 特 征，发 现 四 种 材 料 按 照 DD6、GH4169、K403和 DZ408的顺序磨削力增加而磨削比减小，GH4169、K403 和 DZ408 磨削中会导致砂轮磨损剧烈，而 DD6磨削砂轮容易出现堵塞现象，四种材料磨削表面都会出现不同程度的热软化现象，磨削表面存在磨削痕迹、孔洞和表层材料撕裂和搭接，在亚表面存在微裂纹和严重的塑性变形；蔡明等16通过极差法和方差法分析了 CBN 砂轮磨削 DD5 合金工艺参数对表面质量的影响规律，发现砂轮线速度对表面粗糙度 Ra影响最大，磨削深度对 Ra影响最小，通过分析亚表面的微观组织变化，解释了镍基单晶合金磨
14、削加工硬化的机理；孙杨等17研究了镍基单晶高温合金 DD98 材料的微磨削表面粗糙度和磨削力，在设定的工艺参数范围内，影响表面粗糙度的主要因素为磨削深度，其次为主轴转速，并提供了 DD98微磨削最优参数组合。由于单晶不同于多晶材料，具有明显各向异性，残余应力研究主要通过有限元方法，采用无损检测技术仍有较大困难18-19。单晶高温合金材料强 度 高、耐 高 温，磨 削 亚 表 面 塑 性 变 形 难 以 观察20，在强力磨削工况下观察小于 3 m 的亚微晶结构，当磨削力较小时磨削亚表面组织形态变化更小，且疲劳寿命对亚表面组织的敏感程度远小于对粗糙度的敏感性21。综上所述，现阶段对于镍基高温合金磨
15、削表面质量评价与控制的研究主要针对多晶高温合金及二代单晶，关于三代单晶磨削工艺的研究尚未见报道。为此，本文针对第三代单晶高温合金DD9 磨削表面粗糙度、表面形貌及表层硬度的影响规律等方面展开研究，获得 DD9 单晶合金优化的磨削工艺参数。1实验设计与实施1.1实验设计为研究第三代单晶高温合金 DD9磨削工艺对表面质量的影响规律，开展磨削实验，磨削实验设计示意如图 1 所示。以磨削砂轮速度、工件进给、磨削深度为工艺因子设计正交试验，详细磨削工艺参数规划如表 1 所示。通过测试试件磨削表面74第 1 期靳淇超等：DD9镍基单晶高温合金磨削表面质量实验研究粗糙度、表面形貌、表层硬度研究工艺参数对磨削
16、表面质量的影响规律。1.2实验材料与试样实验选取第三代单晶高温合金 DD9，其化学成分如表 2 所示。采用定向凝固技术获得 DD9 单晶铸件，并进行标准固溶处理1。DD9合金固溶处理前后金相组织如图 2所示。合金热处理前 相与/共晶组织共存，通过固溶热处理快速冷却和两级时效，获得立方化程度高的 相组织22。DD9 镍基单晶高温合金试样如图 3 所示。热处理后的 DD9 合金坯锭如图 3（a）所示；为方便实验过程中试件装夹与定位，采用磨削方法加工沿001 方向的四个面，再通过线切割获取磨削试样，如图 3（b）所示。1.3实验实施方案磨削实验在 MM7120A 平面磨床上进行，采用80#单晶刚玉（SA）砂轮，乳化液冷却，实验设备及砂轮如图 4所示。表面粗糙度测量采用 TR240表面粗糙度测试仪，设置取样长度 0.5 mm，评定长度 2.5 mm。为了获得准确的表面粗糙度值，分别沿磨削方向和（a）DD9铸态组织（b）DD9热处理态组织图 2 DD9合金热处理前后微观组织Fig.2Microstructure of DD9 alloy before and after heat treatme
