答辩博士：苗情
指导教师：丁文锋 教授
论文题目：微晶刚玉砂轮缓进深切磨削镍基单晶合金涡轮叶片榫齿研究
答辩委员会：
主席：孙方宏 教授 上海交通大学
委员：谭业发 教授 陆军工程大学
徐九华 教授 南京航空航天大学
傅玉灿 教授 南京航空航天大学
曲宁松 教授 南京航空航天大学
李 亮 教授 南京航空航天大学
丁文锋 教授 南京航空航天大学
秘书： 张全利 讲师 南京航空航天大学
时间：2020年3月22日10：00
地点：腾讯会议
学位论文简介：
镍基单晶合金是高推比航空发动机涡轮叶片的核心材料，其优异的高温综合性能主要取决于叶片整体由单个晶粒长成，由此消除了多晶体结构的晶界缺陷。榫齿是涡轮叶片的关键组成，其加工质量优劣直接影响叶片的服役能力；同时，其加工效率高低对于航空发动机的制造进度也具有重要影响。目前，具有复杂型面结构的镍基单晶合金叶片榫齿高性能精密制造主要依靠磨削加工完成，但也面临巨大的挑战：由于对镍基单晶合金磨削加工性认识不足，且使用的普通刚玉磨料砂轮存在易磨损、磨削质量一致性差等问题，导致磨削效率偏低；成形磨削温度场分布规律不清晰，导致磨削烧伤控制难；叶片榫齿磨削表层微纳结构研究匮乏，导致单晶合金高性能加工受限。有鉴于此，本文围绕制约镍基单晶叶片榫齿高质高效加工的磨削效率偏低、烧伤问题突出以及磨削表层微纳结构研究不足三个关键因素，通过工艺试验、模拟仿真与应用验证，提出了采用新型微晶刚玉砂轮缓进深切成形磨削镍基单晶合金涡轮叶片榫齿的创新思路，突破了现有镍基单晶叶片榫齿加工技术瓶颈，主要工作内容及研究成果如下：
论文完成的主要工作及取得的成果如下：
（1）开展了两种砂轮（新型微晶刚玉砂轮和普通棕刚玉砂轮）缓进深切磨削三种镍基合金材料（变形合金GH4169、定向凝固合金DZ408和单晶合金DD6）的试验研究，通过对比分析磨削力、磨削温度、表面形貌、砂轮磨损等参量，综合评价了镍基单晶合金的磨削加工性、以及新型微晶刚玉砂轮的性能优势，同时发现砂轮堵塞严重与磨损剧烈是镍基单晶合金磨削加工困难的重要表现。
（2）建立了热-力-结构耦合的镍基单晶合金涡轮叶片榫齿磨削三维温度场仿真模型，探明了叶片榫齿磨削过程的三维温度分布特征，揭示了叶片榫齿成形磨削过程温度极值区域随榫齿型面轮廓的变化规律。结合仿真与实验，发现榫齿齿顶区域比齿根区域更容易发生磨削烧伤。
（3）表征了镍基单晶合金涡轮叶片榫齿磨削表层微纳结构，揭示了梯度微纳结构的演变规律，阐明了单晶合金表层显微结构经亚微晶向纳米晶转变的过程与机制。采用纳米压痕法研究了磨削表层梯度微纳结构的力学性能，发现磨削加工诱导的单晶合金位错行为是梯度微纳结构和力学性能变化的主导因素。
（4）研究了微晶刚玉砂轮缓进深切成形磨削镍基单晶合金叶片榫齿过程的砂轮磨损与表面完整性，建立了成形砂轮磨损预测的数学模型，与实验结果相符。在此基础上，优选了叶片榫齿从毛坯到成品的缓进深切成形磨削工艺参数组合，完成了在新型涡轴航空发动机镍基单晶合金DD6涡轮叶片榫齿加工中的应用验证，实现了高质高效制造。
主要创新点如下：
（1）阐明了镍基单晶合金的磨削难点主要表现是砂轮堵塞严重和磨损剧烈，确证了微晶刚玉砂轮籍高强度、硬度提升形状保持能力和微破碎行为提升自锐效应在磨削中的性能优势。
（2）建立了基于磨削热-力-结构耦合的镍基单晶叶片榫齿磨削三维温度场仿真模型，阐明了磨削温度三维分布特征，揭示了温度极值区域变化规律，为提高磨削烧伤控制能力提供支持。
（3）表征了单晶合金磨削表层微纳结构及力学性能，阐明了梯度微纳结构演变规律，发现了位错行为是结构演化和室温蠕变的主导因素，为实现单晶合金高品质加工提供依据。
（4）探明了微晶刚玉砂轮成形磨削单晶合金叶片榫齿的磨损行为及特征，基于以上研究结果，优选了磨削工艺参数组合，材料去除率达12 mm3/(mm·s)，加工效率比现有工艺提高56%。
