鎳基高溫合金具有優(yōu)異的抗蠕變和耐腐蝕性能、能長(zhǎng)期可靠地工作、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于 航空發(fā)動(dòng)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(dòng)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(duì)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(diǎn)。

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(duì)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(shí)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(dòng)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(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的整體加工，機(jī)械加工適用于航空發(fā)動(dòng)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(shí)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(shí)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(diǎn)，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(duì)其發(fā)展趨勢(shì)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(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用材料耐溫能力的要求不斷提高，為此我國(guó)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(guó)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(guó)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(jià)格昂貴，尋求其替代品成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究 的重點(diǎn)。

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(guó) 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(shí)，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(gè)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(gè)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(shí)，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(shí)，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(gè)晶粒聚集到一起而形成的多晶聚集體，每個(gè)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(gè)晶粒的滑移方式與單 晶相同，其位錯(cuò)滑移機(jī)制需要多晶體中各個(gè)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(shí)，處于亞穩(wěn)態(tài)的γ''相會(huì) 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(shí)質(zhì)是通過砂輪上數(shù)以萬計(jì)微小磨粒之間的協(xié)同作用對(duì)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(gè)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(shí)，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(shí)，工件材料發(fā) 生塑性流動(dòng)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(shí)，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(gè)階段的轉(zhuǎn)變因素，對(duì)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(shí)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(yàn)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(yàn)法將復(fù)雜的磨削過程簡(jiǎn)化為單顆磨粒磨削過程，主要通過觀測(cè)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(yàn)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(jì)的微小磨粒之 間相互協(xié)同作用對(duì)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(duì)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(cuò)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(cuò)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(shí)會(huì)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(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)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(yùn)動(dòng)為主要研究對(duì)象的分子動(dòng)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(guó)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(dòng)力學(xué)研究 較為缺乏，其研究?jī)?nèi)容主要集中在鎳基高溫合金在外力作用下的位錯(cuò)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(shí)，晶體中便會(huì)產(chǎn) 生層與層之間的相對(duì)滑動(dòng)，導(dǎo)致位錯(cuò)沿著一定的滑移面和滑移方向運(yùn)動(dòng)。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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)，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(gè)晶粒不是同 時(shí)變形的，滑移通常先發(fā)生在有利位向。每個(gè)晶粒的滑移帶都在晶界附近，滑移不能從一個(gè)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(gè)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(shí)，大 量位錯(cuò)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(duì)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(gè)砂輪而言，磨削參數(shù)的改變會(huì)影響單位時(shí)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(shí)，會(huì)導(dǎo)致單位時(shí)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(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(duì)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(gè)磨削過程中呈增長(zhǎng)趨勢(shì)[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(duì)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(diǎn)，因此在磨削鎳基高溫合金這一類難加工材料時(shí)，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(rùn)滑和冷卻。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)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(rùn)滑、納米流體微量潤(rùn) 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(duì)鎳基高溫合金的冷卻，現(xiàn)常用的 技術(shù)主要有微量潤(rùn)滑技術(shù)[26,28]、納米微量潤(rùn)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(huì)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(shí)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(shí)，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(gè)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(shí)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(huì)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(shí)，砂輪會(huì)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(shí)，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?yàn)殒嚮鶈尉Р牧希ㄈ鏒D6[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(shí)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(shí)，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?jī)?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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)，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(shí)，若砂輪線速度大于30m/s，則砂輪會(huì)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(shí)，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(shí)，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(gè)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(dòng)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(huì)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(cè)。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(shí)際相結(jié)合的方法來預(yù)測(cè)磨削表面形貌。W.F.Ding等[40] 利用改進(jìn)的模型成功預(yù)測(cè)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(yùn)動(dòng)學(xué)及改善磨粒的建模方法，成功預(yù)測(cè)了磨削鎳基單晶DD5的表面粗糙度和表面輪廓線，預(yù)測(cè) 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(shí)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(huì)發(fā)生加工硬化現(xiàn)象。磨削表面在高溫環(huán)境下也會(huì)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(huì)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(shì)會(huì)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(duì)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(shí)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(shí)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(shì)時(shí)，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(shì)時(shí)， 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(shí)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(cè)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(shí)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(duì)其進(jìn)行了仿 真，對(duì)比了有無熱源時(shí)殘余應(yīng)力的分布情況以及熱源分布、長(zhǎng)度和高度等對(duì)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(guó)內(nèi)外學(xué)者主要運(yùn)用有限元仿真的方法對(duì)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(duì)殘余應(yīng)力的影響，對(duì)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(guó)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(shí)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(duì)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(duì)磨削加工工藝特性的影響，目前 國(guó)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(dòng)力學(xué)模擬方法進(jìn)一步探索晶界對(duì)磨削去除過程的影 響，對(duì)了解磨削微觀去除機(jī)理以及實(shí)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(rùn)滑及其增效技術(shù)、先進(jìn)磨粒磨料技術(shù)，對(duì)實(shí)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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