核主泵泵軸耐磨抗疲勞覆層的表面完整性調(diào)控機制研究結(jié)題摘要

核主泵泵軸耐磨抗疲勞覆層具備材料、設計、制造一體化的高性能制造特征。本項目依據(jù)核主泵泵軸耐磨抗疲勞性能要求，設計幾何參數(shù)和材料特性，選擇代表性的高功率脈沖磁控濺射（HiPIMS）和超音速火焰噴涂（HVOF）涂層方法分別制備Cr涂層、Cu涂層、WC-Ni涂層等，探索了覆層加工工藝載荷的物質(zhì)與能量輸入條件，通過減控覆層加工工藝的幾何、結(jié)構(gòu)、物理、化學等多源耦合約束，構(gòu)建了主動協(xié)調(diào)的材料加工工藝載荷的應力場、溫度場和化學位場等（多）場環(huán)境，相應的建立內(nèi)稟的材料殘余應力、斷裂韌性等表面完整性變化關系，利用可控的表面完整性與核主泵泵軸性能的關聯(lián)模型，揭示了以表面完整性的形成機制、評價方法和調(diào)控作用為核心的核主泵泵軸覆層加工制造原理，獲得泵軸加工制造所要求的耐磨抗疲勞性能，發(fā)展出適用于核主泵泵軸等重大裝備關鍵零件功能性表面層制造技術。為提出高性能制造理論框架，以基于知識方法取代實驗迭代的試錯法，解決高性能制造反問題提供理論基礎和技術支撐。 2100433B

核主泵泵軸耐磨抗疲勞覆層具備材料、設計、制造一體化的高性能制造特征。本項目依據(jù)核主泵泵軸耐磨抗疲勞性能要求，設計幾何參數(shù)和材料特性，選擇代表性的高功率脈沖磁控濺射（HiPIMS）和超音速火焰噴涂（HVOF）涂層方法分別制備Cr涂層和WC-Ni涂層，探索覆層加工工藝載荷的物質(zhì)與能量輸入條件，通過減控覆層加工工藝的幾何、結(jié)構(gòu)、物理、化學等多源耦合約束，構(gòu)建主動協(xié)調(diào)的材料加工工藝載荷的應力場、溫度場和化學位場等（多）場環(huán)境，相應的建立內(nèi)稟的材料表面完整性變化關系，利用可控的表面完整性與核主泵泵軸性能的關聯(lián)模型，揭示以表面完整性的形成機制、評價方法和調(diào)控作用為核心的核主泵泵軸覆層加工制造原理，獲得泵軸加工制造所要求的耐磨抗疲勞性能，發(fā)展出適用于核主泵泵軸等重大裝備關鍵零件功能性表面層制造技術。為提出高性能制造理論框架，以基于知識方法取代實驗迭代的試錯法，解決高性能制造反問題提供理論基礎和技術支撐。

本項目從系統(tǒng)理論研究的角度，對于多環(huán)路壓水反應堆冷卻系統(tǒng)，提出各個環(huán)路核主泵分別在同時斷電、部分斷電及相繼斷電而惰轉(zhuǎn)的過程中系統(tǒng)流動瞬變及核主泵惰轉(zhuǎn)瞬態(tài)特性的系統(tǒng)模型。建立核主泵不同斷電過程中系統(tǒng)冷卻劑與主泵在慣性作用下堆芯流量衰減與系統(tǒng)參數(shù)、主泵參數(shù)的關系式，建立核主泵不同斷電過程中惰轉(zhuǎn)特性的關系式及與主泵設計參數(shù)的關系。提出核主泵啟動過程中反應堆冷卻系統(tǒng)流動瞬變及核主泵啟動瞬態(tài)特性的系統(tǒng)模型，建立核主泵啟動過程中冷卻劑在慣性與離心力作用下堆芯流量瞬變與系統(tǒng)參數(shù)、主泵參數(shù)的關系式，建立核主泵啟動瞬態(tài)特性關系式及與主泵設計參數(shù)的關系。研究核主泵的轉(zhuǎn)動慣量、系統(tǒng)冷卻劑慣性、機械損失對堆芯流量和主泵惰轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、慣性壓頭、慣性流量的影響。研究主泵斷電惰轉(zhuǎn)和啟動瞬態(tài)過程中流量、轉(zhuǎn)矩、壓頭與瞬態(tài)轉(zhuǎn)速的關系。研究核主泵的轉(zhuǎn)動慣量、系統(tǒng)冷卻劑慣性對主泵啟動壓頭、啟動轉(zhuǎn)矩、啟動流量和轉(zhuǎn)速及堆芯流量的影響。

葉輪加工是實現(xiàn)核主泵國產(chǎn)制造里的難點之一。在核輻照、高溫、高壓、應力腐蝕的極端工況下，核泵葉輪需要安全、可靠地工作。 針對核主泵葉輪制造中加工工藝優(yōu)化問題，課題組從加工參數(shù)的多目標優(yōu)化方法研究入手，研究了球頭刀五軸精銑削切屑厚度與變時滯參數(shù)建模方法、五軸銑削動力學建模與銑削表面動態(tài)仿真方法、基于變時滯特性的五軸精銑削動力學穩(wěn)定性預報方法以及面向動力學穩(wěn)定性的銑削工藝優(yōu)化方法等內(nèi)容。課題圍繞球頭刀自由曲面數(shù)控五軸銑削中顫振預報與切削表面質(zhì)量控制，建立了復雜型面銑削的名義切屑厚度模型，獲得了刀刃經(jīng)過名義切屑前后表面的非均一時間間隔（即變時滯參數(shù)）；建立了具有非線性、變時滯特征的球頭刀五軸精銑削動力學模型，實現(xiàn)了對切厚再生波紋效應的準確描述；提出了基于變時滯特征的銑削動力學穩(wěn)定性判據(jù)，形成了自由曲面五軸銑削加工的無顫振工藝優(yōu)化準則。 課題研究圍繞核泵葉輪復雜曲面五軸銑削加工為對象，研究由復雜曲面生成高效、高精度刀具軌跡的方法。針對葉片五軸數(shù)控銑削加工中的刀具軌跡轉(zhuǎn)向頻繁的問題，提出了一種基于空間填充曲線法的雙螺旋填充曲線。為了減少加工過程中的沖擊，提出用圓角代替直角進行過渡的方法對雙螺旋填充曲線進行優(yōu)化。結(jié)合自由曲面的形成過程，提出將平面填充曲線通過與曲面參數(shù)相對應的方法映射到曲面上，進而生成加工刀具路徑的思想并驗證了該軌跡生成方法的可行性。課題還建立了包含直線加減速與正弦加減速的小線段速度運動模型，研究了基于多加工拐點速度控制的小線段高速前瞻控制方法。設計出一種新的高速數(shù)控加工小線段前瞻平滑控制迭代算法。 課題建立加工走刀軌跡與應力腐蝕裂紋之間的關聯(lián)。研究了不同刀具軌跡與核主泵不銹鋼葉輪表面裂紋關聯(lián)關系的實驗方法并分析了刀具軌跡對于葉輪表面裂紋生成的影響。采用有限云仿真與實驗結(jié)合的方法對銑削過程中走刀軌跡對不銹鋼材料工件表面完整性的影響進行分析。建立起三維熱-力耦合立銑模型，得到不同銑削走刀軌跡條件下工件加工表面殘余應力與塑性應變的分布。設計了相應的銑削加工實驗，選定的走刀軌跡和切削參數(shù)與有限元仿真一致，并對實驗加工得到的表面進行表面形貌、表面硬度和表面粗糙度的測量分析。 課題采用有限元軟件建立了基于實際工況下核主泵葉輪流場模型，針對葉片所受壓力分布、流線分布以及葉片表面在流場中交變應力作用下微裂紋生長擴展建模進行研究。為葉輪表面形貌與水力特性之間關系研究奠定基礎。