核主泵泵軸耐磨抗疲勞覆層的表面完整性調(diào)控機(jī)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(shè)計(jì)、制造一體化的高性能制造特征。本項(xiàng)目依據(jù)核主泵泵軸耐磨抗疲勞性能要求，設(shè)計(jì)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(xué)等多源耦合約束，構(gòu)建了主動(dòng)協(xié)調(diào)的材料加工工藝載荷的應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和化學(xué)位場(chǎng)等（多）場(chǎng)環(huán)境，相應(yīng)的建立內(nèi)稟的材料殘余應(yīng)力、斷裂韌性等表面完整性變化關(guān)系，利用可控的表面完整性與核主泵泵軸性能的關(guān)聯(lián)模型，揭示了以表面完整性的形成機(jī)制、評(píng)價(jià)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(guān)鍵零件功能性表面層制造技術(shù)。為提出高性能制造理論框架，以基于知識(shí)方法取代實(shí)驗(yàn)迭代的試錯(cuò)法，解決高性能制造反問題提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。 2100433B

核主泵泵軸耐磨抗疲勞覆層具備材料、設(shè)計(jì)、制造一體化的高性能制造特征。本項(xiàng)目依據(jù)核主泵泵軸耐磨抗疲勞性能要求，設(shè)計(jì)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(xué)等多源耦合約束，構(gòu)建主動(dòng)協(xié)調(diào)的材料加工工藝載荷的應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和化學(xué)位場(chǎng)等（多）場(chǎng)環(huán)境，相應(yīng)的建立內(nèi)稟的材料表面完整性變化關(guān)系，利用可控的表面完整性與核主泵泵軸性能的關(guān)聯(lián)模型，揭示以表面完整性的形成機(jī)制、評(píng)價(jià)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(guān)鍵零件功能性表面層制造技術(shù)。為提出高性能制造理論框架，以基于知識(shí)方法取代實(shí)驗(yàn)迭代的試錯(cuò)法，解決高性能制造反問題提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

本項(xiàng)目從系統(tǒng)理論研究的角度，對(duì)于多環(huán)路壓水反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)，提出各個(gè)環(huán)路核主泵分別在同時(shí)斷電、部分?jǐn)嚯娂跋嗬^斷電而惰轉(zhuǎn)的過程中系統(tǒng)流動(dòng)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(guān)系式，建立核主泵不同斷電過程中惰轉(zhuǎn)特性的關(guān)系式及與主泵設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)系。提出核主泵啟動(dòng)過程中反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)流動(dòng)瞬變及核主泵啟動(dòng)瞬態(tài)特性的系統(tǒng)模型，建立核主泵啟動(dòng)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(guān)系式，建立核主泵啟動(dòng)瞬態(tài)特性關(guān)系式及與主泵設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)系。研究核主泵的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、系統(tǒng)冷卻劑慣性、機(jī)械損失對(duì)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(dòng)瞬態(tài)過程中流量、轉(zhuǎn)矩、壓頭與瞬態(tài)轉(zhuǎn)速的關(guān)系。研究核主泵的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、系統(tǒng)冷卻劑慣性對(duì)主泵啟動(dòng)壓頭、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、啟動(dòng)流量和轉(zhuǎn)速及堆芯流量的影響。

葉輪加工是實(shí)現(xiàn)核主泵國產(chǎn)制造里的難點(diǎn)之一。在核輻照、高溫、高壓、應(yīng)力腐蝕的極端工況下，核泵葉輪需要安全、可靠地工作。 針對(duì)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(biāo)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(shí)滯參數(shù)建模方法、五軸銑削動(dòng)力學(xué)建模與銑削表面動(dòng)態(tài)仿真方法、基于變時(shí)滯特性的五軸精銑削動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性預(yù)報(bào)方法以及面向動(dòng)力學(xué)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(yù)報(bào)與切削表面質(zhì)量控制，建立了復(fù)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(shí)間間隔（即變時(shí)滯參數(shù)）；建立了具有非線性、變時(shí)滯特征的球頭刀五軸精銑削動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)切厚再生波紋效應(yīng)的準(zhǔn)確描述；提出了基于變時(shí)滯特征的銑削動(dòng)力學(xué)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(zhǔn)則。 課題研究圍繞核泵葉輪復(fù)雜曲面五軸銑削加工為對(duì)象，研究由復(fù)雜曲面生成高效、高精度刀具軌跡的方法。針對(duì)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(jìn)行過渡的方法對(duì)雙螺旋填充曲線進(jìn)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(duì)應(yīng)的方法映射到曲面上，進(jìn)而生成加工刀具路徑的思想并驗(yàn)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(yùn)動(dòng)模型，研究了基于多加工拐點(diǎn)速度控制的小線段高速前瞻控制方法。設(shè)計(jì)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(yīng)力腐蝕裂紋之間的關(guān)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(guān)聯(lián)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)方法并分析了刀具軌跡對(duì)于葉輪表面裂紋生成的影響。采用有限云仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法對(duì)銑削過程中走刀軌跡對(duì)不銹鋼材料工件表面完整性的影響進(jìn)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(yīng)力與塑性應(yīng)變的分布。設(shè)計(jì)了相應(yīng)的銑削加工實(shí)驗(yàn)，選定的走刀軌跡和切削參數(shù)與有限元仿真一致，并對(duì)實(shí)驗(yàn)加工得到的表面進(jìn)行表面形貌、表面硬度和表面粗糙度的測(cè)量分析。 課題采用有限元軟件建立了基于實(shí)際工況下核主泵葉輪流場(chǎng)模型，針對(duì)葉片所受壓力分布、流線分布以及葉片表面在流場(chǎng)中交變應(yīng)力作用下微裂紋生長擴(kuò)展建模進(jìn)行研究。為葉輪表面形貌與水力特性之間關(guān)系研究奠定基礎(chǔ)。