极端制造 | 攻克挑战：航空发动机高强韧合金材料切削加工技术的新进展|刀具|发动机|合金|材料|极端制造|高强

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作者

赵彪1、王禹封1、彭建昊1、王欣1、丁文锋1,*、雷小飞1、吴帮福1、章敏秀1、徐九华1、章亮炽2、Raj Das3

*为通讯作者

机构

1. 南京航空航天大学

2. 南方科技大学

3. 墨尔本皇家理工大学

Citation

Zhao B, Wang Y F, Peng J H, Wang X, Ding W F, Lei X F, Wu B F, Zhang X M, Xu J H, Zhang L Z, Raj Das. Overcoming challenges: advancements in cutting techniques for high strength-toughness alloys in aero-engines. Int. J. Extrem. Manuf. 2024.6062007.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad8117

撰稿 | 文章作者

文章导读

航空发动机是航空飞行器的心脏，先进的高强韧合金材料（钛合金、镍基高温合金、金属间化合物和超高强度钢等）是保证其服役性能的关键。由于其卓越的力学性能和耐热特性，在极端飞行条件下，这些材料表现出了极强的稳定性，但同时也对制造技术提出了非常严苛的要求，尤其是在叶片/叶盘/轴/齿轮等关键部件的制造过程中。切削加工是航空发动机零部件成形的关键技术手段。

然而，高韧性合金材料的加工具有高切削力和温度等特点，导致刀具磨损增快、加工效率降低，并且严重影响加工精度与表面完整性，进而对服役性能产生负面影响。为了克服上述挑战，人们对高强韧难加工合金材料及其构件的切削加工难题进行了一系列先进切削加工技术研究。其中，能量辅助切削技术、刀具制备方法、形性控制以及加工过程状态智能监测为提高切削加工性和加工质量提供了有效的技术途径，进而实现了高韧性合金材料的高效高品质切削加工（图1）。

近期，南京航空航天大学机电学院的赵彪副研究员、王禹封博士生、彭建昊博士生、王欣博士生、丁文锋教授、雷小飞博士生、吴帮福博士生、章敏秀硕士生、徐九华教授，南方科技大学的章亮炽教授以及墨尔本皇家理工大学的Raj Das教授在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表《攻克挑战：航空发动机高韧性合金材料切削加工技术的新进展》的综述，全面介绍了航空发动机高强韧难加工合金材料及其构件切削加工技术的研究背景、最新进展以及未来展望。

关键词

能场辅助加工技术；刀具制备技术；形性协同控制技术；智能监控技术

亮点

系统介绍了超声、激光、电场和冷场等能场辅助机械加工工艺方法及其发展现状；
阐述了用于高强韧合金材料切削加工的刀具制备技术发展现状；
总结了航空发动机结构件切削加工形性协同控制技术发展现状；
综述了面向加工过程的智能监控技术发展历程；
展望了航空发动机高强韧合金材料先进切削技术的发展和可持续性。

图1航空发动机高韧性合金材料相关切削技术的发展趋势。

研究背景

随着现代航空发动机技术的迅猛发展，为了满足其功能优化、轻量化结构设计及高服役可靠性需求，核心部件如叶片/盘/轴/齿轮的制造材料正逐步采用极具挑战性的镍基高温合金、钛合金、金属间化合物及超高强度钢等高强韧难加工合金材料（图2）。切削技术以其卓越的加工特性已成为该类材料的核心加工工艺，高强韧合金材料的应用极大地提升了发动机性能，但也对切削工艺提出了更高要求。目前，切削加工技术研究的主要方向集中在探索工艺参数对加工精度和表面完整性的影响，并深入理解材料基本物理性能以及全面掌握切削机理，这是突破技术瓶颈之关键。

为此，本文全面综述了多种能场辅助切削技术的最新研究进展，包括超声振动辅助、激光辅助、冷场辅助、电场与磁场辅助以及化学能场辅助切削等前沿加工方法。同时，从刀具材料、粉末制备技术、烧结技术和微结构等方面深入探讨了切削刀具的设计和制造技术。重点阐述了航空发动机复杂薄壁部件切削加工精度与稳定性协同控制技术，具体策略包括变形过程控制以及表面完整性控制。此外，还深入讨论了切削过程的智能化监测技术，并介绍其实现流程。

同时，综述了刀具磨损预测、刀具寿命评估以及工件稳定性阈值在线监测的发展现状，为提升加工过程的自动化与智能化水平提供了重要参考。最后，总结了当前切削加工领域面临的挑战与未来发展趋势，并强调了跨学科合作、技术创新以及工艺优化在推动高强韧难加工合金材料及其构件加工技术进步中扮演的核心作用，为切削加工技术的发展提供了重要参考。

图2航空发动机中的高强韧合金材料及其相关部件的应用现状。

最新进展

最新研究进展主要包括能场辅助加工技术、刀具制备技术、形性协同控制技术和智能监测技术等四部分。首先，通过应用能场辅助加工技术改变材料加工区域的物理和化学状态，从而改善高强韧难加工合金材料及其构件的可加工性。其次，通过刀具制备技术提升切削工具性能，以满足高强韧合金材料的切削加工需求。随后，通过对工艺参数和材料组织结构性能精准控制，实现对加工精度和表面完整性的优化与控制。最后，通过集成传感器、信号处理和人工智能等智能监测技术，实现对加工状态的在线监测和反馈控制。

能场辅助加工技术是一种先进的制造工艺，通过应用多种能量场（如超声振动、激光、电能、冷场等）以及其他能场辅助切削方法来显著提升材料的加工性能与效率。该技术核心在于精确调控并施加外部能量场，以非接触或辅助接触方式实现（图3）。研究表明，在钛合金超声振动辅助加工过程中，切削力降低了40%，切削温度下降了48%，同时表面残余压应力提高了50%；而在镍基高温合金激光辅助加工中，显微硬度提高了15%；此外，在钛合金电场辅助加工中，表面粗糙度降低了250%。综上所述，能场辅助加工技术展现出巨大的潜力与优势，可在降低加工难度、提升加工精度以及改善工件性能等方面发挥重要作用，并为高强韧难加工合金材料及其构件的高性能切削加工提供技术支撑。

图3能场辅助加工技术：（a）超声振动辅助加工示意图；（b）激光辅助加工技术示意图；（c）电场辅助加工技术示意图；（d）冷场辅助加工示意图；（e）其他能场辅助加工技术。

刀具制备技术是实现高强韧合金高质量切削加工的关键技术之一（图4），该技术将锋利的切削角、坚韧的切削刃和高效耐热表面涂层融为一体，旨在降低切削区域温度积聚，促进热量散逸，并确保加工过程的稳定性与效率。此外，刀具材料的选择已朝着多元化与高性能化方向发展，包括硬质合金、高性能陶瓷、立方氮化硼、聚晶金刚石以及先进的涂层材料等。同时，粉末冶金技术、精密烧结工艺以及刀具结构与表面纹理的定制化设计等技术，共同推动了刀具性能的进一步提升。这些技术的应用旨在增强刀具在切削加工高强韧合金材料时的强度、耐磨性和热稳定性，确保满足高强韧难加工合金材料及其构件的高性能加工。

图4刀具制备技术：（a）纳米晶WC-Co复合材料的制备工艺；（b）单晶CBN刀具；（c）刀具微结构；（d）刀具系统化烧结方法。

形性协同控制技术旨在实现发动机在加工精度（形）与表面完整性（性）方面的优化与协同控制，以确保其在高速、高温和高压等苛刻条件下依然具备出色的服役效能与稳定性。然而，在切削加工过程中，高强韧合金材料会经历复杂的机械应力与热负荷耦合作用，严重影响加工精度和服役性能（图5）。为此，本文系统阐明了切削加工变形机理，并探讨了材料去除、残余应力释放以及热效应等因素对形状精度的影响规律。同时，介绍了加工变形控制策略，并深入分析了表面完整性的形成机理，揭示了其对提升部件整体性能的重要性，为高强韧难加工合金材料及其构件的高质量加工提供了坚实的理论基础与技术支撑。

图5加工质量及使用性能的影响因素：（a）加工精度的影响因素；（b）表面完整性对使用性能的影响。

智能监测技术在推动加工过程智能化进程中扮演着至关重要的角色。本文深入探讨了制造过程信息化背景下智能监测技术的最新进展，聚焦于在线信号监测技术的构建与应用，涵盖了从实时信号采集、信号特征的高级提取、加工状态的精准识别与预测，到基于数据驱动的智能监控策略，融合多学科知识，如信号处理、模式识别、机器学习及预测建模等，以实现对加工过程状态的全面感知与动态调控，该技术将在未来高强韧难加工合金材料及其构件的切削加工中发挥更加重要的作用。图6所为智能监测技术的开发流程。

图6加工过程智能监测技术的开发过程。

总结与展望

航空发动机高强度韧性合金材料的切削性能显著影响影响加工精度和质量。尽管研究人员在高强度韧性合金材料先进切削技术领域取得了显著突破，但仍面临基础研究深度不足以及技术成熟度有待提升的双重挑战。目前，在能场辅助切削加工技术方面，多能场作用下切削机理需要进一步明确，且缺乏稳定可靠的多能场辅助装备。在先进刀具制备技术方面，刀具材料的烧结特性、相变及微观结构与制备工艺之间的关联至关重要，且选择制备工艺时仍需考虑质量、寿命和成本等因素。在形性协同控制技术方面，多工艺组合下加工过程形性控制是一项极艰巨的挑战。在加工过程智能监控技术方面，高精度、高频率响应的传感器设备是捕捉加工过程物理量信号的基础。同时，解决高维小数据集的泛化和过拟合问题的高效处理成为智能监控技术工程应用中面临的又一难题。

在未来，高强度韧性合金材料的先进切削技术发展应与实际应用紧密结合，充分发挥其独特优势。开发具有自适应控制功能的多能场辅助切削技术，并关注优化刀具结构、提高断屑槽性能以及刀刃强化处理技术。同时，还需要研究加工精度与表面完整性在多工艺组合下的重建机制，并采用云计算架构部署加工过程智能监控技术。综上所述，高强度韧性合金材料及构件的高性能切削是一项长期而艰巨的任务，需要科研界与产业界的持续投入与深度合作，共同构建一个高效、精准且可靠的先进切削技术体系，以提升航空发动机关键构件制造水平。

作者简介

赵彪

南京航空航天大学

赵彪，南京航空航天大学机电学院副研究员，硕导，入选中国科协青年人才托举工程；获江苏省科技二等奖、中国航空学会首届优秀博士学位论文奖（材料制造组唯一）等。主要从事航空航天难加工材料高效精密加工技术研究，包括高性能工具研发与制备、高强韧难加工材料切削/磨削机理与过程优化、高效精密切削/磨削技术与理论等方面的研究。主持两机基础科学中心重点项目、国家自然科学基金集成项目子课题/青年项目、江苏省基金等科研项目10余项。以第一/通讯作者发表SCI收录论文50余篇，入选ESI高被引论文2篇、封面论文3篇；申请/授权发明专利15件，参与制定团体标准2项。担任3个行业核心期刊的青年编委。

丁文锋

南京航空航天大学

丁文锋，南京航空航天大学机电学院教授、博导、副院长，长期从事航空航天难加工材料高效精密加工技术与装备研究。主持国家自然科学基金项目、国家重点研发计划课题、两机专项课题、民机专项课题等。授权发明专利47件；一作出版英文专著2部：《Hybrid-Energy Cutting of Aerospace Alloys》和《Single-Layer Brazed Cubic Boron Nitride Abrasive Tools》；一作/通讯发表期刊论文170篇，其中：SCI收录152篇、ESI高被引论文18篇、ESI热点论文7篇。作为导师，获中国航空学会优博/优硕、中国机械工程学会上银优博、江苏省优博/优硕论文共11篇。担任4本国内外SCI/EI收录期刊栏目主编/编委。

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2024

关于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing(《极端制造》），简称IJEM，致力于发表极端制造领域相关的高质量最新研究成果。自2019年创刊至今，期刊陆续被SCIE、EI、Scopus等20余个国际数据库收录。JCR最新影响因子16.1，位列工程/制造学科领域第一。中科院分区工程技术1区。

期刊网址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

作者福利

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