核主泵泵轴耐磨抗疲劳覆层的表面完整性调控机制研究

核主泵泵轴耐磨抗疲劳覆层具备材料、设计、制造一体化的高性能制造特征。本项目依据核主泵泵轴耐磨抗疲劳性能要求，设计几何参数和材料特性，选择代表性的高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）和超音速火焰喷涂（HVOF）涂层方法分别制备Cr涂层、Cu涂层、WC-Ni涂层等，探索了覆层加工工艺载荷的物质与能量输入条件，通过减控覆层加工工艺的几何、结构、物理、化学等多源耦合约束，构建了主动协调的材料加工工艺载荷的应力场、温度场和化学位场等（多）场环境，相应的建立內稟的材料残余应力、断裂韧性等表面完整性变化关系，利用可控的表面完整性与核主泵泵轴性能的关联模型，揭示了以表面完整性的形成机制、评价方法和调控作用为核心的核主泵泵轴覆层加工制造原理，获得泵轴加工制造所要求的耐磨抗疲劳性能，发展出适用于核主泵泵轴等重大装备关键零件功能性表面层制造技术。为提出高性能制造理论框架，以基于知识方法取代实验迭代的试错法，解决高性能制造反问题提供理论基础和技术支撑。 2100433B

核主泵泵轴耐磨抗疲劳覆层具备材料、设计、制造一体化的高性能制造特征。本项目依据核主泵泵轴耐磨抗疲劳性能要求，设计几何参数和材料特性，选择代表性的高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）和超音速火焰喷涂（HVOF）涂层方法分别制备Cr涂层和WC-Ni涂层，探索覆层加工工艺载荷的物质与能量输入条件，通过减控覆层加工工艺的几何、结构、物理、化学等多源耦合约束，构建主动协调的材料加工工艺载荷的应力场、温度场和化学位场等（多）场环境，相应的建立內稟的材料表面完整性变化关系，利用可控的表面完整性与核主泵泵轴性能的关联模型，揭示以表面完整性的形成机制、评价方法和调控作用为核心的核主泵泵轴覆层加工制造原理，获得泵轴加工制造所要求的耐磨抗疲劳性能，发展出适用于核主泵泵轴等重大装备关键零件功能性表面层制造技术。为提出高性能制造理论框架，以基于知识方法取代实验迭代的试错法，解决高性能制造反问题提供理论基础和技术支撑。

本项目从系统理论研究的角度，对于多环路压水反应堆冷却系统，提出各个环路核主泵分别在同时断电、部分断电及相继断电而惰转的过程中系统流动瞬变及核主泵惰转瞬态特性的系统模型。建立核主泵不同断电过程中系统冷却剂与主泵在惯性作用下堆芯流量衰减与系统参数、主泵参数的关系式，建立核主泵不同断电过程中惰转特性的关系式及与主泵设计参数的关系。提出核主泵启动过程中反应堆冷却系统流动瞬变及核主泵启动瞬态特性的系统模型，建立核主泵启动过程中冷却剂在惯性与离心力作用下堆芯流量瞬变与系统参数、主泵参数的关系式，建立核主泵启动瞬态特性关系式及与主泵设计参数的关系。研究核主泵的转动惯量、系统冷却剂惯性、机械损失对堆芯流量和主泵惰转转速、惯性压头、惯性流量的影响。研究主泵断电惰转和启动瞬态过程中流量、转矩、压头与瞬态转速的关系。研究核主泵的转动惯量、系统冷却剂惯性对主泵启动压头、启动转矩、启动流量和转速及堆芯流量的影响。

叶轮加工是实现核主泵国产制造里的难点之一。在核辐照、高温、高压、应力腐蚀的极端工况下，核泵叶轮需要安全、可靠地工作。 针对核主泵叶轮制造中加工工艺优化问题，课题组从加工参数的多目标优化方法研究入手，研究了球头刀五轴精铣削切屑厚度与变时滞参数建模方法、五轴铣削动力学建模与铣削表面动态仿真方法、基于变时滞特性的五轴精铣削动力学稳定性预报方法以及面向动力学稳定性的铣削工艺优化方法等内容。课题围绕球头刀自由曲面数控五轴铣削中颤振预报与切削表面质量控制，建立了复杂型面铣削的名义切屑厚度模型，获得了刀刃经过名义切屑前后表面的非均一时间间隔（即变时滞参数）；建立了具有非线性、变时滞特征的球头刀五轴精铣削动力学模型，实现了对切厚再生波纹效应的准确描述；提出了基于变时滞特征的铣削动力学稳定性判据，形成了自由曲面五轴铣削加工的无颤振工艺优化准则。 课题研究围绕核泵叶轮复杂曲面五轴铣削加工为对象，研究由复杂曲面生成高效、高精度刀具轨迹的方法。针对叶片五轴数控铣削加工中的刀具轨迹转向频繁的问题，提出了一种基于空间填充曲线法的双螺旋填充曲线。为了减少加工过程中的冲击，提出用圆角代替直角进行过渡的方法对双螺旋填充曲线进行优化。结合自由曲面的形成过程，提出将平面填充曲线通过与曲面参数相对应的方法映射到曲面上，进而生成加工刀具路径的思想并验证了该轨迹生成方法的可行性。课题还建立了包含直线加减速与正弦加减速的小线段速度运动模型，研究了基于多加工拐点速度控制的小线段高速前瞻控制方法。设计出一种新的高速数控加工小线段前瞻平滑控制迭代算法。 课题建立加工走刀轨迹与应力腐蚀裂纹之间的关联。研究了不同刀具轨迹与核主泵不锈钢叶轮表面裂纹关联关系的实验方法并分析了刀具轨迹对于叶轮表面裂纹生成的影响。采用有限云仿真与实验结合的方法对铣削过程中走刀轨迹对不锈钢材料工件表面完整性的影响进行分析。建立起三维热-力耦合立铣模型，得到不同铣削走刀轨迹条件下工件加工表面残余应力与塑性应变的分布。设计了相应的铣削加工实验，选定的走刀轨迹和切削参数与有限元仿真一致，并对实验加工得到的表面进行表面形貌、表面硬度和表面粗糙度的测量分析。 课题采用有限元软件建立了基于实际工况下核主泵叶轮流场模型，针对叶片所受压力分布、流线分布以及叶片表面在流场中交变应力作用下微裂纹生长扩展建模进行研究。为叶轮表面形貌与水力特性之间关系研究奠定基础。