《CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology》：Enhanced tribological behavior and fatigue life of Inconel 718 via combined nanofluid internal cooling and self-lubricating grinding
编辑推荐：
针对Inconel 718超合金磨削中存在的热机械损伤问题，提出集成三摩擦调节策略：内冷磨轮优化流道角度至15°，自润滑磨粒环结合水基BNNs/MWCNTs复合纳米流体，显著降低摩擦系数（40.6%）、表面粗糙度（37.6%）及加工硬化（11.2%），同时提升残余压应力（41.6%），使低周疲劳寿命提高127.1%至4026次循环。
彭瑞涛|陈翔|赵林峰|姚金池|黄晓芳|陈文涛
湘潭大学机械工程与力学学院，中国湘潭411105
摘要
由于固有的低导热性和高界面摩擦，如Inconel 718这样的超级合金在研磨过程中会遭受严重的热机械损伤，这严重降低了表面完整性和疲劳寿命。为了解决这个问题，提出了一种结合了内部冷却轮、自润滑磨料环和基于水基BNNs/MWCNTs复合纳米流体的综合摩擦调节策略。通过计算流体动力学（CFD）优化了流道的几何形状（喷嘴角度为15°），从而提高了冷却剂出口的峰值速度。摩擦学表征证实，与传统的冷却剂相比，纳米流体使摩擦系数降低了40.6％，而自润滑作用进一步将其降低到0.127。实验结果表明，该策略使研磨温度降低了34.3％，表面粗糙度降低了37.6％。同时，它还减少了11.2％的加工硬化，并提高了41.6％的残余压缩应力。至关重要的是，BNNs/MWCNTs纳米颗粒的“轴承状”滚动效应以及自润滑产生的连续润滑膜最小化了犁沟和粘附现象。与传统的内部冷却研磨相比，低循环疲劳寿命提高了4026次，提高了127.1％，这归因于应力集中和裂纹扩展的延迟。这种综合纳米流体内部冷却自润滑研磨（INISG）策略非常适合用于航空航天超级合金的高完整性加工，为提高部件可靠性和使用寿命提供了可持续的途径。
引言
由于其高机械强度和优异的抗氧化/抗腐蚀性能，超级合金被广泛用作航空航天、机械工程和燃气轮机行业中的关键结构材料[1]、[2]。追求精密表面加工技术以提高超级合金的加工质量和性能仍然是一个持续的挑战。作为一项重要的精密加工方法，研磨在决定关键航空发动机部件的制造质量和生产效率方面起着决定性作用[3]、[4]。先前的研究表明，如蠕动进给深度研磨等研磨工艺相比铣削和电化学加工等方法具有显著的效率和成本优势[5]。然而，超级合金的低导热性和高热强度（在高温下抵抗塑性变形和切屑形成，导致特定的研磨能量增加）[6]、[7]，使得它们难以加工。在研磨过程中，切割区域的快速热量积累通常会导致工件热损伤[8]，从而不利地影响表面完整性[9]、[10]并降低疲劳寿命[11]。此外，超级合金与磨料颗粒之间的高化学亲和力引入了严重的摩擦学问题，包括加速的轮子负载、粘着磨损和热机械裂纹扩展[12]、[13]。这种耦合的热机械效应是实现可靠和长寿命超级合金部件的主要瓶颈，突显了迫切需要创新的冷却-润滑策略，以同时抑制热损伤并提高疲劳性能。
为了解决这些挑战，最近的研究集中在两种策略上：创新的轮子设计和先进的冷却技术。前者包括热增强工具，如旋转热管磨轮[14]、内部冷却轮[15]和表面纹理磨轮[16]。后者强调使用环保高效的冷却介质，如微量润滑（MQL）、低温MQL和纳米流体辅助冷却来提高热传递性能。关于轮子设计的研究展示了各种冷却机制。陈等人[17]建立了一个旋转热管磨轮模型，通过数值模拟确定了关键的操作参数。彭等人[18]证明，加压内部冷却轮比溢流冷却提供了更好的冷却效率和表面完整性。同样，佐原等人[19]证实，内部冷却在复合材料研磨过程中有效减少了表面缺陷。对轮子表面的修改，如环形凹槽[20]和仿生表面纹理[21]，已被证明可以改善冷却剂向研磨区的传输。
纳米流体通过在基础流体中分散纳米颗粒而形成，与传统冷却剂相比，它们具有更好的导热性和冷却能力[22]、[23]。研究表明，它们在研磨应用中非常有效。例如，彭等人[24]报告称，等离子体改性的hBN/SiC纳米流体结合内部冷却在Inconel 718研磨过程中显著降低了摩擦和表面粗糙度。同样，张等人[25]和Ibrahim等人[26]记录了使用纳米流体辅助研磨方法在轮子寿命和表面完整性方面的显著改进，后者在MQL条件下报告了摩擦和磨损的显著减少。在自润滑磨轮方面也取得了平行发展，通常通过化学浸渍[27]、表面涂层[28]或基体掺杂[29]、[30]来实现。Stephen等人[31]发现，在CBN轮中添加碳纳米管可以提高动态刚度并改善研磨性能。张等人[32]使用MoS?/TiO?纳米复合材料填充剂制造了青铜基金刚石轮。在研磨过程中原位释放的固体润滑剂在界面形成了减少摩擦的转移膜，将磨料颗粒和工件之间的粘附能量降低到了基线组的三分之一，并将表面缺陷密度降低了60％。关等人[33]创新性地设计了一种CNTs@T304纳米胶囊自润滑树脂轮，通过微流控驱动将三丁基磷酸酯封装在功能化的碳纳米管腔内。在最佳14％的填充水平下，研磨力/温度/粗糙度（33％/28％/35％）同步降低，研磨效率提高了30％。
研磨操作产生的表面完整性对工件的疲劳寿命有重要影响。大量研究建立了表面质量与疲劳性能之间的明确相关性。表面粗糙度作为应力集中器，促进了裂纹的起始，而残余压缩应力和加工硬化层可以有效地抑制裂纹扩展[34]。例如，廖等人[35]证明，产生残余压缩应力的加工过程显著延长了疲劳寿命，不同的失效机制主导了高循环和低循环疲劳机制。姚等人[36]进一步确认了压缩应力的有益但可能是暂时的性质，指出它们在热或机械负载下的松弛。这些发现一致强调了表面完整性在确定超级合金部件疲劳行为中的关键作用。孙等人[37]系统地探讨了切削速度对Inconel 718标准疲劳试样表面完整性和疲劳寿命的影响。断口分析显示，残余压缩应力抑制了裂纹的起始，而薄的改变层延迟了裂纹扩展，从而协同增强了疲劳性能。
然而，现有的冷却-润滑技术在单独应用时存在固有的局限性。内部冷却轮提高了热传递效率，但缺乏主动润滑能力。纳米流体提供了改进的热和摩擦学性能，但在穿透研磨界面的空气动力边界层时面临挑战。自润滑轮提供了原位润滑，但往往无法在波动的热机械负载下精确控制润滑剂的释放。这种冷却和润滑机制之间的分离阻碍了两者功能的同时优化，最终限制了表面完整性和疲劳性能的进一步改进。
为了弥合这一技术差距，本研究旨在开发一种用于加工Inconel 718的综合纳米流体内部冷却自润滑研磨（INISG）技术，主要目标是设计一种模块化的内部冷却轮和自润滑磨料环，配制和表征基于水基BNNs/MWCNTs复合纳米流体，利用CFD模拟和实验研究分析关键参数对研磨温度和表面完整性的影响，并最终阐明这种综合方法提高航空航天超级合金疲劳性能的协同机制。
部分摘录
工作原理和轮子结构
在传统超级合金研磨领域，材料固有的低导热性促进了切割能量高效转化为热量。同时，轮子旋转产生的周向空气动力边界层显著阻碍了冷却介质向研磨区的传输，形成了热量积累和摩擦加剧的反馈循环。为了解决这一热机械耦合问题，本研究提出了一种
制备和配方优化
BNNs/MWCNTs纳米流体的制备过程如图7所示。BNNs和MWCNTs纳米颗粒的主要参数见表1，它们的SEM形态如图8所示。复合纳米流体由0.5％的氮化硼纳米片（BNNs）、0.5％的多壁碳纳米管（MWCNTs）、1％的十二烷基硫酸钠（SDS）和去离子水组成。首先，通过依次添加纳米颗粒制备了BNNs和MWCNTs（各0.5％）的单组分纳米流体
研磨实验平台和程序
研磨测试材料是镍基超级合金Inconel 718，由上海远树工业有限公司提供，化学成分详见表2。试样加工成80毫米（长度）×30毫米（宽度）×10毫米（高度）的尺寸。在非工作面上均匀钻了三个盲孔（直径：1.5毫米，深度：9.5毫米），用于嵌入K型热电偶进行温度测量，并记录了这三个测量点的平均峰值温度。
疲劳寿命分析
表5展示了冷却策略对低循环疲劳行为的实验结果。表面粗糙度（Ra）与疲劳寿命（Nf）之间存在强烈的负相关：随着Ra从0.202微米增加到0.395微米，Nf从4026次急剧下降到1695次（图23a）。粗糙的表面形成了“峰谷”微观结构，成为应力集中器，引发了疲劳裂纹（例如，样品1#–3#）。残余压缩应力（σ_res）与Nf之间存在强烈的正相关
结论
为了减轻严重的热损伤并提高航空航天超级合金在研磨过程中的疲劳性能，本研究开发了一种综合纳米流体内部冷却自润滑研磨（INISG）系统。对Inconel 718的实验和分析研究表明：
原创性声明
我郑重声明，提交的论文是我独立的研究成果。本论文不包含任何其他个人或集体的已发表或书面作品，除非文中特别引用。我完全意识到我承担这一声明的法律后果。
CRediT作者贡献声明
姚金池：写作 – 审稿与编辑、软件、概念化。赵林峰：写作 – 审稿与编辑、验证、资源、方法论。陈文涛：可视化、验证、软件。黄晓芳：验证、监督、软件、方法论。陈翔：写作 – 审稿与编辑、初稿写作、可视化、软件。彭瑞涛：写作 – 审稿与编辑、初稿写作、资源、研究。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
我们感谢匿名审稿人的宝贵意见，这些意见极大地改进了本文。本研究得到了国家自然科学基金（编号：52375466、51975504）、湖南省自然科学基金（编号：2022JJ10045、2024JJ7539）和湖南省教育厅科学研究基金（编号：23A0130）的财政支持。
