第1章 绪论
1.1 背景与意义
制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基。制造业直接体现了一个国家的生产力水平，打造具有国际竞争力的制造业，是提升综合国力、保障国家安全的必由之路。改革开放以来，我国制造业持续快速发展，但与世界先进水平相比，仍然大而不强，在自主创新、质量效益、资源利用等方面差距明显。
为了把我国建设成为引领世界制造业发展的制造强国，实现中华民族伟大复兴，2015年5月19日国务院正式发布《中国制造2025》，这是中国政府实施制造强国战略的第一个十年行动纲领。《中国制造2025》提出，坚持“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”的基本方针，坚持“市场主导、政府引导，立足当前、着眼长远，整体推进、重点突破，自主发展、开放合作”的基本原则，通过“三步走”实现制造强国的战略目标：第一步，到2025年迈入制造强国行列；第二步，到2035年中国制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平；第三步，到中华人民共和国成立一百年时，综合实力进入世界制造强国前列。我国的制造业大而不强，制造质量是一个关键制约因素。因而，《中国制造2025》基本方针明确提出要“质量为先”。
核电汽轮机、燃气轮机、航空发动机等高端装备是国家安全、工业发展和社会进步的重要基础。《中国制造2025》明确提出“组织实施大型飞机、航空发动机及燃气轮机……核电装备、高端诊疗设备等一批创新和产业化专项、重大工程”, “突破高推重比、先进涡桨（轴）发动机及大涵道比涡扇发动机技术”, “推动大型高效超净排放煤电机组产业化和示范应用，进一步提高超大容量水电机组、核电机组、重型燃气轮机制造水平”。以汽轮机、燃气轮机、航空发动机为代表的高端装备制造业进入前所未有的高增长时期。
随着国家对节能降耗的重视以及对电力需求的不断增加，发电装备向大型、高效、节能、环保的方向发展，核电超超临界汽轮机组、重型燃气轮机等大型发电装备成为能源行业发展的重点。超超临界技术（Ultra-Supercritical, USC）是一种先进、高效的发电技术，具有显著的节能环保效果，未来火电建设将主要发展高效率、高参数的超超临界机组。我国“十一五”规划纲要以及《国家中长期科技发展规划》均明确提出：作为一种先进高效的发电技术，高效率高参数超超临界机组技术将成为未来我国汽轮机行业的发展方向。目前世界发达国家都在积极推进700℃等级超超临界机组的发展计划，包括欧盟的“热力700计划”和美国能源部的“700℃超超临界计划”；我国于2012年启动了“国家700℃超超临界燃煤发电关键技术与设备研发及应用示范”（国家能源局）和“700℃超超临界燃煤发电主要设备关键技术研究”（国家科技部）两大计划，目前已初步确定700℃示范机组容量采用600MW等级，压力和温度参数分别为35MPa、720℃，核心关键部件采用镍基、铁基高温合金等先进材料，并将很快开展样机的试制工作。燃气轮机的制造涉及多个方面，在全球制造业中占有举足轻重的地位。“十三五”规划更是提出我国将以组织实施重大科技专项为抓手，持续推进高端装备制造业的发展，全面启动实施航空发动机和燃气轮机重大专项，初步建立航空发动机和燃气轮机自主创新的基础研究、技术与产品研发和产业体系。大力发展航空发动机和燃气轮机产业，也可增强我国高端装备制造业整体国际竞争力，使我国的高端制造装备产品快速进入国际市场。因此，新一代的超超临界机组及重型燃气轮机关键零部件的精密高效加工与极端条件服役性能保障技术的研究意义重大。
以超超临界汽轮机组及重型燃气轮机核心零部件之一的叶片为例，由于其高温、高压、高转速的严苛工作环境，对加工表面质量的要求非常高，不仅要求保证尺寸精度、形位精度与配合精度，而且更关注高温、高压、高转速下长期服役过程中的精度保持性、特殊工况下抵抗疲劳与腐蚀的能力，这些性能会严重影响整个机组的运行可靠性、寿命与安全性。目前叶片高端制造技术已成为制约我国发展具有完全自主知识产权的超超临界汽轮机组及燃气轮机的瓶颈技术之一。
叶片采用的镍基、铁基高温合金等材料，具有高强度、耐磨损、抗疲劳等良好的综合性能，同时也导致加工过程中切削力大、切削温度高，容易造成已加工表面质量的恶化及刀具寿命的下降，属于典型的难加工材料，实际切削加工中必须采用切削液。长期以来，国内外公开研究报道普遍强调切削液的冷却、润滑、清洗、防锈作用，而忽视了其对加工表面质量及性能的影响。国外公开的切削液标准中（美国ASTM D2881-03-2009，日本JIS K2241-2000）仅是针对切削液本身性能的评价，没有涉及对加工质量及性能的评价标准。但在国外大型汽轮机及燃气轮机制造企业高端零部件（特别是高温端叶片）的精密加工中，为了防范切削介质可能造成的重大质量影响，均已对切削液的使用管理有着明确、严格的标准，切削液采取单一来源采购，加工质量检验更是包含了切削液的流程监控，同时对切削液作用机理、管理方式、验收环节实行严格保密。
目前，我国的汽轮机与重型燃气轮机制造企业仍然普遍认为切削液属于切削加工的辅助性因素，针对切削液的基础研究与技术开发十分薄弱，使用管理也比较粗放。国内某著名汽轮机制造公司曾按照法国阿海珐集团的要求代加工价格昂贵的核电机组主驱动杆（单价100万元），在切削工艺参数、机床、刀具、切削液种类及加工表面粗糙度均满足法方要求的情况下，由于忽略切削液保护、不理解切削液的作用机理，加工过程中切削液的pH值超出法方所允许的范围，导致代加工的61件产品中仅第1件验收合格，剩余60件不合格，造成数千万元的经济损失。近年来，国内汽轮机制造企业在科研、生产中开始意识到切削液作用的重要性，但是局部的、现象层面的研究尚不足以支撑核心关键零部件的高端制造技术。
国内切削液研究存在的不足及原因主要有以下几方面：重视切削设备及工艺，忽略了切削液等与难加工材料表面发生长时间接触的介质的重要影响；重视传统的冷却润滑、清洗防锈作用，忽略了切削液与难加工材料间的物理化学作用机理；重视切削液在加工中的作用，忽略了切削液吸附残留对难加工材料工件服役性能的影响；重视切削液理想状态分析，忽略了其应用过程的变质及可能的恢复技术；切削液试验设计与执行比较复杂，涉及因素很多，试验成本较高。因此，对于切削液在高温合金等难加工材料精密加工中的作用机理与控制方法，亟待进行深入、系统的理论探索。