提高渦輪葉片榫齒疲勞試驗(yàn)合格率的工藝研究

楊 釗

（中國航發(fā)科技股份有限公司， 四川 成都 610503）

引言

某型Ⅰ～Ⅵ級(jí)渦輪葉片，材料牌號(hào)K465,鑄件技術(shù)條件Q/6S 2243—2009。鑄件技術(shù)條件規(guī)定Ⅰ、Ⅱ級(jí)渦輪葉片鑄件為固溶狀態(tài)交付，Ⅲ～Ⅵ級(jí)渦輪葉片鑄件為鑄態(tài)狀態(tài)交付。項(xiàng)目實(shí)施以來，Ⅰ-Ⅵ級(jí)渦輪葉片榫頭磨削加工合格率低；試車后熒光檢查葉片榫頭部位有缺陷顯示，Ⅱ-Ⅵ級(jí)渦輪葉片振動(dòng)疲勞極限試驗(yàn)，疲勞強(qiáng)度不滿足技術(shù)條件要求。本文針對(duì)上述問題開展研究，采取了一系列的提高渦輪葉片疲勞合格率的工藝研究。

1 冷工藝部分

1.1 榫齒型面強(qiáng)力磨削工藝

1.1.1 榫齒型面強(qiáng)力磨削工藝特點(diǎn)

榫齒型面是渦輪葉片與渦輪盤榫槽的配合面，承受較大的負(fù)荷，對(duì)榫頭的要求很高。榫頭采用縱樹形榫齒，榫齒工作面直線度誤差為0.01，齒距為0.015，錯(cuò)齒為0.02。結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 渦輪葉片榫齒型面（單位：mm）

1.1.2 榫齒型面強(qiáng)力磨削工藝缺陷及其改進(jìn)

1）磨削榫齒夾具設(shè)計(jì)以方箱面定位、夾緊剛性差的改進(jìn)。如圖2 所示，用改進(jìn)前的夾具強(qiáng)力磨削榫齒型面時(shí)，由于懸出的榫齒部位沒有定位、夾緊，鋼性較差，對(duì)榫齒粗糙度有一定影響。針對(duì)上述問題，對(duì)夾具榫齒部位增加了輔助定位、夾緊機(jī)構(gòu)，如圖3 所示。

圖2 改進(jìn)前的榫齒夾具

圖3 改進(jìn)后的榫齒夾具

2）磨削冷卻噴嘴出水壓力小的改進(jìn)。改進(jìn)前冷卻噴嘴出水壓力小，主要是噴嘴角度差異、開孔較少所致，如圖4。針冷卻噴嘴角度差異、開孔較少導(dǎo)致出水壓力小的問題，對(duì)冷卻噴嘴進(jìn)行了改進(jìn)如下頁圖5。

圖4 改進(jìn)前的冷卻噴嘴（單位：mm）

1.2 榫頭兩端面強(qiáng)力磨削工藝

1.2.1 榫頭兩端面磨削工藝特點(diǎn)和工藝缺陷

由于對(duì)K465 磨削加工的特性認(rèn)識(shí)不足，采用普通的平面往復(fù)磨削加工，磨削后的零件熒光顯示點(diǎn)、線狀缺陷較多，如下頁圖6。

經(jīng)過分析，導(dǎo)致熒光不合格的原因：磨削方式不合理；磨削參數(shù),砂輪選擇不合適；冷卻效果不理想。

圖5 改進(jìn)后的冷卻噴嘴（單位：mm）

圖6 榫頭兩端面磨削后熒光顯示缺陷

1.2.2 榫頭兩端面強(qiáng)力磨削工藝的改進(jìn)

針對(duì)榫頭兩端面磨削存在熒光顯示缺陷問題，進(jìn)行了諸多方面的工藝改進(jìn)工作。

1）改進(jìn)磨削方式。通過大量的試驗(yàn)，確定用國產(chǎn)緩進(jìn)給磨床3MKL-5740 強(qiáng)力磨削加工榫頭兩端面，解決磨削加工熒光顯示缺陷問題。

2）試驗(yàn)?zāi)ハ鲄?shù)，優(yōu)化砂輪配制。強(qiáng)力磨削K465，砂輪配制至關(guān)重要，經(jīng)過對(duì)幾種砂輪試驗(yàn)，最終確定選擇由白剛玉（WA）、鉻剛玉（PA）混合磨料，硬度適中、80～100 目的砂輪。

磨削參數(shù)經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，確定最佳磨削參數(shù)，表1 是磨削試驗(yàn)期間選用的幾組參數(shù)。

表1 渦輪葉片榫頭兩端面試驗(yàn)參數(shù)表

2 熱工藝部分

1）對(duì)外購葉片理化分析報(bào)告中提出的“葉身表面的再結(jié)晶層”形成的機(jī)理進(jìn)行研究和摸索。第一，葉片在噴丸狀態(tài)下進(jìn)行固熔處理后，理化檢測(cè)葉身噴丸表面有再結(jié)晶層產(chǎn)生。分析認(rèn)為：再結(jié)晶層可能是外購葉片在鑄件毛料的清理過程中采用類似噴丸或吹砂之類的工藝，并在經(jīng)高于再結(jié)晶溫度以上的熱處理溫度后在葉身表面形成的。第二，再結(jié)晶生成溫度驗(yàn)證。鑄件吹砂后經(jīng)760 ℃、1 000 ℃、1 100 ℃、1 210 ℃四種熱處理溫度下驗(yàn)證葉身是否生成再結(jié)晶層，試驗(yàn)證明：葉身表面吹砂后，經(jīng)1 210±10 ℃固溶熱處理的葉片表面形成完全再結(jié)晶層。第三，結(jié)合再結(jié)晶生成溫度驗(yàn)證結(jié)果，首次提出Ⅲ～Ⅵ級(jí)渦輪葉片的熱處理狀態(tài)應(yīng)為固溶熱處理狀態(tài)，并選取自制Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ級(jí)渦輪葉片固溶、消應(yīng)、鑄態(tài)三種狀態(tài)的葉片和外購Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ級(jí)渦輪葉片，進(jìn)行化學(xué)成分、金相組織、機(jī)械性能對(duì)比分析，性能對(duì)比進(jìn)行了驗(yàn)證。得出渦輪葉片熱處理狀態(tài)均為固溶熱處理。

2）去除低熔點(diǎn)合金。綜合考慮低熔點(diǎn)合金去除效果及酸洗前后葉片表面狀態(tài)，開展工藝攻關(guān)，在保證完全去除低熔點(diǎn)合金的前提下，降低酸洗對(duì)葉片表面質(zhì)量和熒光檢測(cè)的影響，確定酸洗工藝參數(shù)為：ρ（HNO3）=750～780 g/L，第一次酸洗10 min（新配）+第二次酸洗5 min（新配），測(cè)量酸洗后溶液低熔點(diǎn)合金含量應(yīng)不大于1×10-6。

3）疲勞極限試驗(yàn)不合格原因的進(jìn)一步分析及相關(guān)措施。第一，極限疲勞裂紋與顯微疏松。根據(jù)Ⅴ級(jí)渦輪葉片經(jīng)極限疲勞裂紋的斷口分析，疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展與顯微疏松有關(guān)，特別是近進(jìn)排氣邊的顯微疏松。有的葉片斷口上的顯微疏松含量已超過2%的控制要求。分析該情況可能與鑄造熔煉設(shè)備的模殼保溫裝置采用石墨感應(yīng)加熱有磁場(chǎng)干擾造成溫度波動(dòng)影響澆鑄質(zhì)量，目前已在采用電阻加熱裝置開展?jié)茶T，并通過加強(qiáng)澆注系統(tǒng)補(bǔ)縮，減少和控制疏松的產(chǎn)生。改進(jìn)后進(jìn)行加工，成品件生產(chǎn)疲勞試驗(yàn)合格，且未發(fā)現(xiàn)近進(jìn)排氣邊的顯微疏松的問題。第二，熱處理參數(shù)優(yōu)化。對(duì)固溶熱處理爐溫均勻性控制和冷卻速度進(jìn)行改善，采用負(fù)載熱電偶進(jìn)行固溶熱處理裝載量試驗(yàn)，優(yōu)化1 210 ℃±10 ℃至1 000 ℃的冷卻速度控制，以滿足技術(shù)要求。

3 結(jié)論

1）通過對(duì)強(qiáng)力磨榫齒/榫頭兩端面加工參數(shù)的優(yōu)化、冷卻方式的改變、噴嘴的改進(jìn)、砂輪選擇的優(yōu)化、夾具增加輔助支承，榫頭兩端面磨削加工熒光一次合格率從改進(jìn)前的5%以下提高到了98%。

2）固溶狀態(tài)的渦輪葉片疲勞合格率由原來的10%提高到70%以上。