校形對鈦合金材料長葉片的影響研究

周云波，裴玉冰

（東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000）

隨著汽輪機技術(shù)的不斷發(fā)展，末級葉片越來越廣泛采用性能較好的鈦合金材料。葉片越長，切削加工過程中由于內(nèi)應(yīng)力釋放就會產(chǎn)生越大的變形量。葉片變形可能導(dǎo)致葉片無法安裝，或者使葉片偏離安全狀態(tài)，進(jìn)而對機組運行帶來極大的安全隱患。

目前，各大汽輪機生產(chǎn)廠商對于大葉片加工變形通常采用機械外力校形來保證葉片汽道型線正確的位置度和裝配要求。微觀上，葉片經(jīng)過校形后，會使葉片表面應(yīng)力產(chǎn)生變化，偏高的表面應(yīng)力與運行中的離心應(yīng)力、蒸汽彎應(yīng)力進(jìn)行疊加，造成局部應(yīng)力超出設(shè)計范圍，進(jìn)而使葉片失效。宏觀上，鈦合金材料具有彈性模量小、屈強比高、成型回彈能力大的特點，國外很多汽輪機葉片廠商要求對鈦合金材料葉片不能進(jìn)行校形，但是，其理論研究對國內(nèi)是封鎖的。因此，我們有必要深入地從微觀和宏觀兩方面分析校形對鈦合金長葉片的影響，為解決葉片變形提供更多的幫助。本文研究的是冷校形，除冷校形外，國內(nèi)外部分學(xué)者也開展了等溫?zé)嵝Ｐ畏矫娴难芯俊?/p>

1 校形試驗

1.1 試驗材料及儀器

（1）試驗材料。試驗對象為長度等級為1400mm 的鈦合金材料葉片，葉片汽道型線經(jīng)過粗、精加工發(fā)生一定的彎扭變形。

（2）儀器設(shè)備。立式校形機、三坐標(biāo)檢測儀、中子應(yīng)力分析譜儀、X 射線檢測儀。

1.2 試驗方法

（1）試驗開始前，對葉片進(jìn)行三坐標(biāo)汽道型線檢測。

（2）根據(jù)葉片變形特點，依據(jù)校形經(jīng)驗在葉片上預(yù)校形施壓位置及附近用特殊記號筆標(biāo)示出應(yīng)力測試點位置，以便確保校形前后應(yīng)力檢測為同一點位，如圖1。在中子應(yīng)力分析譜儀上測試汽道內(nèi)、背弧標(biāo)示點位內(nèi)部平均殘余應(yīng)力。在X 射線檢測儀上測試表面殘余應(yīng)力。

圖1 標(biāo)示應(yīng)力測試點位置示意圖

（3）對葉片進(jìn)行校形。校形時將葉片呈“平躺式”放置，內(nèi)弧面朝上，支撐背弧，從內(nèi)弧面向背弧面施壓，壓頭的下壓量約為10 ～15mm（此下壓量為經(jīng)驗數(shù)據(jù)，基本為其他常規(guī)大葉片校形時的最大下壓量），如圖2。

（4）對校形后的葉片再次分別進(jìn)行三坐標(biāo)汽道型線檢測、中子衍射內(nèi)部平均應(yīng)力檢測及X 射線表面應(yīng)力檢測。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 校形前后汽道型線位置度變化

三坐標(biāo)檢測STACK X、STACK Y分別代表X（進(jìn)出汽側(cè)）、Y（內(nèi)背方向）方向葉片型線偏移值，（如圖3）。

圖2 葉片校形示意圖

圖3 校形前后位置度變化

對比發(fā)現(xiàn)，校形前后葉片均朝背弧、出汽側(cè)方向偏移，校形后較校形前汽道型線位置度變化最大約為0.4mm（STACK/2），施壓處最終變化量為0.18mm。考慮到大葉片三坐標(biāo)檢測誤差（約為0.2mm）等因素，可認(rèn)為本次校形對葉片位置度改變幾乎無太大作用。

2.2 校形前后應(yīng)力變化分析

中子衍射檢測內(nèi)部平均殘余應(yīng)力和X 射線檢測表面殘余應(yīng)力結(jié)果如圖4，檢測結(jié)果單位為MPa，正值表示拉應(yīng)力，負(fù)值表示壓應(yīng)力。

圖4 中子衍射及表面殘余應(yīng)力檢測結(jié)果

由圖4-a 可知，中子衍射測試區(qū)間內(nèi)的平均壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于X 射線測試的表面殘余應(yīng)力。區(qū)間平均應(yīng)力一般小于-100Mpa，甚至局部位置出現(xiàn)平均拉應(yīng)力。

表面殘余應(yīng)力主要集中在-300 ～-200MPa，校形前除個別點位外，基本上葉片內(nèi)弧面的壓應(yīng)力大于背弧面的壓應(yīng)力（圖4b）。校形后的規(guī)律與校形前近似，基本上葉片內(nèi)弧面的壓應(yīng)力大于背弧面的壓應(yīng)力（圖4c）。

對比分析校形前后內(nèi)弧面的壓應(yīng)力變化情況，約73%的測試點位校形后內(nèi)弧面壓應(yīng)力增加，其余少數(shù)點位規(guī)律相反（圖4d）。

對比分析校形前后背弧面的壓應(yīng)力變化情況，變化規(guī)律較為復(fù)雜，主要表現(xiàn)為約40%的點位校形后背弧面壓應(yīng)力變化不大。20%點位壓應(yīng)力減小，其余點位壓應(yīng)力增大。即背弧面約80%點位在校形后壓應(yīng)力表現(xiàn)為幾乎不變或增大（圖4e）。

校形前、后，內(nèi)弧面及背弧面殘余應(yīng)力分布如圖5。校形前內(nèi)弧面的壓應(yīng)力集中在-250 ～-400MPa（約占86.7%）。校形后，壓應(yīng)力分布偏差增加。背弧面的應(yīng)力變化近似，校形前壓應(yīng)力主要分布在-150 ～-250MPa（約占80%），而校形后背弧面壓應(yīng)力分布偏差增大。

圖5 表面殘余應(yīng)力分布

3 結(jié)語

（1）校形前、后，內(nèi)弧面及背弧面的表面應(yīng)力均為殘余壓應(yīng)力。校形前表面壓應(yīng)力在-100 ～-400MPa，校形后表面壓應(yīng)力在-100 ～-600MPa。校形前表面壓應(yīng)力的分布更為集中，校形后分布區(qū)間增大。

（2）校形后，73% 的內(nèi)弧面的測試點壓應(yīng)力增加，80%的背弧面的點在校形后表現(xiàn)為壓應(yīng)力幾乎不變或者壓應(yīng)力增加。

（3）本次校形實驗下壓量已經(jīng)非常大，但是，對葉片位置度幾乎無太大作用，鈦合金材料具有彈性模量小、屈強比高，成型時回彈能力大，有一定的“記憶性”，校形非常困難。若要產(chǎn)生作用，必須繼續(xù)增大下壓量，但與此同時，會引起表面應(yīng)力變化“過量”。因此，外力機械校形會對鈦合金材料葉片帶來不利影響，還是需要從其他工藝方案等方面來控制葉片變形。