噴丸強(qiáng)化對(duì)某鈦合金離心葉輪殘余應(yīng)力及尺寸的影響

何斐，黃凱，彭奕群

中國(guó)航發(fā)常州蘭翔機(jī)械有限責(zé)任公司 江蘇常州 213000

1 序言

某航空發(fā)動(dòng)機(jī)采用單級(jí)離心式壓氣機(jī)，其轉(zhuǎn)動(dòng)部件離心葉輪承擔(dān)了全部的壓氣工作。此零件的材料為T(mén)C4鈦合金，具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，主要用來(lái)減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量和提高推重比，適用于飛機(jī)及其發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)需要，被廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)中[1-3]。然而，鈦合金自身存在抗疲勞強(qiáng)度低、分散性大、硬度低及耐磨性差等缺點(diǎn)[4]，作為重要承力件，如何提高鈦合金離心葉輪的抗疲勞性能，從而達(dá)到強(qiáng)化及延長(zhǎng)壽命的目的顯得尤為重要。

噴丸強(qiáng)化是公認(rèn)的提高鈦及鈦合金零件的抗疲勞性能和微動(dòng)疲勞抗力的有效方法[5]。近年來(lái)，對(duì)噴丸強(qiáng)化機(jī)理的研究及應(yīng)用得到深入發(fā)展，在眾多成熟先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品中使用鈦合金材料制造的渦輪葉片、渦輪盤(pán)和離心葉輪等重要承力件，在加工過(guò)程中均采用了噴丸強(qiáng)化工藝，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的可靠性和耐久性。由于離心葉輪葉片壁厚較薄，且型面復(fù)雜，所以如何在噴丸過(guò)程中起到強(qiáng)化效果的同時(shí)保證零件的尺寸公差是本研究關(guān)注的重點(diǎn)。

2 試驗(yàn)條件及方法

2.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

噴丸強(qiáng)化試驗(yàn)選用離心葉輪一件，葉輪材料為T(mén)C4。離心葉輪上共有大葉片12片，小葉片12片，采用整體加工而成，葉片的加工狀態(tài)為銑削加拋光；葉輪后表面為車(chē)削端面，平面中心為一軸套。

噴丸強(qiáng)化試驗(yàn)所用設(shè)備為KXS-3000P全自動(dòng)數(shù)控機(jī)器人噴丸機(jī)，噴丸強(qiáng)化采用雙噴嘴-雙工位完成，其中，工位1完成后端面的噴丸，工位2完成葉片和流道的表面噴丸。

2.2 試驗(yàn)方法

噴丸強(qiáng)化采用經(jīng)工藝優(yōu)化后的參數(shù)：彈丸類(lèi)型為ASR190鑄鋼丸，名義直徑尺寸為0.425mm，硬度為45.0~52.0HRC；葉身的實(shí)際噴丸強(qiáng)度為F8A（要求F5-15A）；零件實(shí)際噴丸覆蓋率為200%（要求100%~300%）。噴嘴與待噴零件距離為150mm，噴嘴與待噴零件表面角度控制在40°左右。

采用光學(xué)顯微鏡觀察葉輪噴丸前后的表面形貌；使用X射線衍射法表征噴丸前后葉片的表面殘余應(yīng)力，測(cè)試方向?yàn)橹芟?，靶材為T(mén)iKα，測(cè)試角度為133.5°，用量具測(cè)定噴丸前后大葉片和小葉片尖端的尺寸間距以及葉片尖端與底部的距離，分析其噴丸變形程度。

3 結(jié)果與討論

3.1 表面宏觀形貌

噴丸前離心葉輪表面宏觀照片如圖1所示，由于此試驗(yàn)件為服役后零件，所以表面呈一定氧化色，色澤較暗，且不均勻。

圖1 噴丸前離心葉輪表面宏觀照片

噴丸后離心葉輪表面宏觀照片如圖2所示，噴丸后葉輪表面色澤均勻，呈現(xiàn)亞光色，表面光滑，噴丸覆蓋率良好。

圖2 噴丸后離心葉輪表面宏觀照片

由于高速?gòu)椡鑼?duì)零件表面的沖擊一方面清除了零件表面的氧化物和外來(lái)附著物，另一方面，零件表面形成連續(xù)均勻覆蓋的“彈坑”，所以提高了色澤均勻性，降低了表面粗糙度值。

3.2 表面顯微形貌

圖3為噴丸前葉輪表面顯微形貌，與之對(duì)比的是噴丸后葉輪表面顯微形貌（見(jiàn)圖4）。由圖3可見(jiàn)，噴丸前葉輪葉片的表面、底面及葉輪頂部均存在較為明顯的拋光刀痕，應(yīng)該是產(chǎn)生于拋光過(guò)程中。而后端面表面形貌呈現(xiàn)平行度較好的刀痕，顯然為車(chē)削加工所致。與圖4進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，噴丸后葉輪各部位表面痕跡基本被彈坑所掩蓋，彈坑均勻，說(shuō)明表面形貌得到了較大幅度的改善。即使是精加工后的表面，仍然會(huì)存在加工的刀痕，而這些刀痕往往是疲勞裂紋的起源，噴丸強(qiáng)化可有效地消除這些加工刀痕，提高疲勞強(qiáng)度。

圖3 噴丸前離心葉輪表面顯微形貌

圖4 噴丸后離心葉輪表面顯微形貌

3.3 殘余應(yīng)力

對(duì)噴丸前后葉輪各部位（見(jiàn)圖5）進(jìn)行殘余應(yīng)力的檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1。表中數(shù)據(jù)表明，噴丸前葉輪零件的表面應(yīng)力分布不均勻，既有拉應(yīng)力也有壓應(yīng)力的存在，且各部位應(yīng)力值相差較大，而噴丸后葉輪各部位均產(chǎn)生了約600MPa的殘余壓應(yīng)力，應(yīng)力呈均一化分布。

殘余壓應(yīng)力的產(chǎn)生主要有兩方面原因：一是由于大量彈丸壓入產(chǎn)生的切應(yīng)力造成了零件表面塑性延伸；二是彈丸的沖擊產(chǎn)生的表面法向力引起了赫茲壓應(yīng)力與亞表面應(yīng)力的結(jié)合。這種壓應(yīng)力在一定深度內(nèi)造成了最大的切應(yīng)力，并在表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。

表面殘余壓應(yīng)力的存在可以防止裂紋在受壓表面的萌生和擴(kuò)展，從而強(qiáng)化零件基體，并延長(zhǎng)其壽命。因此，判斷噴丸強(qiáng)化效果好壞最直接的指標(biāo)就是噴丸后表面殘余壓應(yīng)力的大小，通過(guò)表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)很好地說(shuō)明了試驗(yàn)件在噴丸后取得了理想的強(qiáng)化效果。

表1 噴丸前后葉輪殘余應(yīng)力 （MPa）

3.4 變形程度

對(duì)噴丸前后大小葉片尖端尺寸間距（測(cè)試點(diǎn)位置如圖5所示）以及大葉片尖端與流道面的距離分別進(jìn)行測(cè)量，初步得出噴丸前后葉片的變形程度，尺寸變化數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分別見(jiàn)表2、表3。

表2 噴丸前后大葉片和小葉片尖端的尺寸間距

表3 噴丸前后葉片尖端與底面的距離

圖5 測(cè)試點(diǎn)位置示意

從表2、表3可看出，噴丸后葉片尺寸變化很小，平均變化量為0.0 2 m m，最大變化量為0.04mm。在彈丸的高速?zèng)_擊下，薄壁葉片通常會(huì)發(fā)生微小的變形。由于噴丸強(qiáng)化工藝屬于利用塑性形變產(chǎn)生強(qiáng)化效果的表面形變強(qiáng)化技術(shù)，所以噴丸后變形量只要控制在合理的范圍內(nèi)，即符合要求。

3.5 分析討論

噴丸強(qiáng)化是利用高速?lài)娚涞募?xì)小彈丸撞擊受?chē)姽ぜ砻?，使鈦合金表層產(chǎn)生彈性、塑性變形，呈現(xiàn)理想的組織結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力分布，從而提高材料的抗疲勞強(qiáng)度、微動(dòng)疲勞抗力、損傷容限的一種表面處理方法。噴丸強(qiáng)化可在工件表面上造成0.05~0.8mm深的應(yīng)變強(qiáng)化層，材料表面的應(yīng)變強(qiáng)化層發(fā)生以下幾種不同于基體的變化。

1）循環(huán)硬化/軟化現(xiàn)象：噴丸引起的表面層內(nèi)的應(yīng)變?yōu)檠h(huán)應(yīng)變，它將導(dǎo)致表面應(yīng)變層內(nèi)的材料發(fā)生循環(huán)硬化或軟化。

2）表層組織結(jié)構(gòu)細(xì)化，位錯(cuò)密度增高，產(chǎn)生相變。

3）表面層產(chǎn)生很高的宏觀殘余壓應(yīng)力。

4）表層內(nèi)微觀應(yīng)力增高。由于表面層內(nèi)的金屬產(chǎn)生塑性形變，引起晶體晶格產(chǎn)生最大限度的畸變，因此亞晶粒之間產(chǎn)生了很高的微觀應(yīng)力。

5）表面粗糙度（即應(yīng)力集中）的變化。

綜上所述，噴丸強(qiáng)化后在表面層內(nèi)所引起的應(yīng)力狀態(tài)及組織結(jié)構(gòu)上的變化，是導(dǎo)致本次試驗(yàn)結(jié)果的根本原因。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用優(yōu)化的噴丸強(qiáng)化工藝能夠在離心葉輪表面生成一層壓應(yīng)力達(dá)600MPa的強(qiáng)化層，其表面色澤均勻，噴丸覆蓋率良好，且葉片尺寸平均變化量在0.02mm左右，尺寸變形控制符合零件要求。