某燃機(jī)長(zhǎng)葉片噴丸技術(shù)探討

周云波 楊雨婷

摘要：文章主要通過(guò)試驗(yàn)的方式，分析了某燃機(jī)長(zhǎng)葉片的噴丸研究過(guò)程，通過(guò)X射線表面殘余應(yīng)力檢測(cè)分析，改善葉片表面應(yīng)力狀態(tài)。對(duì)研究類似結(jié)構(gòu)大型末級(jí)、次末級(jí)葉片噴丸提供一個(gè)很好的借鑒。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)長(zhǎng)葉片;噴丸研究;殘余應(yīng)力

中圖分類號(hào)：TK269? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）16-0102-03

0? 引言

無(wú)論是噴丸強(qiáng)化還是拋丸機(jī)強(qiáng)化，其目的就是通過(guò)對(duì)那些長(zhǎng)期處于交變應(yīng)力下的零件表面導(dǎo)入一個(gè)壓應(yīng)力，在表層形成起保護(hù)作用的殘余壓應(yīng)力層，從而延長(zhǎng)零件的疲勞壽命或載荷能[1]。汽輪機(jī)葉片的壽命又直接影響機(jī)組的運(yùn)行效率和安全性。從安全性和經(jīng)濟(jì)性考慮，研究葉片的噴丸具有重要的意義。本文將以國(guó)內(nèi)某汽輪機(jī)廠自主設(shè)計(jì)的某燃機(jī)長(zhǎng)葉片為研究對(duì)象，逐步分析該葉片的噴丸過(guò)程、殘余應(yīng)力檢測(cè)過(guò)程，分析得出可靠的噴丸方法，為類似結(jié)構(gòu)長(zhǎng)葉片的噴丸提供幫助。汽輪機(jī)葉片表面噴丸強(qiáng)化方式有很多種，根據(jù)沖擊介質(zhì)（丸料）的不同，主要有鑄鋼丸噴丸、玻璃丸噴丸、陶瓷丸噴丸、激光沖擊等[2]。而本文研究的是在汽輪機(jī)葉片噴丸方面應(yīng)用最廣泛的鑄鋼丸噴丸。

1? 某燃機(jī)長(zhǎng)葉片噴丸試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及儀器

1.1.1 試驗(yàn)材料

2件試驗(yàn)葉片，葉片汽道型線經(jīng)過(guò)精銑、表面砂帶拋光，葉根型線經(jīng)過(guò)精銑或者磨削。

規(guī)格型號(hào)為S230的鑄鋼丸料，A型阿爾門試片、若干固定試片用長(zhǎng)方體塊（規(guī)格：50mm×25mm×25mm）

1.1.2 儀器設(shè)備

檢測(cè)儀器：X射線檢測(cè)儀、試片弧高檢測(cè)儀。

操作設(shè)備：KXS-3120P鑄鋼丸噴丸機(jī)床。

1.2 試驗(yàn)要求

1.2.1 試驗(yàn)葉片結(jié)構(gòu)

該燃機(jī)長(zhǎng)葉片長(zhǎng)度約1000mm，整體結(jié)構(gòu)為“X形狀冠+拉筋凸臺(tái)+樅樹型葉根”。

1.2.2 葉片噴丸要求

噴丸部位：葉片整個(gè)汽道型面、葉根全部表面

弧高（強(qiáng)度）值：0.05-0.35mm，覆蓋率：≥100%

鋼丸型號(hào)：S230，試片型號(hào)：A型Almen試片

噴丸表面光潔度：Ra≤4.0

1.3 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.3.1 噴丸裝夾

采用KXS-3120P型號(hào)機(jī)器人噴丸機(jī)床，試驗(yàn)葉片“立式”裝夾于機(jī)床上，此時(shí)考慮汽道型線和葉根型線分開噴丸，不能實(shí)現(xiàn)一次裝夾全部噴丸。葉根形狀為“樅樹型葉根”，汽道噴丸夾具以葉根背弧側(cè)型線、葉根岀汽側(cè)定位銷定位，型線壓塊以螺釘壓緊固定，噴丸過(guò)程如圖1。

葉根型線噴丸時(shí)，將葉片呈“倒立式”放置，即葉根向上，葉冠向下，如圖2。夾具上壓緊栓與壓緊部位汽道型線形狀相同，側(cè)面以鎖扣鎖緊。這樣可以避免在噴丸過(guò)程由于噴砂強(qiáng)大的壓力，導(dǎo)致葉片松動(dòng)。

1.3.2 焊接試片架

在噴丸前，首先應(yīng)進(jìn)行飽和曲線和覆蓋率實(shí)驗(yàn)。所謂飽和曲線是指，在一定壓力、流量、噴槍距離、噴丸速度等參數(shù)下，對(duì)固定在噴丸強(qiáng)化機(jī)器上的阿爾門試片進(jìn)行一系列連續(xù)噴丸強(qiáng)化，隨著噴丸時(shí)間加倍，弧高值增加不超過(guò)10%即達(dá)到飽和狀態(tài)[3]。換而言之，飽和曲線實(shí)驗(yàn)即為用來(lái)確定噴丸參數(shù)，以滿足設(shè)計(jì)的弧高值范圍。要完成飽和曲線實(shí)驗(yàn)，需要焊接試片架。由于葉片汽道型面往往是彎扭較復(fù)雜，所以焊接試片架盡可能將固定試片的長(zhǎng)方體塊分布在葉片噴丸的特征部位，以反映各處的實(shí)際噴丸情況。

1.4 飽和曲線和覆蓋率試驗(yàn)

1.4.1 飽和曲線試驗(yàn)

我們知道，在一定的范圍內(nèi)，弧高值與壓力（MPa）、流量（kg/min）成正比，與速度（m/min）、噴丸距離（mm）成反比關(guān)系[4]。在相同的噴丸參數(shù)情況下，葉片各處的噴丸情況基本一致（其微弱的差別與葉片的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)）。因此，為降低試驗(yàn)過(guò)程的成本，我們先對(duì)某一處焊接試片進(jìn)行噴丸，待所有參數(shù)滿足條件后再推廣到全部焊接試片架。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程我們先考慮采用一組噴丸參考參數(shù)，其噴丸弧高如表1，根據(jù)表1參數(shù)試驗(yàn)得出的飽和曲線如圖3。

噴丸參數(shù)：壓力0.35MPa、流量14kg/min、速度65m/min、距離400mm

從表1和圖4試驗(yàn)結(jié)果看出，達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的強(qiáng)度值為0.54mm，此時(shí)的弧高值顯然已經(jīng)超出要求0.1-0.35mm范圍。我們適當(dāng)降低噴丸壓力，設(shè)定壓力值0.3MPa，測(cè)得弧高值如表2，飽和曲線如圖4。

噴丸參數(shù)：壓力0.3MPa、流量14kg/min、速度65m/min、距離400mm。

從表2和圖5可以看出，飽和強(qiáng)度為0.42mm，可見(jiàn)降低噴丸壓力值對(duì)降低弧高值有一定作用，也進(jìn)一步印證了噴丸弧高和壓力呈正比的關(guān)系。如此往復(fù)不斷調(diào)整壓力、流量、速度、距離等參數(shù)，以滿足合格的弧高值范圍。表3為最終試驗(yàn)所得噴丸參數(shù)，圖5為對(duì)應(yīng)飽和曲線，滿足設(shè)計(jì)要求。

最終試驗(yàn)噴丸參數(shù)：壓力0.18MPa、流量8kg/min、速度69m/min、距離360mm。

1.4.2 覆蓋率試驗(yàn)

按照表3所示參數(shù)，噴打工件一次，用放大鏡觀察表面覆蓋率，再噴打一次工件，再觀察，如此不斷循環(huán)，當(dāng)表面覆蓋率≥98%時(shí)，記下此時(shí)的噴打次數(shù)。例如，如噴打4次，表面覆蓋率才達(dá)到≥98%，則我們認(rèn)為噴打1次的覆蓋率為25%，如噴打次數(shù)5次，表面覆蓋率才達(dá)到≥98%，我們認(rèn)為噴打1次的覆蓋率為20%。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于該試驗(yàn)葉片，噴打5次其表面覆蓋率達(dá)到≥98%，要達(dá)到140%的覆蓋率，噴打次數(shù)應(yīng)為7次。

1.5 表面殘余應(yīng)力試驗(yàn)

將上述噴丸的實(shí)驗(yàn)葉片和另一只表面未噴丸的葉片做殘余應(yīng)力實(shí)驗(yàn)。

用X射線測(cè)試儀檢測(cè)噴丸表面殘余應(yīng)力。測(cè)試參數(shù)如下：管電壓15kV，管電流6mA，Cr靶Kα特征輻射，BCC晶面指數(shù)（208），準(zhǔn)直管直徑5mm，β角轉(zhuǎn)動(dòng)范圍±20°，將其平分為8個(gè)角，采用同傾法，每個(gè)β角掃描7次，時(shí)間常數(shù)3秒，搖擺角5°。采用LPA，增益校正P/G，用皮爾孫法進(jìn)行峰值擬合。對(duì)比測(cè)試葉片均采用上述參數(shù)。

未噴丸葉片共測(cè)試8個(gè)位置點(diǎn)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4，單位MPa，負(fù)值表示壓應(yīng)力，正值表示拉應(yīng)力。

噴丸后測(cè)試了6個(gè)點(diǎn)位置，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5，單位MPa，負(fù)值表示壓應(yīng)力，正值表示拉應(yīng)力。

從表4和表5的數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)看，顯然噴丸后表面壓應(yīng)力增加不少，且均處于-700MPa左右。從設(shè)計(jì)上得到論證，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果是成功的。

2? 結(jié)論

①葉片通過(guò)機(jī)械加工以及拋磨后，其表面應(yīng)力基本也是壓應(yīng)力狀態(tài)，但其為淺表性顯像，壓應(yīng)力值較小，對(duì)于抗疲勞壽命是不能完全滿足要求的。通過(guò)鑄鋼丸噴丸能夠有效地改善葉片表面的殘余應(yīng)力狀態(tài)，增大壓應(yīng)力值，從而提高葉片的抗疲勞壽命;

②通過(guò)試驗(yàn)探索出的噴丸過(guò)程以及最終參數(shù)是合理的。其噴丸方法具有很高的推廣性，能夠推廣至其他類似結(jié)構(gòu)大葉片噴丸過(guò)程中。

參考文獻(xiàn)：

[1]姜文忠.噴丸強(qiáng)化在汽輪機(jī)葉片上的應(yīng)用[J].熱力透平，1990.

[2]周云波，龍老虎.噴丸對(duì)TC4鈦合金材料葉片的影響研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2021.

[3]王守仁，王瑞國(guó).噴丸、噴涂技術(shù)及裝備[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[4]王仁智.金屬材料的噴丸強(qiáng)化與表面完整性論文集[M].中國(guó)宇航出版社，2008.