某鈦合金材料長(zhǎng)葉片拋光研究

周云波

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng) 618000）

鈦合金材料的綜合性能非常優(yōu)異，其具有強(qiáng)度高、耐腐蝕性，耐熱性等優(yōu)良特性。是航空、航天飛行器輕量化和提高綜合性能的最佳用材[1]。早期機(jī)械拋光工藝較耗費(fèi)時(shí)間，而且?guī)缀跛械臋C(jī)械拋光法在最后一步或最后兩步拋光過(guò)程中使用含有侵蝕的剖光液。數(shù)控砂帶拋光的方法往往能夠得到較好的剖光表面，20世紀(jì)70年代和80年代，鈦及鈦合金的拋光仍然延續(xù)使用老的拋光方法，Springer和Ahmed在1984年首次發(fā)表了關(guān)于鈦及鈦合金的拋光方法文章。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)外汽輪機(jī)生產(chǎn)廠商對(duì)于超長(zhǎng)末級(jí)葉片材料的選擇主要有兩種，一種是采用高強(qiáng)度沉淀硬化馬氏體不銹鋼（如PH13-8Mo），另一種就是綜合性能優(yōu)異的鈦合金材料。鈦的導(dǎo)熱系數(shù)為15.24W/（m.K），約為鎳的1/4，鐵的1/5，鋁的1/14，而各種鈦合金材料的導(dǎo)熱系數(shù)比鈦的導(dǎo)熱系數(shù)還要下降約50%。

東汽自主研發(fā)的國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)的用于火電機(jī)組的全轉(zhuǎn)速末級(jí)1400mm等級(jí)葉片就采用的鈦合金材料，該葉片適用于5kpa～8kpa背壓范圍的600MW等級(jí)凝氣式汽輪機(jī)，3kpa～5kpa背壓范圍1000MW等級(jí)汽輪機(jī)，以及功率更大的5kpa～8kpa背壓范圍1300MW等級(jí)汽輪機(jī)等[2]。鈦合金材料耐熱性能好，但是也為加工帶來(lái)不利，如砂帶拋光受熱特別是“過(guò)熱”易產(chǎn)生“燒傷缺陷”風(fēng)險(xiǎn)，所以有必要通過(guò)開(kāi)展試驗(yàn)來(lái)選擇合理的砂帶、參數(shù)，確定合理的拋光方式[3]。由于葉片結(jié)構(gòu)的限制，目前公司的數(shù)控拋光機(jī)床暫時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)汽道與葉冠、凸臺(tái)、葉根等轉(zhuǎn)接R及附近部位的自動(dòng)拋光，這些區(qū)域只能采用人工拋光。本文僅研究鈦合金材料的數(shù)控砂帶拋光。

1 拋光試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及儀器

1.1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)對(duì)象為長(zhǎng)度等級(jí)1400mm的鈦合金材料葉片，葉片汽道型面在數(shù)控機(jī)床上經(jīng)過(guò)粗、精銑加工，表面存在銑削刀花。

1.1.2 儀器設(shè)備

MK1000型數(shù)控砂帶磨拋光機(jī)床、若干不同廠商/不同型號(hào)砂帶（120目數(shù)/240目數(shù)）、TR200手持式表面粗糙度檢測(cè)儀、40MAT金相顯微鏡、5124維氏硬度儀

1.2 數(shù)控砂帶磨拋光試驗(yàn)

1.2.1 砂帶選型

在拋光過(guò)程中，樣品需要定時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，大多數(shù)金屬合金中存在硬質(zhì)相，如果不轉(zhuǎn)動(dòng)方向，拋光樣品在硬質(zhì)相上會(huì)有黑色的“長(zhǎng)尾巴”，影響金相質(zhì)量，解決“長(zhǎng)尾巴”問(wèn)題的關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)動(dòng)樣品的方向，每次可轉(zhuǎn)90度或180度。以1件汽道型線經(jīng)過(guò)粗、精銑加工的模鍛TC4鈦合金材料葉片為試驗(yàn)對(duì)象，在同一件葉片汽道型面劃分幾個(gè)對(duì)比拋光區(qū)域，在相同的試驗(yàn)參數(shù)條件下，分別用不同廠商提供的幾種砂帶進(jìn)行拋光試驗(yàn)。先用120目數(shù)砂帶進(jìn)行粗拋光，再用240目數(shù)砂帶精拋光[4]。拋光完成后用TR200表面粗糙度儀分別對(duì)各拋光區(qū)域檢測(cè)多個(gè)點(diǎn)位粗糙度，由于存在檢測(cè)誤差，取平均值進(jìn)行分析（如表1）。

表1 不同品牌砂帶拋光粗糙度檢測(cè)結(jié)果

從結(jié)果來(lái)看，僅A和C型砂帶滿足最終精拋光Ra≤0.8的要求，但是C型砂帶存在易掉沙粒的情況，故而擇優(yōu)選取A型砂帶。

1.2.2 確定合理的拋光參數(shù)

在選定的拋光砂帶條件下，不同的拋光參數(shù)對(duì)拋光質(zhì)量也會(huì)產(chǎn)生影響，如磨削進(jìn)給速度、轉(zhuǎn)速、磨削壓力、弦長(zhǎng)/角度誤差、步長(zhǎng)等。磨削壓力、弦長(zhǎng)/角度誤差、步長(zhǎng)等參數(shù)是機(jī)床生產(chǎn)廠商設(shè)置好的，一般選用其推薦數(shù)值，此處僅研究不同進(jìn)給速度和轉(zhuǎn)速的影響[5]。

在其他參數(shù)相同的情況下，通過(guò)測(cè)得多組數(shù)據(jù)，磨削進(jìn)給速度、機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速分別與粗糙度大致呈“V形”關(guān)系（圖1）。可看出精拋光時(shí)，進(jìn)給速度5800mm/min，主軸轉(zhuǎn)速1800r/min時(shí)，磨削表面粗糙度滿足Ra≤0.8要求，且基本為最優(yōu)值。

圖1 磨削進(jìn)給速度與粗糙度影響關(guān)系

在環(huán)境溫度25℃條件下，用40MAT金相顯微鏡，放大倍數(shù)X200，測(cè)得試樣金相組織如圖3。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，金相組織無(wú)異常。

圖3 金相組織圖

1.2.3 拋光表面組織合格性驗(yàn)證

鈦合金材料由于散熱性能差，拋光過(guò)熱易引起表面“燒傷缺陷”風(fēng)險(xiǎn)。拋光質(zhì)量除了宏觀的表面粗糙度外，還有兩個(gè)重要的監(jiān)測(cè)要素，一為宏觀上的顯微硬度，另一個(gè)為微觀上的表面組織變化。

將葉片汽道型面在上述選定的合理參數(shù)條件下拋光處理，對(duì)拋光區(qū)域取樣檢測(cè)。用5124維氏硬度儀測(cè)得所取試樣表面各點(diǎn)硬度如圖2?？煽闯龈鼽c(diǎn)位顯微硬度基本相當(dāng)，滿足材料的硬度要求。且同一點(diǎn)位表面與芯部硬度偏差合理范圍。

圖2 拋光試樣顯微硬度

2 結(jié)論

公司自主研發(fā)的1400等級(jí)鈦合金材料（Ti-6Al-4V）葉片，通過(guò)拋光工藝試驗(yàn)得出結(jié)論：

（1）A型砂帶拋光表面粗糙度最優(yōu)，可作為優(yōu)選方案；

（2）MK1000型數(shù)控砂帶機(jī)床進(jìn)給速度5800mm/min，轉(zhuǎn)速1800r/min時(shí)，表面粗糙度滿足Ra≤0.8的要求，且對(duì)比各參數(shù)基本為最優(yōu)；

（3）通過(guò)試驗(yàn)方法確定的拋光參數(shù)是合理可靠的，該方法研究思路可為其他葉片拋光方法的選擇提供參考。