復(fù)雜形體葉片磨削加工表面殘余應(yīng)力試驗(yàn)研究

裘俊彥，徐鯤濠

（1.常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，江蘇常州 213164；2.無錫透平葉片有限公司工藝研究所，江蘇無錫 214174）

0 引言

復(fù)雜形體葉片是指在結(jié)構(gòu)上采用大扭角、寬葉展，而且葉形上設(shè)有阻尼臺的葉片。這類葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成形工藝技術(shù)難度大，葉片零件通常是在高溫度、高轉(zhuǎn)速的惡劣環(huán)境下工作，對其加工精度及尺寸穩(wěn)定性等方面要求較高。

1 復(fù)雜形體葉片磨削加工表面殘余應(yīng)力

磨削加工（拋磨）通常是葉片機(jī)械加工的最后一道工序，磨削后葉片中殘余應(yīng)力的大小及分布情況，不僅是衡量葉片加工精度及尺寸穩(wěn)定性性的關(guān)鍵性指標(biāo)，更是保證葉片安全使用及工藝改進(jìn)的重要依據(jù)。葉片中的殘余拉應(yīng)力嚴(yán)重地影響了葉片的疲勞強(qiáng)度[1]。因此，殘余應(yīng)力的測量及消除，對于確保復(fù)雜形體葉片的可靠性、提高其承載能力有著非常重要的意義。

殘余應(yīng)力的測定方法大致可以分為物理測量法（無損測量法）和機(jī)械測量法[2]。無損測量法包括X 射線衍射、激光干涉和中子散射等；機(jī)械測量法包括鉆孔法、圓環(huán)應(yīng)變釋放法等。目前，無損測量法中的X 射線法最為成熟，X 射線法就是利用X射線在金屬材料內(nèi)發(fā)生衍射現(xiàn)象的原理來測定殘留應(yīng)力，其優(yōu)點(diǎn)是可以在不損壞被測零件的情況下，測定零件宏觀區(qū)域、微觀區(qū)域的壓應(yīng)力、拉應(yīng)力。

2 消除表面殘余應(yīng)力的工藝方法及設(shè)備

殘余應(yīng)力的消除方法有很多，例如時(shí)效處理、捶打、振動、回火熱處理、退火熱處理等。由于復(fù)雜形體葉片的結(jié)構(gòu)特性，屬于薄壁零件，對磨削加工（拋磨）后去除殘余應(yīng)力的要求較高，故采用真空去應(yīng)力退火的處理方法。

本次研究采用的真空去應(yīng)力退火設(shè)備是ZZG-150 真空去應(yīng)力退火爐，這種熱處理專業(yè)爐適用于高速鋼、工具鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼磁性材料、鈦合金以及有色金屬等材料的真空退火處理，熱處理后產(chǎn)品的表面光潔，具有能耗低、污染少、操作方便、勞動強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)。

真空去應(yīng)力退火的優(yōu)點(diǎn)是，在使工件材料發(fā)生回復(fù)軟化，消除內(nèi)應(yīng)力的同時(shí)，可改善材料的晶體結(jié)構(gòu)、提高材料的疲勞性能[3]。本文選取不同真空退火溫度，通過X 射線法來研究真空退火對殘余應(yīng)力的影響，旨在找出消除復(fù)雜形體葉片殘余應(yīng)力的較優(yōu)工藝措施。

3 試驗(yàn)過程

3.1 拋磨試驗(yàn)

（1）殘余應(yīng)力測試條件：X350A 型X 射線應(yīng)力儀，管電壓28 kV，管電流8 mA，Cu-Kα 輻射，準(zhǔn)直管直徑2 mm，（213）衍射面，2θ 掃描范圍137°～145°，掃描步距0.1°，時(shí)間常數(shù)2 s，應(yīng)力常數(shù)-277 MPa/（°）。

（2）測試材料：TC4 鈦合金。

（3）工藝狀態(tài)：機(jī)加工拋磨后。

（4）測試內(nèi)容：檢測位置如圖1 所示，分別為葉片凸臺上部的葉身區(qū)域（B1、B2、B3、N1、N2、N3 點(diǎn)），葉片凸臺與葉身轉(zhuǎn)接區(qū)域（B4、B5、N4、N5 點(diǎn)），葉片凸臺下部的葉身區(qū)域（B6、B7、B8、N6、N7、N8），葉片背弧凸臺的工作面區(qū)域（B9、B10）。測試各個(gè)點(diǎn)在葉片表面橫向、縱向的殘余應(yīng)力。

圖1 葉片測試點(diǎn)位置

3.2 真空去應(yīng)力退火試驗(yàn)

TC4 鈦合金真空去應(yīng)力退火溫度分別制定為500 ℃、550 ℃，退火時(shí)間為2 h。

熱處理去應(yīng)力退火試驗(yàn)在VPS50/10 型真空爐中進(jìn)行，真空度≤6.7×10-2Pa。選用X 射線法測量殘余應(yīng)力，該方法可對退火工藝前、后的同一測點(diǎn)進(jìn)行測量，并得到準(zhǔn)確的測量值[4]，具體的測試情況如下：

（1）殘余應(yīng)力測試條件：不變。

（2）工藝狀態(tài)：進(jìn)行真空去應(yīng)力退火，葉片試樣1 的退火參數(shù)定為溫度500 ℃、時(shí)間2 h，葉片試樣2 的退火參數(shù)定為溫度550 ℃、時(shí)間2 h。

（3）測試內(nèi)容：檢測位置如圖1 所示，測試各個(gè)點(diǎn)在真空去應(yīng)力后，葉片表面的橫向和縱向殘余應(yīng)力，即X 方向和Z 方向的殘余應(yīng)力。

選取真空去應(yīng)力前（機(jī)加工拋磨后）和真空去應(yīng)力后的葉片試樣1、試樣2 上不同的測點(diǎn)，在X 射線應(yīng)力測定儀上進(jìn)行殘余應(yīng)力測定。表1 是退火溫度為500 ℃時(shí)真空去應(yīng)力前、后測量出的葉片表面的殘余應(yīng)力值，表2 是退火溫度為550 ℃時(shí)真空去應(yīng)力前、后測量出的葉片表面的殘余應(yīng)力值。其中，σx表示橫向殘余應(yīng)力，σz表示縱向殘余應(yīng)力；正值代表拉應(yīng)力，負(fù)值代表殘余壓應(yīng)力。

表1 葉片1 真空退火500 ℃時(shí)葉片的殘余應(yīng)力 MPa

表2 葉片1 真空退火550 ℃時(shí)葉片的殘余應(yīng)力 MPa

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 真空去應(yīng)力退火前的殘余應(yīng)力分布情況

從表1、表2 中可看出，葉片1 拋磨后真空退火去應(yīng)力前，其橫向和縱向殘余應(yīng)力差異性明顯。葉片1 拋磨加工后在工件表面產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，橫向（X 方向）的應(yīng)力總體范圍在-372～+68 MPa之間，縱向（Z 方向）的應(yīng)力總體范圍在-457～-111 MPa，葉片表面在橫向方向上既有殘余壓應(yīng)力，也有殘余拉應(yīng)力，而在縱向方向只有殘余壓應(yīng)力。

從表1、表2 中還可以看出，X 方向上，葉片1 在內(nèi)弧處的上端部位置（N1、N2、N3）測試點(diǎn)處的殘余應(yīng)力較大，背弧處的上端部位置（B1、B2、B3）測試點(diǎn)處的殘余應(yīng)力次之，其中N3 點(diǎn)的殘余應(yīng)力最大，而中間部位（B4～B10 及N4～N10）殘余應(yīng)力比較平緩接近。Z 方向上，殘余應(yīng)力的分布與橫向方向有明顯的不同，葉片1 在背弧處的上端部位置（B1、B2、B3）測試點(diǎn)處的殘余應(yīng)力較大，內(nèi)弧處的上端部位置（N1、N2、N3）及背弧凸臺工作面位置（B9、B10）的殘余應(yīng)力次之，其中B3 點(diǎn)的殘余應(yīng)力最大。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，表面的殘余應(yīng)力是在拋磨加工后產(chǎn)生的。葉片的中間區(qū)域在拋磨過程中，工件剛度較大，不易變形，所以殘余應(yīng)力較小，而葉片的上端部及凸臺處的剛度較小，易引起塑性變形，所以殘余應(yīng)力較大。此外，由于葉片形體復(fù)雜，進(jìn)氣邊與出氣邊的厚度尺寸不同，即使在同一水平位置上，背弧、內(nèi)弧的局部測試點(diǎn)的受力不同、變形不同，導(dǎo)致應(yīng)力完全不同，有的測試點(diǎn)存在壓應(yīng)力，有的測試點(diǎn)還存在拉應(yīng)力。

從整體分布情況看，磨削后的葉片表面殘余應(yīng)力出現(xiàn)了各向異性。垂直于磨削方向（Z 方向）的應(yīng)力有比較大的殘余壓應(yīng)力，而平行于磨削方向（X 方向）的應(yīng)力較小。拋磨加工后產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力值隨著測量點(diǎn)位置的改變逐漸變化，到達(dá)一定位置時(shí)殘余壓應(yīng)力達(dá)到最小，接著會隨著測量點(diǎn)位置的改變（葉片剛度的變化）壓應(yīng)力值轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，然后隨著葉片測試點(diǎn)位置的改變再逐漸變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力。

4.2 真空退火后的殘余應(yīng)力分布情況

真空退火溫度500 ℃及550 ℃時(shí)葉片表面X 方向的殘余應(yīng)力分布情況，及真空退火溫度500 ℃及550 ℃時(shí)下葉片表面Z 方向的殘余應(yīng)力分布情況如圖2 所示。

圖2 不同真空退火溫度下殘余應(yīng)力分布曲線

疲勞破壞是葉片失效的主要形式之一，而疲勞破壞過程中的疲勞裂紋，最易在材料的拉應(yīng)力部位出現(xiàn)，拉應(yīng)力則是促使裂紋擴(kuò)展的主要原因。減小殘余拉應(yīng)力，甚至產(chǎn)生有益的殘余壓應(yīng)力，一直是人們關(guān)心的問題。

（1）橫向（X 方向）：真空退火后的殘余壓應(yīng)力大部分在降低，有些部位僅是退火前數(shù)值的1/3。

（2）縱向（Z 方向）：真空退火后的殘余壓應(yīng)力大幅度降低，數(shù)值范圍是原來的1/2～1/5.5，而且Z 方向的殘余應(yīng)力比X 方向的殘余應(yīng)力下降更明顯。

從表1、表2 的殘余應(yīng)力數(shù)值及圖2 的殘余應(yīng)力分布曲線可以看出，真空退火去應(yīng)力前，在Z 方向的平均應(yīng)力值高出去應(yīng)力后的應(yīng)力大約-300 MPa，也就是說真空退火去應(yīng)力工藝使試制葉片的應(yīng)力提高了大約-300 MPa。從殘余應(yīng)力分布曲線可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在葉片凸臺上部的葉身區(qū)域。

4.3 真空去應(yīng)力的溫度對殘余應(yīng)力的影響

由圖2 可知，退火后殘余應(yīng)力降幅度較大，試樣葉片在橫向和縱向的殘余應(yīng)力變化趨勢相同，隨著退火溫度的升高，葉片表面的殘余應(yīng)力不斷下降。

相同保溫時(shí)間下，退火溫度為550 ℃時(shí)，葉片表面殘余應(yīng)力迅速下降，降幅約達(dá)30%以上，這是由于金屬所吸收的熱能達(dá)到了材料微結(jié)構(gòu)的應(yīng)力松馳熱激活能，從而使葉片表面的應(yīng)力得到松弛并逐漸降低，當(dāng)應(yīng)力逐漸降低并消失后，必須繼續(xù)升高退火溫度，繼續(xù)完成較高的激活能的應(yīng)力松弛過程[5]。在500～550 ℃時(shí)，材料微結(jié)構(gòu)變形的畸變能較高，應(yīng)力松馳活躍，應(yīng)力消除效果好；雖然升高退火溫度，應(yīng)力的消除將會更徹底，但有可能引起材料性能的惡化[6]，導(dǎo)致材料強(qiáng)度、硬度等指標(biāo)降低。故對于TC4 鈦合金建議采用550 ℃真空退火工藝來消除葉片機(jī)加工拋磨后的殘余應(yīng)力。

4.4 分析磨削中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因

磨削中，葉片表面殘余應(yīng)力主要來自3 個(gè)方面：加工磨削力引起的塑性變形、磨削高溫?zé)釕?yīng)力引起的塑性變形和材料金相組織相變引起的體積變化。

4.4.1 磨削力引起的塑性變形

在加工磨削力的作用下，材料表面層發(fā)生塑性流動和延展現(xiàn)象，表層之下的材料彈性恢復(fù)變形受到已塑性變形表面金屬的牽制，使葉片表面產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力。

4.4.2 高溫?zé)釕?yīng)力引起的塑性變形

磨削熱使工件表面溫度升高，使材料表面層進(jìn)入完全塑性狀態(tài)，工件冷卻后，表面層金屬收縮受到表層之下的材料的牽制，使葉片表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。

4.4.3 金相組織相變引起的體積變化

當(dāng)葉片磨削接觸區(qū)的溫度達(dá)到相變溫度后，葉片表面發(fā)生金相組織改變和體積變化，殘余應(yīng)力的性質(zhì)隨磨削前后材料金相組織的改變而改變，葉片表面殘余應(yīng)力的大小也有較大的變化。

5 結(jié)論

磨削后的葉片表面殘余應(yīng)力出現(xiàn)了各向異性，垂直于磨削方向的殘余應(yīng)力較大，平行于磨削方向的殘余應(yīng)力較小。對TC4鈦合金復(fù)雜形體葉片試件采用真空退火去應(yīng)力處理工藝，可顯著降低殘余的壓應(yīng)力，并去除有害的殘余拉應(yīng)力。真空去應(yīng)力的退火溫度越高，葉片表面殘余應(yīng)力去除得越徹底。對于TC4 鈦合金，建議采用550 ℃真空退火工藝來消除葉片機(jī)加工拋磨后的殘余應(yīng)力。