提高渦輪葉片榫齒疲勞試驗合格率的工藝研究

楊 釗

（中國航發科技股份有限公司， 四川 成都 610503）

引言

某型Ⅰ～Ⅵ級渦輪葉片，材料牌號K465,鑄件技術條件Q/6S 2243—2009。鑄件技術條件規定Ⅰ、Ⅱ級渦輪葉片鑄件為固溶狀態交付，Ⅲ～Ⅵ級渦輪葉片鑄件為鑄態狀態交付。項目實施以來，Ⅰ-Ⅵ級渦輪葉片榫頭磨削加工合格率低；試車后熒光檢查葉片榫頭部位有缺陷顯示，Ⅱ-Ⅵ級渦輪葉片振動疲勞極限試驗，疲勞強度不滿足技術條件要求。本文針對上述問題開展研究，采取了一系列的提高渦輪葉片疲勞合格率的工藝研究。

1 冷工藝部分

1.1 榫齒型面強力磨削工藝

1.1.1 榫齒型面強力磨削工藝特點

榫齒型面是渦輪葉片與渦輪盤榫槽的配合面，承受較大的負荷，對榫頭的要求很高。榫頭采用縱樹形榫齒，榫齒工作面直線度誤差為0.01，齒距為0.015，錯齒為0.02。結構見圖1。

圖1 渦輪葉片榫齒型面（單位：mm）

1.1.2 榫齒型面強力磨削工藝缺陷及其改進

1）磨削榫齒夾具設計以方箱面定位、夾緊剛性差的改進。如圖2 所示，用改進前的夾具強力磨削榫齒型面時，由于懸出的榫齒部位沒有定位、夾緊，鋼性較差，對榫齒粗糙度有一定影響。針對上述問題，對夾具榫齒部位增加了輔助定位、夾緊機構，如圖3 所示。

圖2 改進前的榫齒夾具

圖3 改進后的榫齒夾具

2）磨削冷卻噴嘴出水壓力小的改進。改進前冷卻噴嘴出水壓力小，主要是噴嘴角度差異、開孔較少所致，如圖4。針冷卻噴嘴角度差異、開孔較少導致出水壓力小的問題，對冷卻噴嘴進行了改進如下頁圖5。

圖4 改進前的冷卻噴嘴（單位：mm）

1.2 榫頭兩端面強力磨削工藝

1.2.1 榫頭兩端面磨削工藝特點和工藝缺陷

由于對K465 磨削加工的特性認識不足，采用普通的平面往復磨削加工，磨削后的零件熒光顯示點、線狀缺陷較多，如下頁圖6。

經過分析，導致熒光不合格的原因：磨削方式不合理；磨削參數,砂輪選擇不合適；冷卻效果不理想。

圖5 改進后的冷卻噴嘴（單位：mm）

圖6 榫頭兩端面磨削后熒光顯示缺陷

1.2.2 榫頭兩端面強力磨削工藝的改進

針對榫頭兩端面磨削存在熒光顯示缺陷問題，進行了諸多方面的工藝改進工作。

1）改進磨削方式。通過大量的試驗，確定用國產緩進給磨床3MKL-5740 強力磨削加工榫頭兩端面，解決磨削加工熒光顯示缺陷問題。

2）試驗磨削參數，優化砂輪配制。強力磨削K465，砂輪配制至關重要，經過對幾種砂輪試驗，最終確定選擇由白剛玉（WA）、鉻剛玉（PA）混合磨料，硬度適中、80～100 目的砂輪。

磨削參數經過反復試驗，確定最佳磨削參數，表1 是磨削試驗期間選用的幾組參數。

表1 渦輪葉片榫頭兩端面試驗參數表

2 熱工藝部分

1）對外購葉片理化分析報告中提出的“葉身表面的再結晶層”形成的機理進行研究和摸索。第一，葉片在噴丸狀態下進行固熔處理后，理化檢測葉身噴丸表面有再結晶層產生。分析認為：再結晶層可能是外購葉片在鑄件毛料的清理過程中采用類似噴丸或吹砂之類的工藝，并在經高于再結晶溫度以上的熱處理溫度后在葉身表面形成的。第二，再結晶生成溫度驗證。鑄件吹砂后經760 ℃、1 000 ℃、1 100 ℃、1 210 ℃四種熱處理溫度下驗證葉身是否生成再結晶層，試驗證明：葉身表面吹砂后，經1 210±10 ℃固溶熱處理的葉片表面形成完全再結晶層。第三，結合再結晶生成溫度驗證結果，首次提出Ⅲ～Ⅵ級渦輪葉片的熱處理狀態應為固溶熱處理狀態，并選取自制Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ級渦輪葉片固溶、消應、鑄態三種狀態的葉片和外購Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ級渦輪葉片，進行化學成分、金相組織、機械性能對比分析，性能對比進行了驗證。得出渦輪葉片熱處理狀態均為固溶熱處理。

2）去除低熔點合金。綜合考慮低熔點合金去除效果及酸洗前后葉片表面狀態，開展工藝攻關，在保證完全去除低熔點合金的前提下，降低酸洗對葉片表面質量和熒光檢測的影響，確定酸洗工藝參數為：ρ（HNO3）=750～780 g/L，第一次酸洗10 min（新配）+第二次酸洗5 min（新配），測量酸洗后溶液低熔點合金含量應不大于1×10-6。

3）疲勞極限試驗不合格原因的進一步分析及相關措施。第一，極限疲勞裂紋與顯微疏松。根據Ⅴ級渦輪葉片經極限疲勞裂紋的斷口分析，疲勞裂紋的萌生和擴展與顯微疏松有關，特別是近進排氣邊的顯微疏松。有的葉片斷口上的顯微疏松含量已超過2%的控制要求。分析該情況可能與鑄造熔煉設備的模殼保溫裝置采用石墨感應加熱有磁場干擾造成溫度波動影響澆鑄質量，目前已在采用電阻加熱裝置開展澆鑄，并通過加強澆注系統補縮，減少和控制疏松的產生。改進后進行加工，成品件生產疲勞試驗合格，且未發現近進排氣邊的顯微疏松的問題。第二，熱處理參數優化。對固溶熱處理爐溫均勻性控制和冷卻速度進行改善，采用負載熱電偶進行固溶熱處理裝載量試驗，優化1 210 ℃±10 ℃至1 000 ℃的冷卻速度控制，以滿足技術要求。

3 結論

1）通過對強力磨榫齒/榫頭兩端面加工參數的優化、冷卻方式的改變、噴嘴的改進、砂輪選擇的優化、夾具增加輔助支承，榫頭兩端面磨削加工熒光一次合格率從改進前的5%以下提高到了98%。

2）固溶狀態的渦輪葉片疲勞合格率由原來的10%提高到70%以上。