鈦鋁合金渦輪轉(zhuǎn)軸偏心問(wèn)題的分析

□ 劉 燁 □ 朱春雷 □ 王紅衛(wèi) □ 何 洪 □ 張 繼 □ 彭海云

1.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所 天津 3004002.鋼鐵研究總院 北京 100081

1 鈦鋁合金渦輪轉(zhuǎn)軸概述

以新型輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料鈦鋁合金代替質(zhì)量較大的鎳基高溫合金應(yīng)用于車輛發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器渦輪,可大幅降低渦輪轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,改善發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛的加速響應(yīng)性,同時(shí)還具有顯著的節(jié)能減排效果[1-2]。輕質(zhì)鈦鋁合金渦輪轉(zhuǎn)軸的工程化應(yīng)用,是實(shí)現(xiàn)增壓器輕量化的必然發(fā)展趨勢(shì)。

鈦鋁合金渦輪轉(zhuǎn)軸裝配增壓器還需要解決渦輪與鋼軸之間的連接問(wèn)題。然而,鈦鋁合金室溫拉伸塑性較低,目前尚無(wú)法采用鎳基高溫合金渦輪與鋼軸的摩擦焊、電子束焊等工藝,只能采用釬焊或擴(kuò)散焊等工藝,但擴(kuò)散效率較低[3-8]。通過(guò)多年的探索,筆者所在單位開(kāi)發(fā)了一種采用三體連接工藝的鈦鋁合金渦輪轉(zhuǎn)軸。三體包括鈦鋁合金渦輪、鋼軸及兩者之間的鎳基高溫合金過(guò)渡體[9]。具體連接工藝為:采用摩擦焊工藝連接鋼軸與高溫合金過(guò)渡體，得到摩擦焊組件；之后采用過(guò)盈配合將加工后的摩擦焊組件與鈦鋁合金渦輪連接，得到三體連接組件,其中,高溫合金過(guò)渡體為包容體,鈦鋁合金渦輪轉(zhuǎn)軸為被包容體；最后進(jìn)行軸系精加工和動(dòng)平衡，得到渦輪轉(zhuǎn)軸成品。

2 存在的問(wèn)題

某型號(hào)鈦鋁合金渦輪轉(zhuǎn)軸試驗(yàn)過(guò)程中,部分轉(zhuǎn)軸的高溫合金包容體周向壁厚不一致,出現(xiàn)了渦輪轉(zhuǎn)軸偏心,且存在偏心的渦輪轉(zhuǎn)軸在臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中在連接部位產(chǎn)生破壞失效。顯然,偏心對(duì)高速旋轉(zhuǎn)的渦輪轉(zhuǎn)軸可靠性產(chǎn)生了嚴(yán)重的不利影響。筆者在分析鈦鋁合金渦輪轉(zhuǎn)軸偏心產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了具有偏心特征的同比結(jié)構(gòu)模擬試樣,以此研究偏心對(duì)渦輪轉(zhuǎn)軸連接強(qiáng)度的影響規(guī)律,并探討偏心的檢測(cè)方法。

3 原因分析

鈦鋁合金渦輪轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)如圖1所示，偏心如圖2所示。盡管鎳基高溫合金包容體的內(nèi)徑與鈦鋁合金渦輪圓周面同軸,但是包容體圓周面的壁厚不一致。對(duì)于增壓器渦輪這類結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件,加工時(shí)工裝只能夾持渦輪輪轂。首次加工過(guò)程中,鈦鋁合金渦輪和包容體均為獨(dú)立加工,因此偏心并不產(chǎn)生于這一環(huán)節(jié)。在后續(xù)的軸套過(guò)盈連接過(guò)程中,由于鈦鋁合金渦輪為非約束自由狀態(tài),鈦鋁合金渦輪與包容體中心線保持一致,因此偏心也并不產(chǎn)生于這一環(huán)節(jié)。在隨后的軸系精加工過(guò)程中,需要在包容體外徑上再次加工,此時(shí)需要進(jìn)行二次裝夾,且?jiàn)A持部位仍位于渦輪輪轂處。增壓器渦輪采用鑄造工藝制備,夾持部位是尺寸精度相對(duì)不足的鑄造毛坯面，兩次加工均裝夾于尺寸精度不高的鑄造毛坯表面,容易造成兩次加工時(shí)中心軸線不一致，這就是轉(zhuǎn)軸偏心產(chǎn)生的原因。顯然,這一現(xiàn)象將隨著渦輪鑄件的表面質(zhì)量變差而更為嚴(yán)重。

▲圖1 鈦鋁合金渦輪轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)▲圖2 鈦鋁合金渦輪轉(zhuǎn)軸偏心

4 偏心影響規(guī)律

對(duì)于存在偏心的成品組件,渦輪與包容體外徑的中心軸線偏心量為δ,則包容體的最大壁厚和最小壁厚差值Δt為：

Δt=tmax-tmin=2δ

(1)

為評(píng)價(jià)偏心對(duì)鈦鋁合金渦輪轉(zhuǎn)軸可靠性的影響規(guī)律,筆者設(shè)計(jì)和加工了不同偏心量δ的同比結(jié)構(gòu)模擬試樣,用于模擬存在偏心的成品組件,按照文獻(xiàn)[10]所述的工藝進(jìn)行加工和過(guò)盈配合連接,之后參照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》對(duì)存在偏心的成品組件進(jìn)行實(shí)物室溫拉伸強(qiáng)度測(cè)試。采用Ti-47.5%Al-2.5%V-1.0%Cr-0.2%Zr合金精密鑄造加熱等靜壓來(lái)制備渦輪及模擬試樣,鎳基高溫合金包容體材料為鑄造K418合金。

同比結(jié)構(gòu)模擬試樣室溫拉伸強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，失效載荷及失效模式見(jiàn)表1。由表1可知，四組無(wú)偏心組件的平均失效載荷為96.39 kN，偏心量為0.2 mm、0.3 mm、0.5 mm、0.8 mm的連接組件失效載荷均低于無(wú)偏心組件。其中,偏心量為0.2 mm時(shí)，失效載荷從96.39 kN降低為88.46 kN,降低幅度為8.17%。隨著偏心量的持續(xù)增大,失效載荷進(jìn)一步降低。當(dāng)偏心量增大至0.8 mm時(shí),失效載荷降低為76.78 kN,降低幅度高達(dá)20.30%。當(dāng)偏心量為0.2 mm時(shí)，同比結(jié)構(gòu)模擬試樣如圖3所示。

表1 模擬試樣室溫拉伸失效載荷及失效模式

▲圖3 偏心量為0.2 mm時(shí)同比結(jié)構(gòu)模擬試樣

配合面軸向摩擦力f為：

f=Cμtπdl

(2)

式中：C為結(jié)構(gòu)常數(shù)；μ為摩擦因數(shù)；t為包容體壁厚；d為配合面直徑；l為配合面長(zhǎng)度。

可知,配合面軸向摩擦力與包容體壁厚成正比。對(duì)于偏心量為δ的組件,包容體壁厚是不均勻的,其中，最小壁厚相比名義值減小δ。在試驗(yàn)中,名義壁厚為3.5 mm,以偏心量為0.2 mm的組件為例,最小壁厚為3.3 mm,最小壁厚比名義壁厚減小9.42%。該偏心組件的平均失效載荷為88.46 kN,平均失效載荷降低的幅度為8.17%,這一比例與偏心造成的壁厚減小幅度接近，進(jìn)一步說(shuō)明了偏心會(huì)造成過(guò)盈配合連接組件失效載荷降低。

從失效模式來(lái)看,四組無(wú)偏心的同比結(jié)構(gòu)模擬試樣中,兩組從配合面拉脫，兩組從鈦鋁合金處拉斷;而偏心模擬試樣均是以拉脫的方式失效。前期研究表明,對(duì)于從鈦鋁合金處拉斷的模擬試樣,根據(jù)鈦鋁合金截面積計(jì)算斷裂強(qiáng)度為338 MPa,遠(yuǎn)低于所用鈦鋁合金材料的強(qiáng)度(約600 MPa),分析認(rèn)為,斷裂由過(guò)盈方式對(duì)鈦鋁合金渦輪過(guò)盈配合面產(chǎn)生損傷而造成。對(duì)于拉脫模擬試樣,拉脫原因則是過(guò)盈配合摩擦力不足。在試驗(yàn)中,無(wú)偏心模擬試樣拉脫和拉斷的比例相當(dāng),說(shuō)明所選的過(guò)盈配合結(jié)構(gòu)參數(shù)和連接工藝參數(shù)是合適的。所有偏心模擬試樣均是以拉脫方式失效,說(shuō)明偏心減小了包容體對(duì)鈦鋁合金渦輪過(guò)盈配合面的軸向摩擦力,進(jìn)而使模擬試樣在較低的載荷下以拉脫方式失效。同比結(jié)構(gòu)模擬試樣失效模式如圖4所示。

▲圖4 同比結(jié)構(gòu)模擬試樣失效模式

5 檢測(cè)方法

由于偏心對(duì)鈦鋁合金渦輪轉(zhuǎn)軸可靠性有不利影響，因此需要研究偏心的檢測(cè)方法。考慮到偏心的直觀表現(xiàn)是包容體壁厚不一致,因此通過(guò)檢測(cè)包容體壁厚差確認(rèn)組件是否存在偏心。調(diào)研發(fā)現(xiàn),采用超聲測(cè)厚技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)壁厚差的檢測(cè)。超聲無(wú)損測(cè)厚的原理如下:當(dāng)探頭發(fā)射的超聲波通過(guò)被測(cè)物體到達(dá)材料分界面時(shí),脈沖被反射回探頭；通過(guò)精確測(cè)量超聲波在材料中傳播的時(shí)間，來(lái)確定被測(cè)材料的厚度。根據(jù)前述分析可知,偏心量為δ,包容體壁厚最大值和最小值相差2δ。因此,通過(guò)檢測(cè)鎳基高溫合金包容體圓周面上的壁厚差,可得到偏心量δ。

超聲測(cè)厚需要確定受檢工件的聲速、檢測(cè)部位、探頭規(guī)格及檢測(cè)精度。根據(jù)筆者試驗(yàn)的實(shí)際情況,所用的包容體材料為鑄造K418鎳基高溫合金,其聲速為6 230 m/s，檢測(cè)部位為包容體外徑圓周面。包容體外徑長(zhǎng)度約17.8 mm,但受到渦輪輪轂的干擾,只能選擇較小規(guī)格的探頭。經(jīng)篩選,只有規(guī)格φ4 mm的探頭適合于筆者所研究的渦輪轉(zhuǎn)軸。此外,考慮到偏心0.2 mm可使失效載荷降低8.17%，因此檢測(cè)精度應(yīng)高于0.2 mm,筆者選擇精度為0.1 mm的超聲探頭。

除超聲檢測(cè)設(shè)備外,還需要確定檢測(cè)的工序。由前述分析可知,模擬試樣的鎳基高溫合金包容體壁厚是不均勻的,但對(duì)于渦輪轉(zhuǎn)軸實(shí)物而言,首次加工和連接過(guò)程中包容體的壁厚是均勻的,其偏心是在最后的精加工過(guò)程中產(chǎn)生的。因此,檢測(cè)的時(shí)機(jī)應(yīng)為精加工完成后。

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者深入分析了三體連接鈦鋁合金渦輪轉(zhuǎn)軸偏心的形成原因,并設(shè)計(jì)了同比結(jié)構(gòu)模擬試樣，研究偏心對(duì)渦輪轉(zhuǎn)軸失效載荷的影響。

對(duì)于三體連接鈦鋁合金渦輪轉(zhuǎn)軸,偏心并不產(chǎn)生于渦輪轉(zhuǎn)軸的首次加工和軸套過(guò)盈連接,而產(chǎn)生于二次裝夾加工。

偏心減小了鎳基高溫合金包容體對(duì)鈦鋁合金渦輪過(guò)盈配合面的軸向摩擦力,進(jìn)而使渦輪轉(zhuǎn)軸在較低的載荷下以拉脫方式失效。

偏心導(dǎo)致連接組件的室溫拉伸失效載荷降低,并且隨著偏心量增大，失效載荷逐步降低。

采用超聲測(cè)厚技術(shù)，可以進(jìn)行鈦鋁合金渦輪轉(zhuǎn)軸偏心量的檢測(cè)。