噴丸對TC4鈦合金材料葉片的影響研究

周云波 龍老虎

摘要：文章主要通過試驗(yàn)的方式，研究噴丸對鈦合金材料（Ti-6Al-4V）長葉片的疲勞壽命、表面粗糙度、表面完整性、滲入Fe元素含量等的影響，為確定合理的鈦合金材料長葉片噴丸方式提供一定的幫助。

Abstract： This article mainly studies the effects of shot peening on the fatigue life， surface roughness， surface integrity， content of infiltrated Fe element， etc. of long blades of titanium alloy material （Ti-6Al-4V）， in order to determine the reasonable titanium Shot peening of alloy material with long blades provides certain help.

關(guān)鍵詞：TC4鈦合金材料長葉片;噴丸研究;試驗(yàn)

Key words： TC4 titanium alloy material long blade;shot peening research;test

中圖分類號(hào)：TG668? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）02-0098-03

0? 引言

汽輪機(jī)組在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，特別是末級(jí)葉片受力比較復(fù)雜，由于疲勞失效原因?qū)е碌娜~片斷裂事故時(shí)有發(fā)生。鈦合金材料本身具有彈性模量小、屈強(qiáng)比高、耐腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，越來越廣泛地被各汽輪機(jī)葉片生產(chǎn)廠家應(yīng)用于末級(jí)葉片的開發(fā)中，如日立的1500mm葉片、Alstom的1244mm葉片等等。目前，在汽輪機(jī)行業(yè)主要利用噴丸強(qiáng)化來改善鈦合金材料葉片的抗疲勞性能和提高其微動(dòng)疲勞抗力，從而提高葉片表面完整性、可靠性和耐久性[1]。

噴丸強(qiáng)化是以丸料高速撞擊葉片表面，使其表面產(chǎn)生起保護(hù)作用的殘余壓應(yīng)力和形成細(xì)化亞晶粒的冷作硬化層，從而延長葉片的抗疲勞壽命和載荷能力[2]。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。本文將通過噴丸試驗(yàn)的方式，從宏觀表面粗糙度、表面完整性，微觀疲勞壽命、Fe元素含量等方面進(jìn)行分析，摸索出鈦合金材料葉片合理、可靠的噴丸方式。

1? 噴丸試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及儀器

1.1.1 試驗(yàn)材料

若干規(guī)格為15×15×160（mm）的TC4長方形試塊，試塊經(jīng)過熱處理，拉伸性能符合表1要求，并且試塊表面用拋光砂紙打磨光滑。

規(guī)格型號(hào)為S230和S390鑄鋼丸料、規(guī)格型號(hào)為180的玻璃丸料、陶瓷丸料。

1.1.2 儀器設(shè)備

檢測儀器：MTS 810疲勞試驗(yàn)機(jī)、Mitutoyo SJ-400粗糙度儀、掃描電子顯微鏡、能譜分析儀。

操作設(shè)備：鑄鋼丸噴丸機(jī)床、玻璃丸噴丸機(jī)床、陶瓷丸噴丸機(jī)床。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 疲勞壽命對比測試

將15件試塊等分成3組，第1組進(jìn)行S230鑄鋼丸噴丸，第2組進(jìn)行S390鑄鋼丸噴丸，第3組進(jìn)行陶瓷丸噴丸。每一組5件試塊分別噴丸強(qiáng)度為不噴丸、0.12mmA、0.16mmA、0.22mmA及0.32mmA，覆蓋率均為100%。試塊噴丸后用MTS 810疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行三點(diǎn)彎曲疲勞壽命試驗(yàn)，加載應(yīng)力σmax=550Mpa，應(yīng)力比R=0.1。測得不同工藝參數(shù)條件下各試塊循環(huán)周次。

從試驗(yàn)結(jié)果來看，相對于未噴丸試塊，通過鑄鋼丸和陶瓷丸噴丸的試塊，其疲勞壽命均得到顯著提高。隨著噴丸強(qiáng)度增加，疲勞壽命近似呈“正態(tài)”變化趨勢。相對于S390鑄鋼丸料，用較細(xì)的S230鋼丸噴丸后，疲勞壽命改善效果更為明顯，而陶瓷丸噴丸改善效果并不明顯。

1.2.2 粗糙度對比測試

將25件試塊等分成5組，第1組進(jìn)行S230鑄鋼丸噴丸，第2組進(jìn)行S390鑄鋼丸噴丸，第3組進(jìn)行陶瓷丸噴丸，第4組進(jìn)行S230鑄鋼丸+玻璃丸噴丸，第5組進(jìn)行S390鑄鋼丸+玻璃丸噴丸。每一組5件試塊分別噴丸強(qiáng)度為不噴丸、0.12mmA、0.16mmA、0.22mmA及0.32mmA，覆蓋率均為100%。試塊噴丸后用Mitutoyo SJ-400型粗糙度儀測試粗糙度，每件試塊上取樣測試5個(gè)點(diǎn)位，由于儀器誤差、取樣誤差等綜合誤差因素影響，統(tǒng)計(jì)取5個(gè)點(diǎn)位測試平均值進(jìn)行分析。相對于不噴丸試塊（原始機(jī)加工表面），各種噴丸處理后表面粗糙度都會(huì)增大。隨著噴丸強(qiáng)度增加，表面粗糙度會(huì)呈上升趨勢。低強(qiáng)度（<0.2mmA）條件下的鑄鋼丸噴丸，試樣表面的粗糙度“較好”，基本在Ra1.0μm以下。陶瓷丸、單獨(dú)高強(qiáng)度鑄鋼丸、高強(qiáng)度鑄鋼丸+二次玻璃丸噴丸面粗糙度都較高。

1.2.3 表面完整性測試

用掃描電子顯微鏡觀察上述1.2.2各不同噴丸參數(shù)條件下試塊表面形貌，分別放大倍數(shù)×100和×500，結(jié)果如圖1所示。

從觀察到的結(jié)果分析，未噴丸試樣的表面只有拋磨的劃痕。噴丸強(qiáng)度較低的鑄鋼丸噴丸試樣表面完整性非常好，有噴丸產(chǎn)生的凹痕，劃痕大部分消失。但是隨著噴丸強(qiáng)度提高，試樣表面嵌入的Fe元素顆粒逐漸增多，甚至局部產(chǎn)生微裂紋。陶瓷丸噴丸試樣表面完整性較好，局部嵌入了陶瓷顆粒，且有陶瓷顆粒劃傷的痕跡。鑄鋼丸噴丸+玻璃丸二次噴丸的試樣表面完整性較差，明顯的劃痕非常多，局部嵌入了很多玻璃丸微顆粒。

1.2.4 噴丸面殘留Fe元素測試

鈦合金材料在表面嵌入鐵微粒（即鐵污染）后，鐵微粒可能會(huì)對鈦材料表面有以下的影響：

鐵微粒阻礙鈦材料表面鈍化膜的自修復(fù)過程，導(dǎo)致鐵微粒周邊的陽極電位增加，當(dāng)超過一定范圍后，鈦材料表面出現(xiàn)點(diǎn)蝕現(xiàn)象;

鐵微粒的存在導(dǎo)致鈦材料表面的鈍化膜受損，從而當(dāng)鈦材料表面有氫原子存在時(shí)，缺陷處作為氫離子進(jìn)入的通道而存在，產(chǎn)生鈦的氫損傷，影響力學(xué)與耐蝕性能，如強(qiáng)度、韌性下降，或在外加應(yīng)力與點(diǎn)蝕、晶體內(nèi)部富集氫原子的共同作用下，鈦材料產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂[3]。

因此，我們有必要研究不同噴丸方式對鈦合金材料表面Fe元素的影響。在各種丸料中，玻璃丸、陶瓷丸等自身不含有Fe元素，所以其噴丸不會(huì)帶來Fe元素滲入。而鑄鋼丸表面氧化層中含有Fe元素，會(huì)有滲入Fe元素的影響。本研究僅對鑄鋼丸噴丸開展相關(guān)對比試驗(yàn)。

試驗(yàn)準(zhǔn)備4組試塊，第1組試塊采用低強(qiáng)度（0.12mmA）鑄鋼丸噴丸，第2組采用低強(qiáng)度（0.12mmA）鑄鋼丸+二次玻璃丸（0.25mmN）噴丸、第3組采用高強(qiáng)度鑄鋼丸（0.25mmA）、第4組采用高強(qiáng)度鑄鋼丸（0.25mmA）+二次玻璃丸（0.25mmN）噴丸。鑄鋼丸料均采用S230型新鋼丸，試塊噴丸后用能譜儀（EDS）在每件試塊噴丸面上隨機(jī)取樣6個(gè)點(diǎn)位，得出各化學(xué)元素的平均百分比含量（如圖2）。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，較低強(qiáng)度鑄鋼丸噴丸，滲入基體Fe元素含量較少（<0.3%），經(jīng)過玻璃丸二次噴丸后，基本檢測不到Fe元素。而高強(qiáng)度鑄鋼丸噴丸，滲入集體Fe元素含量非常多，易導(dǎo)致Fe元素“超標(biāo)”，但是經(jīng)過玻璃丸二次噴丸后，F(xiàn)e元素又明顯降低，說明玻璃丸能夠?qū)w表面Fe元素具有“清洗”作用。

2? 結(jié)論

①對于TC4材料，其疲勞壽命與試樣噴丸面的粗糙度密切相關(guān)，噴丸強(qiáng)度較低的鑄鋼丸噴丸試樣和噴丸強(qiáng)度較低的鑄鋼丸+玻璃丸噴丸試樣的表面粗糙度都較低，而這些試樣的疲勞壽命都較高。②試樣的表面完整性也非常重要，會(huì)對材料的疲勞壽命產(chǎn)生重要影響。對于鑄鋼丸噴丸，當(dāng)噴丸強(qiáng)度較低時(shí)，材料的噴丸面完整性非常好，甚至試樣表面原始的打磨痕跡也會(huì)消失。但是當(dāng)噴丸強(qiáng)度較高時(shí)，試樣表面就會(huì)嵌入較多的Fe元素顆粒，同時(shí)表面會(huì)出現(xiàn)微裂紋;陶瓷丸和玻璃丸都為脆性材料，所以很容易在噴丸過程中破損，從而在噴丸過程中劃傷試樣表面，從而破壞試樣的表面完整性，所以經(jīng)過陶瓷丸和玻璃丸噴丸試樣的疲勞壽命大都不是很高。③當(dāng)噴丸強(qiáng)度較低時(shí)，鑄鋼丸噴丸試樣、鑄鋼丸+玻璃丸試樣的表面幾乎檢測不到Fe元素顆粒殘留，而當(dāng)噴丸強(qiáng)度較高時(shí)，F(xiàn)e元素嵌入試樣表面的現(xiàn)象比較明顯，其含量迅速增加。為了防止因?yàn)镕e元素顆粒污染造成的電解腐蝕，需要采取有效的措施控制滲入基體表層的Fe元素含量，如噴過鋼鐵材料的鑄鋼丸在噴TC4鈦合金前應(yīng)予以更換，鑄鋼丸噴丸后材料表面用干凈的水清洗，玻璃丸二次噴丸清洗，二次噴丸的玻璃丸料應(yīng)定期更換等等。

參考文獻(xiàn)：

[1]高玉魁.噴丸對Ti-10V-2Fe-3AL鈦合金拉-拉疲勞性能的影響[J].中國有色金屬學(xué)報(bào)，2004（14）.

[2]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.

[3]毛成亮，趙彬，等.Fe元素含量對鈦合金性能的影響[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2019（02）.