鋁硅涂層葉片的振動光飾制備工藝參數優化

楊 嵩，戚厚軍，秦程現，葉帥奇

（1.天津職業技術師范大學機械工程學院，天津300222；2.北華航天工業學院機械工程學院，河北 廊坊 065000）

1 引言

振動光飾，又稱振動光整加工技術，始于20 世紀70 年代，由美國Bendix 公司的LarruxK.Gillepie 先生提出。振動光飾技術雖在我國起步較晚，但隨著工業技術的發展，振動光飾技術也引起大家的重視[1-2]。通過研究鋁硅涂層葉片的振動光飾技術，目的是提高鋁硅涂層葉片的表面質量，不僅能提高葉片表面強度，還能改善航改型燃機的使用效率[3-6]。以航改型燃氣輪機RB211-24G 為例來說，為保證其使用安全性，要對關鍵部件鋁硅涂層葉片做定期損傷檢查[7]。只要有一片葉片出現問題，同組其余葉片都要進行同樣的修復處理，這樣需要修復的葉片數量就會很大。振動光飾是鋁硅涂層葉片修復的主要方法之一[8-10]，但在實際的鋁硅涂層葉片振動光飾修復處理中，葉片表面的光飾效果并不理想[11-12]，主要的問題有：第一，葉片表面粗糙度Ra≧（0.8～1.0）μm，而修復標準要求除葉片尖角保護不加工外，葉片其余部位應控制在Ra＜0.8μm，達不到修復標準要求。第二，鋁硅涂層葉片的涂層厚度不均勻，局部厚度≦20μm，達不到修復標準要求。第三，在振動光飾加工后葉片表面經常出現磕碰劃傷，涂層脫落掉塊，氣動性能異常等問題[13]。振動光飾也會存在加工效率低，加工周期長的問題[14]。所以如何提高鋁硅涂層葉片振動光飾的修復合格率和加工效率，保證葉片的表面質量就成為亟待解決和研究的問題。

對航改型燃氣輪機RB211-24G 鋁硅涂層葉片的振動光飾制備工藝參數優化的目的是為保證振動光飾表面質量和提高振動光飾加工效率。具體的優化約束條件是：一是表面質量的要求，表面粗糙度不得超過Ra 0.5μm，表面無缺陷，紋理均勻清晰；涂層均勻，厚度不少于20μm，色澤明亮；二是加工效率的要求，整個振動光飾耗時不能超過120min；三是要選用已用設備及配套附件，實現成本最優化和周期最短。主要是從振動光飾所用的磨劑和磨料的型號，以及振動光飾設備的選型及參數調整三個方面來完成具體的優化。

2 振動光飾的磨劑選取

振動光飾的磨劑是振動光飾過程中添加到磨料與葉片被光飾表面之間的拋光劑，光亮劑、清潔劑，活性劑[15-16]。它不僅可以起到拋光清潔的作用，而且還可以改變葉片被光飾表面的活性，從微觀上改善葉片被光飾表面的表面質量。振動光飾常用的磨劑種類繁多，一般選取時主要考慮應與振動光飾設備配套，所以選用的是美國哈蒙特機械公司生產L-620 和XL-528 兩種，L-620 磨劑主要成份是硅酸鹽、三乙醇胺、胺羧酸鹽等成分，PH 值大約為10.4 偏堿性，顏色為淡綠色。另外一種XL-528 主要針對對鐵質材料，具有綬蝕作用，PH 值大約是8.4，偏堿性。實際在鋁硅涂層葉片的振動光飾試驗中發現，L-620 表面質量要優于XL-528，但效率方面XL-528 要優于L-620，選取原則是優先保證表面質量的前提下才會考慮加工效率，所以最終選取了L-620。

3 振動光飾的設備選型及參數調整

對于RB211-24G 鋁硅涂層葉片的振動光飾加工，選用已有設備美國的哈蒙特立式振動滾磨機。設備振幅可調范圍為（5～9）mm。設備磨料總容積為700L，實際加注磨料最佳是500L，磨劑與水按比例調和使用。立式振動滾磨光整機屬于空間運動單軸慣性激振器驅動，激振器的軸豎直安裝，軸上兩端裝有偏心塊，當激振器的主軸高速旋轉時，偏心塊在水平上產生離心激振力，在豎直方向上產生激振力矩，因此磨料伴隨葉片在容器中呈環形螺旋運動[17-19]。

在試驗初期，注意到葉片在磨料中運動翻滾頻率低是引起設備加工效率低的主要原因，所以要設法提高葉片在磨料中運動翻滾頻率。根據立式振動光飾機的受力分析，激振器在水平平面內產生的激振力P（t）計算公式，如式（1）所示。激振器產生繞水平面軸線的激振力矩M（t）計算公式，如式（2）所示。

式中：P（t）—水平平面內產生的激振力；

M（t）—激振器產生的繞水平面軸線的激振力矩；

m—偏心塊的質量，通常選取上下兩偏心塊的質量相等；

w—激振器主軸的角速度；

r—偏心塊質心到豎直軸的距離；

a—兩塊偏心塊在水平平面內的夾角；

d0—兩偏心塊中心距離；

d—上偏心塊到容器質心的距離。

從式（1）和式（2）可知，改變葉片在磨料中運動翻滾頻率就需要考慮改變立式振動滾磨機配重塊的重量和角度。偏心塊質量或偏心塊質心偏移量過大時，則振動軸旋轉時偏心塊產生離心力就過大，離心力過大引起劇烈的振動，振動光飾加工效率就越高，振動光飾表面的表面質量越差。從設備結構上考慮，偏心塊質量或偏心塊質心偏心量太大，會造成振動過于劇烈，雖然加工效率會大大提高，但表面質量會很差，同時會大大降低支撐振動軸的壽命。反之，偏心塊質量和偏心塊質心偏移量過小，又造成振動過于平緩，加工效率低，但可獲得良好的光飾表面質量，并可防止易變形件在加工過程中的變形。

所以根據試驗情況，上下偏心塊質量m0同時增加0.5kg，激振力P（t）和激振力矩M（t）增加到原來的兩倍，結果葉片光飾時間從原來的12 小時縮減到6 個小時，葉片在容器內翻轉流暢，效率較高，僅從加工時間上來分析，加工效率的問題得到初步解決。但光飾加工過的表面粗糙度為Ra0.9μm，涂層厚度也從60μm 快速下降到20μm，低于20μm 就不能滿足RB211-24G 硅鋁涂層葉片表面質量的修復要求。

4 振動光飾的磨料選取

振動光飾中磨料的選取對葉片光飾表面質量和涂層厚度也有直接的關系，同時對葉片光飾加工效率也有很大的影響，所以葉片的振動光飾加工中磨料的選型至關重要。據調研磨料的種類也很繁多，從材料上分主要有棕剛玉、白剛玉、碳化硅、陶瓷、樹脂、果殼等。從形狀分主要有球形、三角形、圓柱形、圓錐形、菱形及其它特殊形狀。從磨料的粒度分有粗磨、中磨、精磨和精細拋磨，粒度從70 目到2000 目，表面粗糙度由Ra0.8μm 到Ra1.6μm[14]。技術方案已經確定了針對RB211-24G 葉片選用陶瓷類或氧化鋁類磨料來進行振動光飾的表面加工，而磨料的材料、形狀、粒度、磨料的裝入量等參數需要通過試驗結果對比后確定。

4.1 第一輪磨料選取試驗

RB211-24G 鋁硅涂層葉片要求相對較高，不僅要考慮葉片的表面粗糙度，漆層厚度，還要注意表面的色澤和紋理等方面的要求。從設備初步試驗結果看，磨料選擇是影響葉片質量的一個重要因素，先從中壓氣機靜子噴漆葉片開始試驗，依據葉片的大小和形狀，選取了五種磨料：灰色陶瓷斜三角（20×20）mm、灰色陶瓷圓球SR4mm、灰色陶瓷錐形φ（15×15）mm、白色陶瓷正三角（8×8）mm、白色陶瓷圓球SR5mm，第一輪試驗磨料實物，如圖1所示。

圖1 第一輪試驗磨料實物圖Fig.1 Material Drawing of the First Test Abrasive

通過振動設備光飾加工，每半小時間隔取樣觀察葉片加工效果變化，主要觀察葉片表面紋理、色澤、粗糙度、涂層厚度、葉片邊角尺寸等，振動光飾設備容積為700L，初輪磨料約為350L，約占容積比的50%，加過程中的磨劑是L-620。第一輪試驗參數及結果，如表1 所示。

表1 第一輪試驗數據Tab.1 Data of the First Test

從第一輪磨料選取試驗結果分析可知，圓球狀磨料加工后表面不平整，切削力差。白色陶瓷較硬對鋁硅葉片表面有磕印或劃傷，灰色陶瓷切削力較強，振動光飾后表面粗糙度達不到修復要求。在整個振動光飾加工過程中使用光飾防水膠帶保護葉片兩端緣板，避免緣板受損或劃傷葉片表面，但從試驗結果看，會有部分光飾保護膠帶脫落，出現葉片兩端緣板劃傷葉片葉面的情況，這種情況是絕對禁止的，要采取必要措施加以避免，葉片劃傷情況實物示意圖，如圖2 所示。

圖2 葉片劃傷情況實物圖Fig.2 Actual Picture of Blade Scratches

4.2 第二輪磨料選取試驗

通過第一輪試驗結果及磨料特性分析，再結合振動設備的特點，選取灰色陶瓷三角（20×20）mm 為基礎樣本進行磨料的配比改進，調整磨料尺寸大小和含沙量。特燒制第二輪試驗磨料實物圖所示的灰色陶瓷三角（15×15）mm、白色陶瓷三角（10×12）mm、灰色陶瓷三角（8×8）mm 三種磨料，如圖3 所示。磨料與葉片體積比約為1：2，磨劑繼續使用L-620。第二輪試驗參數及結果，如表2所示。

圖3 第二輪磨料實物圖Fig.3 Second Abrasive Material Drawing

表2 第二輪試驗數據Tab.2 Data of the Second Test

第二輪試驗結果表明灰色陶瓷三角（15×15）mm 和灰色陶瓷三角（8×8）mm 兩種磨料效果較好，振動光飾加工后的葉片符合修復要求。

白色陶瓷三角（10×12）mm 也能達到葉片修復要求，但是振動光飾加工后葉片表面存在輕微的磕印或劃傷，說明仍有少量的光飾保護膠帶脫落，導致葉片兩端緣板劃傷葉片表面的情況，且在葉片尖角部位局部出現涂層減薄趨勢，造成涂層厚度不均勻的缺陷，這同樣也是鋁硅葉片振動光飾加工絕對要避免發生的加工缺陷，涂層厚度減薄實物，如圖4 所示。

圖4 涂層厚度減薄實物圖Fig.4 Physical Picture of Coating Thickness Reduction

4.3 第三輪磨料選取試驗

根據第二輪試驗結果，考慮磨料特性，在灰色陶瓷（8×8）mm磨料的基礎上，調整磨料含沙比例，進行成分微調，調整燒結溫度，燒制新型灰色陶瓷三角（8×8）mm，第三輪磨料實物圖，如圖5所示。磨料與葉片體積比約為1：2，磨劑繼續使用L-620。第三輪試驗參數及結果，如表3 所示。

圖5 第三輪磨料實物圖Fig.5 The Third Abrasive Material Drawing

表3 第三輪試驗數據Tab.3 Data of the Third Test

經過第三輪對葉片的振動光飾加工試驗后，實際檢測結果表明葉片完全符合修復標準要求，加工效率也大幅度提高，光飾表面粗糙度小于Ra0.32μm，涂層厚度均勻且均超過30μm，表面光亮無劃痕無掉塊，也沒有氣動性能異常的問題。振動光飾加工合格的葉片實物，如圖6 所示。

圖6 振動光飾加工合格的葉片Fig.6 Blade Qualified for Vibration Finishing

經過多輪試驗確定新型灰色陶瓷三角（8×8）mm 是RB211-24G 鋁硅涂層葉片進行振動光飾加工最理想的磨料。同時這種磨料還適合光飾加工其他各種葉片，修復效果同樣良好，且價格低廉應用性好。需要特別注意振動光飾設備的容量，每輪光飾的葉片數要根據同組葉片數和光飾輪數來確定，盡可能每輪光飾的葉片數量相等，而且在每個葉片非光飾位置部位安裝保護膠套。RB211-24G 鋁硅涂層葉片非光飾部位均安裝了保護膠套，光飾一組裝入的葉片數為10 片，光飾保護套實物，如圖7 所示。

圖7 光飾保護套實物圖Fig.7 Picture of Light Decoration Protection Cover

5 結論

RB211-24G 鋁硅涂層葉片的振動光飾過程復雜，容易出問題，需要嚴格控制整個光飾過程。通過試驗驗證獲得鋁硅涂層葉片振動光飾制備工藝的最優參數為：選用美國哈蒙特立式振動滾磨機，配合L-620 磨劑和新型灰色陶瓷三角（8×8）mm 磨料。采用此振動光飾參數均能保證光飾后的鋁硅涂層葉片表面粗糙度小于Ra 0.5μm，涂層厚度均勻且尺寸介于（30～60）μm 之間，色澤灰亮，表面紋理均勻清晰明亮，光飾效果良好，表面質量高。整個振動光飾過程均保證在100min 內完成，光飾效率高，光飾質量穩定性好，完全滿足實際工作各方面要求。