噴丸強化對某鈦合金離心葉輪殘余應力及尺寸的影響

何斐，黃凱，彭奕群

中國航發(fā)常州蘭翔機械有限責任公司 江蘇常州 213000

1 序言

某航空發(fā)動機采用單級離心式壓氣機，其轉(zhuǎn)動部件離心葉輪承擔了全部的壓氣工作。此零件的材料為TC4鈦合金，具有密度小、比強度高、耐腐蝕性能好等優(yōu)點，主要用來減輕結(jié)構質(zhì)量和提高推重比，適用于飛機及其發(fā)動機的設計需要，被廣泛應用于航空工業(yè)中[1-3]。然而，鈦合金自身存在抗疲勞強度低、分散性大、硬度低及耐磨性差等缺點[4]，作為重要承力件，如何提高鈦合金離心葉輪的抗疲勞性能，從而達到強化及延長壽命的目的顯得尤為重要。

噴丸強化是公認的提高鈦及鈦合金零件的抗疲勞性能和微動疲勞抗力的有效方法[5]。近年來，對噴丸強化機理的研究及應用得到深入發(fā)展，在眾多成熟先進的航空發(fā)動機產(chǎn)品中使用鈦合金材料制造的渦輪葉片、渦輪盤和離心葉輪等重要承力件，在加工過程中均采用了噴丸強化工藝，以提高發(fā)動機零部件的可靠性和耐久性。由于離心葉輪葉片壁厚較薄，且型面復雜，所以如何在噴丸過程中起到強化效果的同時保證零件的尺寸公差是本研究關注的重點。

2 試驗條件及方法

2.1 試驗材料及設備

噴丸強化試驗選用離心葉輪一件，葉輪材料為TC4。離心葉輪上共有大葉片12片，小葉片12片，采用整體加工而成，葉片的加工狀態(tài)為銑削加拋光；葉輪后表面為車削端面，平面中心為一軸套。

噴丸強化試驗所用設備為KXS-3000P全自動數(shù)控機器人噴丸機，噴丸強化采用雙噴嘴-雙工位完成，其中，工位1完成后端面的噴丸，工位2完成葉片和流道的表面噴丸。

2.2 試驗方法

噴丸強化采用經(jīng)工藝優(yōu)化后的參數(shù)：彈丸類型為ASR190鑄鋼丸，名義直徑尺寸為0.425mm，硬度為45.0~52.0HRC；葉身的實際噴丸強度為F8A（要求F5-15A）；零件實際噴丸覆蓋率為200%（要求100%~300%）。噴嘴與待噴零件距離為150mm，噴嘴與待噴零件表面角度控制在40°左右。

采用光學顯微鏡觀察葉輪噴丸前后的表面形貌；使用X射線衍射法表征噴丸前后葉片的表面殘余應力，測試方向為周向，靶材為TiKα，測試角度為133.5°，用量具測定噴丸前后大葉片和小葉片尖端的尺寸間距以及葉片尖端與底部的距離，分析其噴丸變形程度。

3 結(jié)果與討論

3.1 表面宏觀形貌

噴丸前離心葉輪表面宏觀照片如圖1所示，由于此試驗件為服役后零件，所以表面呈一定氧化色，色澤較暗，且不均勻。

圖1 噴丸前離心葉輪表面宏觀照片

噴丸后離心葉輪表面宏觀照片如圖2所示，噴丸后葉輪表面色澤均勻，呈現(xiàn)亞光色，表面光滑，噴丸覆蓋率良好。

圖2 噴丸后離心葉輪表面宏觀照片

由于高速彈丸對零件表面的沖擊一方面清除了零件表面的氧化物和外來附著物，另一方面，零件表面形成連續(xù)均勻覆蓋的“彈坑”，所以提高了色澤均勻性，降低了表面粗糙度值。

3.2 表面顯微形貌

圖3為噴丸前葉輪表面顯微形貌，與之對比的是噴丸后葉輪表面顯微形貌（見圖4）。由圖3可見，噴丸前葉輪葉片的表面、底面及葉輪頂部均存在較為明顯的拋光刀痕，應該是產(chǎn)生于拋光過程中。而后端面表面形貌呈現(xiàn)平行度較好的刀痕，顯然為車削加工所致。與圖4進行比較可以發(fā)現(xiàn)，噴丸后葉輪各部位表面痕跡基本被彈坑所掩蓋，彈坑均勻，說明表面形貌得到了較大幅度的改善。即使是精加工后的表面，仍然會存在加工的刀痕，而這些刀痕往往是疲勞裂紋的起源，噴丸強化可有效地消除這些加工刀痕，提高疲勞強度。

圖3 噴丸前離心葉輪表面顯微形貌

圖4 噴丸后離心葉輪表面顯微形貌

3.3 殘余應力

對噴丸前后葉輪各部位（見圖5）進行殘余應力的檢測，結(jié)果見表1。表中數(shù)據(jù)表明，噴丸前葉輪零件的表面應力分布不均勻，既有拉應力也有壓應力的存在，且各部位應力值相差較大，而噴丸后葉輪各部位均產(chǎn)生了約600MPa的殘余壓應力，應力呈均一化分布。

殘余壓應力的產(chǎn)生主要有兩方面原因：一是由于大量彈丸壓入產(chǎn)生的切應力造成了零件表面塑性延伸；二是彈丸的沖擊產(chǎn)生的表面法向力引起了赫茲壓應力與亞表面應力的結(jié)合。這種壓應力在一定深度內(nèi)造成了最大的切應力，并在表面產(chǎn)生殘余壓應力。

表面殘余壓應力的存在可以防止裂紋在受壓表面的萌生和擴展，從而強化零件基體，并延長其壽命。因此，判斷噴丸強化效果好壞最直接的指標就是噴丸后表面殘余壓應力的大小，通過表1試驗數(shù)據(jù)很好地說明了試驗件在噴丸后取得了理想的強化效果。

表1 噴丸前后葉輪殘余應力 （MPa）

3.4 變形程度

對噴丸前后大小葉片尖端尺寸間距（測試點位置如圖5所示）以及大葉片尖端與流道面的距離分別進行測量，初步得出噴丸前后葉片的變形程度，尺寸變化數(shù)據(jù)統(tǒng)計分別見表2、表3。

表2 噴丸前后大葉片和小葉片尖端的尺寸間距

表3 噴丸前后葉片尖端與底面的距離

圖5 測試點位置示意

從表2、表3可看出，噴丸后葉片尺寸變化很小，平均變化量為0.0 2 m m，最大變化量為0.04mm。在彈丸的高速沖擊下，薄壁葉片通常會發(fā)生微小的變形。由于噴丸強化工藝屬于利用塑性形變產(chǎn)生強化效果的表面形變強化技術，所以噴丸后變形量只要控制在合理的范圍內(nèi)，即符合要求。

3.5 分析討論

噴丸強化是利用高速噴射的細小彈丸撞擊受噴工件表面，使鈦合金表層產(chǎn)生彈性、塑性變形，呈現(xiàn)理想的組織結(jié)構和殘余應力分布，從而提高材料的抗疲勞強度、微動疲勞抗力、損傷容限的一種表面處理方法。噴丸強化可在工件表面上造成0.05~0.8mm深的應變強化層，材料表面的應變強化層發(fā)生以下幾種不同于基體的變化。

1）循環(huán)硬化/軟化現(xiàn)象：噴丸引起的表面層內(nèi)的應變?yōu)檠h(huán)應變，它將導致表面應變層內(nèi)的材料發(fā)生循環(huán)硬化或軟化。

2）表層組織結(jié)構細化，位錯密度增高，產(chǎn)生相變。

3）表面層產(chǎn)生很高的宏觀殘余壓應力。

4）表層內(nèi)微觀應力增高。由于表面層內(nèi)的金屬產(chǎn)生塑性形變，引起晶體晶格產(chǎn)生最大限度的畸變，因此亞晶粒之間產(chǎn)生了很高的微觀應力。

5）表面粗糙度（即應力集中）的變化。

綜上所述，噴丸強化后在表面層內(nèi)所引起的應力狀態(tài)及組織結(jié)構上的變化，是導致本次試驗結(jié)果的根本原因。

4 結(jié)束語

采用優(yōu)化的噴丸強化工藝能夠在離心葉輪表面生成一層壓應力達600MPa的強化層，其表面色澤均勻，噴丸覆蓋率良好，且葉片尺寸平均變化量在0.02mm左右，尺寸變形控制符合零件要求。