復雜形體葉片磨削加工表面殘余應力試驗研究

裘俊彥，徐鯤濠

（1.常州紡織服裝職業技術學院機電學院，江蘇常州 213164；2.無錫透平葉片有限公司工藝研究所，江蘇無錫 214174）

0 引言

復雜形體葉片是指在結構上采用大扭角、寬葉展，而且葉形上設有阻尼臺的葉片。這類葉片結構復雜，成形工藝技術難度大，葉片零件通常是在高溫度、高轉速的惡劣環境下工作，對其加工精度及尺寸穩定性等方面要求較高。

1 復雜形體葉片磨削加工表面殘余應力

磨削加工（拋磨）通常是葉片機械加工的最后一道工序，磨削后葉片中殘余應力的大小及分布情況，不僅是衡量葉片加工精度及尺寸穩定性性的關鍵性指標，更是保證葉片安全使用及工藝改進的重要依據。葉片中的殘余拉應力嚴重地影響了葉片的疲勞強度[1]。因此，殘余應力的測量及消除，對于確保復雜形體葉片的可靠性、提高其承載能力有著非常重要的意義。

殘余應力的測定方法大致可以分為物理測量法（無損測量法）和機械測量法[2]。無損測量法包括X 射線衍射、激光干涉和中子散射等；機械測量法包括鉆孔法、圓環應變釋放法等。目前，無損測量法中的X 射線法最為成熟，X 射線法就是利用X射線在金屬材料內發生衍射現象的原理來測定殘留應力，其優點是可以在不損壞被測零件的情況下，測定零件宏觀區域、微觀區域的壓應力、拉應力。

2 消除表面殘余應力的工藝方法及設備

殘余應力的消除方法有很多，例如時效處理、捶打、振動、回火熱處理、退火熱處理等。由于復雜形體葉片的結構特性，屬于薄壁零件，對磨削加工（拋磨）后去除殘余應力的要求較高，故采用真空去應力退火的處理方法。

本次研究采用的真空去應力退火設備是ZZG-150 真空去應力退火爐，這種熱處理專業爐適用于高速鋼、工具鋼、合金結構鋼、不銹鋼磁性材料、鈦合金以及有色金屬等材料的真空退火處理，熱處理后產品的表面光潔，具有能耗低、污染少、操作方便、勞動強度低等優點。

真空去應力退火的優點是，在使工件材料發生回復軟化，消除內應力的同時，可改善材料的晶體結構、提高材料的疲勞性能[3]。本文選取不同真空退火溫度，通過X 射線法來研究真空退火對殘余應力的影響，旨在找出消除復雜形體葉片殘余應力的較優工藝措施。

3 試驗過程

3.1 拋磨試驗

（1）殘余應力測試條件：X350A 型X 射線應力儀，管電壓28 kV，管電流8 mA，Cu-Kα 輻射，準直管直徑2 mm，（213）衍射面，2θ 掃描范圍137°～145°，掃描步距0.1°，時間常數2 s，應力常數-277 MPa/（°）。

（2）測試材料：TC4 鈦合金。

（3）工藝狀態：機加工拋磨后。

（4）測試內容：檢測位置如圖1 所示，分別為葉片凸臺上部的葉身區域（B1、B2、B3、N1、N2、N3 點），葉片凸臺與葉身轉接區域（B4、B5、N4、N5 點），葉片凸臺下部的葉身區域（B6、B7、B8、N6、N7、N8），葉片背弧凸臺的工作面區域（B9、B10）。測試各個點在葉片表面橫向、縱向的殘余應力。

圖1 葉片測試點位置

3.2 真空去應力退火試驗

TC4 鈦合金真空去應力退火溫度分別制定為500 ℃、550 ℃，退火時間為2 h。

熱處理去應力退火試驗在VPS50/10 型真空爐中進行，真空度≤6.7×10-2Pa。選用X 射線法測量殘余應力，該方法可對退火工藝前、后的同一測點進行測量，并得到準確的測量值[4]，具體的測試情況如下：

（1）殘余應力測試條件：不變。

（2）工藝狀態：進行真空去應力退火，葉片試樣1 的退火參數定為溫度500 ℃、時間2 h，葉片試樣2 的退火參數定為溫度550 ℃、時間2 h。

（3）測試內容：檢測位置如圖1 所示，測試各個點在真空去應力后，葉片表面的橫向和縱向殘余應力，即X 方向和Z 方向的殘余應力。

選取真空去應力前（機加工拋磨后）和真空去應力后的葉片試樣1、試樣2 上不同的測點，在X 射線應力測定儀上進行殘余應力測定。表1 是退火溫度為500 ℃時真空去應力前、后測量出的葉片表面的殘余應力值，表2 是退火溫度為550 ℃時真空去應力前、后測量出的葉片表面的殘余應力值。其中，σx表示橫向殘余應力，σz表示縱向殘余應力；正值代表拉應力，負值代表殘余壓應力。

表1 葉片1 真空退火500 ℃時葉片的殘余應力 MPa

表2 葉片1 真空退火550 ℃時葉片的殘余應力 MPa

4 試驗結果與分析

4.1 真空去應力退火前的殘余應力分布情況

從表1、表2 中可看出，葉片1 拋磨后真空退火去應力前，其橫向和縱向殘余應力差異性明顯。葉片1 拋磨加工后在工件表面產生的殘余應力，橫向（X 方向）的應力總體范圍在-372～+68 MPa之間，縱向（Z 方向）的應力總體范圍在-457～-111 MPa，葉片表面在橫向方向上既有殘余壓應力，也有殘余拉應力，而在縱向方向只有殘余壓應力。

從表1、表2 中還可以看出，X 方向上，葉片1 在內弧處的上端部位置（N1、N2、N3）測試點處的殘余應力較大，背弧處的上端部位置（B1、B2、B3）測試點處的殘余應力次之，其中N3 點的殘余應力最大，而中間部位（B4～B10 及N4～N10）殘余應力比較平緩接近。Z 方向上，殘余應力的分布與橫向方向有明顯的不同，葉片1 在背弧處的上端部位置（B1、B2、B3）測試點處的殘余應力較大，內弧處的上端部位置（N1、N2、N3）及背弧凸臺工作面位置（B9、B10）的殘余應力次之，其中B3 點的殘余應力最大。

試驗結果顯示，表面的殘余應力是在拋磨加工后產生的。葉片的中間區域在拋磨過程中，工件剛度較大，不易變形，所以殘余應力較小，而葉片的上端部及凸臺處的剛度較小，易引起塑性變形，所以殘余應力較大。此外，由于葉片形體復雜，進氣邊與出氣邊的厚度尺寸不同，即使在同一水平位置上，背弧、內弧的局部測試點的受力不同、變形不同，導致應力完全不同，有的測試點存在壓應力，有的測試點還存在拉應力。

從整體分布情況看，磨削后的葉片表面殘余應力出現了各向異性。垂直于磨削方向（Z 方向）的應力有比較大的殘余壓應力，而平行于磨削方向（X 方向）的應力較小。拋磨加工后產生的殘余壓應力值隨著測量點位置的改變逐漸變化，到達一定位置時殘余壓應力達到最小，接著會隨著測量點位置的改變（葉片剛度的變化）壓應力值轉變為拉應力，然后隨著葉片測試點位置的改變再逐漸變為殘余壓應力。

4.2 真空退火后的殘余應力分布情況

真空退火溫度500 ℃及550 ℃時葉片表面X 方向的殘余應力分布情況，及真空退火溫度500 ℃及550 ℃時下葉片表面Z 方向的殘余應力分布情況如圖2 所示。

圖2 不同真空退火溫度下殘余應力分布曲線

疲勞破壞是葉片失效的主要形式之一，而疲勞破壞過程中的疲勞裂紋，最易在材料的拉應力部位出現，拉應力則是促使裂紋擴展的主要原因。減小殘余拉應力，甚至產生有益的殘余壓應力，一直是人們關心的問題。

（1）橫向（X 方向）：真空退火后的殘余壓應力大部分在降低，有些部位僅是退火前數值的1/3。

（2）縱向（Z 方向）：真空退火后的殘余壓應力大幅度降低，數值范圍是原來的1/2～1/5.5，而且Z 方向的殘余應力比X 方向的殘余應力下降更明顯。

從表1、表2 的殘余應力數值及圖2 的殘余應力分布曲線可以看出，真空退火去應力前，在Z 方向的平均應力值高出去應力后的應力大約-300 MPa，也就是說真空退火去應力工藝使試制葉片的應力提高了大約-300 MPa。從殘余應力分布曲線可以看出，最大應力出現在葉片凸臺上部的葉身區域。

4.3 真空去應力的溫度對殘余應力的影響

由圖2 可知，退火后殘余應力降幅度較大，試樣葉片在橫向和縱向的殘余應力變化趨勢相同，隨著退火溫度的升高，葉片表面的殘余應力不斷下降。

相同保溫時間下，退火溫度為550 ℃時，葉片表面殘余應力迅速下降，降幅約達30%以上，這是由于金屬所吸收的熱能達到了材料微結構的應力松馳熱激活能，從而使葉片表面的應力得到松弛并逐漸降低，當應力逐漸降低并消失后，必須繼續升高退火溫度，繼續完成較高的激活能的應力松弛過程[5]。在500～550 ℃時，材料微結構變形的畸變能較高，應力松馳活躍，應力消除效果好；雖然升高退火溫度，應力的消除將會更徹底，但有可能引起材料性能的惡化[6]，導致材料強度、硬度等指標降低。故對于TC4 鈦合金建議采用550 ℃真空退火工藝來消除葉片機加工拋磨后的殘余應力。

4.4 分析磨削中殘余應力的產生原因

磨削中，葉片表面殘余應力主要來自3 個方面：加工磨削力引起的塑性變形、磨削高溫熱應力引起的塑性變形和材料金相組織相變引起的體積變化。

4.4.1 磨削力引起的塑性變形

在加工磨削力的作用下，材料表面層發生塑性流動和延展現象，表層之下的材料彈性恢復變形受到已塑性變形表面金屬的牽制，使葉片表面產生了殘余壓應力。

4.4.2 高溫熱應力引起的塑性變形

磨削熱使工件表面溫度升高，使材料表面層進入完全塑性狀態，工件冷卻后，表面層金屬收縮受到表層之下的材料的牽制，使葉片表面產生殘余拉應力。

4.4.3 金相組織相變引起的體積變化

當葉片磨削接觸區的溫度達到相變溫度后，葉片表面發生金相組織改變和體積變化，殘余應力的性質隨磨削前后材料金相組織的改變而改變，葉片表面殘余應力的大小也有較大的變化。

5 結論

磨削后的葉片表面殘余應力出現了各向異性，垂直于磨削方向的殘余應力較大，平行于磨削方向的殘余應力較小。對TC4鈦合金復雜形體葉片試件采用真空退火去應力處理工藝，可顯著降低殘余的壓應力，并去除有害的殘余拉應力。真空去應力的退火溫度越高，葉片表面殘余應力去除得越徹底。對于TC4 鈦合金，建議采用550 ℃真空退火工藝來消除葉片機加工拋磨后的殘余應力。