鄭 娟

（中國(guó)航發(fā)成都發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司， 四川 成都 610503）

引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)為航空器提供飛行所需的動(dòng)力，是航空器的核心部件，被譽(yù)為“工業(yè)制造皇冠上的明珠”，其地位不言而喻。作為飛機(jī)的心臟，它直接影響著飛機(jī)的性能、可靠性及經(jīng)濟(jì)性，是一個(gè)國(guó)家科技、工業(yè)和國(guó)防實(shí)力的重要體現(xiàn)，被譽(yù)為“工業(yè)之花”。航空發(fā)動(dòng)機(jī)之所以能夠在工業(yè)制造方面具有如此高的地位，核心就在其超高的設(shè)計(jì)制造要求，高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)國(guó)家在工業(yè)制造方面最高水平的重要標(biāo)志之一。

在整個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，其中葉片數(shù)量可達(dá)上千件，是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要零件，其加工工作量占整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)加工工作量的30%～40%。航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片分為壓氣機(jī)和渦輪部分，其作用是在發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流通道內(nèi)改變氣流方向與實(shí)現(xiàn)氣流功能轉(zhuǎn)換，特別是渦輪葉片是將燃?xì)獠糠帜芰哭D(zhuǎn)化成渦輪功，再通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)軸帶動(dòng)壓氣機(jī)，用以產(chǎn)生發(fā)動(dòng)機(jī)推力。因此，研究渦輪葉片的制造技術(shù)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造尤為重要。

1 試驗(yàn)根據(jù)與目的

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有別于其他壓氣機(jī)葉片，由榫頭、葉型和葉冠部分組成（見圖1）。一般在加工制造完成后，會(huì)對(duì)葉片進(jìn)行熱處理以消除表面應(yīng)力。選擇合適的熱處理制度，對(duì)其已加工完成的零件尺寸變化有直接影響，特別是葉冠裝配尺寸的影響。因此，該試驗(yàn)的目的：選擇合適的真空熱處理制度，既消除了機(jī)械加工過(guò)程中帶來(lái)的殘余應(yīng)力的同時(shí)，又滿足了航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片最終裝配特性和材料性能特性。

圖1 渦輪葉片示意圖

一般渦輪葉片材料選用的高溫耐熱鎳基合金，其材料特點(diǎn)是能夠在1 000～1 100℃的高溫下承受很大的熱輻射，并能在高速旋轉(zhuǎn)的條件下工作，具有優(yōu)良的熱強(qiáng)性能、熱穩(wěn)定性及熱疲勞性能。根據(jù)其鑄件技術(shù)文件要求去應(yīng)力熱處理制度為：（760±10）℃/4 h 或（1 000±10）℃/2.5 h，隨爐冷卻至300 ℃以下出爐。因此，通過(guò)工藝試驗(yàn)選擇出最優(yōu)真空熱處理制度，既消除了零件加工殘余應(yīng)力又對(duì)尺寸變化影響較小。

2 工藝試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

針對(duì)熱處理制度會(huì)對(duì)葉片材料性能和一些薄壁尺寸會(huì)有影響，因此，選取航空發(fā)動(dòng)機(jī)帶冠渦輪葉片進(jìn)行工藝試驗(yàn)，并進(jìn)行熱處理前后尺寸檢測(cè)、表面貧化層檢測(cè)及疲勞試驗(yàn)等特性對(duì)比分析，具體試驗(yàn)方案如下：

選取同一批次20 件進(jìn)行（760±10）℃/4 h 真空去應(yīng)力，并且隨爐裝入一個(gè)零件的榫頭一邊的試樣1，對(duì)該零件的葉冠一邊的試樣2 不進(jìn)行該熱處理。

選取該批次中另外17 件進(jìn)行（1 000±10）℃/2.5 h真空去應(yīng)力，并且隨爐裝入一個(gè)零件的榫頭一邊的試樣3，對(duì)該零件的葉冠一邊的試樣4 不進(jìn)行該熱處理。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

分別對(duì)兩組真空熱處理溫度試驗(yàn)的零件進(jìn)行了尺寸、表面貧化層和疲勞試驗(yàn)進(jìn)行了檢測(cè)和對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果如下：

2.2.1 真空熱處理去應(yīng)力前后尺寸變化量情況

在最終機(jī)加完成后，熱處理對(duì)零件變形比較大的地方一般是薄壁尺寸，因此，選取了葉冠尺寸A、L和a進(jìn)行對(duì)比分析（見圖2），比較真空去應(yīng)力不同溫度對(duì)零件的變形影響。具體情況如下：

圖2 渦輪葉片葉冠裝配尺寸示意圖

2.2.1.1 （760±10）℃真空去應(yīng)力

選取了20 件用于（760±10）℃/4 h 真空去應(yīng)力試驗(yàn)，尺寸A（27.46±0.05）mm、L（3.4±0.1）mm，α（4°±10′）真空熱處理前后檢測(cè)結(jié)果見圖3—圖5。從760 ℃真空熱處理前后測(cè)量尺寸可以看出：

圖3 （760±10）℃真空去應(yīng)力前后A 尺寸CMM 測(cè)量結(jié)果

圖4 （760±10）℃真空去應(yīng)力前后L 尺寸CMM 測(cè)量結(jié)果

圖5 （760±10）℃真空去應(yīng)力前后預(yù)扭角α 尺寸測(cè)具測(cè)量結(jié)果

尺寸A：真空熱處理前后變化量最大在0.012 mm，除第14 號(hào)件變化量在0.199 5 mm 外（該零件熱處理前三坐標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù)失真），平均變化量0.013 mm。

尺寸L：真空熱處理前后變化量最大在0.024 5 mm，平均變化量0.002 6 mm。

預(yù)扭角α：角度的測(cè)量，采用在長(zhǎng)度上轉(zhuǎn)化成了高度差的讀表數(shù)。因此，通過(guò)計(jì)算可知，葉冠尺寸31.25 mm 長(zhǎng)度上，如果角度變化10′，則其百分表讀數(shù)差在0.1 mm 以內(nèi)。真空熱處理前后變化量最大在0.1 mm（即11′），平均變化量0.025 mm。

因此，從檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果分析，（760±10）℃真空去應(yīng)力對(duì)零件尺寸變化影響很小。

2.2.1.2 （1000±10）℃真空去應(yīng)力

選取了17 件用于（1 000±10）℃/2.5 h 真空去應(yīng)力試驗(yàn)，尺寸A（27.46±0.05）mm、L（3.4±0.1）mm、α（4°±10′）真空熱處理前后檢測(cè)結(jié)果見圖6—圖8。從1 000 ℃真空熱處理前后測(cè)量尺寸可以看出：

圖6 （1 000±10）℃真空去應(yīng)力前后A 尺寸CMM 測(cè)量結(jié)果

圖7 （1 000±10）℃真空去應(yīng)力前后L 尺寸CMM 測(cè)量結(jié)果

尺寸A：真空熱處理前后變化量最大在0.048 2 mm，平均變化量0.028 mm。

尺寸L：真空熱處理前后變化量最大在0.005 mm，平均變化量0.002 3 mm。

預(yù)扭角α：測(cè)量方式同前，采用在長(zhǎng)度上將角度轉(zhuǎn)化成高度差的讀表數(shù)。真空熱處理前后變化量最大在0.17 mm（即18′），平均變化量0.061 mm。

針對(duì)兩種熱處理溫度前后變化進(jìn)行了合格率統(tǒng)計(jì)，情況見表1。

圖8 （1 000±10）℃真空去應(yīng)力前后預(yù)扭角α 尺寸測(cè)具測(cè)量結(jié)果

表1 兩種熱處理溫度前后合格率統(tǒng)計(jì)

因此，從檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果及合格率統(tǒng)計(jì)分析，（1 000±10）℃真空去應(yīng)力對(duì)零件尺寸變化有影響，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)熱處理后零件葉冠普遍逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，即預(yù)扭角變小。

2.2.2 表面貧化層情況

所謂表面貧化層就是基體固溶體的合金元素消失或者部分消失了，對(duì)材料的組織性能產(chǎn)生影響。由于渦輪葉片采用的是高溫合金材料，因此，真空熱處理后，需進(jìn)行表面貧化層檢測(cè)。經(jīng)過(guò)760 ℃消應(yīng)力后，將試樣1 榫頭和試樣2 葉冠兩部分試樣進(jìn)行表面合金貧化層檢測(cè)，榫頭和葉冠部分均未見貧化層。經(jīng)過(guò)1 000 ℃消應(yīng)力后，將試樣3 榫頭和試樣4 葉冠兩部分試樣進(jìn)行表面合金貧化層檢測(cè)，榫頭和葉冠部分均未見貧化層。

2.2.3 生產(chǎn)疲勞和極限疲勞情況

零件加工完成后，分別選取了760℃/4 h 和1 000 ℃/2.5 h 真空熱處理后的零件進(jìn)行2×106循環(huán)數(shù)的振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后，經(jīng)熒光檢查，無(wú)熒光顯示，振動(dòng)疲勞試驗(yàn)合格。隨后，又選取了6 件進(jìn)行2×107循環(huán)數(shù)的極限疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后，經(jīng)熒光檢查，無(wú)熒光顯示，極限疲勞試驗(yàn)同樣也合格。

2.2.4 零件自然時(shí)效后變化情況

將剩余12 件（760±10）℃/4 h 真空去應(yīng)力的零件進(jìn)行自然時(shí)效2 個(gè)月后，采用相同測(cè)具進(jìn)行α（4°±10′）的尺寸測(cè)量，其變化量情況見圖9。

從760 ℃真空熱處理前后及自然時(shí)效后α 尺寸可以看出：

圖9 （760±10）℃真空去應(yīng)力前后及自然時(shí)效后α 尺寸測(cè)量結(jié)果

預(yù)扭角α：測(cè)量方式同前，采用在長(zhǎng)度上將角度轉(zhuǎn)化成高度差的讀表數(shù)。真空熱處理后和自然時(shí)效2 個(gè)月后僅1 件變化量最大在0.07 mm（即8′），其余變化量均在0.05 mm 以內(nèi)。

因此，從檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果分析，（760±10）℃真空去應(yīng)力后，零件自然時(shí)效后變化量不大。

3 試驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)選取某型低壓II 級(jí)渦輪葉片在制品進(jìn)行（760±10）℃/4 h 真空去應(yīng)力和（1 000±10）℃/2.5 h真空去應(yīng)力試驗(yàn)對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果如下：

1）熱處理前后變化量對(duì)比。從檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果及合格率統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)（1 000±10）℃比（760 ±10）℃真空去應(yīng)力對(duì)零件尺寸變化量較大，尤其對(duì)預(yù)扭角影響。

2）表面貧化層情況。經(jīng)晶相理化分析，發(fā)現(xiàn)（1 000±10）℃和（760±10）℃真空去應(yīng)力后零件均未見貧化層。

3）生產(chǎn)疲勞和極限疲勞情況。（760±10）℃真空去應(yīng)力后零件選取做生產(chǎn)疲勞和極限疲勞均合格。

4）自然時(shí)效后變化情況。經(jīng)過(guò)（760±10）℃真空去應(yīng)力后的零件自然時(shí)效2 個(gè)月，檢查其預(yù)扭角（α 尺寸）變化量不大。

4 結(jié)論

對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)帶冠渦輪葉片760 ℃/4 h 和1 000℃/2.5 h 真空熱處理去應(yīng)力溫度與變形控制的可行性進(jìn)行了工藝試驗(yàn)研究。采用兩種熱處理制度分別對(duì)零件熱處理前后尺寸變化量、表面貧化層、生產(chǎn)疲勞、極限疲勞及自然時(shí)效等進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)選用760 ℃/4 h 真空熱處理制度對(duì)零件尺寸變形影響小。該試驗(yàn)為航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片熱處理制度溫度選擇提供了參考依據(jù)。