周云波

（東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000）

鈦合金材料的綜合性能非常優(yōu)異，其具有強度高、耐腐蝕性，耐熱性等優(yōu)良特性。是航空、航天飛行器輕量化和提高綜合性能的最佳用材[1]。早期機械拋光工藝較耗費時間，而且?guī)缀跛械臋C械拋光法在最后一步或最后兩步拋光過程中使用含有侵蝕的剖光液。數控砂帶拋光的方法往往能夠得到較好的剖光表面，20世紀70年代和80年代，鈦及鈦合金的拋光仍然延續(xù)使用老的拋光方法，Springer和Ahmed在1984年首次發(fā)表了關于鈦及鈦合金的拋光方法文章。據統(tǒng)計，國內外汽輪機生產廠商對于超長末級葉片材料的選擇主要有兩種，一種是采用高強度沉淀硬化馬氏體不銹鋼（如PH13-8Mo），另一種就是綜合性能優(yōu)異的鈦合金材料。鈦的導熱系數為15.24W/（m.K），約為鎳的1/4，鐵的1/5，鋁的1/14，而各種鈦合金材料的導熱系數比鈦的導熱系數還要下降約50%。

東汽自主研發(fā)的國內最長的用于火電機組的全轉速末級1400mm等級葉片就采用的鈦合金材料，該葉片適用于5kpa～8kpa背壓范圍的600MW等級凝氣式汽輪機，3kpa～5kpa背壓范圍1000MW等級汽輪機，以及功率更大的5kpa～8kpa背壓范圍1300MW等級汽輪機等[2]。鈦合金材料耐熱性能好，但是也為加工帶來不利，如砂帶拋光受熱特別是“過熱”易產生“燒傷缺陷”風險，所以有必要通過開展試驗來選擇合理的砂帶、參數，確定合理的拋光方式[3]。由于葉片結構的限制，目前公司的數控拋光機床暫時無法實現汽道與葉冠、凸臺、葉根等轉接R及附近部位的自動拋光，這些區(qū)域只能采用人工拋光。本文僅研究鈦合金材料的數控砂帶拋光。

1 拋光試驗

1.1 試驗材料及儀器

1.1.1 試驗材料

試驗對象為長度等級1400mm的鈦合金材料葉片，葉片汽道型面在數控機床上經過粗、精銑加工，表面存在銑削刀花。

1.1.2 儀器設備

MK1000型數控砂帶磨拋光機床、若干不同廠商/不同型號砂帶（120目數/240目數）、TR200手持式表面粗糙度檢測儀、40MAT金相顯微鏡、5124維氏硬度儀

1.2 數控砂帶磨拋光試驗

1.2.1 砂帶選型

在拋光過程中，樣品需要定時轉動方向，大多數金屬合金中存在硬質相，如果不轉動方向，拋光樣品在硬質相上會有黑色的“長尾巴”，影響金相質量，解決“長尾巴”問題的關鍵在于轉動樣品的方向，每次可轉90度或180度。以1件汽道型線經過粗、精銑加工的模鍛TC4鈦合金材料葉片為試驗對象，在同一件葉片汽道型面劃分幾個對比拋光區(qū)域，在相同的試驗參數條件下，分別用不同廠商提供的幾種砂帶進行拋光試驗。先用120目數砂帶進行粗拋光，再用240目數砂帶精拋光[4]。拋光完成后用TR200表面粗糙度儀分別對各拋光區(qū)域檢測多個點位粗糙度，由于存在檢測誤差，取平均值進行分析（如表1）。

表1 不同品牌砂帶拋光粗糙度檢測結果

從結果來看，僅A和C型砂帶滿足最終精拋光Ra≤0.8的要求，但是C型砂帶存在易掉沙粒的情況，故而擇優(yōu)選取A型砂帶。

1.2.2 確定合理的拋光參數

在選定的拋光砂帶條件下，不同的拋光參數對拋光質量也會產生影響，如磨削進給速度、轉速、磨削壓力、弦長/角度誤差、步長等。磨削壓力、弦長/角度誤差、步長等參數是機床生產廠商設置好的，一般選用其推薦數值，此處僅研究不同進給速度和轉速的影響[5]。

在其他參數相同的情況下，通過測得多組數據，磨削進給速度、機床主軸轉速分別與粗糙度大致呈“V形”關系（圖1）?？煽闯鼍珤伖鈺r，進給速度5800mm/min，主軸轉速1800r/min時，磨削表面粗糙度滿足Ra≤0.8要求，且基本為最優(yōu)值。

圖1 磨削進給速度與粗糙度影響關系

在環(huán)境溫度25℃條件下，用40MAT金相顯微鏡，放大倍數X200，測得試樣金相組織如圖3。試驗發(fā)現，金相組織無異常。

圖3 金相組織圖

1.2.3 拋光表面組織合格性驗證

鈦合金材料由于散熱性能差，拋光過熱易引起表面“燒傷缺陷”風險。拋光質量除了宏觀的表面粗糙度外，還有兩個重要的監(jiān)測要素，一為宏觀上的顯微硬度，另一個為微觀上的表面組織變化。

將葉片汽道型面在上述選定的合理參數條件下拋光處理，對拋光區(qū)域取樣檢測。用5124維氏硬度儀測得所取試樣表面各點硬度如圖2?？煽闯龈鼽c位顯微硬度基本相當，滿足材料的硬度要求。且同一點位表面與芯部硬度偏差合理范圍。

圖2 拋光試樣顯微硬度

2 結論

公司自主研發(fā)的1400等級鈦合金材料（Ti-6Al-4V）葉片，通過拋光工藝試驗得出結論：

（1）A型砂帶拋光表面粗糙度最優(yōu)，可作為優(yōu)選方案；

（2）MK1000型數控砂帶機床進給速度5800mm/min，轉速1800r/min時，表面粗糙度滿足Ra≤0.8的要求，且對比各參數基本為最優(yōu)；

（3）通過試驗方法確定的拋光參數是合理可靠的，該方法研究思路可為其他葉片拋光方法的選擇提供參考。