喷丸对TC4钛合金材料叶片的影响研究

周云波 龙老虎

摘要：文章主要通过试验的方式，研究喷丸对钛合金材料（Ti-6Al-4V）长叶片的疲劳寿命、表面粗糙度、表面完整性、渗入Fe元素含量等的影响，为确定合理的钛合金材料长叶片喷丸方式提供一定的帮助。

Abstract： This article mainly studies the effects of shot peening on the fatigue life， surface roughness， surface integrity， content of infiltrated Fe element， etc. of long blades of titanium alloy material （Ti-6Al-4V）， in order to determine the reasonable titanium Shot peening of alloy material with long blades provides certain help.

关键词：TC4钛合金材料长叶片;喷丸研究;试验

Key words： TC4 titanium alloy material long blade;shot peening research;test

中图分类号：TG668                                        文獻标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）02-0098-03

0  引言

汽轮机组在高速运转过程中，特别是末级叶片受力比较复杂，由于疲劳失效原因导致的叶片断裂事故时有发生。钛合金材料本身具有弹性模量小、屈强比高、耐腐蚀性能好等优点，越来越广泛地被各汽轮机叶片生产厂家应用于末级叶片的开发中，如日立的1500mm叶片、Alstom的1244mm叶片等等。目前，在汽轮机行业主要利用喷丸强化来改善钛合金材料叶片的抗疲劳性能和提高其微动疲劳抗力，从而提高叶片表面完整性、可靠性和耐久性[1]。

喷丸强化是以丸料高速撞击叶片表面，使其表面产生起保护作用的残余压应力和形成细化亚晶粒的冷作硬化层，从而延长叶片的抗疲劳寿命和载荷能力[2]。汽轮机叶片表面喷丸强化方式有很多种，根据冲击介质（丸料）的不同，主要有铸钢丸喷丸、玻璃丸喷丸、陶瓷丸喷丸、激光冲击等。本文将通过喷丸试验的方式，从宏观表面粗糙度、表面完整性，微观疲劳寿命、Fe元素含量等方面进行分析，摸索出钛合金材料叶片合理、可靠的喷丸方式。

1  喷丸试验

1.1 试验材料及仪器

1.1.1 试验材料

若干规格为15×15×160（mm）的TC4长方形试块，试块经过热处理，拉伸性能符合表1要求，并且试块表面用抛光砂纸打磨光滑。

规格型号为S230和S390铸钢丸料、规格型号为180的玻璃丸料、陶瓷丸料。

1.1.2 仪器设备

检测仪器：MTS 810疲劳试验机、Mitutoyo SJ-400粗糙度仪、扫描电子显微镜、能谱分析仪。

操作设备：铸钢丸喷丸机床、玻璃丸喷丸机床、陶瓷丸喷丸机床。

1.2 试验方法

1.2.1 疲劳寿命对比测试

将15件试块等分成3组，第1组进行S230铸钢丸喷丸，第2组进行S390铸钢丸喷丸，第3组进行陶瓷丸喷丸。每一组5件试块分别喷丸强度为不喷丸、0.12mmA、0.16mmA、0.22mmA及0.32mmA，覆盖率均为100%。试块喷丸后用MTS 810疲劳试验机进行三点弯曲疲劳寿命试验，加载应力σmax=550Mpa，应力比R=0.1。测得不同工艺参数条件下各试块循环周次。

从试验结果来看，相对于未喷丸试块，通过铸钢丸和陶瓷丸喷丸的试块，其疲劳寿命均得到显著提高。随着喷丸强度增加，疲劳寿命近似呈“正态”变化趋势。相对于S390铸钢丸料，用较细的S230钢丸喷丸后，疲劳寿命改善效果更为明显，而陶瓷丸喷丸改善效果并不明显。

1.2.2 粗糙度对比测试

将25件试块等分成5组，第1组进行S230铸钢丸喷丸，第2组进行S390铸钢丸喷丸，第3组进行陶瓷丸喷丸，第4组进行S230铸钢丸+玻璃丸喷丸，第5组进行S390铸钢丸+玻璃丸喷丸。每一组5件试块分别喷丸强度为不喷丸、0.12mmA、0.16mmA、0.22mmA及0.32mmA，覆盖率均为100%。试块喷丸后用Mitutoyo SJ-400型粗糙度仪测试粗糙度，每件试块上取样测试5个点位，由于仪器误差、取样误差等综合误差因素影响，统计取5个点位测试平均值进行分析。相对于不喷丸试块（原始机加工表面），各种喷丸处理后表面粗糙度都会增大。随着喷丸强度增加，表面粗糙度会呈上升趋势。低强度（<0.2mmA）条件下的铸钢丸喷丸，试样表面的粗糙度“较好”，基本在Ra1.0μm以下。陶瓷丸、单独高强度铸钢丸、高强度铸钢丸+二次玻璃丸喷丸面粗糙度都较高。

1.2.3 表面完整性测试

用扫描电子显微镜观察上述1.2.2各不同喷丸参数条件下试块表面形貌，分别放大倍数×100和×500，结果如图1所示。

从观察到的结果分析，未喷丸试样的表面只有抛磨的划痕。喷丸强度较低的铸钢丸喷丸试样表面完整性非常好，有喷丸产生的凹痕，划痕大部分消失。但是随着喷丸强度提高，试样表面嵌入的Fe元素颗粒逐渐增多，甚至局部产生微裂纹。陶瓷丸喷丸试样表面完整性较好，局部嵌入了陶瓷颗粒，且有陶瓷颗粒划伤的痕迹。铸钢丸喷丸+玻璃丸二次喷丸的试样表面完整性较差，明显的划痕非常多，局部嵌入了很多玻璃丸微颗粒。

1.2.4 喷丸面残留Fe元素测试

钛合金材料在表面嵌入铁微粒（即铁污染）后，铁微粒可能会对钛材料表面有以下的影响：

铁微粒阻碍钛材料表面钝化膜的自修复过程，导致铁微粒周边的阳极电位增加，当超过一定范围后，钛材料表面出现点蚀现象;

铁微粒的存在导致钛材料表面的钝化膜受损，从而当钛材料表面有氢原子存在时，缺陷处作为氢离子进入的通道而存在，产生钛的氢损伤，影响力学与耐蚀性能，如强度、韧性下降，或在外加应力与点蚀、晶体内部富集氢原子的共同作用下，钛材料产生应力腐蚀开裂[3]。

因此，我们有必要研究不同喷丸方式对钛合金材料表面Fe元素的影响。在各种丸料中，玻璃丸、陶瓷丸等自身不含有Fe元素，所以其喷丸不会带来Fe元素渗入。而铸钢丸表面氧化层中含有Fe元素，会有渗入Fe元素的影响。本研究仅对铸钢丸喷丸开展相关对比试验。

试验准备4组试块，第1组试块采用低强度（0.12mmA）铸钢丸喷丸，第2组采用低强度（0.12mmA）铸钢丸+二次玻璃丸（0.25mmN）喷丸、第3组采用高强度铸钢丸（0.25mmA）、第4组采用高强度铸钢丸（0.25mmA）+二次玻璃丸（0.25mmN）喷丸。铸钢丸料均采用S230型新钢丸，试块喷丸后用能谱仪（EDS）在每件试块喷丸面上随机取样6个点位，得出各化学元素的平均百分比含量（如图2）。

试验结果显示，较低强度铸钢丸喷丸，渗入基体Fe元素含量较少（<0.3%），经过玻璃丸二次喷丸后，基本检测不到Fe元素。而高强度铸钢丸喷丸，渗入集体Fe元素含量非常多，易导致Fe元素“超标”，但是经过玻璃丸二次喷丸后，Fe元素又明显降低，说明玻璃丸能够对基体表面Fe元素具有“清洗”作用。

2  结论

①对于TC4材料，其疲劳寿命与试样喷丸面的粗糙度密切相关，喷丸强度较低的铸钢丸喷丸试样和喷丸强度较低的铸钢丸+玻璃丸喷丸试样的表面粗糙度都较低，而这些试样的疲劳寿命都较高。②试样的表面完整性也非常重要，會对材料的疲劳寿命产生重要影响。对于铸钢丸喷丸，当喷丸强度较低时，材料的喷丸面完整性非常好，甚至试样表面原始的打磨痕迹也会消失。但是当喷丸强度较高时，试样表面就会嵌入较多的Fe元素颗粒，同时表面会出现微裂纹;陶瓷丸和玻璃丸都为脆性材料，所以很容易在喷丸过程中破损，从而在喷丸过程中划伤试样表面，从而破坏试样的表面完整性，所以经过陶瓷丸和玻璃丸喷丸试样的疲劳寿命大都不是很高。③当喷丸强度较低时，铸钢丸喷丸试样、铸钢丸+玻璃丸试样的表面几乎检测不到Fe元素颗粒残留，而当喷丸强度较高时，Fe元素嵌入试样表面的现象比较明显，其含量迅速增加。为了防止因为Fe元素颗粒污染造成的电解腐蚀，需要采取有效的措施控制渗入基体表层的Fe元素含量，如喷过钢铁材料的铸钢丸在喷TC4钛合金前应予以更换，铸钢丸喷丸后材料表面用干净的水清洗，玻璃丸二次喷丸清洗，二次喷丸的玻璃丸料应定期更换等等。

参考文献：

[1]高玉魁.喷丸对Ti-10V-2Fe-3AL钛合金拉-拉疲劳性能的影响[J].中国有色金属学报，2004（14）.

[2]姜文忠.喷丸强化在汽轮机叶片上的应用[J].热力透平，1990.

[3]毛成亮，赵彬，等.Fe元素含量对钛合金性能的影响[J].钛工业进展，2019（02）.