提高涡轮叶片疲劳强度的几种措施

john1980 · 发表于 2010-4-18 14:26:21

提高涡轮叶片疲劳强度的几种措施

　　Several Methods to Improve the Fatigue Strength of Turbine Blades
　　 ◎江龙平　徐可君　隋育松/海军航空工程学院青岛分院
　　涡轮叶片的疲劳强度对于涡轮乃至发动机的工作安全至关重要，本文从叶片的材料、工艺和外场使用维护等方面入手，详细探讨了提高涡轮叶片疲劳强度的具体途径。
　　涡轮叶片是航空发动机热工转换的关键零部件，处于高温、高速气流的包围中，承受着很高的机械负荷和热负荷，工作环境非常恶劣。因此，提高涡轮叶片的疲劳强度，对涡轮乃至整个发动机的性能都是至关重要的。
　　在叶片材质一定，即叶片固有疲劳强度一定的情况下，叶片的抗疲劳性能首先决定于其表面状态，因为材料表面层的晶格缺陷数目、组织以及化学成分的不均匀性远高于叶片的中心，因此，在涡轮叶片表面形成一个高承载能力的表面层对提高涡轮叶片的疲劳强度意义重大。基于上述考虑，本文从叶片的材料、工艺和外场维护使用等方面入手，探讨提高涡轮叶片疲劳强度的具体措施。
　　合理选材
　　叶片疲劳强度是由材料的成分及其内部组织状态所决定的，不同的材质具有不同的固有疲劳强度。叶片毛坯是由棒材通过加热和外力变形而达到的，如果毛坯本身带有裂纹、折迭、缩孔、夹渣、氧化皮、过烧和氧化皮压坑或其内有气孔、夹杂、疏松等缺陷和第二相质点的存在，都会降低材料的疲劳强度。因此，在选择锻、铸造叶片的材料时，应选用纯度高、缺陷少、晶粒均匀、晶粒度适当的高疲劳强度材料，确保涡轮叶片的固有疲劳强度。
　　改进工艺
　　统计分析指出，工艺因素对涡轮叶片疲劳强度的影响远大于尺寸因素的影响。先进、合理的工艺流程可以使叶片的疲劳性能稳定，并提高叶片的承载能力。
　　1.锻、铸造工艺
　　为了提高叶片的锻、铸造质量，对涡轮叶片而言，在锻、铸造过程中主要注意以下工艺参数的选取。
　　⑴ 浇注温度
　　浇注温度的变化，对叶片铸件的晶粒尺寸、收缩及相结构都会产生一定的差异，从而影响铸件的性能，因此，浇注温度是影响合金性能及叶片质量的重要铸造工艺参数。一般而言，浇注温度的选取应以使型壳得到良好的填充和保证铸件获得最少的疏松为原则。
　　⑵ 型壳温度
　　型壳温度的选取应与浇注温度相配合。因为这两个温度共同决定着铸件的凝固速度和冷却速度，由此造成叶片的组织变化和性能的差异。
　　⑶ 冷却速度
　　影响叶片蠕变性能的主要因素是铸造条件下的叶片冷却速度。由于冷却速度的不同，造成了叶片合金在某些程度上有特定的差异。对于高温的涡轮叶片，应选用较高的冷却速度，改善涡轮叶片的高温性能。
　　2.机械加工工艺
　　涡轮叶片的疲劳强度同时取决于机械加工和残余应力的大小，以及叶片结构的复杂性。因此，在机械加工过程中，主要应从以下几个方面改进加工工艺。
　　⑴ 提高叶片表面光洁度，尽量避免擦伤和划痕。
　　⑵ 使叶片的加工方向与最大主应力方向一致。
　　⑶ 在叶片制造过程中，应避免在叶片表面层产生有害的拉伸残余应力。
　　⑷ 采用时效处理。
　　⑸ 尽可能将叶片按设计流线型加工，确保叶片的表面呈流线型状态，减少应力集中。对于冷却式空心涡轮叶片，在加工冷却通道时，亦应尽可能将冷却通道的表面加工成流线型，减少内部应力集中。
　　表面强化
　　表面强化是提高涡轮叶片疲劳强度的有效办法之一，目前涡轮叶片常用的表面强化措施主要有：化学热处理、表面淬火、喷丸处理和表面滚压。这些强化表面层的工艺措施可以提高涡轮叶片的表面硬度，从而减少涡轮叶片的表面损伤，而最主要的还是在涡轮叶片表面形成一层具有压缩残余应力的表面层。涡轮叶片的疲劳损坏是由其表面层所受的拉应力引起的，表面层的残余压应力可抵消一部分拉应力，从而使涡轮叶片的疲劳强度得到提高。
　　化学热处理主要为渗碳、氮化（渗氮）、碳氮共渗和其他元素渗入。渗碳是在高温下使碳元素渗入涡轮叶片表面的工艺，主要是通过不均匀冷却产生的表面压缩残余应力、相变产生的表面压缩残余应力和提高表面强度，来提高疲劳强度，氮化是将氮原子渗入涡轮叶片的表面，形成富氮硬化层，提高涡轮叶片的表面硬度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀性。而碳氮共渗是同时向涡轮叶片表面渗入碳和氮原子，形成碳氮共渗层，兼有渗碳和渗氮的双重作用。其他渗入法还包括渗铝、渗铬、渗硅、渗硼、渗硫和硫氮共渗等。
　　喷丸是涡轮叶片常用表面强化措施之一，它利用喷丸机或压缩空气将钢球高速喷射到叶片的表面，使叶片产生塑性变形和建立有利的压缩残余应力，从而提高叶片的疲劳强度。
　　表面防护
　　涡轮叶片疲劳破坏一般都从表面开始，而表面与高温燃气环境接触，这对疲劳强度影响很大。因此，采用合适的表面防护方法，使叶片表面与高温燃气环境隔离，可以提高叶片的耐高温疲劳强度。
　　目前涡轮叶片表面防护的主要措施是各种高温涂层。这些高温涂层主要包括扩散涂层、改性铝化物涂层、包覆涂层和热障涂层。它们都具有以下技术特点：涂层结构采用粘结层和隔热层复合涂层；粘结层成分多为MCrAlY，面层成分多为氧化锆涂层；粘结层多用等离子喷涂工艺，陶瓷层多用电子束物理气相沉积工艺。其发展方向主要是多活性元素的复杂包覆涂层、扩散障涂层和梯度涂层。
　　合理维护和使用
　　合理维护和使用对提高涡轮叶片的疲劳强度也具有重要意义。
　　在外场维护和飞行使用过程中，要严格按照维护规程和飞行条例操作。因为误操作会使叶片载荷骤增，产生较大的损伤。不当的维护可能破坏叶片的表面光洁度，降低叶片的疲劳强度。
　　叶片因振动和共振造成的损坏已占相当大的比例，因此，加强对叶片的检查和维护，尽量减小叶片振动和避免出现叶片的共振，防止在叶片内部出现大的交变应力，防止叶片因腐蚀及打伤而加速叶片的振动疲劳损坏。
　　严禁频繁地启动和停车，因为在规定寿命内发动机启动次数越多，叶片材料抗疲劳性能降低就越多。尽量避免出现高频的载荷波动，防止造成低周疲劳破坏和高低周复合疲劳破坏。
　　结束语
　　本文从叶片的材料、工艺和外场使用维护等方面探讨了提高涡轮叶片疲劳强度的具体途径。有些措施，如渗铝，在工作温度下能提高涡轮叶片的疲劳强度，而在常温下疲劳强度则有所降低。因此，具体采用什么措施应视涡轮叶片的材料、锻铸造工艺而定。合理而可行的做法应视涡轮叶片的具体性能和经济性作出统筹安排。