噴丸強(qiáng)化處理對核電汽輪機(jī)低壓葉片表面殘余應(yīng)力的影響

王天劍，劉禹炯，徐永峰，范華

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽， 618000)

噴丸強(qiáng)化處理對核電汽輪機(jī)低壓葉片表面殘余應(yīng)力的影響

王天劍，劉禹炯，徐永峰，范華

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽， 618000)

文章采用噴丸強(qiáng)化處理的方法對核電汽輪機(jī)低壓葉片進(jìn)行了表面處理，研究了噴丸強(qiáng)化處理對葉片表面殘余應(yīng)力的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：噴丸強(qiáng)化處理能夠顯著提高葉片表面的殘余壓應(yīng)力并使殘余壓應(yīng)力分布較均勻且不會在葉片表面形成微裂紋等有害缺陷。

噴丸強(qiáng)化處理，低壓葉片，殘余應(yīng)力

1 前言

核電汽輪機(jī)利用核反應(yīng)堆直接或間接產(chǎn)生的水蒸汽的熱能做功，其熱力設(shè)計(jì)具有大功率、小絕熱比焓降和大容積流量等特點(diǎn)，因此，核電汽輪機(jī)的低壓末級葉片一般具有很大的長度。鑒于核電站對安全性的特殊要求，需要末級葉片具有高的運(yùn)行穩(wěn)定性和使用長時性，因此，大功率核電汽輪機(jī)低壓末級葉片的疲勞性能是進(jìn)行長葉片設(shè)計(jì)必須重點(diǎn)考慮的因素。公司目前生產(chǎn)的核電汽輪機(jī)低壓末級葉片采用馬氏體不銹鋼，其葉身長 度 超 過 1 400 mm。 為 提 高 葉 片 的 低 周 疲 勞 性能，目前采用噴丸強(qiáng)化處理的方式，而噴丸之后葉片表面殘余應(yīng)力的形式和大小，與葉片的疲勞壽命有著至關(guān)重要的影響。本文采用噴丸強(qiáng)化處理的方法，研究了噴丸強(qiáng)化處理對核電低壓末級和次末級動葉片表面殘余應(yīng)力的影響。

2 試驗(yàn)方法

噴丸強(qiáng)化處理不同于普通的噴丸處理，其強(qiáng)度比普通噴丸要大很多，是一種以小而硬的金屬彈丸連續(xù)高速撞擊金屬零件表面的一種方法，使零件表層產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性形變，細(xì)化了表層金屬的組織結(jié)構(gòu)， 并在表層中形成壓應(yīng)力[1]。 由于末級葉片有高頻淬火區(qū)，導(dǎo)致有過渡區(qū)的存在，會導(dǎo)致葉片整體性能惡化，噴丸強(qiáng)化可以改善過渡區(qū)的殘余應(yīng)力分布并提高葉片的疲勞性能[2]。

本研究對測試的低壓末級葉片 （共 2片， 分別為 1#、 2#）、 次末級葉片 （共 2 片， 分別 3#、4#）預(yù)先進(jìn)行了噴丸強(qiáng)化處理， 對照葉片各 1 片（分別為 5#、 6#）未進(jìn)行噴丸強(qiáng)化處理。 噴丸用鋼球直徑為 1.2 mm， 噴丸覆蓋率≥150%。 采用便攜式X射線表面殘余應(yīng)力儀對葉片的不同部位特別是高頻淬火區(qū)進(jìn)行測試。

對比噴丸強(qiáng)化處理的葉片與未噴丸強(qiáng)化處理的葉片表面殘余應(yīng)力的差異，同時，在金相顯微鏡下觀察末級葉片噴丸強(qiáng)化后高頻淬火區(qū)葉片表面的截面微觀形貌，觀察葉片表面是否有微裂紋等缺陷的產(chǎn)生。

3 結(jié)果與討論

3.1 噴丸強(qiáng)化處理對低壓末級葉片表面殘余應(yīng)力的影響

圖1為 2片噴丸處理的與1片未噴丸處理的末級葉片葉頂區(qū)內(nèi)弧面殘余應(yīng)力的對比 （負(fù)值為壓應(yīng)力）。 從圖中可以明顯地看出， 經(jīng)過噴丸強(qiáng)化處理之后的葉片，其表面應(yīng)力狀態(tài)得到明顯的改善， 殘余壓應(yīng)力值大都在 500 MPa 以上， 尤其是淬硬區(qū)和熱影響區(qū)的殘余壓應(yīng)力有大幅的提高。而未噴丸的葉片除少數(shù)點(diǎn)外，其表面測試點(diǎn)的殘余壓應(yīng)力基本都處于 120～400 MPa 之間， 同時還發(fā)現(xiàn)葉片各部位的殘余應(yīng)力值是不均勻的，在熱影響區(qū)甚至還有拉應(yīng)力的存在。圖2為葉片葉根處殘余應(yīng)力的測試對比結(jié)果，從圖中可以看出，噴丸強(qiáng)化處理的效果在葉根處也較為明顯。

圖1 噴丸處理與未噴丸處理末級葉片殘余應(yīng)力值對比

圖2 末級葉片葉根處殘余應(yīng)力的分布情況對比

3.2 噴丸處理對次末級葉片表面殘余應(yīng)力的影響

次末級葉片的進(jìn)汽邊未經(jīng)過高頻淬火處理。圖3和圖4為噴丸強(qiáng)化處理后的次末級葉片與未噴丸處理的次末級葉片在內(nèi)、背弧面殘余應(yīng)力的對比情況。從圖中可以明顯地看出，在噴丸強(qiáng)化處理之前， 葉片表面的殘余壓應(yīng)力較低， 都在 260 MPa以下， 經(jīng)過噴丸強(qiáng)化處理之后， 葉片表面的壓應(yīng)力值幾乎提高了接近 1 倍， 都大于 500MPa。

圖3 噴丸強(qiáng)化處理與未噴丸處理的次末級葉片內(nèi)弧面殘余應(yīng)力的變化

圖4 噴丸強(qiáng)化處理與未噴丸處理的次末級葉片背弧面殘余應(yīng)力的變化

表1為次末級葉片噴丸強(qiáng)化處理和未噴丸處理的殘余應(yīng)力對比。

表1 次末級葉片噴丸強(qiáng)化處理和未噴丸處理殘余應(yīng)力對比 MPa

3.3 末級葉片噴丸處理后金相形貌

噴丸強(qiáng)化處理可以明顯提高葉片表面的殘余壓應(yīng)力，但如果存在過噴的現(xiàn)象，則有可能在葉片表面形成折疊、微裂紋等有害缺陷。因此，在噴丸強(qiáng)化處理的末級葉片上采用線切割方式取樣觀察噴丸區(qū)的截面金相。取樣在高頻淬火區(qū)、拉筋凸臺、葉身、葉根等主要位置，高頻淬火區(qū)的取樣示意圖及噴丸區(qū)截面典型金相微觀形貌如圖5所示。從圖中可以看出，經(jīng)過噴丸強(qiáng)化處理之后的葉片表面沒有發(fā)現(xiàn)有微裂紋等有害缺陷的存在，因此， 采用≥150%覆蓋率的噴丸強(qiáng)化手段是可行的。

圖5 低壓末級葉片淬火區(qū)取樣位置及噴丸層截面金相形貌

4 結(jié)論

（1）噴丸強(qiáng)化處理能夠顯著提高核電汽輪機(jī)低壓末級和次末級葉片表面的殘余壓應(yīng)力，同時葉片表面未出現(xiàn)微裂紋等有害缺陷。

（2）噴丸強(qiáng)化處理使得葉片表面各部位的殘余壓應(yīng)力值均勻化。

[1]張磊, 張 紅. 高 強(qiáng) 度鋼噴 丸 強(qiáng) 化 處 理 的 試 驗(yàn) 研 究[J]. 機(jī) 械設(shè)計(jì)與制造,2012,(4)：54-56

[2]王永芳,冉廣,周敬恩,等.噴丸對汽輪機(jī)葉片殘余內(nèi)應(yīng)力影響的研究[J]. 汽輪機(jī)技術(shù),2005,47(5)：397-399

Effects of Shot Peening on Surface Residual Stress of Nuclear Steam Turbine LP Blade

Wang Tianjian， Liu Yujiong， Xu Yongfeng， Fan Hua
(Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000)

Surface treatment of LP blade of nuclear steam turbine was carried out by shot peening.The surface residual stress affected by shot peening was studied.The result showed that shot peening could improve and homogenize the surface residual compressive stress obviously and there was nomicrocrack.

shot peening,LPblade,residual stress

TK263 TG142

： A

： 1674-9987(2014)02-0062-03

王天劍（1984- ），男， 工學(xué)碩士，工程師，2009 年畢業(yè)于北京科技大學(xué)，現(xiàn)就職于東方汽輪機(jī)有限公司材料研究中心 長壽命高溫材料四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，主要從事汽輪機(jī)新材料開發(fā)、失效分析等工作。