復(fù)雜結(jié)構(gòu)單晶渦輪葉片氣膜孔制孔質(zhì)量控制及改進(jìn)研究

姜祖崗，張保文，趙文彬

（中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海200241）

0 引言

高壓渦輪葉片被稱為“現(xiàn)代航空工業(yè)皇冠上的明珠”，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，其在工作狀態(tài)下承受復(fù)雜的機(jī)械載荷和熱載荷，工作環(huán)境惡劣。隨著總體性能指標(biāo)的提高，現(xiàn)代先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉片采用單晶材料，且設(shè)計(jì)有復(fù)雜的外型和內(nèi)腔冷卻結(jié)構(gòu)，內(nèi)腔為復(fù)雜多腔結(jié)構(gòu)、帶擾流和擾流柱加強(qiáng)換熱，同時(shí)葉身有復(fù)雜空間分布的氣膜孔，這給葉片的設(shè)計(jì)和加工提出了更高的要求。

為了滿足高性能要求，氣動(dòng)設(shè)計(jì)希望渦輪葉片具有理想復(fù)雜的外形；為了降低工作狀態(tài)下的葉片基體溫度，冷卻設(shè)計(jì)希望根據(jù)流道燃?xì)鉁囟确植记闆r，采用最高效的復(fù)雜冷卻形式，使葉片溫度場(chǎng)分布情況最佳；強(qiáng)度設(shè)計(jì)希望葉片接近等強(qiáng)度狀態(tài)，材料得到最有效率的利用；工藝希望有寬松的制造工藝條件，提高成品率。然而各設(shè)計(jì)專業(yè)的要求是相互矛盾的，需要綜合考慮各種要求進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，尋求各方都能滿足要求的工程設(shè)計(jì)結(jié)果，使設(shè)計(jì)結(jié)果具有較好的工程性和經(jīng)濟(jì)性。

氣膜孔的設(shè)計(jì)和加工，對(duì)葉片的性能和結(jié)構(gòu)可靠性有重要影響。從葉片冷卻設(shè)計(jì)的角度，為保證葉片冷卻效果，對(duì)氣膜孔的位置和角度有嚴(yán)格的要求；從強(qiáng)度設(shè)計(jì)的角度，為保證葉片具有足夠的疲勞壽命，要求制孔表面具有良好的光潔度、并嚴(yán)格限制制孔過(guò)程對(duì)葉片產(chǎn)生的損傷：如避免誤傷內(nèi)腔基體壁面，限制氣膜孔重熔層厚度等。在打孔過(guò)程中，完全滿足上述要求具有較大的困難：由于鑄造過(guò)程的復(fù)雜性，葉片外型和內(nèi)型與設(shè)計(jì)存在一定的偏差，這就給打孔的準(zhǔn)確定位，特別是葉身前緣氣膜孔位置和角度的確定造成較大的困難。如果不能確?？椎奈恢煤徒嵌葴?zhǔn)確，則極易誤傷內(nèi)腔基體及相鄰氣膜孔在內(nèi)腔交叉。氣膜孔打孔質(zhì)量的控制和改進(jìn)，對(duì)于保證渦輪葉片的性能和工作可靠性，具有重要意義。

目前氣膜孔加工主要采用三種方法[1]：激光打孔、電火花打孔和電液束打孔。激光打孔效率最高，但會(huì)在氣膜孔邊產(chǎn)生較厚的重熔層；電火花打孔效率較高，重熔層較薄；電液束打孔不產(chǎn)生重熔層、無(wú)微裂紋、無(wú)熱影響區(qū)，稱為“三無(wú)”，是最理想的高質(zhì)量制孔方法，但效率最低。考慮到效率和經(jīng)濟(jì)性，電火花打孔工藝在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的時(shí)間最長(zhǎng)，技術(shù)也最成熟。此外，近年飛秒激光制孔技術(shù)也是一種有前途的方法。

本文結(jié)合某高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片的高周疲勞試驗(yàn)結(jié)果，剖切檢查制孔內(nèi)腔狀態(tài)，對(duì)氣膜孔打孔質(zhì)量進(jìn)行了分析，并對(duì)打孔質(zhì)量的控制和改進(jìn)方法提出了針對(duì)性措施。

1 基于疲勞試驗(yàn)的葉片打孔質(zhì)量分析

在設(shè)計(jì)狀態(tài)確定的情況下，氣膜孔質(zhì)量就取決于工藝過(guò)程控制。氣膜孔質(zhì)量包括兩方面內(nèi)容：（1）氣膜孔孔徑尺寸、形狀，公差和位置度是否滿足設(shè)計(jì)要求；（2）孔表面粗糙度是否滿足要求、重熔層是否符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定、是否有微裂紋。本章主要結(jié)合葉片高周疲勞試驗(yàn)結(jié)果，討論前者對(duì)葉片的疲勞強(qiáng)度的影響。

常溫條件下的葉片高周疲勞試驗(yàn)，主要目的是發(fā)現(xiàn)葉片設(shè)計(jì)、制造的薄弱環(huán)節(jié)，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝的改進(jìn)提供支持。某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片的氣膜孔采用電火花工藝加工，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，主裂紋起裂位置主要集中在葉身前緣根部（靠近葉盆側(cè)）的氣膜孔邊緣，主裂紋典型位置見(jiàn)圖1.部分試驗(yàn)件在較低的動(dòng)應(yīng)力下即出現(xiàn)疲勞裂紋。

圖1 葉身主裂紋位置示意圖

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 1，動(dòng)應(yīng)力升降圖見(jiàn)圖 2，圖中的無(wú)量綱動(dòng)應(yīng)力定義為：

式中：si為第i個(gè)試驗(yàn)件的無(wú)量綱動(dòng)應(yīng)力；σi為第i個(gè)試驗(yàn)件的動(dòng)應(yīng)力；σmax為所有試驗(yàn)件中的最大動(dòng)應(yīng)力。

表1 試驗(yàn)結(jié)果匯總表

圖2 動(dòng)應(yīng)力升降圖（高周疲勞試驗(yàn)）

圖中，“x”表示試驗(yàn)件未達(dá)到規(guī)定的循環(huán)次數(shù)即失效，“○”表示試驗(yàn)件達(dá)到規(guī)定的循環(huán)次數(shù)未失效。

從表1及圖2可以看出，試驗(yàn)結(jié)果存在較大的分散性。為分析疲勞裂紋產(chǎn)生的原因，在各失效葉片主裂紋所在位置進(jìn)行了解剖和斷口分析，發(fā)現(xiàn)大部分失效葉片均不同程度存在葉身前緣內(nèi)腔被打傷，以及相鄰氣膜孔在前緣內(nèi)腔表面交叉的情況。以7號(hào)葉片為例（該葉片在較低的應(yīng)力水平即發(fā)生裂紋，且斷口特征比較典型），其斷口位置見(jiàn)圖3，裂紋源形貌見(jiàn)圖4.裂紋源見(jiàn)圖中的圓圈位置，其中一個(gè)位于3#、4#氣膜孔槽在內(nèi)腔處形成的尖角，為主源，另一個(gè)源位于1#氣膜孔表面。1#、2#孔對(duì)應(yīng)葉盆側(cè)兩排正常葉片氣膜孔結(jié)構(gòu)，3#、4#孔為1#氣膜孔和葉背氣膜孔在打孔過(guò)深導(dǎo)致穿透至另一側(cè)基體內(nèi)壁所致。

圖3 斷口位置

圖4 斷口裂紋源區(qū)形貌

葉片裂紋起源于氣膜孔表面以及其形成的尖角處，由于進(jìn)氣邊處氣膜孔打孔過(guò)深造成葉片存在局部偏薄或尖角等應(yīng)力集中區(qū)域，加之此位置又為高壓疲勞試驗(yàn)較大應(yīng)力的關(guān)鍵部位，因此疲勞強(qiáng)度較低。

2 氣膜質(zhì)量控制及改進(jìn)方法分析

從強(qiáng)度設(shè)計(jì)的角度，在工作狀態(tài)下，葉身前緣溫度相對(duì)較高，同時(shí)根部的靜態(tài)應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力幅值也相對(duì)較高，特別在氣膜孔邊緣應(yīng)力集中比較明顯，葉身前緣根部區(qū)域的氣膜孔質(zhì)量尤顯重要。然而從加工的角度，由于鑄造的原因，通常葉身前緣的外形和厚度較容易超差，這就給氣膜孔的位置、角度和打孔進(jìn)深的確定帶來(lái)較大的困難。如果打孔進(jìn)深值過(guò)大，會(huì)打傷內(nèi)腔壁面；如果打孔進(jìn)深值偏小，則在加工過(guò)程中需要補(bǔ)加工（反拷過(guò)程），而該過(guò)程極易造成孔徑超差[2]。

基于目前的空心渦輪葉片鑄造水平，可以從設(shè)計(jì)、打孔工藝和檢測(cè)環(huán)節(jié)采取措施，控制并提高電火花打孔質(zhì)量，提高葉片的疲勞強(qiáng)度。

（1）從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上：1）需要兼顧現(xiàn)有的葉片鑄造水平，在葉身前緣氣膜孔位置和角度的選取上，增大對(duì)葉片鑄造壁厚偏差的容許度。以圖5所示的情況為例，如果設(shè)計(jì)時(shí)氣膜孔與設(shè)計(jì)的內(nèi)型輪廓的距離Δa過(guò)小，且在鑄造時(shí)內(nèi)型輪廓出現(xiàn)超差，那么實(shí)際打孔時(shí)，極可能打傷內(nèi)壁。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)葉身前緣內(nèi)、外型的超差統(tǒng)計(jì)情況，確定Δa的取值。2）在可能的情況下，對(duì)于葉身前緣根部的氣膜孔，應(yīng)盡量增大孔間距離，不僅可以在一定程度上避免氣膜孔在內(nèi)腔交叉，還可以改善該區(qū)域的應(yīng)力集中狀況。

圖5 內(nèi)型超差（示例）時(shí)的氣膜孔位置選取

（2）葉片鑄件壁厚測(cè)量及控制。由于鑄造過(guò)程的復(fù)雜性，葉片實(shí)際內(nèi)、外型與設(shè)計(jì)狀態(tài)存在一定偏差。精確測(cè)量壁厚，可以為葉片氣膜孔打孔參數(shù)的確定提供方便。對(duì)于空心渦輪葉片的壁厚測(cè)量，目前多采用超聲波測(cè)厚法[3]，該方法操作簡(jiǎn)便，但要求被測(cè)部位上下表面若不平行，則會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差[4]。在圖6所示的壁厚測(cè)量位置中，t2和t3處測(cè)量精度較高，葉身前緣表面曲率較大，該方法測(cè)量t1處壁厚誤差較大。熊瑛等[3]采用射線測(cè)量了葉片大曲率處的壁厚，但筆者認(rèn)為該方法操作復(fù)雜，不適用于大批量葉片的高效測(cè)量，工程性差。工業(yè)CT法不僅可輸出氣膜孔的三維空間分布圖像，還可進(jìn)行壁厚的測(cè)量[5]，給出直觀壁厚分布圖及數(shù)據(jù)，是相對(duì)比較理想的葉身前緣壁厚測(cè)量方法。

圖6 葉身前緣壁厚測(cè)量點(diǎn)示意圖

（3）制孔過(guò)程控制。1）提高葉片定位精度，對(duì)提高氣膜孔孔的加工精度至關(guān)重要。葉片制孔基準(zhǔn)的確定過(guò)程：在葉片機(jī)加過(guò)程中，根據(jù)葉身的六點(diǎn)定位基準(zhǔn)加工榫頭，然后設(shè)計(jì)制造制孔用工裝。制孔過(guò)程：在制孔設(shè)備上以工裝夾持固定葉片榫頭確定坐標(biāo)系；為提高孔的定位精度，就需要提高榫頭加工過(guò)程的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換精度、榫頭夾持定位精度和可靠性。2）采取有效措施防止打孔時(shí)電極打傷葉片內(nèi)腔表面。在葉片結(jié)構(gòu)允許的情況下，為防止電極打穿后誤傷葉葉片內(nèi)壁面，必須進(jìn)行行程控制，可將一定尺寸的銅條由榫頭底部通氣孔插入葉片前緣內(nèi)腔[2-6]。由于銅條材料特性與電極材料基本相同，根據(jù)電火花打孔原理，相同材料特性和電位差的材料間放電效率較低，進(jìn)而極大地延緩電極的進(jìn)給速度，有效防止誤傷葉片內(nèi)壁，是控制行程的一種有效方法。

（4）制孔質(zhì)量檢查。雖然工程設(shè)計(jì)時(shí)各專業(yè)已經(jīng)充分協(xié)調(diào)，由于制造過(guò)程的復(fù)雜性、制造過(guò)程控制環(huán)節(jié)太多及控制手段的局限性，以及葉片本體幾何的偏差，不能確保每個(gè)葉片氣膜孔質(zhì)量都滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)樣件制作，經(jīng)過(guò)各種檢驗(yàn)、計(jì)量和剖檢并經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)樣件評(píng)審，確定標(biāo)準(zhǔn)樣件的方法來(lái)控制，這是一種行之有效的方法，但對(duì)葉片前緣內(nèi)腔復(fù)雜空間分布的氣膜孔有一定局限性。目前的制孔質(zhì)量檢查，除目視外，無(wú)損檢查方式常采用X光檢測(cè)和CT檢測(cè)，對(duì)于通常結(jié)構(gòu)氣膜孔質(zhì)量檢查是有效地。CT檢測(cè)還可以輸出葉片三維結(jié)構(gòu)影像，但成本較高，圖7是典型的葉片CT掃描結(jié)果。

圖7 某葉片CT掃描照片

X光檢測(cè)輸出的是二維影像，對(duì)于具有比較復(fù)雜的空間位置和角度，氣膜孔影像會(huì)相互重疊，給打孔質(zhì)量的判斷帶來(lái)較大困難。筆者認(rèn)為，基于現(xiàn)有的X光檢測(cè)方法，輔助增加光學(xué)內(nèi)窺鏡的方法，在葉片前緣內(nèi)腔檢查氣膜孔質(zhì)量。在葉片結(jié)構(gòu)允許的情況下，可以將內(nèi)窺鏡從榫頭底部通氣孔插入葉片內(nèi)腔，通過(guò)實(shí)時(shí)影像查錄像，看內(nèi)腔表面質(zhì)量狀態(tài)以及氣膜孔分布狀況。圖8是采用內(nèi)窺鏡對(duì)葉身前緣內(nèi)腔的進(jìn)行檢測(cè)的影像截圖，可以看出在電火花打孔過(guò)程中，內(nèi)腔肋板被擊穿，并打傷內(nèi)壁面。

圖8 葉片前緣內(nèi)腔檢測(cè)（內(nèi)窺鏡）

3 結(jié)論

渦輪葉片氣膜孔的質(zhì)量，尤其是前腔氣膜孔質(zhì)量及分布狀況對(duì)葉片性能和結(jié)構(gòu)可靠性有重要影響。盡管渦輪葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜、毛坯存在一定偏差，制孔環(huán)節(jié)對(duì)氣膜孔質(zhì)量影響因素多，但通過(guò)嚴(yán)格的過(guò)程控制，能夠有效提高制孔質(zhì)量；借助先進(jìn)可靠的檢測(cè)手段，能夠確準(zhǔn)確挑選甄別葉片制孔質(zhì)量，確保裝機(jī)葉片滿足設(shè)計(jì)使用要求，通過(guò)以上手段可以避免孔相交從而保證葉片高周疲勞壽命滿足要求。