噴丸強化處理對核電汽輪機低壓葉片表面殘余應力的影響

王天劍，劉禹炯，徐永峰，范華

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000)

噴丸強化處理對核電汽輪機低壓葉片表面殘余應力的影響

王天劍，劉禹炯，徐永峰，范華

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000)

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

噴丸強化處理，低壓葉片，殘余應力

1 前言

核電汽輪機利用核反應堆直接或間接產生的水蒸汽的熱能做功，其熱力設計具有大功率、小絕熱比焓降和大容積流量等特點，因此，核電汽輪機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行穩定性和使用長時性，因此，大功率核電汽輪機低壓末級葉片的疲勞性能是進行長葉片設計必須重點考慮的因素。公司目前生產的核電汽輪機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，目前采用噴丸強化處理的方式，而噴丸之后葉片表面殘余應力的形式和大小，與葉片的疲勞壽命有著至關重要的影響。本文采用噴丸強化處理的方法，研究了噴丸強化處理對核電低壓末級和次末級動葉片表面殘余應力的影響。

2 試驗方法

噴丸強化處理不同于普通的噴丸處理，其強度比普通噴丸要大很多，是一種以小而硬的金屬彈丸連續高速撞擊金屬零件表面的一種方法，使零件表層產生強烈的塑性形變，細化了表層金屬的組織結構， 并在表層中形成壓應力[1]。 由于末級葉片有高頻淬火區，導致有過渡區的存在，會導致葉片整體性能惡化，噴丸強化可以改善過渡區的殘余應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#）預先進行了噴丸強化處理， 對照葉片各 1 片（分別為 5#、 6#）未進行噴丸強化處理。 噴丸用鋼球直徑為 1.2 mm， 噴丸覆蓋率≥150%。 采用便攜式X射線表面殘余應力儀對葉片的不同部位特別是高頻淬火區進行測試。

對比噴丸強化處理的葉片與未噴丸強化處理的葉片表面殘余應力的差異，同時，在金相顯微鏡下觀察末級葉片噴丸強化后高頻淬火區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生。

3 結果與討論

3.1 噴丸強化處理對低壓末級葉片表面殘余應力的影響

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內弧面殘余應力的對比 （負值為壓應力）。 從圖中可以明顯地看出， 經過噴丸強化處理之后的葉片，其表面應力狀態得到明顯的改善， 殘余壓應力值大都在 500 MPa 以上， 尤其是淬硬區和熱影響區的殘余壓應力有大幅的提高。而未噴丸的葉片除少數點外，其表面測試點的殘余壓應力基本都處于 120～400 MPa 之間， 同時還發現葉片各部位的殘余應力值是不均勻的，在熱影響區甚至還有拉應力的存在。圖2為葉片葉根處殘余應力的測試對比結果，從圖中可以看出，噴丸強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力值對比

圖2 末級葉片葉根處殘余應力的分布情況對比

3.2 噴丸處理對次末級葉片表面殘余應力的影響

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

圖3 噴丸強化處理與未噴丸處理的次末級葉片內弧面殘余應力的變化

圖4 噴丸強化處理與未噴丸處理的次末級葉片背弧面殘余應力的變化

表1為次末級葉片噴丸強化處理和未噴丸處理的殘余應力對比。

表1 次末級葉片噴丸強化處理和未噴丸處理殘余應力對比 MPa

3.3 末級葉片噴丸處理后金相形貌

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

圖5 低壓末級葉片淬火區取樣位置及噴丸層截面金相形貌

4 結論

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

（2）噴丸強化處理使得葉片表面各部位的殘余壓應力值均勻化。

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

[2]王永芳,冉廣,周敬恩,等.噴丸對汽輪機葉片殘余內應力影響的研究[J]. 汽輪機技術,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， 工學碩士，工程師，2009 年畢業于北京科技大學，現就職于東方汽輪機有限公司材料研究中心 長壽命高溫材料四川省重點實驗室，主要從事汽輪機新材料開發、失效分析等工作。