噴丸對1Cr11Ni2W2MoV鋼航空發動機渦輪盤表面完整性的影響

鐘麗瓊　梁益龍　楊　明　姜　云

(①貴州大學機械工程學院，貴州 貴陽 550025；②貴陽學院機械工程學院，貴州 貴陽 550005；③貴州省材料結構與強度重點實驗室，貴州 貴陽 550025)

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噴丸對1Cr11Ni2W2MoV鋼航空發動機渦輪盤表面完整性的影響

鐘麗瓊①②梁益龍③楊明③姜云①

(①貴州大學機械工程學院，貴州 貴陽 550025；②貴陽學院機械工程學院，貴州 貴陽 550005；③貴州省材料結構與強度重點實驗室，貴州 貴陽 550025)

對航空發動機渦輪盤采用兩種不同彈丸噴丸后，用金相顯微鏡、表面粗糙度儀、X-350A應力衍射儀、DUH-211(S)動態超微小顯微硬度計和SUPPA40高分辨熱場發射掃描電鏡等設備對1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼航空發動機渦輪盤噴丸前后表層組織、表面粗糙度、殘余應力、超顯微硬度及沖擊斷口等進行對比觀測。結果表明：噴丸后表層組織有細化；表面粗糙度值約為未噴丸的10倍；表面殘余壓應力約為未噴丸的2倍多；表層硬度由表及里呈下降趨勢；通過對沖擊斷口的觀察分析可知，噴丸除了對疲勞性能有改善作用外，對材料斷裂也有一定的作用。彈丸種類的不同僅在表面殘余壓應力上有差異體現。

噴丸；1Cr11Ni2W2MoV；航空發動機渦輪盤；表面完整性

1Cr11Ni2W2MoV鋼是在低碳的12%Cr鋼中加入了大量的W、Mo、V等縮小奧氏體相區的鐵素體形成元素后，使鋼具有馬氏體相變硬化能力后得到的一種新型不銹型的馬氏體耐熱不銹鋼。該鋼具有良好的綜合力學性能，在航空工業中已廣泛用于制造在600 ℃以下工作的發動機葉片、盤、軸等重要零部件[1]。由于渦輪盤的壽命決定著整個發動機的壽命[2], 在工作過程中會受到一個撓動力的作用，極易導致疲勞失效，雖然噴丸強化是較為常用的表面強化方式，用于改善航空發動機構件的表面完整性從而提升疲勞性能[3]，但在1Cr11Ni2W2MoV鋼中的應用研究文獻較少。羅龍錦等人[4]在進行激光沖擊強化和機械噴丸對1Cr11Ni2W2MoV鋼疲勞性能提高的對比研究過程中，主要從表面粗糙度及表面殘余應力兩個方面進行了討論，并沒有涉及到噴丸表層的微觀組織及硬度梯度變化。賴志林等人[5]做了激光沖擊強化與超聲噴丸對1Cr11Ni2W2MoV鋼疲勞性能的影響對比研究，沒有涉及到傳統噴丸相關對比。為此本文擬對傳統噴丸后1Cr11Ni2W2MoV鋼的表面特征(微觀組織、表面粗糙度、表面殘余應力及表層硬度梯度等)的變化進行系統研究，并據此為1Cr11Ni2W2MoV鋼航空發動機渦輪盤的噴丸工藝提供實驗基礎，使噴丸技術能在1Cr11Ni2W2MoV鋼發動機渦輪盤中得到更好的應用，從而提高航空發動機的使用壽命。

1　試樣制備及試驗方法

1.1試樣制備

本文試驗中所采用的材料為1Cr11Ni2W2MoV 不銹鋼，其化學成分(質量分數，%)為:0.12C；0.38Mo；11.53Cr；0.255Si；1.42Ni；0.23V；1.78W；0.33Mn；其余Fe。其金相組織如圖1所示，可見1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼基體由大量板條狀馬氏體組成。本文實驗中所使用的試樣直接從航空發動機渦輪盤(如圖2所示)上截取。

1.2試驗方法

為節約研究成本，將已加工完成的渦輪盤等分為3個區域，第一個區域不做任何處理，即第一區域為未噴丸區；用黑色專用膠帶將第一、三區域覆蓋后對第二個區域采用S7O彈丸噴丸，即第二區域為S7O彈丸噴丸區；再用黑色專用膠帶把第二區域覆蓋后，對第三個區域采用切絲彈丸噴丸，即第三區域為切絲彈丸噴丸區。具體噴丸參數為：距離125 mm，壓力0.23 MPa，時間160 s，覆蓋率大于100%，強度0.13 A，噴丸角度45°。利用線切割分別從以上3個區域取不同大小試樣進行相關試驗研究(取樣時為保證試驗結果精準，表面粗糙度和殘余應力值測試試樣相對較大)，并將試樣未噴丸件、S7O彈丸噴丸件和切絲彈丸噴丸件命名為0#、1#和2#。金相試樣經鑲樣打磨拋光后采用三氯化鐵鹽酸水溶液侵蝕后在金相顯微鏡下進行原始組織金相觀察。表面殘余應力在X-350A應力衍射儀上進行，具體測試參數為：Cr靶kα射線，衍射晶面(220)，應力常數-601 MPa，在測試表面上隨機選取6～8個點進行測試后取均值為測試結果。表面粗糙度在粗糙度儀上選取試樣表面不同的區域進行檢測。采用DUH-211(S)動態超微小顯微硬度計測試噴丸表層硬度梯度，其中加載載荷為196 mN，保持時間10 s，從試樣噴丸表面沿層深往里測試。在渦輪盤表面用線切割機切取沖擊試樣，將噴丸表面作為沖擊面進行沖斷試驗，并利用 SUPPA40高分辨熱場發射掃描電鏡對沖擊斷口形貌進行觀察。

2　試驗結果與討論

2.1不同彈丸噴丸后金相組織對比

圖3、圖4分別是1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼經S07彈丸噴丸和切絲彈丸噴丸的金相圖，從試樣表面噴丸層附近往心部觀察，噴丸表面附近組織與心部組織相比較細小,這是因為噴丸過程是零件表層發生循環塑性變形的過程，大量高速彈丸撞擊零件表面，使其產生均勻致密的塑性變形區，從而使組織細化[6]。對比1#、2#試樣表層組織細化程度及深度，并沒有發現因彈丸的不同而出現明顯差異。即1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼渦輪盤噴丸后使表層組織得以細化，這有利于改善渦輪盤的疲勞性能，但由于細化程度并不十分顯著，在本文所采用的噴丸工藝參數條件下，噴丸層的組織細化可能對疲勞性能改善的作用甚微，且不同彈丸噴丸后在組織方面也沒有明顯差異。

2.2噴丸前后及不同彈丸噴丸后表面粗糙度對比

噴丸前后表面粗糙度如圖5所示，可以看出，0#未噴丸試樣表面粗糙度Ra為0.28 μm，其值在(0.25～0.50 μm)內波動，而1# S07彈丸噴丸試樣表面粗糙度Ra為2.60 μm， 2#切絲彈丸噴丸試樣表面粗糙度Ra

為3.00 μm，噴丸后試樣表面粗糙度值增大了10倍左右，且各測量值的波動比未噴丸的小。一方面是因為噴丸前的機械切削加工表面受到刀具后刀面的擠壓、滾光的作用[7-8]，其表面粗糙度值較小。另一方面是因為1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼這種材料的塑性較好，硬度較低，噴丸時，大量高速彈丸對表面進行撞擊后在零件表面留下較深的彈坑，所以噴丸后表面粗糙度值比噴丸前增大了10倍之多。從圖5中還可以看出，噴丸前表面粗糙度的測量值在個別地方有較大的變化，這是因為切削加工表面在局部區域有可能存在積屑瘤等缺陷[9]，當粗糙度儀探頭正好經過時，其粗糙度值會較大。而噴丸后表層粗糙度的各測量值之間差異較小，其值較噴丸前均勻，這是因為噴丸的覆蓋率大于100%，彈丸的沖擊使之前的加工刀痕及積屑瘤等缺陷得以改善，試樣表面密布著較為均勻的彈痕，為此同一表面上各點的測試值差異較小。對比1#和2#試樣表面粗糙值， 2#試樣表面粗糙度值僅比1#試樣大0.4 μm，基本上可以忽略不計彈丸種類的不同對1Cr11Ni2W2MoV 不銹鋼表面粗糙度的影響。

2.3噴丸前后及不同彈丸噴丸后表面殘余應力對比

文獻表明[10-13]，噴丸強化為試樣引入殘余壓應力，通過圖6所示的測試結果可以看出，噴丸前(0#)表面殘余壓應力約為140 MPa左右，噴丸后(1#，2#)表面殘余壓應力明顯增大，1#試樣表面殘余壓應力約為280 MPa左右，為噴丸前表面殘余壓應力的2倍，引入140 MPa的壓應力，2#試樣表面殘余壓應力約為330 MPa，為噴丸前表面殘余壓應力的2.35倍，引入190 MPa的壓應力。大量彈丸的高速撞擊使表層材料發生強烈的塑性變形，心部材料發生壓縮的彈性變形，當沖擊力撤銷后，心部的壓縮彈性變形恢復，使其表層受到壓應力，為此噴丸強化為試樣表面引入殘余壓應力。而噴丸引入殘余壓應力的大小及分布與很多因素有關，比如受噴材料的性能和表面狀態及噴丸工藝參數(噴丸時間、強度、角度、覆蓋率和彈丸材料等)的選擇等。在本文中，1#和2#試樣僅存在彈丸種類的不同， S07彈丸和切絲彈丸的材料及大小都是相同的，只是彈丸制造工藝不同，S07彈丸是鑄造后研磨成小球狀，切絲彈丸是鍛造后拉成細絲，從細絲上切制出小球，由于相同成分材料的鍛造狀態的力學性能優于鑄造態，所以切絲彈丸的力學性能優于S07彈丸。從兩種彈丸噴丸后引入的殘余壓應力來看， 2#試樣大于1#試樣，從而可推測，力學性能較好的彈丸噴丸后引入的殘余壓應力也較大。

2.4不同彈丸噴丸后表層超顯微硬度對比

如圖7所示，1#、2#試樣的表面硬度分別為360DHV、380DHV左右，隨著距表面深度的增加，兩者的硬度值都呈下降趨勢，這是因為噴丸時彈丸高速沖擊材料表面，使得距表面越近的地方受到的沖擊力的作用越大，則發生塑性變形的程度越大，表層組織細化后相應的硬度得以提高[14-15]，而隨著距表面深度的增加，沖擊作用逐漸減小，從而使得噴丸層的硬度呈由高到低的梯度，并在達到一定厚度后趨于某一水平。從圖7中看出，1#、2#試樣的硬度都在距離表面約為120 μm范圍內硬度值快速下降，而在距表面120～350 μm范圍內硬度值比較緩慢的下降，距表面350 μm以上處硬度值穩定在320DHV左右。1#、2#試樣在距表面120 μm以上的范圍內的超顯微硬度變化趨勢一樣，僅在硬度快速下降區(0～120 μm)內略有區別， 2#試樣的硬度下降速率大于1#，即切絲彈丸噴丸表面的硬度梯度大于S07彈丸噴丸。

2.5沖擊斷口分析

經掃描電鏡觀察切絲彈丸噴丸后的沖擊斷口形貌如圖8所示，其中圖8b為圖8a圓圈區域放大圖，8b圖中韌型撕裂韌窩沿箭頭(向噴丸層附近)逐漸變小，其深度也相應的變淺后逐漸消失，出現塑性撕裂，最后斷裂。由于噴丸表層晶粒發生形變或破碎，使表層晶粒細化，沖擊斷裂時在噴丸層出現塑性撕裂；且噴丸引入一定層深的殘余壓應力，在沖擊斷裂的過程中，表層的殘余壓應力場在沖擊過程中會抵消一部分斷裂應力，使得裂紋的擴展速度變慢，可以說明噴丸對材料斷裂時有一定的作用。

3　結語

(1)經噴丸后表層組織細化程度不顯著；表面粗糙度值的增幅遠大于表面殘余壓應力；硬化層淺，硬度梯度小，經本文的噴丸工藝強化后的1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼航空發動機渦輪盤的疲勞性能可能提升幅度不高。

(2)不同彈丸噴丸后，噴丸層組織及表面粗糙度無明顯差異，切絲彈丸噴丸后表面殘余壓應力大于S07彈丸噴丸，噴丸表層硬度變化在緩降區及穩定區無差異，僅在快降區切絲彈丸硬度梯度大于S07彈丸噴丸。可能采用切絲彈丸噴丸后航空發動機渦輪盤的疲勞性能提高會優于S07彈丸噴丸。

(3)沖擊斷口形貌說明噴丸對材料斷裂時也有一定的作用。

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Effect of shot peening on surface integrity of 1Cr11Ni2W2MoV steel aero engine turbine disc

ZHONG Liqiong①②, LIANG Yilong③, YANG Ming③, JIANG Yun①

(①College of Mechanical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, CHN;②College of Mechanical Engineering, Guiyang University, Guiyang 550005, CHN;③Guizhou Key Laboratory of Materials Strength and Structure, Guiyang 550025, CHN)

Aero engine turbine disc was shot peening with two kinds of projectiles, optical microscope, surface roughness tester, X-350A stress diffraction, ultra-micro hardness tester DUH-211(S) and SUPPA40 SEM were adopted to investigate the original structure, surface roughness, residual stress, ultra-micro hardness and fracture macrograph before shot peening 1Cr11Ni2W2MoV stainless steel aero engine turbine disc and after. The results show that the shot peening layer microstructure is refined; surface roughness is about 10 times before the shot peening and surface residual compressive stress is more than twice; a downward trend of surface hardness was found from the outside to the inside of shot peening layer; through the observation and analysis of the impact fracture surface, it can be known that the shot peening not only can improve the fatigue performance, but also have a certain effect on the material fracture. The difference of projectile is reflected by the difference of the surface residual compressive stress.

shot peening; 1Cr11Ni2W2MoV; aero engine turbine disc; surface integrity

TG668

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10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.10.024

鐘麗瓊，女，1981年生，博士研究生，講師，研究方向為表面強化技術，已發表論文10余篇。

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2016-03-22)

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