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摘要：燃气轮机广泛应用于发电、船舰等能源、国防、交通领域，是关系国家安全和国民经济发展的高技术核心装备，属于市场前景巨大的高技术产业。本文针对世界上功率最大的燃气轮机叶片表面超精要求开展工艺技术研究，使得喷丸表面的叶片最终到达镜面效果的同时，满足表面残余应力和表面完整性技术要求。
Abstract： Gas turbine is widely used in power generation， ship and other energy， national defense， transportation fields. It is a high-tech core equipment related to national security and national economic development， and belongs to the high-tech industry with huge market prospect. In this paper， the technology research is carried out for the super precision requirement of the blade surface of the gas turbine with the largest power in the world， so that the blade on the shot peened surface can reach the mirror effect finally， and at the same time， it can meet the technical requirements of surface residual stress and surface integrity.
關键词：燃气轮机叶片;超精表面;喷丸;表面完整性;数控砂带磨削
Key words： gas turbine blade;ultra-finish surface;shot peening;surface integrity;CNC belt grinding
0 引言
燃气轮机发展是国家战略性高技术产业，发展燃机产业，对于推动国家产业结构调整与转型升级，提升经济发展质量和效益具有重大战略意义。图1是加工好的燃气轮机超精表面。而“超精表面”这个概念的引入源于通用公司H级燃气轮机压气机叶片，表面质量的提高其目的在于提高燃气进气效率，同时增加压气机叶片的疲劳寿命。该燃机是当前世界上功率最大的燃气轮机，输出功率可达397MW，具有最新型的燃烧室，能使氮氧化物的排放降低到15ppm的水平，远低于我国国家的现行标准，是业界领先的环保型燃气轮机。因此，新型超精的燃机叶片将会成为未来的主流，对于掌握超精叶片表面的加工工艺研究势在必行。
1 表面完整性和超精加工难点
1.1 表面完整性
提到超精表面加工的时候，我们就不得不提另一概念——表面完整性。在不同载荷条件下，零件的设计准则是不同的，对于同一种材料而言，疲劳强度往往比静载强度低很多。所以，受循环载荷的零件将疲劳寿命作为其设计准则。当零件的加工尺寸及结构形式和材料性能确定后，疲劳强度往往取决于表面的质量状态，经研究发现，大部分的疲劳裂纹都萌生于表面，因此，零件的表面质量是至关重要的，表面完整性概念也因此而产生。
1964年，Field在文中首次提出表面完整性概念，经过大半个世纪的发展，表面完整性已完全深入航空制造领域和民用高端机械领域。表面完整性是指零部件加工后表面几何和物理质量的总称，从广义上讲表面完整性包括两个组成部分：①与零件表面纹理变化有关的部分，称为外部效应，其中包括表面粗糙度、波纹度、刀纹方向和宏观缺陷;②与零件表层冶金物理特征变化的有关部分，即内部效应，其中包括显微结构变化、再结晶、晶间腐蚀、热影响区、显微裂纹、硬度变化、塑性变形、残余应力、材料非同性质和合金贫化等。而超精表面加工是表面完整性概念的引申，通俗的讲，即通过机械加工方式对零件表面进行微观和宏观的质量改善。
1.2 超精加工难点
由于叶片受发动机工作环境的影响，因此，叶片必须具备抗腐蚀、抗氧化、抗疲劳等性能。如果要提高零件表面的抗疲劳能力就需要引入机械或化学的特种工艺，如喷丸、镀层等，但是在特种工艺过后，零件表面的粗糙度会急剧的升高或产生显微裂纹，这样就会破坏零件表面完整性。因此，超精加工的难点主要是零件的抗疲劳工艺和粗糙度降低工艺的矛盾。这时我们就需采用一种工艺方法，既能降低表面粗糙度值达到超精Ra0.2效果，又能保证我们增加的表面强化层不被去除掉。
2 超精加工工艺研究
一般压气机叶片在叶型加工完成后，表面粗糙度可以达到Ra0.4，但由于需要增加叶片叶身表面抗疲劳性能会增加喷丸工艺。喷丸的过程就是将大量弹丸喷射到叶片的整个叶身表面，就像无数个小锤对零件表面进行锤击，使零件表面产生极为强烈的塑性变形，产生一定厚度的冷作硬化层，即表面强化层。在显微镜下所看到喷丸后的零件表面就是由无数凹坑形成（见图2）。所以，喷丸后的叶片叶身表面粗糙度会急剧上升甚至达到Ra3.2，完全不能满足客户要求。因此针对该问题，开展叶片喷丸表面超精工艺研究试验。
2.1 试验方案
一般提高叶片表面质量的方法通常采用手工抛光和振动光饰，但是对于降低喷丸表面的粗糙度，手工抛光与振动光饰在控制去除量均匀性上难度非常大，而且很难满足要求。因此，结合公司现有设备采用六轴联动数控砂带磨床进行新工艺开发工艺试验。
数控砂带磨削是磨削和抛光相结合的新工艺，具有磨削效率高、表面质量好、能量消耗低等特点，适用于各种材料及不同形状零件，其加工具有灵活性。砂带磨削是根据工件形状，以相应的接触方式，利用高速运动的砂带对工件表面进行磨削、研磨和抛光的一种新型高效磨抛工艺，主要由砂带、接触轮等组成。而砂带是其中非常重要的组成部分，也是进行砂带磨削的核心部分。数控砂带磨削属于一种可视化的、特殊的、多刀多刃的工具，主要由结合剂、磨粒和基体这三个部分组合而成。在进行砂带磨削时，通过给予磨粒一定的压力来使其进行切削运动，并与零件实现相互作用，最终形成对零件表面的抛光和磨削效果。 一般对于不锈钢材料的压气机叶片，表面喷丸强度要求是9～12N，喷丸覆盖率为100%，表面压应力层深度可达到200um左右，喷丸后叶片表面粗糙度一般为Ra1.6～Ra3.2。为满足喷丸表面完整性要求——残余应力值大小和压应力层深度要求，同时降低叶片表面粗糙度至Ra0.4，采用数控砂带磨削加工，选择合适的加工参数，对零件表面材料去除量进行控制，这样既可去除零件喷丸表面材料的高点降低表面粗糙度，同时保证了零件表面的残余应力值和压应力层深度不被破坏。数控砂带磨削后，再将叶片进行振动光饰提高其表面完整性。
2.2 试验过程
选用一个压气机叶片进行试验，该叶片最大弦长110mm，叶身高度260mm，图纸规定喷丸后表面粗糙度要求达到Ra0.2。先对喷丸后的试验叶片进行粗糙度的测量，其叶身检测平均值为Ra2.0。然后对试验件在六轴数控砂带磨床上进行加工，分粗抛和精抛两个工步。在工艺参数的选择上，叶片喷丸表面具有多项指标要求，而数控砂带磨削具有多影响因素的加工参数，具有高复杂性和非线性的特点。因此，数控砂带磨削工艺参数研究，主要从砂带、接触轮、加工参数等方面分析对材料去除量及表面粗糙度的影响，严格控制加工表面纹理以及提升抛光后零件表面均匀性。经过多组试验对比后，最终摸索出最优加工参数为：粗抛采用P400无纺布砂带，直径30mm接触轮，加工行距0.6mm，进给速度F5000mm/min，转速S2200r/min，粗抛1次;精抛采用P600无纺布砂带，直径30mm接触轮，加工行距0.4mm，进给速度F4000mm/min，转速S1800r/min，精抛1～2次。加工完成后，对试验件分别从表面粗糙度、材料去除量、表面残余应力这三个方面进行检测及对比分析。
表面粗糙度情况：将数控砂带磨削加工后的试验件，用粗糙度仪器SJ210检测叶身，叶盆和叶背各进行10个点检测，其平均粗糙度值低至Ra0.25。再将试验件放入振动锅中进行振动光饰，最终测量叶身表面粗糙度，叶盆和叶背同样各检测10个点，其平均粗糙度值小于Ra0.2，因此，叶片叶身最终粗糙度值满足图纸要求。
材料去除量情况：将叶片数控砂带磨削前三坐标检测叶型数据与振动光饰后三坐标检测的叶型数据进行对比，发现叶片叶盆叶背单面尺寸去除量小于0.015mm，也就是说叶片单面材料去除量控制在喷丸压应力层深度10%以内，这样叶身表面喷丸凹坑痕迹仍然存在。因此，采用数控砂带磨削可有效控制材料的去除量，并且对喷丸压应力深度影响较小。
表面残余应力情况：选择一件材料去除量最大的试验件进行残余应力分析，采用Proto LXRD仪器检测叶背1点，叶盆1点，前缘1点各8个深度的残余应力，通过对比检测结果，我们发现最大残余应力在表层或次表层，0.003英寸处压应力大于40ksi，0.006英寸处为压应力。由此可见，数控砂带磨削工艺采用合适的加工工艺参数所去除的表面材料对喷丸表面残余应力值影响较小。
2.3 试验结果
通过多组工艺试验对比，最终摸索出最优数控砂带磨削加工工艺参数，不仅可以降低喷丸表面的粗糙度达到Ra0.2，而且还不会降低或破坏喷丸表面的残余应力和压应力层深度，实现了叶片加工表面超精效果。因此，采用数控砂带磨削加工实现喷丸叶片表面超精效果的工艺方法是可行的。
3 结束语
人类在发展，科技在进步，为了满足现代高科技设计要求，加工工艺也在不断提升。通过工艺试验，摸索加工工艺参数，最终实现了采用六轴数控砂带磨削的加工工艺，使得叶片喷丸表面达到超精效果同时也不会降低或破坏原喷丸表面的残余应力和压应力，满足发动机叶片的安全性能与抗疲劳性。
参考文献：
[1]王业辉.TC4 钛合金超声喷丸强化残余应力数值模拟分析[J].航空发动机，2019，45（3）：58-64.
[2]盖鹏涛，陈福龙，尚建勤，韩秀全.喷丸强化对表面完整性影响的研究现状与发展[J].航空制造技术，2016（20）：16-21.
[3]席亚宾，张帅，蔡青春，李洪涛，纪运广.燃气轮机旋转失速机理及防范对策[J].内燃機与配件，2020（04）：141-142.
Abstract： Gas turbine is widely used in power generation， ship and other energy， national defense， transportation fields. It is a high-tech core equipment related to national security and national economic development， and belongs to the high-tech industry with huge market prospect. In this paper， the technology research is carried out for the super precision requirement of the blade surface of the gas turbine with the largest power in the world， so that the blade on the shot peened surface can reach the mirror effect finally， and at the same time， it can meet the technical requirements of surface residual stress and surface integrity.
關键词：燃气轮机叶片;超精表面;喷丸;表面完整性;数控砂带磨削
Key words： gas turbine blade;ultra-finish surface;shot peening;surface integrity;CNC belt grinding
0 引言
燃气轮机发展是国家战略性高技术产业，发展燃机产业，对于推动国家产业结构调整与转型升级，提升经济发展质量和效益具有重大战略意义。图1是加工好的燃气轮机超精表面。而“超精表面”这个概念的引入源于通用公司H级燃气轮机压气机叶片，表面质量的提高其目的在于提高燃气进气效率，同时增加压气机叶片的疲劳寿命。该燃机是当前世界上功率最大的燃气轮机，输出功率可达397MW，具有最新型的燃烧室，能使氮氧化物的排放降低到15ppm的水平，远低于我国国家的现行标准，是业界领先的环保型燃气轮机。因此，新型超精的燃机叶片将会成为未来的主流，对于掌握超精叶片表面的加工工艺研究势在必行。
1 表面完整性和超精加工难点
1.1 表面完整性
提到超精表面加工的时候，我们就不得不提另一概念——表面完整性。在不同载荷条件下，零件的设计准则是不同的，对于同一种材料而言，疲劳强度往往比静载强度低很多。所以，受循环载荷的零件将疲劳寿命作为其设计准则。当零件的加工尺寸及结构形式和材料性能确定后，疲劳强度往往取决于表面的质量状态，经研究发现，大部分的疲劳裂纹都萌生于表面，因此，零件的表面质量是至关重要的，表面完整性概念也因此而产生。
1964年，Field在文中首次提出表面完整性概念，经过大半个世纪的发展，表面完整性已完全深入航空制造领域和民用高端机械领域。表面完整性是指零部件加工后表面几何和物理质量的总称，从广义上讲表面完整性包括两个组成部分：①与零件表面纹理变化有关的部分，称为外部效应，其中包括表面粗糙度、波纹度、刀纹方向和宏观缺陷;②与零件表层冶金物理特征变化的有关部分，即内部效应，其中包括显微结构变化、再结晶、晶间腐蚀、热影响区、显微裂纹、硬度变化、塑性变形、残余应力、材料非同性质和合金贫化等。而超精表面加工是表面完整性概念的引申，通俗的讲，即通过机械加工方式对零件表面进行微观和宏观的质量改善。
1.2 超精加工难点
由于叶片受发动机工作环境的影响，因此，叶片必须具备抗腐蚀、抗氧化、抗疲劳等性能。如果要提高零件表面的抗疲劳能力就需要引入机械或化学的特种工艺，如喷丸、镀层等，但是在特种工艺过后，零件表面的粗糙度会急剧的升高或产生显微裂纹，这样就会破坏零件表面完整性。因此，超精加工的难点主要是零件的抗疲劳工艺和粗糙度降低工艺的矛盾。这时我们就需采用一种工艺方法，既能降低表面粗糙度值达到超精Ra0.2效果，又能保证我们增加的表面强化层不被去除掉。
2 超精加工工艺研究
一般压气机叶片在叶型加工完成后，表面粗糙度可以达到Ra0.4，但由于需要增加叶片叶身表面抗疲劳性能会增加喷丸工艺。喷丸的过程就是将大量弹丸喷射到叶片的整个叶身表面，就像无数个小锤对零件表面进行锤击，使零件表面产生极为强烈的塑性变形，产生一定厚度的冷作硬化层，即表面强化层。在显微镜下所看到喷丸后的零件表面就是由无数凹坑形成（见图2）。所以，喷丸后的叶片叶身表面粗糙度会急剧上升甚至达到Ra3.2，完全不能满足客户要求。因此针对该问题，开展叶片喷丸表面超精工艺研究试验。
2.1 试验方案
一般提高叶片表面质量的方法通常采用手工抛光和振动光饰，但是对于降低喷丸表面的粗糙度，手工抛光与振动光饰在控制去除量均匀性上难度非常大，而且很难满足要求。因此，结合公司现有设备采用六轴联动数控砂带磨床进行新工艺开发工艺试验。
数控砂带磨削是磨削和抛光相结合的新工艺，具有磨削效率高、表面质量好、能量消耗低等特点，适用于各种材料及不同形状零件，其加工具有灵活性。砂带磨削是根据工件形状，以相应的接触方式，利用高速运动的砂带对工件表面进行磨削、研磨和抛光的一种新型高效磨抛工艺，主要由砂带、接触轮等组成。而砂带是其中非常重要的组成部分，也是进行砂带磨削的核心部分。数控砂带磨削属于一种可视化的、特殊的、多刀多刃的工具，主要由结合剂、磨粒和基体这三个部分组合而成。在进行砂带磨削时，通过给予磨粒一定的压力来使其进行切削运动，并与零件实现相互作用，最终形成对零件表面的抛光和磨削效果。 一般对于不锈钢材料的压气机叶片，表面喷丸强度要求是9～12N，喷丸覆盖率为100%，表面压应力层深度可达到200um左右，喷丸后叶片表面粗糙度一般为Ra1.6～Ra3.2。为满足喷丸表面完整性要求——残余应力值大小和压应力层深度要求，同时降低叶片表面粗糙度至Ra0.4，采用数控砂带磨削加工，选择合适的加工参数，对零件表面材料去除量进行控制，这样既可去除零件喷丸表面材料的高点降低表面粗糙度，同时保证了零件表面的残余应力值和压应力层深度不被破坏。数控砂带磨削后，再将叶片进行振动光饰提高其表面完整性。
2.2 试验过程
选用一个压气机叶片进行试验，该叶片最大弦长110mm，叶身高度260mm，图纸规定喷丸后表面粗糙度要求达到Ra0.2。先对喷丸后的试验叶片进行粗糙度的测量，其叶身检测平均值为Ra2.0。然后对试验件在六轴数控砂带磨床上进行加工，分粗抛和精抛两个工步。在工艺参数的选择上，叶片喷丸表面具有多项指标要求，而数控砂带磨削具有多影响因素的加工参数，具有高复杂性和非线性的特点。因此，数控砂带磨削工艺参数研究，主要从砂带、接触轮、加工参数等方面分析对材料去除量及表面粗糙度的影响，严格控制加工表面纹理以及提升抛光后零件表面均匀性。经过多组试验对比后，最终摸索出最优加工参数为：粗抛采用P400无纺布砂带，直径30mm接触轮，加工行距0.6mm，进给速度F5000mm/min，转速S2200r/min，粗抛1次;精抛采用P600无纺布砂带，直径30mm接触轮，加工行距0.4mm，进给速度F4000mm/min，转速S1800r/min，精抛1～2次。加工完成后，对试验件分别从表面粗糙度、材料去除量、表面残余应力这三个方面进行检测及对比分析。
表面粗糙度情况：将数控砂带磨削加工后的试验件，用粗糙度仪器SJ210检测叶身，叶盆和叶背各进行10个点检测，其平均粗糙度值低至Ra0.25。再将试验件放入振动锅中进行振动光饰，最终测量叶身表面粗糙度，叶盆和叶背同样各检测10个点，其平均粗糙度值小于Ra0.2，因此，叶片叶身最终粗糙度值满足图纸要求。
材料去除量情况：将叶片数控砂带磨削前三坐标检测叶型数据与振动光饰后三坐标检测的叶型数据进行对比，发现叶片叶盆叶背单面尺寸去除量小于0.015mm，也就是说叶片单面材料去除量控制在喷丸压应力层深度10%以内，这样叶身表面喷丸凹坑痕迹仍然存在。因此，采用数控砂带磨削可有效控制材料的去除量，并且对喷丸压应力深度影响较小。
表面残余应力情况：选择一件材料去除量最大的试验件进行残余应力分析，采用Proto LXRD仪器检测叶背1点，叶盆1点，前缘1点各8个深度的残余应力，通过对比检测结果，我们发现最大残余应力在表层或次表层，0.003英寸处压应力大于40ksi，0.006英寸处为压应力。由此可见，数控砂带磨削工艺采用合适的加工工艺参数所去除的表面材料对喷丸表面残余应力值影响较小。
2.3 试验结果
通过多组工艺试验对比，最终摸索出最优数控砂带磨削加工工艺参数，不仅可以降低喷丸表面的粗糙度达到Ra0.2，而且还不会降低或破坏喷丸表面的残余应力和压应力层深度，实现了叶片加工表面超精效果。因此，采用数控砂带磨削加工实现喷丸叶片表面超精效果的工艺方法是可行的。
3 结束语
人类在发展，科技在进步，为了满足现代高科技设计要求，加工工艺也在不断提升。通过工艺试验，摸索加工工艺参数，最终实现了采用六轴数控砂带磨削的加工工艺，使得叶片喷丸表面达到超精效果同时也不会降低或破坏原喷丸表面的残余应力和压应力，满足发动机叶片的安全性能与抗疲劳性。
参考文献：
[1]王业辉.TC4 钛合金超声喷丸强化残余应力数值模拟分析[J].航空发动机，2019，45（3）：58-64.
[2]盖鹏涛，陈福龙，尚建勤，韩秀全.喷丸强化对表面完整性影响的研究现状与发展[J].航空制造技术，2016（20）：16-21.
[3]席亚宾，张帅，蔡青春，李洪涛，纪运广.燃气轮机旋转失速机理及防范对策[J].内燃機与配件，2020（04）：141-142.