基于正交試驗的GH4169高溫合金燃氣輪機拉桿螺栓噴砂工藝參數耦合優化及表面完整性強化機制研究

引言

拉桿組合式轉子結構憑借大剛度質量比、冷卻通道易布置、裝配檢修方便等諸多優勢，被廣泛應用于重型燃氣輪機和航空發動機設計[1]。但是，在長期運行過程中，拉桿組合式轉子承受著復雜的交變循環載荷，這可能引發拉桿螺栓松動，導致預緊力下降、輪盤接觸性能退化甚至失效，影響機組安全穩定運行。螺紋防松問題一直是工程領域的研究熱點[2-3]。研究表明，螺栓松動的本質是內外牙發生相對滑動[4]、螺紋副微動磨損[5]。通過優化螺紋結構[6]、增加防松裝置[7]、實施螺紋表面處理[8-11]等措施，可以有效提升螺紋抗松性能。但在實際應用中，受安裝結構和工作環境影響，前兩種措施的應用局限性較大。噴丸/噴砂作為一種簡單、高效、低成本的表面處理工藝，被廣泛應用于汽車、航空航天、軌道交通、能源動力等領域零部件的表面強化[12-15]。

相較于噴丸,噴砂在引入表面硬化層的同時還會顯著提升工件表面粗糙度，增大摩擦阻力，利于緊固件螺紋抗松。某重型燃氣輪機拉桿螺栓制造技術規范中明確要求，需要對其螺紋部分進行噴砂強化處理，并提出了相應檢測標準。為獲得合格的產品拉桿噴砂工藝參數，本文通過試驗系統研究了丸料規格、噴槍移動速度、噴槍與工件距離、丸料供給壓力、丸料流量等參數對螺紋表面強化效果的影響,綜合分析了噴砂后螺紋表面粗糙度、硬度、殘余應力、牙型尺寸及表面形貌變化,研究成果可為相關工藝技術人員提供參考。

1、試驗設備和試驗方案

噴砂試驗于拉桿自動噴砂設備(KXS-3000C)上進行,其噴槍運動機構為一套X軸機械臂,采用西門子伺服電機驅動，重復定位精度在±0.10mm以內。試塊理化檢測設備與方法包括:使用HOMMEL TESTER T1000粗糙度檢測儀,在0.80mm基準長度下測量各試塊牙面的表面粗糙度Rmax;在0.5N試驗力度條件下,使用BUEHLER維氏硬度測量儀,從距

螺紋表層0.04mm深度位置開始，以0.30mm間距依次選取8個測量點測量硬度，取8個測量點平均值作為最終值;采用Proto-LXRD型X射線應力分析儀測量殘余應力，Mn靶Ka輻射，(311)衍射晶面，檢測試件完整嚙合第1齒的受壓面，取0°和±15°方向上3處測量點的平均值作為最終值;采用FORMTRACER AvantC4000輪廓測量儀測量螺紋牙型輪廓。試驗所用的試件及部分檢測設備如圖1所示。

影響噴丸/噴砂強化效果的工藝參數很多，包括丸料規格、丸料供給壓力、丸料流量、噴丸時間、噴槍與工件距離、噴射角度、噴嘴直徑等。其中，表面覆蓋率主要與噴丸時間有關，殘余應力、硬度、粗糙度等指標受各參數綜合影響[16-18]。表1中列出了某重型燃氣輪機拉桿螺栓噴砂強化表面理化性能的指標要求。為兼顧各項要求，需要合理設置各類工藝參數。由于開展理化性能檢驗需要對試件進行破壞性解剖處理,研究全部參數變量下的影響規律耗時耗力,而正交試驗能通過少量的試驗次數尋找到最優工藝參數組合[18],故開展正交試驗以確定各參數的最優組合。

表1 燃氣輪機拉桿螺栓噴砂檢查指標

Table 1 Gas turbine rod bolt sandblasting inspection index

2、同材質試板噴砂正交試驗

2.1正交試驗水平選擇

將1根拉桿毛坯料切割為若干個直徑60mm、厚10mm的餅狀試塊，用于噴砂正交試驗。根據經驗數據確定了丸料規格A、噴槍移動速度B、噴槍與工件距離C、丸料供給壓力D、丸料流量E5個關鍵因素的3個水平值，如表2所示，并按照L18(35)正交表設計試驗。

表2 噴砂試驗因素水平表

Table 2 Factor level of sandblasting

2.2正交試驗結果分析

18組試驗的分組及檢測結果如表3所示。表中，K為每個指標水平下的取值之和 ( 如 K 1 代表指標取水平1時的和);k為K的平均值(相應的K除以水平數,本文為3水平);R為k的極差(最大值減最小值)。可以看出，18組試驗的殘余應力最小值為597MPa，滿足指標要求，而絕大部分試驗組的表面粗糙度和硬度均不合格。綜合來看，只有第5、6、11、17組試驗結果滿足表1的指標要求。通過極差分析可以得出:對于表面粗糙度指標,5個因素影響的主次順序為 E >  A >  D >  B >  C;對于硬度指標, 5個因素影響的主次順序為 B>E>D>A>C;對于殘余應力指標,5個因素影響的主次順序為 A >  D >  E >  C >  B。

由表3還可以看出，D、E對表面粗糙度、硬度、殘余應力3個指標的影響均較大，B、C的影響相對較小, A的影響適中。 3個指標中, A對表面粗糙度和殘余應力的影響更為明顯,這也與噴砂強化的一般規律 [13]相吻合。由于粗糙度的目標值是趨小,因此粗糙度的最優組合是 E 2 A 3 D 2 B 3 C 2 ;硬度和殘余應力的目標值是趨大，其最優組合分別是B3E2D1A1C2、 A 3 D 2 E 2 C 2 B 3 。

基于上述分析結果,針對3個指標采用綜合平衡法得到的最優參數選擇為A3B3C2D2E2,即丸料規格選擇白剛玉WA#180,噴槍移動速度選擇10mm/s,噴槍與工件距離選擇100mm,丸料供給壓力選擇0.55MPa,丸料流量選擇6kg/min。觀察表3發現，

A3B3C2D2E2組合在正交試驗組中沒有出現，為驗證其實際噴砂效果，開展了最優參數組下的拉桿螺栓試件噴砂驗證性試驗。

表3 噴砂工藝正交試驗分組及試驗結果

Table 3 Orthogonal experiment grouping and results of sandblasting process

3、拉桿螺栓試件噴砂試驗

參考標準產品拉桿螺栓尺寸 1: 1制作了試件。由上文分析可知，丸料供給壓力和丸料流量對表面粗糙度、硬度、殘余應力3個指標的影響較大。為獲得合格的工藝參數，本研究在最優組H1的基礎上增加了 3個試驗組H2~H4和1個未噴砂的對照組H5。拉桿螺栓試驗件噴砂試驗參數如表4所示。

表4 拉桿螺栓試件噴砂試驗參數

Table 4 Parameters of sandblasting test for the threaded rod specimens

試驗后將每個試驗件分割為3份,分別用于測量表面粗糙度、硬度和殘余應力，并分別在每份試驗件0°、90°、180°和270°位置切出4個試塊,以4個試塊檢測值的平均值作為最終值。圖2對比了表4中5組試驗件的表面粗糙度、硬度、殘余應力檢測結果。可以看出:5組試驗件中，H5的3個指標均處在較低水平，H1~H4的3個指標均有明顯提高;H2、H3的3個指標均滿足表1中的齒面檢測要求。

為驗證H2、H3試驗組的螺紋尺寸變化和螺紋表面噴砂覆蓋率指標，采用外徑千分尺和螺紋千分尺測量并記錄了噴砂前后螺紋外徑、中徑值，同時目視檢查了覆蓋率，結果如表5所示。可以看出，H2、H3試驗組均滿足表1中的螺紋尺寸和螺紋表面噴砂覆蓋率指標要求。結合圖2數據，相比之下，H2試驗組的硬度值和殘余應力值更高，雖然其表面粗糙度值也較高，但仍在要求范圍內。綜合考慮，本文最終選擇H2試驗組參數，即彈丸規格選擇白剛玉WA#180，噴槍移動速度選擇10mm/s,工件與噴槍距離選擇100mm,丸料供給壓力選擇0.55MPa,丸料流量選擇4kg/min,作為最終產品拉桿噴砂工藝參數。

表5 噴砂前后螺紋尺寸對比

Table 5 Thread size comparison before and after sandblasting

此外，從表5還可以得出，在覆蓋率超過100%的情況下，噴砂后的螺紋外徑、中徑尺寸較噴砂前平均減少了約0.03mm,這主要是由于噴砂會剝離螺紋表層少量組織 [15]。為進一步觀察噴砂前后螺紋牙型變化,使用工業電子放大鏡觀察螺紋表面形貌,如圖3所示。噴砂前螺紋牙面清晰可見加工刀痕，噴砂后表面呈啞光色，刀痕消失，表面變得凹凸不平。采用輪廓測量儀對螺紋牙型輪廓進行檢測,結果如圖4所示，噴砂后螺紋牙型輪廓面整體內縮約0.015mm。由此可見,噴砂處理在引起試件表面粗糙度上升的同時，還造成了輪廓尺寸變化。

4、結論

(1)噴砂參數中，丸料供給壓力和丸料流量對表面粗糙度、硬度、殘余應力3個指標的影響均較大;噴槍移動速度、噴槍與工件距離對3個指標的影響相對較小;丸料規格對3個指標的影響適中,其中對表面粗糙度和殘余應力的影響相對較大。

(2)滿足性能指標要求的產品拉桿噴砂工藝參數為:白剛玉WA#180彈丸,噴槍移動速度10mm/s,噴槍與工件距離100mm,丸料供給壓力0.55MPa,丸料流量4kg/min。

(3)噴砂處理起到了表面強化作用,試驗件表面硬度及殘余應力均有明顯提高，但同時帶來了表面粗糙度上升和輪廓尺寸變化。在進行噴砂強化效果評價時,既要選擇合適的量化指標,也要綜合考慮各因素對指標的影響。

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（注，原文標題：GH4169高溫合金拉桿螺栓噴砂強化試驗研究_程正）