基于正交试验的GH4169高温合金燃气轮机拉杆螺栓喷砂工艺参数耦合优化及表面完整性强化机制研究

引言

拉杆组合式转子结构凭借大刚度质量比、冷却通道易布置、装配检修方便等诸多优势，被广泛应用于重型燃气轮机和航空发动机设计[1]。但是，在长期运行过程中，拉杆组合式转子承受着复杂的交变循环载荷，这可能引发拉杆螺栓松动，导致预紧力下降、轮盘接触性能退化甚至失效，影响机组安全稳定运行。螺纹防松问题一直是工程领域的研究热点[2-3]。研究表明，螺栓松动的本质是内外牙发生相对滑动[4]、螺纹副微动磨损[5]。通过优化螺纹结构[6]、增加防松装置[7]、实施螺纹表面处理[8-11]等措施，可以有效提升螺纹抗松性能。但在实际应用中，受安装结构和工作环境影响，前两种措施的应用局限性较大。喷丸/喷砂作为一种简单、高效、低成本的表面处理工艺，被广泛应用于汽车、航空航天、轨道交通、能源动力等领域零部件的表面强化[12-15]。

相较于喷丸,喷砂在引入表面硬化层的同时还会显著提升工件表面粗糙度，增大摩擦阻力，利于紧固件螺纹抗松。某重型燃气轮机拉杆螺栓制造技术规范中明确要求，需要对其螺纹部分进行喷砂强化处理，并提出了相应检测标准。为获得合格的产品拉杆喷砂工艺参数，本文通过试验系统研究了丸料规格、喷枪移动速度、喷枪与工件距离、丸料供给压力、丸料流量等参数对螺纹表面强化效果的影响,综合分析了喷砂后螺纹表面粗糙度、硬度、残余应力、牙型尺寸及表面形貌变化,研究成果可为相关工艺技术人员提供参考。

1、试验设备和试验方案

喷砂试验于拉杆自动喷砂设备(KXS-3000C)上进行,其喷枪运动机构为一套X轴机械臂,采用西门子伺服电机驱动，重复定位精度在±0.10mm以内。试块理化检测设备与方法包括:使用HOMMEL TESTER T1000粗糙度检测仪,在0.80mm基准长度下测量各试块牙面的表面粗糙度Rmax;在0.5N试验力度条件下,使用BUEHLER维氏硬度测量仪,从距

螺纹表层0.04mm深度位置开始，以0.30mm间距依次选取8个测量点测量硬度，取8个测量点平均值作为最终值;采用Proto-LXRD型X射线应力分析仪测量残余应力，Mn靶Ka辐射，(311)衍射晶面，检测试件完整啮合第1齿的受压面，取0°和±15°方向上3处测量点的平均值作为最终值;采用FORMTRACER AvantC4000轮廓测量仪测量螺纹牙型轮廓。试验所用的试件及部分检测设备如图1所示。

影响喷丸/喷砂强化效果的工艺参数很多，包括丸料规格、丸料供给压力、丸料流量、喷丸时间、喷枪与工件距离、喷射角度、喷嘴直径等。其中，表面覆盖率主要与喷丸时间有关，残余应力、硬度、粗糙度等指标受各参数综合影响[16-18]。表1中列出了某重型燃气轮机拉杆螺栓喷砂强化表面理化性能的指标要求。为兼顾各项要求，需要合理设置各类工艺参数。由于开展理化性能检验需要对试件进行破坏性解剖处理,研究全部参数变量下的影响规律耗时耗力,而正交试验能通过少量的试验次数寻找到最优工艺参数组合[18],故开展正交试验以确定各参数的最优组合。

表1 燃气轮机拉杆螺栓喷砂检查指标

Table 1 Gas turbine rod bolt sandblasting inspection index

2、同材质试板喷砂正交试验

2.1正交试验水平选择

将1根拉杆毛坯料切割为若干个直径60mm、厚10mm的饼状试块，用于喷砂正交试验。根据经验数据确定了丸料规格A、喷枪移动速度B、喷枪与工件距离C、丸料供给压力D、丸料流量E5个关键因素的3个水平值，如表2所示，并按照L18(35)正交表设计试验。

表2 喷砂试验因素水平表

Table 2 Factor level of sandblasting

2.2正交试验结果分析

18组试验的分组及检测结果如表3所示。表中，K为每个指标水平下的取值之和 ( 如 K 1 代表指标取水平1时的和);k为K的平均值(相应的K除以水平数,本文为3水平);R为k的极差(最大值减最小值)。可以看出，18组试验的残余应力最小值为597MPa，满足指标要求，而绝大部分试验组的表面粗糙度和硬度均不合格。综合来看，只有第5、6、11、17组试验结果满足表1的指标要求。通过极差分析可以得出:对于表面粗糙度指标,5个因素影响的主次顺序为 E >  A >  D >  B >  C;对于硬度指标, 5个因素影响的主次顺序为 B>E>D>A>C;对于残余应力指标,5个因素影响的主次顺序为 A >  D >  E >  C >  B。

由表3还可以看出，D、E对表面粗糙度、硬度、残余应力3个指标的影响均较大，B、C的影响相对较小, A的影响适中。 3个指标中, A对表面粗糙度和残余应力的影响更为明显,这也与喷砂强化的一般规律 [13]相吻合。由于粗糙度的目标值是趋小,因此粗糙度的最优组合是 E 2 A 3 D 2 B 3 C 2 ;硬度和残余应力的目标值是趋大，其最优组合分别是B3E2D1A1C2、 A 3 D 2 E 2 C 2 B 3 。

基于上述分析结果,针对3个指标采用综合平衡法得到的最优参数选择为A3B3C2D2E2,即丸料规格选择白刚玉WA#180,喷枪移动速度选择10mm/s,喷枪与工件距离选择100mm,丸料供给压力选择0.55MPa,丸料流量选择6kg/min。观察表3发现，

A3B3C2D2E2组合在正交试验组中没有出现，为验证其实际喷砂效果，开展了最优参数组下的拉杆螺栓试件喷砂验证性试验。

表3 喷砂工艺正交试验分组及试验结果

Table 3 Orthogonal experiment grouping and results of sandblasting process

3、拉杆螺栓试件喷砂试验

参考标准产品拉杆螺栓尺寸 1: 1制作了试件。由上文分析可知，丸料供给压力和丸料流量对表面粗糙度、硬度、残余应力3个指标的影响较大。为获得合格的工艺参数，本研究在最优组H1的基础上增加了 3个试验组H2~H4和1个未喷砂的对照组H5。拉杆螺栓试验件喷砂试验参数如表4所示。

表4 拉杆螺栓试件喷砂试验参数

Table 4 Parameters of sandblasting test for the threaded rod specimens

试验后将每个试验件分割为3份,分别用于测量表面粗糙度、硬度和残余应力，并分别在每份试验件0°、90°、180°和270°位置切出4个试块,以4个试块检测值的平均值作为最终值。图2对比了表4中5组试验件的表面粗糙度、硬度、残余应力检测结果。可以看出:5组试验件中，H5的3个指标均处在较低水平，H1~H4的3个指标均有明显提高;H2、H3的3个指标均满足表1中的齿面检测要求。

为验证H2、H3试验组的螺纹尺寸变化和螺纹表面喷砂覆盖率指标，采用外径千分尺和螺纹千分尺测量并记录了喷砂前后螺纹外径、中径值，同时目视检查了覆盖率，结果如表5所示。可以看出，H2、H3试验组均满足表1中的螺纹尺寸和螺纹表面喷砂覆盖率指标要求。结合图2数据，相比之下，H2试验组的硬度值和残余应力值更高，虽然其表面粗糙度值也较高，但仍在要求范围内。综合考虑，本文最终选择H2试验组参数，即弹丸规格选择白刚玉WA#180，喷枪移动速度选择10mm/s,工件与喷枪距离选择100mm,丸料供给压力选择0.55MPa,丸料流量选择4kg/min,作为最终产品拉杆喷砂工艺参数。

表5 喷砂前后螺纹尺寸对比

Table 5 Thread size comparison before and after sandblasting

此外，从表5还可以得出，在覆盖率超过100%的情况下，喷砂后的螺纹外径、中径尺寸较喷砂前平均减少了约0.03mm,这主要是由于喷砂会剥离螺纹表层少量组织 [15]。为进一步观察喷砂前后螺纹牙型变化,使用工业电子放大镜观察螺纹表面形貌,如图3所示。喷砂前螺纹牙面清晰可见加工刀痕，喷砂后表面呈哑光色，刀痕消失，表面变得凹凸不平。采用轮廓测量仪对螺纹牙型轮廓进行检测,结果如图4所示，喷砂后螺纹牙型轮廓面整体内缩约0.015mm。由此可见,喷砂处理在引起试件表面粗糙度上升的同时，还造成了轮廓尺寸变化。

4、结论

(1)喷砂参数中，丸料供给压力和丸料流量对表面粗糙度、硬度、残余应力3个指标的影响均较大;喷枪移动速度、喷枪与工件距离对3个指标的影响相对较小;丸料规格对3个指标的影响适中,其中对表面粗糙度和残余应力的影响相对较大。

(2)满足性能指标要求的产品拉杆喷砂工艺参数为:白刚玉WA#180弹丸,喷枪移动速度10mm/s,喷枪与工件距离100mm,丸料供给压力0.55MPa,丸料流量4kg/min。

(3)喷砂处理起到了表面强化作用,试验件表面硬度及残余应力均有明显提高，但同时带来了表面粗糙度上升和轮廓尺寸变化。在进行喷砂强化效果评价时,既要选择合适的量化指标,也要综合考虑各因素对指标的影响。

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（注，原文标题：GH4169高温合金拉杆螺栓喷砂强化试验研究_程正）