喷丸强化处理对核电汽轮机低压叶片表面残余应力的影响

王天剑，刘禹炯，徐永峰，范华

(东方汽轮机有限公司， 四川 德阳， 618000)

喷丸强化处理对核电汽轮机低压叶片表面残余应力的影响

王天剑，刘禹炯，徐永峰，范华

(东方汽轮机有限公司， 四川 德阳， 618000)

文章采用喷丸强化处理的方法对核电汽轮机低压叶片进行了表面处理，研究了喷丸强化处理对叶片表面残余应力的影响。实验结果表明：喷丸强化处理能够显著提高叶片表面的残余压应力并使残余压应力分布较均匀且不会在叶片表面形成微裂纹等有害缺陷。

喷丸强化处理，低压叶片，残余应力

1 前言

核电汽轮机利用核反应堆直接或间接产生的水蒸汽的热能做功，其热力设计具有大功率、小绝热比焓降和大容积流量等特点，因此，核电汽轮机的低压末级叶片一般具有很大的长度。鉴于核电站对安全性的特殊要求，需要末级叶片具有高的运行稳定性和使用长时性，因此，大功率核电汽轮机低压末级叶片的疲劳性能是进行长叶片设计必须重点考虑的因素。公司目前生产的核电汽轮机低压末级叶片采用马氏体不锈钢，其叶身长 度 超 过 1 400 mm。 为 提 高 叶 片 的 低 周 疲 劳 性能，目前采用喷丸强化处理的方式，而喷丸之后叶片表面残余应力的形式和大小，与叶片的疲劳寿命有着至关重要的影响。本文采用喷丸强化处理的方法，研究了喷丸强化处理对核电低压末级和次末级动叶片表面残余应力的影响。

2 试验方法

喷丸强化处理不同于普通的喷丸处理，其强度比普通喷丸要大很多，是一种以小而硬的金属弹丸连续高速撞击金属零件表面的一种方法，使零件表层产生强烈的塑性形变，细化了表层金属的组织结构， 并在表层中形成压应力[1]。 由于末级叶片有高频淬火区，导致有过渡区的存在，会导致叶片整体性能恶化，喷丸强化可以改善过渡区的残余应力分布并提高叶片的疲劳性能[2]。

本研究对测试的低压末级叶片 （共 2片， 分别为 1#、 2#）、 次末级叶片 （共 2 片， 分别 3#、4#）预先进行了喷丸强化处理， 对照叶片各 1 片（分别为 5#、 6#）未进行喷丸强化处理。 喷丸用钢球直径为 1.2 mm， 喷丸覆盖率≥150%。 采用便携式X射线表面残余应力仪对叶片的不同部位特别是高频淬火区进行测试。

对比喷丸强化处理的叶片与未喷丸强化处理的叶片表面残余应力的差异，同时，在金相显微镜下观察末级叶片喷丸强化后高频淬火区叶片表面的截面微观形貌，观察叶片表面是否有微裂纹等缺陷的产生。

3 结果与讨论

3.1 喷丸强化处理对低压末级叶片表面残余应力的影响

图1为 2片喷丸处理的与1片未喷丸处理的末级叶片叶顶区内弧面残余应力的对比 （负值为压应力）。 从图中可以明显地看出， 经过喷丸强化处理之后的叶片，其表面应力状态得到明显的改善， 残余压应力值大都在 500 MPa 以上， 尤其是淬硬区和热影响区的残余压应力有大幅的提高。而未喷丸的叶片除少数点外，其表面测试点的残余压应力基本都处于 120～400 MPa 之间， 同时还发现叶片各部位的残余应力值是不均匀的，在热影响区甚至还有拉应力的存在。图2为叶片叶根处残余应力的测试对比结果，从图中可以看出，喷丸强化处理的效果在叶根处也较为明显。

图1 喷丸处理与未喷丸处理末级叶片残余应力值对比

图2 末级叶片叶根处残余应力的分布情况对比

3.2 喷丸处理对次末级叶片表面残余应力的影响

次末级叶片的进汽边未经过高频淬火处理。图3和图4为喷丸强化处理后的次末级叶片与未喷丸处理的次末级叶片在内、背弧面残余应力的对比情况。从图中可以明显地看出，在喷丸强化处理之前， 叶片表面的残余压应力较低， 都在 260 MPa以下， 经过喷丸强化处理之后， 叶片表面的压应力值几乎提高了接近 1 倍， 都大于 500MPa。

图3 喷丸强化处理与未喷丸处理的次末级叶片内弧面残余应力的变化

图4 喷丸强化处理与未喷丸处理的次末级叶片背弧面残余应力的变化

表1为次末级叶片喷丸强化处理和未喷丸处理的残余应力对比。

表1 次末级叶片喷丸强化处理和未喷丸处理残余应力对比 MPa

3.3 末级叶片喷丸处理后金相形貌

喷丸强化处理可以明显提高叶片表面的残余压应力，但如果存在过喷的现象，则有可能在叶片表面形成折叠、微裂纹等有害缺陷。因此，在喷丸强化处理的末级叶片上采用线切割方式取样观察喷丸区的截面金相。取样在高频淬火区、拉筋凸台、叶身、叶根等主要位置，高频淬火区的取样示意图及喷丸区截面典型金相微观形貌如图5所示。从图中可以看出，经过喷丸强化处理之后的叶片表面没有发现有微裂纹等有害缺陷的存在，因此， 采用≥150%覆盖率的喷丸强化手段是可行的。

图5 低压末级叶片淬火区取样位置及喷丸层截面金相形貌

4 结论

（1）喷丸强化处理能够显著提高核电汽轮机低压末级和次末级叶片表面的残余压应力，同时叶片表面未出现微裂纹等有害缺陷。

（2）喷丸强化处理使得叶片表面各部位的残余压应力值均匀化。

[1]张磊, 张 红. 高 强 度钢喷 丸 强 化 处 理 的 试 验 研 究[J]. 机 械设计与制造,2012,(4)：54-56

[2]王永芳,冉广,周敬恩,等.喷丸对汽轮机叶片残余内应力影响的研究[J]. 汽轮机技术,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

王天剑（1984- ），男， 工学硕士，工程师，2009 年毕业于北京科技大学，现就职于东方汽轮机有限公司材料研究中心 长寿命高温材料四川省重点实验室，主要从事汽轮机新材料开发、失效分析等工作。