基于AHP和Pugh Matrix法的叶片表面强化工艺研究

龙婷玉，武美萍，缪小进，叶 峰，王相蕊，匡逸强

(1. 江南大学机械工程学院，江苏 无锡 214122；2. 无锡透平叶片有限公司，江苏 无锡 214174)

0 前 言

随着电力行业的快速发展，汽轮机迎来了蓬勃发展的新阶段，世界各国均在积极研究大容量、高参数的大型汽轮机[1]。由于汽轮机是将高温蒸汽热能转化为机械能，其叶片在湿蒸汽腐蚀介质环境下，承受离心力、蒸汽作用力、激振力及湿蒸汽所携带的水滴冲刷的共同作用，极易遭到水蚀，所形成的锯齿状毛刺会造成应力集中和减小叶型根部截面的面积，影响叶片的振动特性，极大地降低了叶片的强度，使叶栅的气动性能恶化、效率降低，严重时会引起叶片的断裂而导致机组发生强烈振动等恶性事故[2，3]，因而研究汽轮机叶片表面强化工艺(叶片防水蚀技术)对提升汽轮机组工作寿命具有积极作用。

当前，较为传统的叶片表面强化工艺主要有热喷涂、司太立合金钎焊、激光熔覆等[4-6]，该类技术在以无锡透平叶片有限公司等为代表的汽轮机叶片专业生产制造企业中已得到成熟运用[7-9]。目前国内外专家学者对叶片防水蚀技术的研究多集中在水滴侵蚀原理和已经适用的强化工艺方面。岳兴华等[10]和王苗苗等分别[11]研究了汽轮机叶片防水蚀司太立合金钎焊防蚀片的开裂问题，对诱因进行了分析并改进了钎焊工艺。蔡宏图[12]采用超音速电弧喷涂技术在汽轮机叶片材料0Cr13Ni5Mo不锈钢基体上分别制备了NiTi、NiTi/Ni、NiTi/NiAl 3种涂层，结果表明NiTi/NiAl混合涂层较其他2种涂层在组织抗氧化程度和综合性能方面具有一定的优势。王东[13]研究了汽轮机叶片材料表面激光熔覆制备Stellite 6合金涂层的工艺，通过连续冲击水蚀试验验证了该工艺可获得具有良好抗水蚀性能的合金涂层。Kirols等[14]等分析了汽轮机叶片水蚀的早期和晚期阶段，发现叶片的扭转角对水蚀现象也有重要影响。Ahamad等[15]研究了不同材料特性对叶片抗水蚀性能的影响，建立了汽轮机叶片水蚀预测经验模型。查阅以上文献可知，传统表面强化工艺非常注重给叶片性能带来的提升空间，但是强化后的叶片还需大量后处理，以确保其兼具良好的表面质量和完整性，提高了经济成本。综合考虑表面质量、表面性能及经济成本等因素的前提下开发更加优越的汽轮机叶片防水蚀技术相当困难。在近年来发展起来的表面强化工艺中，纯水射流和磨料水射流已被研究用于铝合金、18CrNiMo7 - 6钢以及304不锈钢等常用工业材料的表面强化[16-18]，结果表明这2种表面工艺可有效增强被强化件的疲劳寿命和抗应力腐蚀。通过在钢铁基体上渗入金属元素的双辉等离子体渗金属技术可以提高工件表面的耐蚀性和耐磨性[19]。电火花沉积技术则用于零部件表面耐磨、耐腐蚀、耐高温涂层的制备[20]。Belyakov等[21]指出使用电火花制备的叶片防水蚀涂层具有很好的耐磨性，涂层成本较低，具有很好的应用前景。这些新型强化技术在多种材料表面强化领域已占据一席之地，在工业应用方面仍在不断拓展和改进。

就目前而言，汽轮机叶片防水蚀技术所采用的工艺还比较局限，诸多表面强化技术在这一领域还未有所探究或应用，并且这些表面强化技术对汽轮机叶片防水蚀的适用性还未有合理的评判标准。故本工作拟采用AHP和Pugh Matrix法，以表面质量、表面性能和经济适用性作为评价准则，建立汽轮机叶片表面强化工艺评价体系，并探讨磨料水射流、纯水射流、双辉等离子体渗金属、电火花沉积等新型表面强化工艺用于汽轮机叶片的适用性，以期为汽轮机叶片防水蚀技术的发展提供新的思路。

1 汽轮机叶片表面强化工艺评价体系

层次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP) 是上世纪70年代初，运筹学家Saaty[22]为美国国防部进行课题研究时提出的1种多层次权重决策分析方法。该方法可以通过采用少量的定量信息使决策思维过程数学化，从而为多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题提供简便的决策方法。

1.1 阶梯层次结构模型构建

依据无锡透平叶片有限公司的多年实际生产制造经验，详阅关于汽轮机叶片强化技术指标及质检方面的研究文献，利用层次分析法，建立汽轮机叶片表面强化工艺评价体系，如图1所示，该接替层次结构由目标层、准则层和指标层组成。准则层包括：表面质量、表面性能和经济适用性。表面质量包含尺寸精度、热影响区、表面粗糙度、表面伤痕和形状精度；表面性能包含耐腐蚀性能、抗氧化性能和抗磨损性能；经济适用性包含柔性程度、设备成本、强化难度、环境污染、加工效率和变形控制难度。

1.2 判断矩阵

在设置各层次各因素之间的权重，Saaty提出一致矩阵法，即不把所有因素放在一起比较，而是依据相对尺度进行两两之间的成对比较，以尽可能减少性质不同的多因素比较的困难，并提高权重分配的准确性，表1所示为Saaty给出的9个重要性等级及其赋值，无锡透平叶片有限公司依据实际生产需求的综合判断，表面质量和表面性能处于同等重要的等级，经济适用性处于稍微重要的等级，由此建立判断矩阵UT-C：

表1 重要性比较量表

(1)

1.3 层次单排序

判断矩阵UT-C经Matlab软件求解可得：最大特征值λmax=3，特征向量M= [0.301 5 0.301 5 0.904 5]T，通过归一化处理后，准则层对应的权重矩阵为W=[0.2 0.2 0.6]T。

1.4 一致性检验

查表2可得，判断矩阵UT-C的随机一致性指标为0.58。

表2 随机一致性指标RI取值

表2中，n表示判断矩阵中比较对象的数量。

判断矩阵UT-C的一致性指标：

(2)

判断矩阵一致性比例CR：

(3)

进行一致性检验计算可得，CR<0.1，判断矩阵UT-C满足一致性检验。

同理，计算图1指标层中14个基因素的权重时，通过表面质量层次中5个指标(尺寸精度、热影响区、表面粗糙度、表面伤痕和形状精度)、表面性能层次中3个指标(耐腐蚀性能、抗氧化性能和抗磨损性能)、经济适用性6个指标(柔性程度、设备成本、强化难度、环境污染、加工效率和变形控制难度)的两两成对比较，依据专家对每个指标的重要性等级给予定量表示，得到判断矩阵分别为UC1-S，UC2-S、UC3-S，再参照上述1.3、1.4节的求解及检验步骤，结合准则层的权重矩阵W=[0.2 0.2 0.6]T，将各个基因素归一化处理后的参数值分别代入与之对应的准则层中，得到各个基因素的权重量化值，最终计算结果如表3所示。

图1 汽轮机叶片表面强化工艺评价体系

(4)

(5)

(6)

由表3可知，经济适用性准则下的强化难度和变形控制难度指标权重较高，分别为0.127 0、0.251 0，由此可推测汽轮机叶片生产制造企业对于叶片表面强化工艺的选择主要集中在这2个方面，其次，环保和加工效率也是企业主要考虑的问题。根据前述相关文献，热喷涂、水射流、等离子渗金属等表面强化工艺在这方面有一定优势，而涉及到金属材料熔融的激光熔覆和司太立合金钎焊等工艺均存在较大的热变形，在实际生产中，往往需要增加叶片校正环节，但对于大型和超大型汽轮机叶片，形变校正环节难度大。

表3 表面强化工艺评价体系各指标权重

准则层中表面质量与表面性能所占权重均为0.2，在表面质量中，尺寸精度和形状精度所占权重最高为0.065 3，热影响区和表面伤痕占比较小，主要是因为热影响区并非均为有益或有害，往往需要对热影响区进行组织分析，而通过调控合理工艺参数也可以尽量避免表面伤痕的出现，故这2个指标对表面质量的影响都不大。

2 基于Pugh Matrix的多种表面强化工艺对比

普氏矩阵(Pugh Matrix)是由苏格兰管理学家Stuart Pugh博士开发的1种多因素辅助决策工具，此方法的优势在于能快速识别各个解决方案的优势和劣势，并能运用制定的标准和方法，择优选出1个或若干方案。本工作依据已建立的汽轮机叶片表面强化工艺评价体系，使用多指标权重，横向定性比较7种表面强化的优缺点，定量评判优劣权重差值，建立如表4所示以热喷涂为基准的普氏矩阵，表中“S”表示同等，“+”表示相对更优，“-”表示相对更劣。

由表4可知，在以热喷涂工艺为基准的对比中，磨料水射流、纯水射流、电火花沉积相较于热喷涂技术均有多方面的优势，优劣权重差值依次为0.073 6、0.287 3和0.155 3。双辉等离子渗金属技术也与之相近，有相当的应用前景。而相对传统的司太立合金钎焊和激光熔覆表面强化工艺表面质量上存在明显不足，这主要是由工艺本身特性且未经后处理所致。纯水射流表面强化工艺在对比表现突出，优劣权重差值最大，因而作为2次对比的基准，建立如表5所示的以纯水射流为基准的普氏矩阵，以此获得更精确的评判结果。

表4 以热喷涂为基准的普氏矩阵

表5 以纯水射流为基准的普氏矩阵

由表5可知，在以纯水射流工艺为基准的对比中，磨料水射流、双辉等离子体渗金属、电火花沉积均仍保持不错的表现，而且纯水射流相对于较为传统的司太立合金钎焊、激光熔覆和热喷涂工艺有明显优势。但是需要注意的是，纯水射流工艺的表面性能劣于其他各种表面强化工艺，这是由水射流强化原理决定的，射流是通过在工件表面持续冲击，使工件表面发生塑性变形，形成残余应力层，以此提升工件的疲劳强度和抗应力腐蚀能力[23,24]，强化过程中未像其他强化工艺一样引入新的高性能材料。因此，磨料水射流和纯水射流表面强化工艺虽然在多项性能指标上有不错表现，但有必要通过试验探究该类工艺对汽轮机叶片母材的适用性，分析经过射流强化后的叶片的耐腐蚀性能、抗氧化性能与抗磨损性能是否满足工况条件。

3 结 论

(1)使用Pugh Matrix，横向对比多种表面强化工艺的优劣，发现磨料水射流、纯水射流、双辉等离子体渗金属、电火花沉积等工艺相较于传统的司太立合金钎焊、激光熔覆和热喷涂工艺均有不错的表现，在1次对比中，优劣权重差值分别为0.073 6、0.287 3、-0.050 2和0.155 3，有很好的应用前景。

(2) 在2次对比中，纯水射流与磨料水射流相对于较为传统的司太立合金钎焊、激光熔覆和热喷涂工艺仍具有明显优势，但由于其工艺特性，有必要研究该类工艺对汽轮机叶片母材的适用性并验证各项表面性能。

(3)通过层次分析法与Pugh Matrix相结合的汽轮机叶片表面强化工艺评价体系，将几种强化机理差别甚大的工艺进行定性定量地对比与评价，由单一强化效果的对比，量化为多种指标权重值的对比，明确了强化工艺的目的性，对开发新型叶片防水蚀技术有一定启示作用。

(4)在汽轮机叶片表面强化工艺评价体系中，变形控制难度所占比重达到最大，为0.25，目前的生产使用的表面强化工艺普遍采用的都是单独的叶片校正，并非一次成形，尤其是增材类工艺，在叶片表面强化完毕后还需要精铣，无法做到在强化工艺过程中控制叶片热变形或弹性变形，但未来随着工艺水平的进步，表面强化工艺过程终究会实现变形控制。

(5)在汽轮机叶片表面强化工艺评价体系中，指标层各个基因素相对重要性的计算 (即权重的确定) 对整个体系的效果和适用性影响是极其显著的，它也是多种表面强化工艺之间定量对比的先决条件和重要依据，在具体实践应用中，权重还会随着基因素的选择及其重要性等级的变化而变化。本工作依据无锡透平的技术研究经验所得出的推演结论，与实际状况还是会存在一定的偏差。要提高与实际状况的吻合程度，在确定各个基因素的权重时需要吸纳更多丰富权威的经验，并采取必要的试验或数学模型的手段来增强定量分析。