CN101960285B - 叶片根部涂层的测试方法 - Google Patents

Abstract

一种用于测试叶片根部的涂层(36)的方法，包括如下步骤：提供所谓的盘测试件(22)和另一所谓的叶片测试件(32)，所述盘测试件包括至少一个支撑表面，所述叶片测试件包括至少一个涂覆有待测的所述涂层的支撑表面(34)，所述叶片测试件包括用于与盘测试件的任一侧接合的两个对半测试件(32)，使与所述盘测试件(22)接合的所述叶片测试件(32)经受张紧循环，在此期间所述测试件在张紧方向(A)上彼此经历张紧应力，所述张紧应力经由使所述叶片测试件和所述盘测试件接触的支撑表面来传递。该方法用于非常可靠地再现涂层的性能和老化并因此能准确评价涂层的质量。

Description

叶片根部涂层的测试方法

技术领域

本发明涉及涡轮机叶片根部的减摩涂层的质量控制领域。更具体地说，本发明涉及用于涂覆涡轮机叶片根部的涂层的测试方法。

背景技术

叶片，尤其是航空涡轮机(涡轮反应器或涡轮螺旋桨发动机)中的风扇叶片是被极度张紧的机械部件。因此，作为叶片保持部的叶片根部是叶片中特别关键的部分。叶片根部包括接触或支撑表面，这些表面在操作时受到应力和高温作用。为了减小施加在叶片根部的支撑表面上的应力，即剪切应力，以已知的方式使用减摩涂层。可以借助于热喷射来沉积这些所谓的防摩损(antifretting)涂层。它们可以是多层的。由于叶片故障的主要类型与涂层的解体(破碎、破裂、粉碎或磨损)有关，减摩涂层的质量至关重要。

通常，叶片根部的涂层的耐用性与叶片经历的循环次数(所谓的“发动机循环”)有关。这样的一个循环实际上是在涡轮机(在飞行时，用于安装在飞机上的涡轮反应器)的一个完整操作阶段上，即从开始至停止，叶片受到的应力组。因此，尤其对于飞机而言，循环包括起飞和降落。

以循环次数来表示的涂层的耐用性可以与商业协议、会议规范有关或者由工程部指定。由于通常在操作期间不会对叶片根部的涂层进行干预，叶片根部涂层必须在叶片的整个使用寿命期间保持其操作性。

为了保证该涂层以及涂层与叶片本身材料的界面的质量，以已知的方式执行显微镜涂层测试，通常包括对涂层和叶片根部剖切并在显微镜下检查该部分的外观。该测试允许检查涂层的内部结构和厚度，并且在一定程度上检查涂层与叶片根部材料之间的界面的质量。已知的是，通过标准硬度测试或通过张力或剪切附着测试来测试涂层的质量。

然而，看起来各种测试都不足以区分高质量涂层和满足最低质量要求的涂层，并且不足以形成关于在使用沉积在叶片根部上的涂层时的耐用性和机械特征的准确观点。换句话说，现有测试不能建立各种涂层之间的质量差异，只需要它们能以满意的方式承受许多次循环即可。

发明内容

本发明的目的在于提出一种测试叶片根部涂层的方法，该方法在涂层的质量方面被证实为比现有测试更具有区分性的测试，并允许获得在叶片的整个使用寿命期间所获得的与叶片根部涂层的时间稳定性的真实评估高度相关的测试结果，即通常为从10000至15000次循环。借助于包括如下步骤的方法实现了其目的：

提供所谓的盘测试件和另一所谓的叶片测试件，盘测试件包括至少一个支撑表面，叶片测试件包括至少一个涂覆有所述待测涂层的支撑表面，所述叶片测试件包括用于与盘测试件的任一侧接合的两个对半测试件，

使与所述盘测试件接合的所述叶片测试件经受张紧循环，在此期间所述测试件在张紧方向上彼此经受张紧应力，所述张紧应力经由使所述叶片测试件和所述盘测试件接触的支撑表面来传递；

基于预定评价标准评价所述涂层。

由此限定的测试原理基本上不同于已知测试。确实，代替基于新叶片根部的检查，测试包括使叶片根部(更确切地说支撑表面)经受表示在叶片的使用寿命期间受到的应力的疲劳测试。有利的是，该方法不需要使用叶片，而是仅仅使用了两个测试件，其中的叶片测试件具体地说，具有涂覆有待测涂层的支撑表面。应该注意到，叶片测试件可以更完美地不只具有一个而是具有若干个支撑表面，盘测试件包括用于叶片测试件的各个支撑表面的一个支撑表面。

叶片涂层的测试目的可以是例如整体上测试新涂层，或有效地验证涂覆到要投入操作的一系列叶片上的涂层的质量。根据该目的，所用测试件和测试条件(循环次数、同一期间施加的最大力)可以或多或少代表涂层在叶片根部操作期间受到的真实应力。因此，通常，基于叶片根部的支撑表面的最大允许压力以及叶片使用寿命期间的发动机循环次数来对给定涂层确定施加到测试件上的张紧循环次数和最大张力。

此外，在张紧循环中，基于传递的张力而发生位移。张紧循环的特征在于作为时间函数的张力变化曲线。实际上，张力从最初的零或至少低值(相对于最大值)增加至最大值，然后返回至初值。初值和最大值中一个和/或另一个可以独立地保持一段时间。此外，可以基于如何仿真涡轮机的不同操作阶段来设想其它张紧循环分布。还可以调整提升速率参数，即每单位时间增加的张力。

通常，叶片测试件经受3000至15000张紧循环，其中，张力在15000与30000daN之间改变。

可以在张紧循环期间(使用例如安装在测试件上的传感器，如照相机和/或超声波传感器)或在张紧循环结束且移除测试件时完成对测试件的评价。

根据一个实施例，在该方法的评价步骤，检查叶片测试件以确定叶片测试件是否在支撑表面上呈现出破碎或碎裂。

本发明方法的优点在于对真实叶片根部的涂层的性能和老化提出了具有高度代表性的结果。

以已知的方式，通常借助于榫眼和榫连接形成的连接件来完成叶片与转子盘的紧固。该连接件包括在叶片的一个径向内端部制造的榫，该榫紧固到设置在转子盘的外周上的榫眼。一方面叶片根部，另一方面形成于转子盘榫眼之间的转子盘凸部或榫由此成为分别互补的榫接形状，其在相反方向上沿径向设置以保证叶片与转子盘之间双方紧固。

在叶轮中，叶片均匀地安装在转子盘的外周上，由此包括与待紧固的叶片一样多的紧固室(cell)。

叶片与转子盘的连接形成了在轴向上重复的图案并且可以由例如叶片根部和转子盘的对应榫眼，或者由转子盘的榫接榫(或榫接部)和将叶轮中的叶片包围的两个对半叶片根部来限定。

因此，应该理解本发明方法的原理准确地包括再现图案受到的循环应力，即由两个对半叶片根部保持的转子盘的榫接榫的应力。

叶片测试件包括用于与盘测试件的任一侧接合的两个对半测试件、或对应测试件，从而再现单一图案。对半测试件绕对应测试件的对称布置方式使得在张紧循环期间施加的横向应力在相反方向上是对称的，从而彼此抵消。因此，该方法有利地不需要采用任意机械装置来承受对应测试件在张紧循环期间受到的横向应力。此外，在叶片根部在不对称的两个表面上具有支撑表面的情况下，这种两个对半测试件包围一个对应测试件的布置方式使得测试件具有表示叶片根部的两个接触表面的支撑表面。当在同一测试过程中对这些支撑表面进行测试时，后者允许对叶片根部的两个表面同时测试和检查涂层的性能。

此外，该方法允许获得高度代表现实情况的结果。确实，测试件的布置方式对应于其在涡轮机中的相应位置：代表两个对半叶片根部的两个对半测试件在任一侧包围并保持代表转子盘榫的对应测试件。已经发现在该布置方式中获得了良好的代表性结果。

根据一个实施例，叶片测试件和盘测试件的支撑表面具有互补形状并且在相对于张紧方向的倾斜方向上延伸，从而这些支撑表面之间的接触面表示叶片根部与涡轮机转子盘榫之间的接触面。支撑表面的倾斜形状将径向张紧应力转换成横向或周向上的应力。

有利地，叶片测试件和/或盘测试件的支撑表面相对于张紧方向形成约45°的角度。更笼统地说，该角度可以在30°至60°之间变化。

根据一个实施例，叶片测试件在支撑表面附近具有代表涡轮机叶片根部的形状，张紧轴线是所述叶片根部的径向轴线。叶片测试件的这种形状允许在最代表运行条件的条件下测试涂层。具体地说，叶片测试件可以具有性能和机械变形来表示叶片根部或涂层预期涂覆至的叶片根部的性能和机械变形。

根据一个实施例，盘测试件在支撑表面附近具有代表涡轮机转子盘榫的形状。该形状关于测试件的位于叶片测试件侧的部分。

测试件的各个支撑表面从而分别代表叶片根部的支撑表面和转子盘的相应榫。

此外，为了能够真实地表示连接件的性能，例如叶片根部相对于转子盘榫的性能，叶片测试件通常由与叶片根部相同的材料制成；即，通常由用于高压和低压压缩机的钛基合金、由用于工作温度超过500℃的发动机部分的镍基合金制成。因此，还可以选择与盘测试件的转子盘的材料相同的材料，即还可以选自钛或镍基合金。

优选地通过张紧测试机来进行测试。该张紧测试机包括第一保持装置和第二保持装置的框架，第一保持装置和第二保持装置分别保持第一和第二测试件。在测试过程中，这些保持装置容许将所述测试件保持在作为这两个测试件接合位置的所需位置上，这两个测试件的各个支撑表面在接合位置重合并接触。这个位置更好地再现了叶片根部和转子盘在操作中的各自位置。

测试机还包括张紧装置，该张紧装置使一个保持系统在张紧方向上相对于另一保持系统作交替位移。然后使保持系统受到相对彼此的张紧运动，以使支撑表面，即叶片测试件的支撑表面受到应力，该应力代表叶片根部在操作时受到的应力。通常由位移测量系统，例如比较器来测量和记录张紧方向上的位移。

在张紧循环结束时，评价叶片测试件的支撑表面的涂层。该评价可以尤其由视觉(即宏观)或显微(微观)检查来完成；在该阶段还可以进行例如粘合性、抗震性和其它测试等附加检查。对于这种检查，必须限定叶片根部涂层的评价标准，基于上述标准来决定是否接受或丢弃涂层。标准通常是在叶片的支撑表面上不存在通过涂层的破碎或碎裂造成的解体。例如，使用示出最大允许碎片(数目、尺寸)的视觉标准系统。还可以借助于几何测量来检查碎片的最大尺寸。

最终，应该注意到，优选地对于给定涂层，该测试方法不只实施一次；相反，整体上，涂层的评价测试包括一系列测试(例如三个测试)，以提高结果的可靠性。从而借助于使变化减少的统计方法来计算这些结果。

在这种情况下，用于测试叶片根部涂层的方法包括如下步骤：

对一个或多个成对测试件执行之前限定的测试，每个成对测试件包括一个叶片测试件和一个盘测试件，叶片测试件的支撑表面涂覆有待测涂层；以及

通过统计方法分析获得的结果以验证叶片涂层质量的合格性。

叶片的评价标准可以是例如：如果在20000daN最大张力下在13500次循环之后没有叶片呈现出破碎，则这些叶片合格并且可接受。还可以接受预定百分比的次品率。

此外，可以通过在张紧循环期间(而不是结束时)观察叶片测试件的破碎的变化来进一步提高执行的测试的效率。因此，可以更早检测出不合格的涂层。

再次根据该原理，在本发明方法的变形中，在张紧循环期间进行测试件的评价，而这些循环的次数不是预先确定的。在这种情况下，一旦到达停止标准，例如在叶片测试件的支撑表面的涂层上出现了破碎，就停止循环。

根据本发明的另一实施例，该方法还包括如下步骤：预先确定张紧循环的参数。然后在预定次数张紧循环之后执行对涂层的评价。因此，根据本方法，在开始时，确定张紧循环的参数，并选择评价标准；使测试件经历这样预定的张紧循环；以及在循环结束时，通常在移除测试件之后，参考评价标准来评价测试件。

张紧循环的参数通常是循环次数和在循环期间施加的最大力，或者作为时间、温度等的函数的张力的增加或减小速率。根据待评价的涂层和叶片以及要仿真的涡轮机的操作模式，在测试开始之前确定这些参数，如循环次数。

应该尤其注意到，对于使用本发明方法测试叶片根部涂层的质量，可以通过减小循环期间的最大张力来增加循环次数，反之亦然。确实，对于叶片涂层已经发现，在参数处于叶片根部的合理值范围内时(例如，除了压力超过了叶片根部材料本身的机械阻力)，以高张力执行少量循环次数或者在小张力下执行大量循环次数对于测试一批叶片测试件的涂层质量基本上是相同的。例如，以大致等同的方式，可以通过使涂层在15000daN的最大力下经历15000次张紧循环或在19000daN的最大力下经历6000次张紧循环来测试涂覆在测试件上的涂层。

根据一个实施例，在张紧循环期间，弹性恢复装置将限制测试件的横向打开，该横向打开响应于在张力作用下由测试件施加给彼此的打开力而发生。两个测试件的横向打开(在与张紧方向垂直的方向上)再现如下事实：在操作期间，在涡轮机中，转子盘榫和叶片根部将变形，在测试件包括布置在相对于张紧方向倾斜的方向上的支撑表面时尤其如此。由于测试件的有限横向打开的可能性，利用弹性恢复装置，提高了借助于该方法所获得的结果的代表性。

根据以上实施例的发展，以在张紧循环期间跟踪测试件的性能为目的，在张紧循环期间测量测试件的横向打开。该参数允许确定测试件相对于彼此的相对位置仍然代表待测涂层的位置。

附图说明

通过阅读以下以实例方式表述而非限制性的具体实施方式将更好地理解本发明及其优点。以下说明基于附图，其中：

图1和图2分别是用于实施本发明方法的作为测试机实例的测试件的正视局部截面图和侧视局部截面图；

图3是这些测试件的支撑表面区域的轴向局部截面图；以及

图4是允许实施本发明方法的测试机的轴向截面图。

具体实施方式

图1和图2是用于实施本发明方法的测试部件22、32的局部截面图，在图中，这两个部件被示为安装在测试机上。

根据本发明，为了测试叶片根部涂层，第一步骤包括制造在测试过程中使用并用尽的测试件。这些测试件成对制造，每对包括一个所谓的叶片测试件32和一个所谓的盘测试件22。

盘测试件22还被指定为对应测试件。在一端(图1中的上端)，盘测试件具有相对对称球状物，该件的侧23以悬臂的方式突出到心轴的各侧上。在另一端，盘测试件还具有紧固装置，使得能够借助于第一保持装置将盘测试件紧固到测试机上，该第一保持装置用于在张紧测试期间保持盘测试件。此处，这种装置是供测试机的紧固心轴26穿过的通孔。

叶片测试件又包括设置在盘测试件22周围的两个对半测试件32。对半测试件32包括相对的接触表面、或支撑表面，该表面在测试位置与测试件22的相应支撑表面接触。对半测试件32的支撑表面34是可与叶片根部的支撑表面相比较的接触表面，测试件的支撑表面还可与转子盘的楔形榫的支撑表面相比较。

在能够实施本发明方法的测试机中，如图1和图2所示，对半测试件32由保持系统30保持。保持系统30用于保持两个对半测试件32，更确切地说，在整个测试期间保持与对应测试件22的相应支撑表面相对置的支撑表面34。保持系统30包括彼此平行的立柱38、和立柱38相对于彼此的弹性返回装置40。在该实例中，这些弹性返回装置是四个螺杆40，这些螺杆将对半测试件牢固地保持在对应测试件22周围的适当位置。对半测试件32借助于螺杆42紧固到立柱38上，螺杆42穿过制造在对半测试件的远离突出部35的部分中的细长孔41。

还应该注意到，还可以将两个立柱38彼此刚性地紧固在一起甚至形成为仅单个部件来实施本方法，但是有利的是，立柱38是保持系统30中的独立部分。

图3更详细地示出了测试件22和一个对半测试件32相互接触的形状。对半测试件32示出为以下表面31和后表面33置于立柱38上。对半测试件32包括在点B与点D之间延伸的支撑表面34。在该支撑表面34上，对半测试件32涂有待测试的涂层36。该涂层与用于对叶片根部的支撑表面提供保护的涂层相比是相同的种类并且是以相同的方法涂覆的。该涂层喷射在作为支撑表面34的一部分的接触区域24的任一侧上。确实，在示出的对半测试件32与对应测试件22的相对位置，接触区域24仅在支撑表面34的点B与点C之间的一部分上延伸。当然，在张力测试期间，该接触区域的位置将相对于支撑表面34而改变。

如图3所示，测试件22和对半测试件32的支撑表面布置在相对于方向E，即张力方向，倾斜或歪斜的方向。这是叶片根部紧固到转子盘上时的倾斜。倾角α接近45°。

该方法的第二步骤包括对测试件进行张紧循环。如图4所示，对上述测试机执行该操作。

该测试机10包括通常由机械焊接框架构成的构架12。该构架12对两个保持系统20和30提供支撑。

位于测试机底部的第一保持系统20包括将对应测试件22保持在合适位置的固定柱29。对应测试件22包括供第一保持系统的心轴26穿过的孔，借助于此保持对应测试件22，而与将接收的张紧力无关。

第二保持系统30用于保持两个对半测试件32在合适位置。该保持系统30包括移动式梁39，该梁39被线性驱动器14或任意其它等同驱动装置设置成沿着双箭头A的竖直方向做直线的交替平移运动。该梁39被引导棒16引导而作交替的竖直平移运动。保持系统30还包括用于将对半测试件32刚性连接至梁39的装置，也就是该系统包括上述立柱38。

选择线性驱动器14的特性从而可以使第二保持系统30相对于第一保持系统20作竖直平移运动，该竖直平移运动代表叶片(更确切地说为叶片根部)在包括叶片的涡轮机运转期间相对于转子盘所执行的运动。这种运动是由于在发动机旋转期间由叶片受到的显著的离心力作用而产生。该离心力类似于叶片上的径向张力。

张力循环的原理是使测试件在所谓的张力方向上受到应力循环，如各个附图所示，测试件设置成张紧力经由它们相对的支撑表面来传递。对半测试件的各个支撑表面和对应测试机由此受迫并被挤压成彼此接触，这允许对被投入测试的叶片测试件(此处为两个对半测试件)的涂层进行测试。在图4的测试机中，在测试件22(即对应测试机)固定的情况下，向对半测试件32施加应力。本发明的构造也是可行的。

在测试件10中，当测试件22受到张紧应力(箭头E)时，测试件22的支撑表面与对半测试件的支撑表面34接触。由于倾角α，在接触的作用下，沿着张力方向E施加到测试机22上的轴向力被转换成沿着箭头F方向施加到对半测试件32上的横向力。为了承受这种打开力，立柱38由螺栓40连接在一起，从而防止立柱38打开。这些螺栓具有某一预先计算的弹性，这使得它们能响应于这种力而稍微拉伸，从而再现叶片根部和转子盘榫在转子的旋转作用下的变形。

两个立柱38在圆周方向(即与张力方向和叶片根部的支撑表面垂直的方向)上的相对于叶片根部横向移动的可能性允许更好地再现叶片在操作时的保持条件。

为了检查叶片根部将经历的张力循环的正常操作，测试件还包括用于在测试期间测试对半测试件的移动的装置。该测试允许保证在测试过程中各个部件的正常操作和正确定位。测试装置可以包括测量沿着张力轴线位移的第一测试系统19、以及测量对半测试件32的横向开口的第二测试系统18。

作为实例，下面将详细描述根据使用图4的测试机的本发明方法测试叶片根部涂层的真正步骤。

首先，应该注意到，测试一对测试件的步骤如下：

准备一对测试件，这对测试件包括两个对半叶片测试件和一个盘测试件；

使这对测试件经历100000次张紧循环，张力根据与每次张紧循环期间的时间函数相同的分布而改变；以及

然后检查对半叶片测试件的支撑表面的状况，从而确定该状况是否可接受。如果对测试件材料造成的剥落和/或磨损不像对半叶片测试件的支撑表面的剥落和/或磨损那么严重，这对测试件的测试结果就是令人满意的。

根据涂层将涂覆至的叶片，预先确定张紧循环(10000)的次数和作为张紧循环期间的时间函数的张力的改变分布。

限定了用于测试一对测试件的方法之后，可以确定如何评价叶片涂层：

为了评价叶片涂层，根据上述方法，测试三对测试件。

如果对三对测试件中的至少两对获得满意的结果则涂层合格。

Claims (8)

1.一种用于测试叶片根部的涂层(36)的方法，包括如下步骤：

提供所谓的盘测试件(22)和另一所谓的叶片测试件(32)，所述盘测试件包括至少一个支撑表面，所述叶片测试件包括至少一个涂覆有待测的所述涂层的支撑表面(34)，所述叶片测试件包括用于与所述盘测试件的任一侧接合的两个对半测试件(32)，两个所述对半测试件是分立的部件；

使与所述盘测试件(22)接合的所述叶片测试件(32)经受张紧循环，在此期间所述测试件在张紧方向(A)上彼此经历张紧应力，所述张紧应力经由使所述叶片测试件和所述盘测试件接触的支撑表面来传递，在所述支撑表面附近，所述叶片测试件(32)具有代表涡轮机叶片根部的形状，张紧轴线是所述叶片根部的径向轴线；

在张紧循环期间，在张紧作用下，所述叶片测试件的两个对半测试件响应与所述盘测试件施加的横向打开力而产生横向打开，通过弹性恢复装置(40)，限制所述叶片测试件的横向打开；

根据预定的评价标准对所述涂层进行评价。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述叶片测试件和所述盘测试件的支撑表面具有互补形状并且在相对于所述张紧方向(A)倾斜的方向上延伸。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

在张紧循环期间，测量所述横向打开。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述叶片测试件和所述盘测试件的支撑表面具有互补形状，并在相对于张紧方向(A)的倾斜方向上延伸，而且，在张紧循环期间，在张紧作用下，所述叶片测试件的两个对半测试件响应与所述盘测试件施加的横向打开力而产生横向打开，通过弹性恢复装置(40)限制所述叶片测试件的横向打开。

5.根据权利要求4中所述的方法，其特征在于，

在张紧循环期间，测量所述横向打开。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

在所述支撑表面附近，所述盘测试件(22)具有代表涡轮机转子盘榫的形状。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括如下步骤：

预先确定所述张紧循环的参数；在预定次数张紧循环之后对所述涂层进行评价。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述评价包括视觉或显微检查。