CN102123828A - 涡轮机部件的超声波喷丸处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于超声波喷丸处理方法，该方法通过使一团弹丸与超声波处理极(sonotrode)接触而动作来对金属表面进行喷丸处理，所述金属表面包括难以进入的区域，其特征在于，所述表面是指轴向固定涡轮机叶片的钩的表面，该涡轮机叶片包括在钩和叶根之间提供的凹槽(5)以及所述凹槽外部的表面部分(7)，所述成团弹丸置于腔室(25)内，该腔室环绕着所述凹槽和所述凹槽外部的所述表面部分(7)。
Description
技术领域
本发明涉及一种处理和挤压表面的方法，所述表面带有很难进入的区域，特别涉及涡轮机叶片的轴向固定钩，所述叶片包括钩和叶根之间的凹槽。
背景技术
在航空燃气涡轮发动机中，涡轮盘上所述叶片壳体内叶片轴向固定钩和涡轮盘轮缘都会承受强烈的应力，所述涡轮盘包括轴向固定叶片的径向凹槽。就涡轮盘的凹槽来讲，叶片钩经受很高程度的静态应力，于是，在涡轮盘和应用于涡轮盘端面的凸缘之间，就存在着接触和磨损问题。
目前，为了提高机械性能，这些部件都通过传统喷丸方法来对表面进行处理，以增强部件的耐疲劳性和耐腐蚀性。
预应力喷丸处理是一种机械处理，旨在通过表面硬化来改善金属部件的特性。这种处理基于材料的结构转变。传统方法是通过抛入小型钢丸、玻璃珠或陶瓷球来对机械部件进行表面挤压。这种喷丸处理产生挤压区域，该区域是内挤压应力的基础，通过这些应力来增加耐性。
根据传统喷丸处理的一种示例，通过抛投钢丸BA315(钢丸直径为0.315mm)来对表面进行锤击，钢丸强度为F15A(根据阿尔门指数)。使用一种烟气流，该烟气流经由喷嘴通过膨胀生成，然后，与部件表面平行移动喷嘴，或者，将部件相对于喷嘴移动，从而覆盖要处理的表面。
考虑到进入某些区域的难度，这种类型的喷丸处理无法在较佳条件下进行。在最佳情况下，喷丸射流无法直接导向表面，而喷丸处理碰巧采用剧烈运动(by bounce)来进行。
剧烈运动喷丸处理的效果要低得多，因为弹丸抵达表面时的动能较弱。另外，在某些情况下，挤压水平也不足以处理部件的表面。
此外，传统的喷丸处理不能保证很好地覆盖那些难以进入的区域，例如叶片凹槽或甚至盘的凹槽。
也无法使用激光冲击挤压方法以应用于这些区域。因为这些区域都是隐蔽的，激光光束恰巧无法进入这些区域。
激光冲击处理是一种在材料里产生塑性冲击波的方法，目的也是改善材料的表面特性。在非常短的周期内(几个纳秒)，在包容性介质存在的情况下，通过在材料表面聚集非常强的激光脉冲(GW/cm2)而获得冲击波。这种处理很可能对几百微米的厚度产生残余挤压应力，而且可在各种各样的材料上出现这种现象，特别是应用在钢铁、铝合金或钛领域那些非常重要部位。这种处理用来改善表面特性，诸如耐疲劳、耐磨损或甚至耐腐蚀。这种技术的其中一个优点是部件的表面状态几乎没有改变。
申请人将处理表面的目标定在轴向固定涡轮机叶片的钩上，该钩具有使用超声波喷丸处理方法难以进入的燃气涡轮发动机部件的区域。
超声波喷丸处理方法可以挤压并硬化金属材料的表面层，这项技术的目的是改善部件的寿命。这种方法是，通过与发生器相连的声部件，以接近超声频率的频率，使超声波处理极(sonotrode)振动。不同种类的弹丸通过超声波处理极(sonotrode)被推向需要喷丸处理的材料上。
发明内容
为了克服传统表面处理方法在难以进入区域方面的缺陷，本发明将超声波喷丸处理方法应用于所述区域，这种区域属于叶片凹槽类型，传统喷丸处理或激光冲击方法无法完全覆盖的表面。
本发明提出了一种超声波喷丸处理方法，该方法通过使一团弹丸与超声波处理极(sonotrode)接触而动作来对金属表面进行喷丸处理，所述金属表面包括难以进入的区域，其特征在于，所述表面是指轴向固定涡轮机叶片的钩的表面，该涡轮机叶片包括在钩和叶根之间提供的凹槽以及所述凹槽外部的表面部分，所述成团弹丸置于环绕所述表面的腔室内。
有利的是，这种方法的应用可以在难以进入的区域实行更深的挤压，从而可以改善对损害(疲劳，磨损等)的耐受性。
喷丸处理方法是针对采用钢、钛合金或镍基超合金或铝的一类材料制成的部件。
本方法应用优点是可以获得全面覆盖，而且会获得更好的表面状态，不会在角落处出现任何材料折叠。另一个优点是这种方法可以多次反复使用。
重要的是，本发明适用于钩的所述凹槽宽度在1.5mm到10mm之间，深度在1.5mm到20mm之间。
更特别地是，使用了具有如下特性的弹丸：弹丸直径小于或等于2.5mm，重量大于或等于0.5g，直径在300μm到2.5mm之间。
这些弹丸为钢质轴承弹丸，碳含量低，超声波处理极(sonotrode)的振动幅度大于或等于20μm。
优选地，处理时间在5到200秒之间。
超声波处理极(sonotrode)构成腔室的壁的一部分。
人们已知FR2816538号专利介绍了一种可延长涡轮转子上叶片紧固件寿命的方法，该方法对凹槽和叶根进行超声波喷丸处理。喷丸处理是使用至少等于F8A的阿尔门偏转来进行，以增加接触表面的挤压预应力，不会增加粗糙度。通过使超声波处理极(sonotrode)振动而产生撞击，从而将弹丸抛出，超声波处理极位于腔室内，所述腔室由环形或轴向凹槽形成，超声波处理极被置于后者入口内，两个凸耳遮盖侧向开口。在该专利中是否教导处理进入区域是有争议的，因为容纳叶片的凹槽可以与其壁形成腔室。
FR 2873609号专利涉及到超声波喷丸处理和弹丸的使用，通过这些弹丸在凹面上获得足够的处理强度，这些凹面的曲率半径小于弹丸的曲率半径。弹丸的硬度和密度都高，而尺寸小，它们的使用可以处理那些采用曲率半径小的常规弹丸难以进入的区域。这些弹丸可以获得动能，这种动能之大足以在部件上产生所需水平的应力。该专利介绍了腔室的若干个实施例，这些腔室都适宜于需要处理的表面的形状。然而，该专利的教导并没有包括部件的处理，该部件具有带有凹槽的零部件，且这种凹槽带有小的开口。
附图说明
通过阅读如下各种实施例给出的说明，可以更好地理解本发明的目的、方面和优点；这些都作为非限制性示例来介绍。附图如下：
图1为涡轮机叶片钩的示意图；
图2为采用X-射线衍射进行应力分析区域的示意图；
图3为采用传统喷丸处理获得的应力曲线，所示为图2的分析区A，在X轴上，深度为微米，在Y轴上，残余应力值为MPa.；
图4示出了超声波喷丸处理叶片钩的工具；
图5为采用超声波喷丸处理获得的应力曲线，所示为图2的分析区A。
具体实施方式
在喷气发动机中，转子盘带有轮缘，在轮缘的周围安装了多个可拆卸叶片。叶片安装在轴向凹槽内，例如采用燕尾榫接合形式，这些凹槽被加工成轮缘，叶片包括叶根，也是采用燕尾榫接合形式，在叶片底部加工而成，将叶根装入凹槽内便可实现装配。叶根采用滑动装入凹槽内，带有有限的空回量。叶根通过连接到叶片根部的轴向固定钩来实现轴向固定不动。钩与位于叶根和钩之间的横向固定环相互配合。为此，凹槽包含叶根的轴向移动。位于叶根顶面的平台限定了气体的喷出范围。材料选自钢、钛合金、镍基超合金或铝等一类材料。
图1为应用本发明方法时涉及到的几何形状。受处理表面包括叶片钩部20和根部13之间形成的凹槽5内部，以及邻近外表面部分7。表面由呈倒U字形式的区域5组成。这个区域的宽度范围在1.5mm到10mm之间，深度范围在1.5mm到20mm之间。受处理表面还包括凹槽5外部钩的表面部分7。
钩承受很大的应力；作用在所述钩上的很高程度的静态应力会引起断裂和磨损问题。
图4示出了所开发的工具，可对钩部进行超声波喷丸处理。叶片10示意地包括翼片(vane)11、叶根13---例如，采用燕尾榫接合布置部分---以及，也许还有支柱。平台介于叶根13和翼片11之间。
所述工具30包括带有振动表面32的支持板，和超声波处理极(sonotrode)，后者以产生的超声频率振动来激励，附图中未示出。所述振动表面构成了腔室25的工作壁。在由壁31形成的体积内，在腔室振动表面32的一侧上提供有开口26，叶片10的钩20通过该开口装入。开口26被带钩的叶根部表面所封堵。
这样，钩20就置于腔室内。邻近凹槽和凹槽外部的钩的凹槽5和表面部分7就被置于腔室内。此处凹槽宽度为3.2mm，深度为7.26mm。
振动表面32与钩20的距离很近。该表面比凹槽5要宽，并且在凹槽5的外部，可看到钩的至少部分表面。
直径为1.5mm的弹丸2通过开口26被投入到腔室25内。当振动表面32通过超声波处理极(sonotrode)经受超声振荡时，在腔室25内会产生一团弹丸。这些弹丸被推向钩20，撞击所述凹槽5的壁和邻近表面部分7。
对超声振荡的频率、振动表面32的尺寸、以及弹丸的直径、材料和重量进行选择，以便钩的凹槽的区域以及凹槽外部表面部分都可以均匀地进行短时间喷丸处理。
在上述示例中，在超声波喷丸处理调整后，采用工具获得的参数见下表：
超声波喷丸处理的一个不可忽视的优点是，它的实施只需要很小数量的弹丸。因此，在目前这样的情况下，可以使用优质弹丸，例如钢质轴承弹丸。这些弹丸的硬度较之碳化钨合金弹丸要高。钢质轴承弹丸不会断裂，具有良好的球形性质，因此，不会产生任何锐利边缘，该锐利边缘很可能会使喷丸处理部件表面粗糙度增加。
喷丸时间根据覆盖率来确定，覆盖率是指受冲击表面和接受喷丸处理的总表面面积之间的比率。
我们注意到，就相当于125％的覆盖率而言，喷丸时间为75秒。
超声波喷丸处理的调整是在钩20上进行的，调整区域为宽度3.2mm和深度7.26mm。这个方法所使用的参数如下：弹丸直径在300μm到2.5mm之间，重量在0.5到5克之间，振幅在20到500μm之间，处理时间在5到200秒之间。
如图2所示，应力测量在带凹槽的叶片根部的区域A和B上进行。区域A由叶根13的一部分构成，该部分的范围由凹槽5的侧面限定，而区域B由叶根13的一部分构成，该部分的范围由凹槽5的底部限定。这些测量可在深度方面通过X射线衍射确定残余应力。图3示出了采用传统喷丸处理BA315(钢珠直径0.315mm)和强度F15A(按照阿尔门指数)获得的应力曲线结果。
图5示出了图2所示钩20区域2内，采用超声波喷丸处理获得的应力曲线，该超声波喷丸处理系本发明的主题。
在受处理表面的区域A内，如果将采用传统喷丸处理(图3)所获得的结果与采用超声波喷丸处理(图5)所获得的结果进行比较，可以观察到类似的应力水平。然而，超声波喷丸处理可以获得的应力深度要大得多(特别是，相对于传统喷丸处理，比率为100％)。
在图2所示区域A和B中，进行了SEM(扫描电子显微术)分析，目的是检查采用超声波喷丸处理所获得的覆盖率。
SEM分析给出了试样的反射图像(放大到100 000倍以上)，反映了采用其它方法不可能探测到的细节。
这个分析结果说明了钩20区域A和B的完整覆盖率，无残余划痕，无冲击形成折叠现象。
Claims (9)
1.一种超声波喷丸处理方法，该方法通过使一团弹丸与超声波处理极(sonotrode)接触而动作来对金属表面进行喷丸处理，所述金属表面包括难以进入的区域，其特征在于，所述表面是指轴向固定涡轮机叶片的钩的表面，该涡轮机叶片包括在钩和叶根之间提供的凹槽(5)以及所述凹槽外部的表面部分(7)，所述成团弹丸置于腔室(25)内，该腔室环绕着所述凹槽和所述凹槽外部的所述表面部分(7)。
2.根据权利要求1所述的喷丸处理方法，其特征在于，所述凹槽(5)的宽度在1.5mm至10mm之间，深度在1.5mm至20mm之间。
3.根据权利要求1或2所述的喷丸处理方法，其特征在于，所使用的弹丸为：
a.直径小于或等于2.5mm，
b.重量大于或等于0.5g。
4.根据前面权利要求所述的方法，其特征在于，弹丸运动的幅度大于或等于20μm。
5.根据前面其中一项权利要求所述的方法，其特征在于，处理时间在5到200秒之间。
6.根据权利要求1所述的喷丸处理方法，其特征在于，弹丸直径在300μm至2.5mm之间。
7.根据权利要求1所述的喷丸处理方法，其特征在于，弹丸为钢质轴承弹丸、碳化钨合金或铝弹丸。
8.根据前面权利要求所述的方法，其特征在于，超声波处理极(sonotrode)构成了腔室(25)的壁的一部分。
9.根据前面其中一项权利要求所述的喷丸处理方法，其特征在于，所述钩采用包括钢、钛合金或镍基超合金或铝在内的一类材料制成。
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