CN102189491A - 用于增强构件表面光度的喷丸方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于增强构件表面光度的喷丸方法。具体而言，一种方法用于处理构件的表面以增强其表面光度和在构件的临近表面的区域中引起残余压应力。该方法需要进行第一喷丸操作以在构件的临近表面区域中形成残余压应力层，然后至少进行第二喷丸操作以促使对构件的表面进行表面光滑同时保持在构件的临近表面的区域中的残余压应力。第一喷丸操作包括使用第一玻璃珠媒介以第一强度进行湿玻璃珠喷丸，以及第二喷丸操作包括使用第二玻璃珠媒介以第二强度进行湿玻璃珠喷丸，其中，第二强度低于第一强度并且第二玻璃媒介比第一玻璃媒介小。

Description

用于增强构件表面光度的喷丸方法
技术领域
本发明涉及用于改善物品表面的方法。更具体地说，本发明涉及喷丸(peening)方法，通过该方法能提高构件的机械性能和表面光度(或表面光整度，surface finish)特性。
背景技术
喷丸强化(shot peening)是一种能够通过其改善构件的表面及紧邻的下层基底区域以表现出性能提高的方法，包括通过引起残余压应力而提高抗疲劳以及外来物体破坏的性能。涡轮机械的一些构件，包括由钢、钛基合金和超合金制成的翼型构件，如燃气涡轮叶片、蒸汽涡轮叶片以及燃气涡轮发动机叶片，可能需要以相对高的强度对其翼型表面进行完全的喷丸强化，例如，在N级阿尔门(Almen N)试片上Almen强度(或喷丸强度)为10N(在A级Almen试片上约为3A)或更高，以获得所需的表面性能(此处涉及的所有喷丸强度均在Almen A级或Almen N级试片上予以量化)。但是，高强度下的喷丸强化易于导致翼型表面明显地表面粗糙化，例如，约90微英寸(约2.3微米)Ra或更高，这可能损害叶片的动力学性能以及涡轮的整体性能。表面粗糙度的升高还有助于粘附空中污染物、腐蚀物以及侵蚀物，它们的沉积物可能会促进缝隙点蚀、应力腐蚀裂纹以及疲劳损耗。
为了降低由喷丸导致的粗糙度，通常对压缩机叶片进行抛光处理，例如长时间的滚筒抛光(或滚光，tumbling)、液体打磨、拉拔抛光、化学蚀刻或者其它的方法，以使表面光度变为能够更为接受的水平，如Ra为35微英寸(约0.9微米)。但是，最终获得的表面光度通常高于进行喷丸前的初始翼型表面的光度。除了增加生产成本和周期时间外，喷丸强化后的抛光处理还可能由于消除残余压应力层而抵消了因喷丸强化所获得的益处，而且在此情况下还可能导致尺寸变形。
发明内容
本发明提供一种用于处理构件表面以提高其表面光度并在构件的临近表面的区域中引起残余压应力的方法。
根据本发明的第一方面，该方法需要进行第一喷丸操作以在构件的临近表面的区域中形成残余压应力层，然后至少进行第二喷丸操作以促成对构件的表面进行表面光滑，同时保持在构件的临近表面的区域中的残余压应力。第一喷丸操作包括使用第一玻璃珠媒介(media)以第一强度进行湿玻璃珠喷丸，以及第二喷丸操作包括使用第二玻璃珠媒介以第二强度进行湿玻璃珠喷丸，其中，第二强度低于第一强度并且第二玻璃珠媒介比第一玻璃珠媒介小。
根据本发明的优选方面，该方法在此种的喷丸条件下获得平滑的表面光度而无需进行喷丸后的抛光处理，此种抛光处理易于去除由第一喷丸操作引起的期望的残余压应力层并且可能导致构件的尺寸变形。通过取消在喷丸之后进行抛光，本发明还能明显地减少构件的生产时间和成本。
本发明的其它方面和优势根据下面的详细说明将更好理解。
附图说明
图1是绘制了在燃气轮机的压缩机叶片上进行三种表面处理而引起残余压应力的硬化深度(case depth)的示图。
图2是绘制了在燃气轮机的压缩机叶片上进行五种不同的表面处理所产生的表面粗糙度数据的示图。
图3和图4是扫描显微图像，显示了其数据已在图2中示出的压缩机叶片的两个表面的形态。
具体实施方式
本发明主要适用于如下构件：其受益于喷丸强化效果，包括提高的疲劳特性，而且要求Ra小于35微英寸(约0.9微米)的相对较平滑的表面光度，例如Ra为25微英寸(约0.6微米)或更低，它们不能通过常规的喷丸强化方法获得。此类构件的显著实例包括涡轮机械的翼型构件，包括由钢、钛基合金和超合金制成的燃气涡轮叶片、蒸汽涡轮叶片以及燃气涡轮发动机叶片，它们的翼型部承受高疲劳载荷。虽然本发明的优点将参照压缩机叶片进行说明，但是本发明的教导内容通常适用于受益于平滑的表面光度和抗疲劳性能的任何构件。
本发明通常需要喷丸处理，通过该喷丸处理，依次并按一定方式使用至少两个不同尺寸的喷丸媒介，初始地在构件的临近表面的区域中引起期望水平的残余压应力层，继而在不去除所需残余压应力的情况下进行表面光滑。更具体而言，喷丸处理是一种湿玻璃珠喷丸方法，其包含采用相对粗大的玻璃珠媒介以第一Almen强度进行湿玻璃珠喷丸，继而采用更精细的玻璃珠媒介以较低的Almen强度进行另一湿玻璃珠喷丸操作。第一Almen强度优选为至少7N，如7N至14N，且更优选为9N至12N，而较低的Almen强度优选为至少6N，更优选为第一Almen强度的大约1/4至大约1/3，如2N至5N。用于获得第一和第二强度的玻璃珠媒介应当具有如实际用于所选强度范围那样大的直径。用于获得第一强度的相对粗大的玻璃珠媒介应当具有大于0.50毫米的直径，作为一个非限定性的实例，约0.70毫米(即，GP234或相当)，以及用于获得较低强度的相对精细的玻璃珠媒介具有较小的直径，例如约为相对粗大的玻璃珠媒介的大约1/4至大约1/3，作为一个非限定性的实例，约0.2毫米(即，GP20或相当)。第一喷丸操作意图在叶片的临近表面的区域中引起所需的残余压应力层，而第二喷丸操作意图通过去除由第一喷丸操作所产生的粗糙度而促使表面光滑。相比于常规的抛光处理，第二喷丸操作除了减少处理时间和成本外，充分地保持了在前喷丸操作的全部益处并避免了与抛光处理相关的机件变形的风险。
针对本发明对工业燃气轮机的钢制压缩机叶片进行了研究。第一叶片(样本A)通过CCW-14不锈钢线粒(直径为约0.014英寸(约0.35mm))以大约10N至12N的Almen强度进行喷丸强化，随后进行长时间的滚光振动抛光操作。第二叶片(样本B)进行与第一叶片相同的喷丸操作，但是没有进行额外的滚光操作。最后，第三叶片(样本C)通过GP234玻璃珠(直径为约0.028英寸(约0.70mm))以大约9N至12N的Almen强度进行湿玻璃珠喷丸，随后通过GP20玻璃珠(直径为约0.008英寸(约0.20mm))以大约3N的Almen强度进行湿玻璃珠喷丸。各喷丸强化处理都予以实施以实现完全的表面覆盖率。
图1是绘制了由三种表面处理所引起的残余压应力的硬化深度的示图，并证实了在进行两步喷丸处理的叶片中以明显更大的硬化深度获得了更高的残余压应力。(“CC”和“CV”分别标示由样本A的凹面和凸面所获得的数据。)注意的是样本C，其进行了两步喷丸表面处理，在其整个临近表面的区域，即相当于在叶片表面下方大约0.006英寸(约150微米)的深度，表现出最高的残余压应力。通过对比针对样本A和B的数据，显然，滚光操作可能已经降低了样品A中的残余压应力。
在第二个研究中，使用不同粗度的喷丸媒介对三个附加的叶片进行喷丸处理。这些附加叶片中的第一个(样品D)通过使用GP165玻璃珠(直径为约0.02英寸(约0.50mm))进行湿玻璃珠喷丸，以实现完全的表面覆盖率和获得约为10N的Almen强度。这些叶片中的第二个(样品E)通过使用S110铸钢珠(直径为约0.014英寸(约0.35mm)或更小)进行喷丸，以实现完全的表面覆盖率和获得约为10N的Almen强度，而第三个叶片(样品F)通过使用S170铸钢珠(直径为约0.02英寸(约0.50mm))进行喷丸，以实现完全的表面覆盖率和获得约为10N的Almen强度。在样品D、E、F上进行的第二喷丸步骤均采用与前述研究中所用相同的GP20玻璃珠浆，覆盖率、强度(约3N)以及持续时间。
图2是第二个研究中的样品D、E和F以及第一个研究中的样品B、C的表面粗糙度数据基于百分点的正态概率图。从该图明显可见，通过GP20玻璃珠浆可达到的表面光度依赖于在第一喷丸操作中使用的媒介，并且当第一喷丸操作使用较大的GP234玻璃珠(直径为约0.70mm)时，与较细的GP165玻璃珠(直径为约0.50mm)和两种铸钢粒媒介(直径为约0.35和0.50mm)中的任一种相比，获得远远更好的表面光度。未抛光的样品B(以CCW-14不锈钢线粒(直径为约0.35mm；Almen强度为约10N至12N；没有滚光或第二喷丸操作)喷丸)的平均表面光度为约100微英寸(约2.5微米)Ra，但是通过S110铸钢粒(直径0.35mm)喷丸的样品E、通过S170铸钢粒(直径0.50mm)喷丸的样品F以及通过GP165玻璃珠(直径0.50mm)喷丸的样品D的平均表面光度范围在约46至53微英寸(约1.2至约1.3微米)Ra。相反，进行了两步喷丸操作(GP234玻璃珠(直径0.70mm)采用9N至12N的强度，以及随后的较小的GP20玻璃珠采用3N的强度)的样品C，其平均表面光度为约25微英寸(约0.64微米)Ra。图3和图4是扫描显微图像，分别示出了样品C和B的翼型表面的形态，并显示了在样品C上通过进行第二喷丸操作所获得的在表面光度方面的显著提高。
综上所述可知，两步喷丸处理通过使用包含颗粒大于0.50微米的玻璃珠媒介的第一浆，并随后使用包含更细的玻璃珠媒介的第二浆以更低的强度进行第二喷丸操作，能够获得所需水平的残余压应力以及约25微英寸(约0.64微米)或更低的表面粗糙度。更通常的是，可以看出，用于获得第一和第二喷丸操作的强度的玻璃珠媒介应当具有与实施其相应强度的同样大的直径。例如，对于构件如由钢合金、钛基合金和超合金制成的燃气轮机的压缩机叶片，相信的是，第一湿玻璃珠喷丸操作应优选使用相对粗大的玻璃珠媒介进行，该玻璃珠媒介其直径为大于0.50mm至大约0.90mm，更优选为约0.60至0.80mm，并且获得Almen强度为至少7N至约14N，更优选为约9N至约13N，以及第二玻璃珠喷丸操作应优选在小于6N的Almen强度下进行，更优选为第一A1men强度的大约1/4至大约1/3，例如2N至5N，使用比第一喷丸操作更小的玻璃珠媒介，优选为相对粗大的玻璃珠媒介的大约1/4至大约1/3，例如约0.15至约0.25mm。根据本发明的一个优选方面，在第二喷丸操作之后的表面光度为在第一操作之后的表面光度的大约1/4至大约1/2，例如，如果在第一喷丸操作之后的表面粗糙度为约70至约100微英寸(约1.8至约2.5微米)，则进行第二喷丸操作以获得约20至约50微英寸(约0.5至约1.3微米)的表面光度。
虽然根据优选实施例描述了本发明，但是很明显本领域技术人员还可采用其它的方式。举例而言，虽然优选的是玻璃珠媒介，但是可预见到其它不同的材料也可使用，例如陶瓷、钢、不锈钢等，尽管这样做可能需要调整媒介尺寸和强度。另外，应当注意的是，各种喷丸技术均可采用，只要其能够以特定的强度输送喷丸媒介同时还能够向待处理的表面区域提供必要的覆盖。因此，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种用于增强构件的表面光度的喷丸方法，所述方法包括步骤：
进行第一喷丸操作以在所述构件的临近表面的区域中形成残余压应力层，所述第一喷丸操作包括使用第一玻璃珠媒介以第一强度进行湿玻璃珠喷丸；以及随后
至少进行第二喷丸操作以促使对所述构件的表面进行表面光滑同时保持在所述构件的临近表面的区域中的残余压应力，所述第二喷丸操作包括使用第二玻璃珠媒介以第二强度进行湿玻璃珠喷丸，其中，所述第二强度低于所述第一强度以及所述第二玻璃媒介比所述第一玻璃媒介小。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一玻璃珠媒介的玻璃珠的直径大于0.50毫米。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一玻璃珠媒介的玻璃珠的直径大于0.50毫米至约0.90毫米。
4.根据权利要求1至权利要求3中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一喷丸操作的第一强度为约7N至约14N。
5.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二玻璃珠媒介的玻璃珠的直径为所述第一玻璃珠媒介的直径的约1/4至约1/3。
6.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二玻璃珠媒介的玻璃珠的直径为约0.15毫米至约0.25毫米。
7.根据权利要求1至权利要求6中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二喷丸操作的第二强度小于6N。
8.根据权利要求1至权利要求7中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二喷丸操作的第二强度是所述第一喷丸操作的第一强度的约1/4至约1/3。
9.根据权利要求1至权利要求8中任一项所述的方法，其特征在于，所述构件的表面在所述第二喷丸操作之后的表面光度小于0.9微米。
10.根据权利要求1至权利要求9中任一项所述的方法，其特征在于，所述构件是涡轮机的翼型构件，以及所述构件的表面是翼型表面。
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