CN102649994B - 表面处理系统、表面处理工艺和系统处理的构件 - Google Patents

表面处理系统、表面处理工艺和系统处理的构件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种表面处理系统、表面处理工艺和系统处理的构件。公开了系统、工艺和构件。该系统和工艺涉及：感应加热器，其被布置和设置成加热构件以形成热表面；和喷嘴装置，其定位成施加流体到该热表面上以形成构件的经加工的表面。该经加工的表面包括压缩残余应力，从而导致构件的增加的抗疲劳性，包括抗微动疲劳性。

Description

表面处理系统、表面处理工艺和系统处理的构件
技术领域
本发明涉及制造和处理金属构件的系统和方法。更具体而言，本发明涉及感应加热和施加流体到金属构件上的系统和方法。
背景技术
诸如燃气轮机的压缩机叶片燕尾榫的金属构件倾向于由于疲劳和微动疲劳两者而发生故障。疲劳能描述为这样的过程：通过该过程，低于材料的抗拉强度的循环负荷开始并传播表面裂纹。微动疲劳可描述为一种具体形式的疲劳，其中例如在大约50微米与大约200微米之间的小振幅滑动运动开始并传播裂纹。滑动运动能通过产生研磨性氧化磨损产物而加重通常的疲劳过程。微动疲劳能出现于诸如翼型件燕尾榫和/或燃气轮机或蒸汽涡轮转子中的附连点的构件中。普通和微动疲劳裂纹两者为传播到构件内部的从表面开始的微裂纹。当构件具有高温度梯度，且表面处于比内部部分更高温度时，更可能形成微动疲劳裂纹。靠近构件表面的压缩残余应力减小了疲劳裂纹和微动疲劳裂纹两者将会形成的可能性。
在已知的系统中，能使用激光冲击加工来通过增加在构件表面处的压缩残余应力来改进抗微动疲劳性。使用激光冲击加工承受若干缺陷。举例而言，激光冲击加工能由于生成高强度冲击波而损坏诸如叶片燕尾榫的构件。冲击波在基础材料的表面上反射，生成拉应力。拉应力能传播现有缺陷和裂纹，导致基础材料故障。此外，激光冲击加工添加了不需要的成本。
在另一种已知的系统中，涂层施加到压缩机叶片燕尾榫上以改进抗微动疲劳性。施加涂层承受若干缺陷。举例而言，施加涂层Alumazite能由于在涂层与基础材料(例如，马氏体不锈钢，诸如包括大约15.5％铬、大约6.3％镍，大约0.8％钼，大约0.03％碳和余量铁的合金)之间的界面处的应力的拉伸性质而具有提早的故障。当涂层剥落裂纹时这可导致裂纹传播到基础材料内。这可减小基础材料的抗腐蚀性且允许基础材料有缝隙腐蚀。此外，涂层可导致额外的不希望的成本。
在另一已知系统中，使用水射流冲击来处理构件。水射流冲击移除碎屑且清洁构件的表面。水射流冲击承受若干缺陷。举例而言，水射流冲击并不改进抗微动疲劳性且水射流冲击并不增加构件表面附近的压缩残余应力。
在本领域中将需要能够改进构件的抗微动疲劳性、不承受上述缺陷的系统和方法。
发明内容
根据一个实施例，一种表面处理系统包括：感应加热器，其布置且设置成在处于感应处理模式时加热构件以形成热表面；喷嘴装置，其被定位成当处于流体施加模式时以高于流体的空化压力的压力施加流体到构件的热表面，以形成经加工的表面。经加工的表面包括压缩残余应力。
根据另一实施例，一种表面处理工艺包括：通过感应加热器来以感应的方式加热构件，从而形成热表面；以及以高于流体的空化压力的压力由喷嘴装置来施加流体到热表面上，从而形成经加工的表面。经加工的表面包括压缩残余应力。
根据另一实施例，一种表面处理的构件包括经加工的表面，经加工的表面包括通过以感应的方式加热来形成热表面且将流体施加到该热表面而形成的压缩残余应力。经加工的表面包括比构件的内部部分或未处理表面更强的抗微动疲劳性。
通过结合附图得到的对优选实施例的以下更详细描述，本发明的其它特点和优点将会显然，附图以举例说明的方式说明本发明的原理。
附图说明
图1示出了根据本公开的示例性表面处理系统的一个实施例的透视图。
图2示出了根据本公开的示例性表面处理系统的一个实施例的透视图。
图3示出了根据本公开的示例性表面处理系统的一个实施例的透视图。
图4示出了在图1的示例性表面处理系统中在方向4-4中所得到的放大截面透视图。
图5示出了在图2的示例性表面处理系统中在方向5-5中所得到的放大截面透视图。
图6示出了根据本公开的示例性表面处理系统的一个实施例的透视图。
图7示出了根据本公开的示例性表面处理系统的一个实施例的透视图。
图8示出了根据本公开的示例性的表面处理的构件的一个实施例的透视图。
图9示出了沿着图8中的示例性的表面处理的构件的线9-9的截面图。
图10至图12示出了温度随时间的曲线，以比较方式说明了根据本公开的示例性表面处理工艺。
在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的参考标号来表示相同部件。
具体实施方式
提供了能改进金属构件的抗微动疲劳性的表面处理系统和表面处理工艺。该系统和方法增加压缩残余应力，从而改进抗微动疲劳性。本公开的实施例允许感应加热和水射流喷射(peening)的自动化，延长了感应加热器的使用寿命，在靠近构件表面处生成压缩残余应力，减小或排除了裂纹或裂纹在构件表面下方的传播以及它们的组合。
根据本公开，“疲劳”和“微动疲劳”两者可能性都较低。因此，如下文中所用的那样，术语“疲劳”和“微动疲劳”在本公开的上下文中可互换地使用。
参看图1至图2，系统100包括感应加热器102和喷嘴装置104。该系统100被构造为以感应的方式加热金属构件106。金属构件106包括任何合适的金属或金属组合物。举例而言，在各种实施例中，金属构件106包括任何类型的合金，包括但不限于奥氏体钢、钢/镍合金、马氏体/贝氏体不锈钢等。在一个实施例中，构件106包括马氏体/贝氏体不锈钢合金，其具有按重量计小于大约15％的铬，小于大约5％的镍，小于大约2％的锰和小于大约3％的钼。在一个实施例中，构件106由硬件(未图示)固定，以在感应处理模式和/或流体施加模式期间限制构件106的移动。
在感应加热模式期间，构件106由感应加热器102加热，形成热表面(在下文中参看图9所述)。参看图1，在一个实施例中，构件106在感应加热器102的腔室108中被加热。在一个实施例中，感应加热器102可由定位硬件(未图示)和/或定位设施(未图示)而定位。在一个实施例中，腔室108大体上为圆柱形且由以同轴关系或一体关系定位的感应加热器102和喷嘴装置104形成。在此实施例中，构件106或构件106的一部分可定位于腔室108内和/或系统100可绕构件106或构件106的一部分定位或者定位于构件106或构件106的一部分附近。
在另一实施例中，参看图2，构件106通过靠近感应加热器102而被加热(例如，邻近感应加热器102定位或者在感应加热器102附近的外周向区域103内)。在此实施例中，构件106的内表面107由感应加热器102加热。在一个实施例中，然后冷却或允许冷却热表面。
参看图1至图2，喷嘴装置104被构造为在流体施加模式期间施加流体到构件106上或构件106的一部分上。类似于感应加热器102，在一个实施例中，喷嘴装置104能在腔室108内施加流体到构件106上或者构件106的一部分上。在一个实施例中，喷嘴装置104可由定位硬件(未图示)和/或定位设施(未图示)而定位。在一个实施例中，喷嘴装置104能施加流体到靠近喷嘴装置104的构件106上或构件106的一部分上(例如，靠近喷嘴装置104定位或者定位于喷嘴装置104附近的外周向区域103内)，如图2所示。
在一个实施例中，喷嘴装置104包括一个或多个喷嘴105(合适的喷嘴包括用于水射流喷射的超高压力水射流喷嘴或能在喷嘴装置104内操作的任何其它喷嘴)。喷嘴装置104施加流体到金属构件106上。在一个实施例中，通过使用可结合任何合适的计算机操作的控制程序(未图示)，能够调整且协调喷嘴参数。在一个实施例中，喷嘴105中的一个或多个被构造为以预定压力或预定压力范围(例如，高于大约1360巴(bar)，在大约2000巴与大约3500巴之间，在大约2000巴与大约3700巴之间，大约3000巴，或大约3500巴)操作。在一个实施例中，喷嘴105中的一个或多个被构造为以预定速度或在预定速度范围内施加流体(例如，250m/min(米每分钟)，500m/min，大约560m/min，大约1120m/min，大约250m/min与大约500m/min之间或大约560m/min与大约1120m/min之间)。
在一个实施例中，喷嘴105中的一个或多个定位于离构件106预定距离109处或在预定距离范围内(例如，大约0.25mm，大约0.5mm，大约2mm，在大约0.5mm与大约2mm之间，在大约0.25mm与大约0.5mm之间)和/或在离其它喷嘴105预定距离111或预定距离范围内(例如，大约0.6cm、大约7.5cm、大约15cm、在大约0.6cm与大约15cm之间，在大约0.6cm与大约7.5cm之间)。参看图4至图5，在一个实施例中，喷嘴105定向为预定角度115或在预定角度范围内(例如，大约75度、大约90度或在大约75与90度之间)。
尽管图1至图2示出了基本上圆柱形的几何形状，该系统100能具有任何合适的几何形状。举例而言，如图3所示，在一个实施例中，该系统100为类似于桨的基本上平面形状。在其它实施例中，该系统100基本上为对应于金属构件106(例如，对应于压缩机叶片、压缩机燕尾榫或转子的几何形状)的立方体、基本上线性的形状或它们的组合。
感应加热器102包括一个或多个感应线圈110。参看图1和图4，在一个实施例中，感应线圈110在该系统100内以基本上螺旋布置定向。在一个实施例中，感应线圈110容纳于外壁302(基本上形成外圆筒)和内壁304(基本上形成内圆筒)内。喷嘴装置104定位于外壁302上或内(参看图2和图4)、内壁304上或内(参看图1和图3)或两种情况。参看图4，在一个实施例中，线圈110包括流体通道112以运输流体和从感应加热器102向流体传热，从而延长了感应加热器102的可使用寿命。在感应加热模式期间，流体通过入口(未图示)进入流体通道112，冷却线圈110内部且通过出口(未图示)从流体通道112出来。在一个实施例中，在感应加热模式期间，通过线圈(一个或多个)110收集、冷却且再循环流体。在流体施加模式期间，阀(未图示)引导一部分或全部流体通过喷嘴装置104以施加到构件106上。在一个实施例中，在流体施加模式期间，收集、净化且再循环流体。
在一个实施例中，在超空化条件下在流体施加模式期间施加流体(例如，流体处在大约流体沸点的温度或者处在对应于流体空化压力的温度)。超空化使用空化效果来在流体内形成气泡，允许悬浮于流体中的物体由于该物体完全被气泡封闭而以极其高的速度行进。超空化减小了对物体的阻力(例如，大约1000倍)，允许物体以预定速度范围施加到构件106上。在一个实施例中，悬浮于流体中的物体为磨料。合适的流体为水。合适的磨料为碳化硅或冰，其具有例如基本上球形的几何形状和/或预定粒度或粒度范围(例如，大约80目、大约400目或在大约80目与大约400目之间)。
在一个实施例中，如图6所示，该系统10包括通往喷嘴装置104的流体通道112，流体通道112和喷嘴装置104靠近线圈110且流体通道112和喷嘴装置104与线圈110分开。在此实施例中，线圈110并不由流体冷却且该系统100能定位成使得喷嘴装置104和线圈110靠近构件106或构件106的一部分。在此实施例中，在感应加热模式期间，流体通过入口602进入流体通道112，冷却线圈110内部且通过出口604从流体通道112出来。在流体施加模式期间，流体通过入口602进入流体通道112且通过喷嘴装置104施加到构件106。在感应加热模式与流体施加模式之间的调整通过任何合适的机构来实现，包括但不限于诸如阀的流动控制机构。
在另一实施例中，如图7所示，该系统包括绕通往喷嘴装置104的流体通道112包绕的线圈110。在此实施例中，线圈110由流体通道112冷却且该系统100能定位成使得喷嘴装置104和线圈104靠近构件106或构件106的一部分。在此实施例中，在感应加热模式期间，流体通过入口602进入流体通道112，冷却线圈110内部且通过出口604从流体通道112出来。在流体施加模式期间，流体通过入口602进入流体通道112且通过喷嘴装置104施加到构件106。在感应加热模式与流体施加模式之间的调整通过任何合适的机构来实现，包括但不限于调整喷嘴装置104以防止施加流体。
参看图8至图9，在一个实施例中，构件106为涡轮叶片。涡轮叶片的表面116由上文所述的感应加热器102加热，形成热表面。由预定深度114限定的构件106的子层902作为过渡区操作且由感应加热器102加热到比表面116更小的程度。构件106的内部部分120加热到甚至更小的程度或者基本上不受感应加热影响。类似地，未处理部分904加热到更小程度或基本上不受感应加热影响。在一个示例性工艺中，构件106由感应加热器102加热(例如，在构件106的表面116上)。感应加热形成压缩残余应力层(例如，在构件106的表面116上)。在一个实施例中，通过增加或减小交流电流频率、电流密度、线圈表面积、在线圈110与构件106之间的距离、其它合适参数或它们的组合来调整所形成的压缩残余应力(例如，延伸到预定深度114)。
交流电流以预定频率和预定电流密度行进穿过线圈(一个或多个)110。在一个实施例中，减小频率和/或增加电流密度以与构件106的另一部分(例如，构件106的表面116)相比减小(例如，预定深度114的)加热。在一个实施例中，可将交流电流从第一预定频率(例如，大约100千赫)调整到第二预定频率(例如，大约1兆赫)和/或可将电流密度从第一预定电流密度(例如，大约15×106amp/m2(安培每平方米))调整至第二电流密度(例如，大约5×106amp/m2)。
参看图10和图11，频率的增加(例如，从图11所示的100千赫到图10所示的1000千赫)升高了表面116处的温度。这减少了在预定深度114处的加热且温度升高在金属构件106的表面116的局部，同时减小或消除对内部部分120的加热。参看图10和图12，电流密度的增加(例如，从图12所示的5×106amp/m2到图10所示的15×106amp/m2)以基本上均匀的方式升高了在表面116处的温度。下文所述的这些调整和/或其它调整的关系用于针对表面116、预定深度114、内部部分120、构件106的其它合适部分以及它们的组合控制相对温度，以及因此(控制)压缩残余应力。
再次参看图1至图2，在一个实施例中，可调整在金属构件106与感应加热器102(或线圈(一个或多个)110)之间的距离113。举例而言，在一个实施例中，在感应加热器102(或线圈(一个或多个)110)与构件106之间的距离113增加，从而形成在表面116(参看图9)、预定深度114(参看图9)、内部部分120(参看图9)与它们的组合之间的更大温度梯度，从而增加了压缩残余应力。在一个实施例中，线圈110可从具有第一预定截面积(例如，大约15cm2)的第一位置定位到具有第二预定截面积(例如，大约225cm2)的第二位置。
虽然仅示出和描述了本发明的某些特点和实施例，但本领域技术人员能想到许多修改和变化(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例，参数(例如，温度、压力等)的值，安装布置，材料使用，方位等的变化)而不会在实质上偏离权利要求中所陈述的主题的新颖教导内容和优点。任何工艺或方法步骤的次序或顺序可根据备选实施例改变或重新排序。因此应了解所附权利要求预期涵盖属于本发明的真实精神内的所有这些修改和变化。此外，为了致力于提供示例性实施例的简洁描述，可能并没有描述实际实施方式的所有特点(即，与目前设想到的实施本发明的最佳模式无关的那些或者与允许实现所主张的本发明无关的那些)。应了解在任何这些实际实施方式的开发中，如在任何工程或设计项目中，可做出许多对实施方式而言具体的决策。这种开发努力可为复杂的且耗时的，但仍将是受益于本公开的本领域普通技术人员设计、制作和制造的常规任务而无需过度实验。

Claims (20)

1.一种表面处理系统，包括：
感应加热器，布置且设置成在处于感应处理模式中时加热构件以形成热表面；
喷嘴装置，定位成在处于流体施加模式中时以高于流体的空化压力的压力将所述流体施加到所述构件的热表面，以形成经加工的表面，其中，所述流体包括悬浮于所述流体中的磨料，所述磨料被所述流体内的气泡封闭；其中，所述经加工的表面包括压缩残余应力。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述感应加热器被构造为加热所述流体。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述感应加热器包括多于一个感应线圈。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述感应加热器的布置形成腔室，所述腔室构造成用于在该腔室内定位所述构件。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述腔室基本上为圆柱形。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述喷嘴装置同轴地定位于所述腔室内。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述喷嘴装置与所述感应加热器是一体的。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述喷嘴装置被构造为通过所述感应加热器来运输所述流体。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述感应加热器包括选自由交流电流、电流密度以及它们的组合组成的组的可调整参数。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述感应加热器包括选自由以下参数组成的组的可调整参数：在所述构件与所述感应加热器之间的距离，所述感应加热器的表面积以及它们的组合。
11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述喷嘴装置包括选自由以下参数组成的组的可调整参数：流体压力、流体速度以及它们的组合。
12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述喷嘴装置包括选自由以下参数组成的组的可调整参数：在所述构件与所述喷嘴装置之间的距离，所述喷嘴装置中的第一喷嘴与第二喷嘴之间的距离，第一喷嘴的角度以及它们的组合。
13.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述流体包括磨料。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述磨料为碳化硅。
15.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述感应加热器包括流体通路。
16.一种表面处理工艺，包括：
提供构件和系统，所述系统包括：
感应加热器，布置和设置成加热所述构件以形成热表面；以及
喷嘴装置，定位成将流体施加到所述构件的热表面上；
通过所述感应加热器来以感应的方式加热所述构件，从而形成所述热表面；以及
以高于所述流体的空化压力的压力由所述喷嘴装置将所述流体施加到所述热表面上，从而形成经加工的表面；
其中，所述流体包括悬浮于所述流体中的磨料，所述磨料被所述流体内的气泡封闭；
其中，所述经加工的表面包括压缩残余应力。
17.根据权利要求16所述的工艺，其特征在于，还包括：利用所述感应加热器来加热所述流体。
18.根据权利要求17所述的工艺，其特征在于，利用所述感应加热器来加热所述流体由通过所述感应加热器中的通路运输所述流体来发生。
19.根据权利要求16所述的工艺，其特征在于，所述工艺增加了所述构件的抗微动疲劳性。
20.一种表面处理的构件，所述构件包括经加工的表面，所述经加工的表面包括通过以感应的方式加热来形成热表面且以高于流体的空化压力的压力将所述流体施加到所述热表面而形成的压缩残余应力，其中所述经加工的表面包括比所述构件的内部部分或未处理表面更强的抗微动疲劳性；其中，所述流体包括悬浮于所述流体中的磨料，所述磨料被所述流体内的气泡封闭。
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