CN102998312A - 钛合金叶轮表面完整性检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钛合金叶轮表面完整性检测方法，包括对测量步骤的合理设置及参数的选择，可以实现钛合金叶轮的表面粗糙度、表面残余应力、表面微观缺陷、磨削烧伤和表面硬化的检测的操作程序和操作方法，实现了对机械加工后的叶轮的表面完整性科学准确的计量，为设计计算和分析叶轮疲劳寿命提供可靠数据。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测方法，尤其是一种钛合金叶轮表面完整性检测方法。
背景技术
现有航空领域中的钛合金叶轮的加工，一般为车削后铣削加工，对于叶轮的表面完整性不做过多地补充处理，导致叶轮普遍寿命不高，达不到设计要求寿命最低限40000次循环。因此，为了提高叶轮的寿命，需要对叶轮的表面完整性提出新的要求。这些要求包括:
叶片表面粗糙度达到0.4 ；表面残余应力要求：如果应力测量值|σ|≥210 MPa，那么其各点的应力变化满足Δσ≤60 MPa，切向应力满足τ≤8 MPa；如果应力测量值|σ|< 210 MPa，那么其各点的应力变化满足Δσ≤30 MPa或 σ(两个值中最大的)，切向应力满足τ≤8 MPa；加工后无磨削烧伤、无表面硬化。
这些叶轮表面完整性要求可以是保证叶轮寿命，针对要求,对钛合金叶轮的加工工艺进行了进一步的探讨和优化,包括表面抛光和磨粒流加工。但对于优化加工后的钛合金叶轮表面完整性的各项指标，应该如何进行科学准确的检测，采用哪些检测方法和如何操作的技术尚属空白。
发明内容
本发明的目的是提供一套叶轮表面完整性检测方法，包括叶轮的表面粗糙度、表面残余应力、表面微观缺陷、磨削烧伤和表面硬化的检测的操作程序和操作方法，以实现对机械加工后的叶轮的表面完整性科学准确的计量，为设计计算和分析叶轮疲劳寿命提供可靠数据。
本发明的具体技术方案为，钛合金叶轮表面完整性的检测方法包括以下步骤：
（1）准备好被检测的钛合金叶轮零件；
（2）目视检测叶轮的外观：目视零件的外观表面是否有明显的划痕及表面不连续性缺陷；
（3）检测叶轮表面粗糙度：
1）将零件固定安装在粗糙度测量机上；
2）设定粗糙度检测评定长度为2～5mm；
3）测量零件轮毂表面粗糙度Ra值：在轮毂同一位置按圆周方向均布，选取任意3～5点作为测量面，在每一点上沿径向和周向两个方向分别测量取值；
4）测量零件外直径表面、叶轮背面、叶轮叶尖表面的粗糙度Ra值：每一个部位至少任取3个点，在每一点上沿径向和周向两个方向分别测量取值；
5）打印粗糙度测量曲线；
（4）测量叶轮表面残余应力分布情况：
1）残余应力分析采用X射线衍射方法进行，使用的设备包含下列测量参数：
有关联不确定性的主要应力值符合两标准偏差：σ±Δσ；
切应力值：τ；
强度比：RI；
衍射波峰的整体宽度：LI；
2）将被测零件放置在仪器测量台上，选取测量衍射和探测条件：
靶板：铜；
滤板：镍；
波长：1.5401um；
衍射角度：141°；
物质常量：S1=-2.639×10MPa–1和S2 =11.898×10–6 MPa–1；
在-39°和+39°之间的至少可以使用9β角；
3）定义衍射分离角度的位置，并保证：
衍射波峰整体宽度LI：0.8×平均宽度≤L1≤1.2×平均宽度；
每个衍射波峰净高≥300个脉冲；
4）按照设计图样要求选取测量点，对每个测量点的残余应力必须在轴向和径向两个方向测定；
5）给出每个测量点的实际测量值；
（5）检测叶轮表面微观缺陷：
1）对叶轮外表面进行常规荧光检测；
2）对叶轮内腔表面进行常规涡流检测；
（6）检测叶轮表面加工硬化缺陷
1）按照设计图样要求选取需要检测部位；
2）制备试样：对每处检测部位切取轴向和径向2个试样并制备金相试样，制备金相试样时，试样检验面垂直于切割表面；
3）抛光：将试样镶嵌在试片固定剂中，检测表面向上，然后用500～1000粒度的金相砂纸抛光试片至呈镜面状；
4）化学腐蚀：采用体积比为2%～3%的硝酸、3%～5%的氢氟酸、其余为蒸馏水的液体对试件进行浸泡，时间为20～80秒；
5）观测：在200倍的放大率的光学显微镜下进行表面结构观测，对比加工表面及心部组织是否存在差异，观察晶粒取向和结构判定是否存在加工硬化层；
（7）检测叶轮表面是否有烧伤缺陷
1）对零件表面进行除油：使用丙酮清洗，去除尤其是机械加工过程中造成的污染，同时用毛刷刷洗需检验的部位；
2）使用清洁干燥的压缩空气吹干零件；
3）配制金相酸蚀溶液，酸蚀溶液的体积比为：10%～13% 的硝酸、0.5%～1.5%氢氟酸、其余为蒸馏水；将零件在室温浸入酸蚀溶液中，并使用磁力搅拌装置搅拌酸蚀溶液，酸蚀时间在1.5～2.5分钟之间；
4）用水清洗被酸蚀的表面去除残余的酸蚀溶液；
5）使用清洁干燥的压缩空气吹干零件；
6）使用放大倍率6到40倍的双筒放大镜观测零件的酸蚀表面，检测是否存在磨削烧伤；
（8）最终判定。
本发明通过一套系统的流程方法，采用各种测量设备及测量手段，并配制了所需要的各项溶液，完成了钛合金叶轮的表面粗糙度、表面残余应力、表面微观缺陷、磨削烧伤和表面硬化的检测的操作程序和操作方法，实现了对机械加工后的叶轮的表面完整性科学准确的计量，为设计计算和分析叶轮疲劳寿命提供可靠数据。
具体实施方式
一种钛合金叶轮表面完整性检测方法，所述的方法包括以下步骤：
（1）准备好被检测的钛合金叶轮零件；
（2）目视检测叶轮的外观：目视零件的外观表面是否有明显的划痕及表面不连续性缺陷；
（3）检测叶轮表面粗糙度：
1）将零件固定安装在粗糙度测量机上；
2）设定粗糙度检测评定长度为2～5mm；
3）测量零件轮毂表面粗糙度Ra值：在轮毂同一位置按圆周方向均布，选取任意3～5点作为测量面，在每一点上沿径向和周向两个方向分别测量取值；
4）测量零件外直径表面、叶轮背面、叶轮叶尖表面的粗糙度Ra值：每一个部位至少任取3个点，在每一点上沿径向和周向两个方向分别测量取值；
5）打印粗糙度测量曲线；
（4）测量叶轮表面残余应力分布情况：
1）残余应力分析采用X射线衍射方法进行，使用的设备包含下列测量参数：
有关联不确定性的主要应力值符合两标准偏差：σ±Δσ；
切应力值：τ；
强度比：RI；
衍射波峰的整体宽度：LI；
2）将被测零件放置在仪器测量台上，选取测量衍射和探测条件：
靶板：铜；
滤板：镍；
波长：1.5401um；
衍射角度：141°；
物质常量：S1=-2.639×10MPa–1和S2 =11.898×10–6 MPa–1；
在-39°和+39°之间的至少可以使用9β角；
3）定义衍射分离角度的位置，并保证：
衍射波峰整体宽度LI：0.8×平均宽度≤L1≤1.2×平均宽度；
每个衍射波峰净高≥300个脉冲；
4）按照设计图样要求选取测量点，对每个测量点的残余应力必须在轴向和径向两个方向测定；
5）给出每个测量点的实际测量值；
（5）检测叶轮表面微观缺陷：
1）对叶轮外表面进行常规荧光检测；
2）对叶轮内腔表面进行常规涡流检测；
（6）检测叶轮表面加工硬化缺陷
1）按照设计图样要求选取需要检测部位；
2）制备试样：对每处检测部位切取轴向和径向2个试样并制备金相试样，制备金相试样时，试样检验面垂直于切割表面；
3）抛光：将试样镶嵌在试片固定剂中，检测表面向上，然后用500～1000粒度的金相砂纸抛光试片至呈镜面状；
4）化学腐蚀：采用体积比为2%～3%的硝酸、3%～5%的氢氟酸、其余为蒸馏水的液体对试件进行浸泡，时间为20～80秒；
5）观测：在200倍的放大率的光学显微镜下进行表面结构观测，对比加工表面及心部组织是否存在差异，观察晶粒取向和结构判定是否存在加工硬化层；
（7）检测叶轮表面是否有烧伤缺陷
1）对零件表面进行除油：使用丙酮清洗，去除尤其是机械加工过程中造成的污染，同时用毛刷刷洗需检验的部位；
2）使用清洁干燥的压缩空气吹干零件；
3）配制金相酸蚀溶液，酸蚀溶液的体积比为：10%～13% 的硝酸、0.5%～1.5%氢氟酸、其余为蒸馏水；将零件在室温浸入酸蚀溶液中，并使用磁力搅拌装置搅拌酸蚀溶液，酸蚀时间在1.5～2.5分钟之间；
4）用水清洗被酸蚀的表面去除残余的酸蚀溶液；
5）使用清洁干燥的压缩空气吹干零件；
6）使用放大倍率6到40倍的双筒放大镜观测零件的酸蚀表面，检测是否存在磨削烧伤；
（8）最终判定。
实施例
某涡轴航空发动机XX叶轮，材料为钛合金，要求表面完整性的指标为：叶片表面粗糙度达到0.4 ；表面残余应力要求：如果应力测量值|σ|≥210 MPa，那么其各点的应力变化满足Δσ≤60 MPa，切向应力满足τ≤8 MPa；如果应力测量值|σ|< 210 MPa，那么其各点的应力变化满足Δσ≤30 MPa或 σ(两个值中最大的)，切向应力满足τ≤8 MPa；加工后无磨削烧伤、无表面硬化。
在加工完成后对其表面完整性进行检测，具体步骤如下：
（1）准备好被检测的钛合金叶轮零件；
（2）目视检测叶轮的外观：目视零件的外观表面是否有明显的划痕及表面不连续性缺陷；
（3）检测叶轮表面粗糙度：
1）将零件固定安装在粗糙度测量机上；
2）设定粗糙度检测评定长度为2mm；
3）测量零件轮毂表面粗糙度Ra值：在轮毂同一位置按圆周方向均布，选取任意3点作为测量面，在每一点上沿径向和周向两个方向分别测量取值；
4）测量零件外直径表面、叶轮背面、叶轮叶尖表面的粗糙度Ra值：每一个部位至少任取3个点，在每一点上沿径向和周向两个方向分别测量取值；
5）打印粗糙度测量曲线；
（4）测量叶轮表面残余应力分布情况：
1）残余应力分析采用X射线衍射方法进行，使用的设备为残余应力分析仪，该设备包含了下列测量参数：
有关联不确定性的主要应力值符合两标准偏差：σ±Δσ；
切应力值：τ；
强度比：RI；
衍射波峰的整体宽度：LI；
2）将被测零件放置在仪器测量台上，选取测量衍射和探测条件：
靶板：铜；
滤板：镍；
波长：1.5401um；
衍射面：2 1 3；
衍射角度：141°；
物质常量：S1=-2.639×10MPa–1和S2 =11.898×10–6 MPa–1；
在-39°和+39°之间的至少可以使用9β角；
3）定义衍射分离角度的位置，并保证：
衍射波峰整体宽度LI：0.8×平均宽度≤L1≤1.2×平均宽度；
每个衍射波峰净高≥300个脉冲；
4）按照设计图样要求选取测量点，对每个测量点的残余应力必须在轴向和径向两个方向测定；
5）给出每个测量点的实际测量值；
（5）检测叶轮表面微观缺陷：
1）对叶轮外表面进行常规荧光检测；
2）对叶轮内腔表面进行常规涡流检测；
（6）检测叶轮表面加工硬化缺陷
1）按照设计图样要求选取需要检测部位；
2）制备试样：对每处检测部位切取轴向和径向2个试样并制备金相试样，制备金相试样时，试样检验面垂直于切割表面；
3）抛光：将试样镶嵌在试片固定剂中，检测表面向上，然后用500～1000粒度的金相砂纸抛光试片至呈镜面状；
4）化学腐蚀：采用体积比为2%的硝酸、3%的氢氟酸、其余为蒸馏水的液体对试件进行浸泡，时间为70秒；
5）观测：在200倍的放大率的光学显微镜下进行表面结构观测，对比加工表面及心部组织是否存在差异，观察晶粒取向和结构判定是否存在加工硬化层；
（7）检测叶轮表面是否有烧伤缺陷
1）对零件表面进行除油：使用丙酮清洗，去除尤其是机械加工过程中造成的污染，同时用毛刷刷洗需检验的部位；
2）使用清洁干燥的压缩空气吹干零件；
3）配制金相酸蚀溶液，酸蚀溶液的体积比为：10% 的硝酸、1.5%氢氟酸、其余为蒸馏水；将零件在室温浸入酸蚀溶液中，并使用磁力搅拌装置搅拌酸蚀溶液，酸蚀时间在1.5分钟之间；
4）用水清洗被酸蚀的表面去除残余的酸蚀溶液；
5）使用清洁干燥的压缩空气吹干零件；
6）使用放大倍率为40倍的双筒放大镜观测零件的酸蚀表面，检测是否存在磨削烧伤；
（8）最终判定：
叶片表面粗糙度达到Ra0.24mm ；
表面残余应力达到：|σ|≥325 MPa：Δσ≤30 MPa，τ≤3.26 MPa;
磨削加工后表面无烧伤、无表面硬化，产品合格。
Claims (1)
1.一种钛合金叶轮表面完整性检测方法，其特征是，所述的方法包括以下步骤：
（1）准备好被检测的钛合金叶轮零件；
（2）目视检测叶轮的外观：目视零件的外观表面是否有明显的划痕及表面不连续性缺陷；
（3）检测叶轮表面粗糙度：
1）将零件固定安装在粗糙度测量机上；
2）设定粗糙度检测评定长度为2～5mm；
3）测量零件轮毂表面粗糙度Ra值：在轮毂同一位置按圆周方向均布，选取任意3～5点作为测量面，在每一点上沿径向和周向两个方向分别测量取值；
4）测量零件外直径表面、叶轮背面、叶轮叶尖表面的粗糙度Ra值：每一个部位至少任取3个点，在每一点上沿径向和周向两个方向分别测量取值；
5）打印粗糙度测量曲线；
（4）测量叶轮表面残余应力分布情况：
1）残余应力分析采用X射线衍射方法进行，使用的设备包含下列测量参数：
有关联不确定性的主要应力值符合两标准偏差：σ±Δσ；
切应力值：τ；
强度比：RI；
衍射波峰的整体宽度：LI；
2）将被测零件放置在仪器测量台上，选取测量衍射和探测条件：
靶板：铜；
滤板：镍；
波长：1.5401um；
衍射角度：141°；
物质常量：S1=-2.639×10MPa–1和S2 =11.898×10–6 MPa–1；
在-39°和+39°之间的至少可以使用9β角；
3）定义衍射分离角度的位置，并保证：
衍射波峰整体宽度LI：0.8×平均宽度≤L1≤1.2×平均宽度；
每个衍射波峰净高≥300个脉冲；
4）按照设计图样要求选取测量点，对每个测量点的残余应力必须在轴向和径向两个方向测定；
5）给出每个测量点的实际测量值；
（5）检测叶轮表面微观缺陷：
1）对叶轮外表面进行常规荧光检测；
2）对叶轮内腔表面进行常规涡流检测；
（6）检测叶轮表面加工硬化缺陷
1）按照设计图样要求选取需要检测部位；
2）制备试样：对每处检测部位切取轴向和径向2个试样并制备金相试样，制备金相试样时，试样检验面垂直于切割表面；
3）抛光：将试样镶嵌在试片固定剂中，检测表面向上，然后用500～1000粒度的金相砂纸抛光试片至呈镜面状；
4）化学腐蚀：采用体积比为2%～3%的硝酸、3%～5%的氢氟酸、其余为蒸馏水的液体对试件进行浸泡，时间为20～80秒；
5）观测：在200倍的放大率的光学显微镜下进行表面结构观测，对比加工表面及心部组织是否存在差异，观察晶粒取向和结构判定是否存在加工硬化层；
（7）检测叶轮表面是否有烧伤缺陷
1）对零件表面进行除油：使用丙酮清洗，去除尤其是机械加工过程中造成的污染，同时用毛刷刷洗需检验的部位；
2）使用清洁干燥的压缩空气吹干零件；
3）配制金相酸蚀溶液，酸蚀溶液的体积比为：10%～13% 的硝酸、0.5%～1.5%氢氟酸、其余为蒸馏水；将零件在室温浸入酸蚀溶液中，并使用磁力搅拌装置搅拌酸蚀溶液，酸蚀时间在1.5～2.5分钟之间；
4）用水清洗被酸蚀的表面去除残余的酸蚀溶液；
5）使用清洁干燥的压缩空气吹干零件；
6）使用放大倍率6到40倍的双筒放大镜观测零件的酸蚀表面，检测是否存在磨削烧伤；
（8）最终判定。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130327 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |