CN104582900A - 激光喷丸元件的后处理 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种后处理激光喷丸元件以去除激光再熔层的方法。所述后处理包括：包括喷砂清理、化学腐蚀以及机械抛光所述元件的一系列步骤。这将确保激光喷丸的机械性能(即，损伤容限)益处恢复到所述元件的表面。

Description

激光喷丸元件的后处理

关于联邦赞助的研究或者开发的声明

本发明利用政府支持根据由美国空军授予的合同号F33657-99-D-2051进行。政府对本发明具有一定的权利。

发明背景

本申请涉及激光喷丸物件的后处理。

激光喷丸是引起深压缩残余应力的一种表面处理方法。压缩增加了金属材料的损伤容限。激光喷丸物件的一种方法是通过利用牺牲烧蚀层覆盖它来准备材料。典型地，该烧蚀层是应用介质，例如，条带或者涂料，以避免激光喷丸过程中元件的基底金属损伤。

介质(典型地水)覆盖烧蚀层并且用以限制将在激光冲击之后所生成的等离子体。激光脉冲指向材料。当激光撞击材料时，膨胀等离子体的爆炸在烧蚀层和水层之间形成。该等离子体的爆炸形成冲击波，其压缩和加工材料的外层。

激光喷丸材料的另一种方法是将基底材料本身的表面用作烧蚀介质。基底材料的一部分用来形成产生冲击波的等离子体，所述冲击波随后损坏基底材料表面。这种损伤的实施例是微裂化、以及有害的拉伸残余应力。该损伤的材料已知为再熔层。

已经提出了用于去除再熔层和抛光元件表面的后处理。

发明概述

在有特征的实施方案中，一种抛光和去除由激光喷丸工艺所生成的元件的激光再熔层的方法包括以下步骤：a)喷砂清理再熔层处的表面；b)化学腐蚀表面；以及c)机械抛光表面。

在根据以上实施方案的另一个实施方案中，化学腐蚀表面在喷砂清理再熔层处的表面之后执行。

在根据以上实施方案中任一个的另一个实施方案中，机械抛光表面在化学腐蚀表面之后执行。

在根据以上实施方案中任一个的另一个实施方案中，每侧经过步骤a)-c)去除的激光再熔层的深度小于1mil(0.0254mm)。

在根据以上实施方案中任一个的另一个实施方案中，激光再熔层在涡轮发动机元件的一部分上。

在根据以上实施方案中任一个的另一个实施方案中，元件包括翼型件。

在根据以上实施方案中任一个的另一个实施方案中，元件是叶片。

在根据以上实施方案中任一个的另一个实施方案中，元件是叶轮。

在根据以上实施方案中任一个的另一个实施方案中，元件是轴。

在根据以上实施方案中任一个的另一个实施方案中，元件是盘状物。

在另一个有特征的实施方案中，一种制造具有翼型件的燃气涡轮元件的方法包括以下步骤：a)激光冲击喷丸元件的基底金属表面；b)然后喷砂清理表面；c)然后在喷砂清理之后化学腐蚀表面；以及然后在化学腐蚀之后机械抛光表面。

在根据以上实施方案的另一个实施方案中，每侧被去除的激光再熔层的深度小于1mil(0.0254mm)。

在根据以上实施方案中任一个的另一个实施方案中，元件是叶轮。

在根据以上实施方案中任一个的另一个实施方案中，元件是叶片。

根据以下说明书和附图，本申请的这些和其它特征将被充分理解，以下是附图的简要说明。

附图简述

图1图示了示例燃气涡轮发动机；

图2A图示了图1中所示出的发动机的涡轮翼型件的实施方案的透视图；

图2B图示了被激光喷丸的涡轮翼型件；

图2C图示了被喷砂清理的涡轮翼型件；

图2D图示了被化学腐蚀的涡轮翼型件；

图2E图示了被机械抛光的涡轮翼型件；

图3是用于抛光过程的流程图；

图4图示了在图2C中所图示的步骤之前的涡轮翼型件的前视图；以及

图5示意性地图示了在图4中所示出的涡轮翼型件在步骤2E之后的视图。

发明详述

图1示意性地图示了燃气涡轮发动机20。燃气涡轮发动机20在本文被公开为双轴筒涡扇发动机，其通常并入了风扇区段22、压缩机区段24、燃烧器区段26和涡轮区段28。可选的发动机可以包括在其它系统或者特征件中的增强器区段(未示出)。风扇区段22沿着旁通流路B驱动空气，同时压缩机区段24沿着核心流路C驱动空气，以便压缩和传递到燃烧器区段26内，然后膨胀通过涡轮区段28。虽然在所公开的非限制性实施方案中被叙述为涡扇燃气涡轮发动机，但是应当理解的是，本文所描述的概念不限于与涡扇一起使用，因为该教导可以被应用到包括三轴筒架构的其它类型涡轮机。

发动机20通常包括低速轴筒30和高速轴筒32，其安装成经由若干轴承系统38相对于发动机的静态结构36绕发动机中心纵向轴线A旋转。应当理解的是，可以可选地或者额外地提供在不同位置处的各种轴承系统38。

核心气流由低压压缩机44、然后高压压缩机52来压缩，与燃烧器56中的燃料一起混合并燃烧，然后在高压涡轮54和低压涡轮46上膨胀。中间涡轮框架57包括处于核心气流路径中的翼型件59。涡轮46，54响应于膨胀而旋转地驱动各自的低速轴筒30和高速轴筒32。

图2A示意性地示出了在燃气涡轮发动机20中使用的发动机叶片翼型件21的基底金属表面25。翼型件21可以是涡轮或者压缩机叶片或者叶轮。正在使用激光喷丸系统100对表面25进行激光喷丸。对基底金属表面25的激光喷丸不与烧蚀介质排成顺序。

图2B示出了已经被激光喷丸的发动机叶片翼型件21。激光再熔层23形成，这是由于利用与激光直接接触的基底金属表面25的一部分而形成等离子体。应理解的是，再熔层23可以遍布比所图示更大的表面。

图4示意性地图示了在激光喷丸之后的发动机叶片翼型件21的激光再熔层23的放大图。激光再熔层23具有损伤区域47。该损伤区域47可以是易碎的和/或微裂化的。

正如以下将描述的，激光再熔层23将在损伤区域47处经历去除和抛光方法，以改进基底金属表面25的状况。正如所图示的，损伤区域47超出如d₁所示出的小厚度。实际上，d₁可以小于1mil(0.0254mm)。

参考图2C，示意性示出的喷砂清理工具102用来喷砂清理再熔层23。这是用来去除激光再熔层23和准备用于化学腐蚀的表面25的第一步。通过使用已知的工艺控制，喷砂清理工具102可以瞄准待去除的发动机叶片翼型件21上的损坏区域47的特定深度。

翼型件21接下来经过化学去除工艺104，正如图2D中示意性示出的。化学去除处理104腐蚀基底金属表面25以及去除一部分或者全部损伤区域47，这取决于所利用的处理参数。

翼型件21的基底金属表面25然后通过使用机械去除操作106来抛光，正如图2E中示意性示出的。机械去除工艺可以与在介质抛光技术中的工艺相似。介质抛光技术对于本领域普通技术人员是已知的。抛光处理参数和控制确保完全去除再熔层23，同时还去除已经由化学腐蚀工艺得到的任何表面破坏。

在一个实例中，基底金属表面25的每侧经过步骤2C-2E去除的损伤区域47的特定深度总计小于1mil(0.0254mm)。

以上所述的基底金属表面25的后处理去除损伤区域47。图5示意性地示出了在处理之后与图4中所示出的区域相似的区域。

虽然本公开内容特别地涉及翼型件，但是例如叶轮、盘状物、轴等其它元件可以从本发明受益。

虽然本发明的实施方案已经被公开，但是本领域普通技术人员将认识到，某些修改可以在本发明的范围内形成。为此，以下权利要求应当被研究以确定本发明的真实范围和内容。此外，本发明不限于应用到燃气涡轮翼型件，不过该物件用于图示的目的。

Claims (14)

1.一种抛光和去除由激光喷丸工艺所生成的元件的激光再熔层的方法，其包括：

a)喷砂清理再熔层处的表面；

b)化学腐蚀所述表面；以及

c)机械抛光所述表面。

2.如权利要求1所述的方法，其中步骤b)在步骤a)之后执行。

3.如权利要求2所述的方法，其中步骤c)在步骤b)之后执行。

4.如权利要求1所述的方法，其中每侧经过步骤a)-c)去除的所述激光再熔层的所述深度小于1mil(0.0254mm)。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述激光再熔层在涡轮发动机元件的一部分上。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述元件包括翼型件。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述元件是叶片。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述元件是叶轮。

9.如权利要求5所述的方法，其中所述元件是轴。

10.如权利要求5所述的方法，其中所述元件是盘状物。

11.一种制造具有翼型件的燃气涡轮元件的方法，其包括：

a)激光冲击喷丸所述元件的基底金属表面；

b)然后喷砂清理所述表面；

c)然后在所述喷砂清理之后化学腐蚀所述表面；以及

d)然后在所述化学腐蚀之后机械抛光所述表面。

12.如权利要求11所述的方法，其中每侧被去除的所述激光再熔层的所述深度小于1mil(0.0254mm)。

13.如权利要求11所述的方法，其中所述元件是叶轮。

14.如权利要求11所述的方法，其中所述元件是叶片。