CN105658374A - 耐疲劳的涡轮贯穿螺栓 - Google Patents

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Abstract

公开了一种耐疲劳的涡轮贯穿螺栓(10)，其由被第一表面修饰(14)和第二表面修饰(16)覆盖的基底材料(12)形成。第一表面修饰(14)与基底材料(12)相接触并且是增大涡轮贯穿螺栓(10)的外表面(18)上的残余压缩应力的低塑性抛光层。第二表面修饰(16)覆盖第一表面修饰(14)并且是低塑性抛光层上的尖晶石氧化层。第一表面修饰(14)和第二表面修饰(16)减小微动疲劳失效的可能性。

Description

耐疲劳的涡轮贯穿螺栓
技术领域
本发明涉及涡轮贯穿螺栓上的用于减少微动疲劳裂纹萌生和传播的一个或多个表面修饰，并且更具体地涉及具有用于减少微动疲劳裂纹萌生和传播的低塑性抛光层或尖晶石氧化层或者两者的涡轮贯穿螺栓。
背景技术
由INCO718材料制成的涡轮贯穿螺栓已经遭受在工业燃气涡轮引擎中的贯穿螺栓密封盘接触位置处的微动高周疲劳失效，如图1所示。裂纹已经由微动高周疲劳所萌生，并且裂纹传播已经被确定为由高周疲劳引起。
发明内容
本申请涉及螺栓，例如但不限于耐疲劳的涡轮贯穿螺栓，其由被第一表面修饰或第二表面修饰或两者覆盖的基底材料形成。第一表面修饰可以与基底材料相接触，并且在至少一个实施例中，可以是是增大涡轮贯穿螺栓的外表面上的残余压缩应力的低塑性抛光层。第二表面修饰可以覆盖第一表面修饰，并且在至少一个实施例中，可以是低塑性抛光层上的尖晶石氧化层。第一表面修饰可以被定位在一个或多个涡轮贯穿螺栓接触表面上，所述一个或多个涡轮贯穿螺栓接触表面被定位在涡轮贯穿螺栓的轴上。第二表面修饰可以被定位在涡轮贯穿螺栓接触表面上的第一表面修饰上，所述涡轮贯穿螺栓接触表面被定位在涡轮贯穿螺栓的轴上。第一表面修饰和第二表面修饰可以减小微动疲劳失效的可能性。
涡轮贯穿螺栓可以由被第一表面修饰和第二表面修饰覆盖的基底材料形成。第一表面修饰可以与基底材料相接触并且可以是是增大涡轮贯穿螺栓的外表面上的残余压缩应力的低塑性抛光层。第二表面修饰可以覆盖第一表面修饰并且可以是低塑性抛光层上的尖晶石氧化层。基底材料可以是至少由Ni、Fe、Mo和Cr的组合形成的INCO718。在至少一个实施例中，基底材料可以至少由以下的组合形成：在50％与55％之间的镍，在17％与21％之间的铬，高达1％的钴，在0.65％与1.15％之间的钛，在4.75％与5.5％之间的钶加钽，在0.2％与0.8％之间的铝，在2.8％与3.3％之间的钼，以及剩余部分的铁。在至少一个实施例中，基底材料可以包括在12.25％与23.6％之间的铁。第一表面修饰可以被定位在至少一个涡轮贯穿螺栓接触表面上，所述至少一个涡轮贯穿螺栓接触表面被定位在涡轮贯穿螺栓的轴上。第一表面修饰可以具有至少0.040英寸的厚度。第二表面修饰可以被定位在至少一个涡轮贯穿螺栓接触表面上的第一表面修饰上，所述至少一个涡轮贯穿螺栓接触表面被定位在涡轮贯穿螺栓的轴上。第二表面修饰可以由INCO718材料的尖晶石氧化物形成。在至少一个实施例中，尖晶石氧化物可以由以下形成：(Ni,Fe)氧化物；(Ni,Cr,Ti)氧化物；(Cr)氧化物或由基底材料的成分组成的其他尖晶石氧化物。
涡轮贯穿螺栓可以使用形成具有用于减小接触摩擦应力的低摩擦系数表面修饰的涡轮贯穿螺栓的方法来形成。该方法可以包括接收由至少一种基底材料形成的涡轮贯穿螺栓。可以在最终的铣削或研磨或两者之后接收涡轮贯穿螺栓。该方法可以包括使被定位在涡轮贯穿螺栓的轴上的涡轮贯穿螺栓接触表面经受LPB以诱发残余压缩应力，由此形成涡轮贯穿螺栓接触表面上的第一表面修饰。使涡轮贯穿螺栓接触表面经受LPB可以包括使涡轮贯穿螺栓接触表面经受LPB以诱发最小值为100ksi的残余压缩应力。该方法还可以包括使涡轮贯穿螺栓暴露于在具有低于593摄氏度的温度的氧化环境中的低温度应力释放过程两个小时与48个小时之间的时间段，以在第一表面修饰上形成第二表面修饰。接收由基底材料形成的涡轮贯穿螺栓的步骤可以包括接收由INCO718形成的基底材料形成的涡轮贯穿螺栓，其可以至少由Ni、Fe、Mo和Cr的组合形成。在至少一个实施例中，接收由基底材料形成的涡轮贯穿螺栓的步骤可以包括接收由基底材料INCO718形成的涡轮贯穿螺栓，其中基底材料可以至少由以下的组合形成：在50％与55％之间的镍，在17％与21％之间的铬，高达1％的钴，在0.65％与1.15％之间的钛，在4.75％与5.5％之间的钶加钽，在0.2％与0.8％之间的铝，在2.8％与3.3％之间的钼，以及剩余部分的铁。在至少一个实施例中，基底材料可以包括在12.25％与23.6％之间的铁。在第一表面修饰或第二表面修饰或两者已经被施加到涡轮贯穿螺栓之后，涡轮贯穿螺栓不应当被机械加工或被热处置。
具有由低塑性抛光层形成的第一表面修饰的涡轮贯穿螺栓的优点在于低塑性抛光层增大涡轮贯穿螺栓表面上的残余压缩应力，由此减小裂纹萌生的可能性并且有效地消除通过机械加工产生的涡轮贯穿螺栓上的任何当前残余拉伸表面应力。
具有由尖晶石氧化表面修饰形成的第二表面修饰的涡轮贯穿螺栓的另一优点在于尖晶石氧化表面修饰形成低摩擦系数表面修饰，低摩擦系数表面修饰防止涡轮贯穿螺栓接触表面与涡轮引擎的裸金属表面处于滑粘条件下，由此减小微动疲劳的可能性。
涡轮贯穿螺栓的又一优点在于尖晶石氧化表面修饰用作粘着软化剂并减小摩擦系数，由此减小接触表面上的摩擦应力。
下面更详细地描述这些和其他实施例。
附图说明
并入本说明书中并形成本说明书的一部分的附图图示当前公开的本发明的实施例，并且与说明书一起公开本发明的原理。
图1是具有断裂的涡轮贯穿螺栓的透视图，因为涡轮贯穿螺栓表面不包括残余压缩应力或尖晶石氧化层。
图2是示出针对INCO718的激光冲击处理(LSP)、低塑性抛光层(LPB)、重力锤击(GP)以及珠击处理(SP)中的每个的压缩的深度VS残余应力的比较的图形。
图3是针对INCO718的激光冲击处理(LSP)、低塑性抛光层(LPB)、重力锤击(GP)以及珠击处理(SP)中的每个的压缩的冷加工百分比VS深度的冷加工分配百分比的图形。
图4是针对INCO718的在室温VS500摄氏度以上的微动疲劳曲线的图形，其示出微动疲劳耐久极限已经由于在INCO718上形成的尖晶石氧化物而在500摄氏度以上几乎增大300％。
具体实施方式
如图1-图4所示，本发明涉及涡轮贯穿螺栓10，例如但不限于耐疲劳的涡轮贯穿螺栓10，其由被第一表面修饰14或第二表面修饰16或两者覆盖的基底材料12形成。第一表面修饰14可以与基底材料12相接触，并且在至少一个实施例中，可以是增大涡轮贯穿螺栓10的外表面18上的残余压缩应力的低塑性抛光层。第二表面修饰16可以覆盖第一表面修饰14，并且在至少一个实施例中，可以是低塑性抛光层上的尖晶石氧化层。第一表面修饰14可以被定位在一个或多个涡轮贯穿螺栓接触表面20上，一个或多个涡轮贯穿螺栓接触表面20被定位在涡轮贯穿螺栓10的轴24上。第二表面修饰16可以被定位在涡轮贯穿螺栓接触表面20上的第一表面修饰14上，涡轮贯穿螺栓接触表面20被定位在涡轮贯穿螺栓10的轴24上。第一表面修饰14和第二表面修饰16可以减小微动和接触疲劳失效的可能性。
涡轮贯穿螺栓10可以由涡轮贯穿螺栓头22形成，涡轮贯穿螺栓头22耦合到从其侧向延伸的轴24。涡轮贯穿螺栓头22可以比轴24大并且可以包括在被定位靠近轴24的螺栓头22的一侧上的一个或多个涡轮贯穿螺栓接触表面20。轴24、涡轮贯穿螺栓长度和其他方面可以具有任何恰当的大小。涡轮贯穿螺栓10可以由例如但不限于INCO718的基底材料12形成。在至少一个实施例中，基底材料可以至少由以下的组合形成：在50％与55％之间的镍，在17％与21％之间的铬，高达1％的钴，在0.65％与1.15％之间的钛，在4.75％与5.5％之间的钶加钽，在0.2％与0.8％之间的铝，在2.8％与3.3％之间的钼以及剩余部分的铁。在至少一个实施例中，基底材料可以包括在12.25％与23.6％之间的铁。在至少一个实施例中，INCO718可以由用于冷冻温度一直到在650摄氏度的长期服务的高强度镍基高温合金地形成。INCO718可以被组装并且可以在退火或沉淀(年龄)硬化条件下被焊接。INCO718可以被退火在925摄氏度与1010摄氏度之间，并且经由快速方法被空气冷却或冷却。INCO718可以之后在718摄氏度被老化八个小时加上在621摄氏度被老化大约八个小时，总计经由空气冷却的18个小时的老化时间。INCO718可以在沉淀硬化之后示出0.0008英寸/英寸的收缩。
涡轮贯穿螺栓10可以由被第一表面修饰14和第二表面修饰16覆盖的基底材料12形成。第一表面修饰14可以与基底材料12相接触并且可以是是增大涡轮贯穿螺栓10的外表面18上的残余压缩应力的低塑性抛光层。第一表面修饰14可以具有至少0.040英寸的厚度。第一表面修饰14可以被定位在涡轮贯穿螺栓接触表面20上，涡轮贯穿螺栓接触表面20被定位在涡轮贯穿螺栓10的轴24上。第一表面修饰14可以由低塑性抛光层形成，低塑性抛光层由诸如但不限于IN718的材料形成。低塑性抛光层已经被确定为针对INCO718如与以下中的每个相比较的优良表面修饰14：激光冲击处理(LSP)、重力锤击(GP)、以及珠击处理(SP)，如图2和3中所示。
在一个实施例中，第二表面修饰16可以被直接施加到基底材料12并且可以在没有第一表面修饰14的情况下来使用。在另一实施例中，第二表面修饰16可以被施加在已经被施加到基底材料12的第一表面修饰14上。具体地，第二表面修饰16可以被定位在涡轮贯穿螺栓接触表面20上的第一表面修饰14上，涡轮贯穿螺栓接触表面20被定位在涡轮贯穿螺栓的轴24上。在至少一个实施例中，第二表面修饰16可以是形成第一表面修饰14的低塑性抛光层上的尖晶石氧化层。第二表面修饰16可以由以下中的一个或多个形成：(Ni,Fe)氧化物；(Ni,Cr,Ti；Cr)氧化物，(Cr)氧化物或由基底材料的成分组成的其他尖晶石氧化物。如图4所示，在500摄氏度以上形成的尖晶石氧化物得到INCO718的针对微动疲劳的耐久极限的300％的改进。
涡轮贯穿螺栓10可以使用形成具有用于减小接触摩擦应力的低摩擦系数表面修饰的涡轮贯穿螺栓10的方法来形成。该方法可以包括接收由至少一种基底材料12形成的涡轮贯穿螺栓10。可以在最终的铣削或研磨或两者之后接收涡轮贯穿螺栓10。该方法可以包括使被定位在涡轮贯穿螺栓10的轴24上的涡轮贯穿螺栓接触表面20经受LPB以诱发残余压缩应力，由此形成涡轮贯穿螺栓接触表面20上的第一表面修饰14。使螺栓接触表面20经受LPB可以包括诱发最小值为100ksi的残余压缩应力。该方法还可以包括使涡轮贯穿螺栓10在具有低于593摄氏度的温度的氧化环境中暴露于低温度应力释放过程两个小时与48个小时之间的时间段，以在涡轮贯穿螺栓接触表面20上的第一表面修饰14上形成第二表面修饰16，涡轮贯穿螺栓接触表面20被定位在涡轮贯穿螺栓10的轴24上。接收由基底材料12形成的涡轮贯穿螺栓10的步骤可以包括接收由INCO718形成的基底材料12形成的涡轮贯穿螺栓10，INCO718可以至少由Ni、Fe、Mo和Cr的组合形成。在至少一个实施例中，接收由基底材料12形成的涡轮贯穿螺栓10的步骤包括接收由基底材料INCO718形成的涡轮贯穿螺栓10，其中基底材料12可以至少由50％的Ni、2.8％的Mo和17％的Cr的组合形成。在第一表面修饰14或第二表面修饰16或两者已经被施加到涡轮贯穿螺栓10之后，涡轮贯穿螺栓10不应当被机械加工或被热处置。
出于说明、解释和描述本发明的实施例的目的而提供前面的描述。对这些实施例的修改和调整对于本领域技术人员而言将是清楚的，并且可以在不脱离本发明的范围和精神的情况下进行。

Claims (7)

1.一种涡轮贯穿螺栓(10)，其特征在于：
基底材料(12)，所述基底材料(12)被第一表面修饰(14)和第二表面修饰(16)覆盖；
其中所述第一表面修饰(14)与所述基底材料(12)相接触，并且是增大所述涡轮贯穿螺栓(10)的外表面(18)上的残余压缩应力的低塑性抛光层；并且
其中所述第二表面修饰(16)覆盖所述第一表面修饰(14)，并且是所述低塑性抛光层上的尖晶石氧化层。
2.根据权利要求1所述的涡轮贯穿螺栓(10)，其特征在于，所述基底材料(12)是至少由Ni、Fe、Mo和Cr的组合形成的INCO718。
3.根据权利要求1所述的涡轮贯穿螺栓(10)，其特征在于，所述基底材料(12)至少由以下的组合形成：在50％与55％之间的镍、在17％与21％之间的铬、高达1％的钴、在0.65％与1.15％之间的钛、在4.75％与5.5％之间的钶加钽、在0.2％与0.8％之间的铝、在2.8％与3.3％之间的钼、以及剩余部分的铁。
3.根据权利要求1所述的涡轮贯穿螺栓(10)，其特征在于，所述第二表面修饰(16)由INCO718形成。
4.根据权利要求1所述的涡轮贯穿螺栓(10)，其特征在于，所述第一表面修饰(14)具有至少0.040英寸的厚度。
5.根据权利要求1所述的涡轮贯穿螺栓(10)，其特征在于，所述第一表面修饰(14)被定位在至少一个涡轮贯穿螺栓接触表面(20)上，所述至少一个涡轮贯穿螺栓接触表面(20)被定位在所述涡轮贯穿螺栓(10)的轴(24)上。
6.根据权利要求5所述的涡轮贯穿螺栓(10)，其特征在于，所述第二表面修饰(16)被定位在所述至少一个涡轮贯穿螺栓接触表面(20)上的所述第一表面修饰(14)上，所述至少一个涡轮贯穿螺栓接触表面(20)被定位在所述涡轮贯穿螺栓(10)的所述轴(24)上。
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