CN115058674A

CN115058674A - 轴流叶片盘的表面强化方法、轴流叶片盘及涡轮发动机

Info

Publication number: CN115058674A
Application number: CN202210799373.4A
Authority: CN
Inventors: 李维; 查小晖; 冯凯凯; 姚宏健; 吴廷栋; 张鑫; 徐杰; 崔健
Original assignee: Hunan Aviation Powerplant Research Institute AECC
Current assignee: Hunan Aviation Powerplant Research Institute AECC
Priority date: 2022-07-06
Filing date: 2022-07-06
Publication date: 2022-09-16
Anticipated expiration: 2042-07-06
Also published as: CN115058674B

Abstract

本发明公开了一种轴流叶片盘的表面强化方法，包括以下步骤：基于叶片盘本体不同区域失效模式的差异和/或刚性差异对所述叶片盘进行分区；对每一分区的表面使用不同功率密度的激光强化；对每一分区的表面使用不同强度的机械喷丸进行表面强化。本发明的表面强化方法经二种表面强化工艺复合强化显著提高叶片盘的疲劳性能，并基于复合强化通过激光强化对结构应力集中部位精准强化，通过控制激光强化功率密度、位置，控制机械喷丸强化强度、位置对叶片盘进行梯度式精准分区强化，有效控制叶片变形，提高叶片盘表面质量并大幅提高叶片高周疲劳寿命。

Description

轴流叶片盘的表面强化方法、轴流叶片盘及涡轮发动机

技术领域

本发明涉及叶片盘表面强化技术领域，特别地，涉及一种轴流叶片盘的表面强化方法。此外，本发明还涉及一种包括上述轴流叶片盘的表面强化方法的轴流叶片盘及涡轮发动机。

背景技术

航空发动机压气机整体叶片盘转速高、应力大，进出口气流马赫数高、盘片耦合振动带来的固有频率的高密集性，以及复杂流场带来的气流激励的多频性导致叶片振动复杂，而多工况的使用特点使得叶片避开各阶共振频率，尤其是高阶频率近乎无法实现。近年来由于压气机叶片高周疲劳断裂而导致的故障在在役、新研的发动机上较高频率出现，严重影响相关型号的研制及发动机的使用，因此，急需推进抗高周疲劳技术研究。

现有技术中的处理方式主要有三种：

一是对叶片和盘体进行加厚处理，提高叶片薄弱区域的结构强度，从而提高高周疲劳性能，延长叶片服役寿命；但叶片加厚会影响压气机的气动性能，难以满足总体的要求，叶片和盘体加厚会导致整体轴流叶片盘重量增加，并对叶片盘的强度和变形有着不利影响；

二是对叶片和盘体进行机械喷丸，通过该方法在叶片和盘体表面产生弹塑性形变层，并形成高幅值的残余压应力层，从而实现改善叶片和盘体表面质量的目标，达到提高叶片和盘体的高周疲劳性能的目的；单一机械喷丸强化难以满足叶片不同区域的强化需求，对叶片高周疲劳性能的提升幅度有限；机械喷丸强化无法对结构应力集中部位的表面进行精准强化，变形控制难度大；

三是无差别激光冲击强化机械喷丸复合强化，全面抑制疲劳裂纹的萌生与扩展，显着提高高周疲劳寿命；对叶片全表面进行激光冲击强化，对于具有复杂曲面和超薄结构的小尺寸整体叶盘，抗疲劳效果提升有限且难以有效控制强化产生的变形，导致无法应用复合强化方式。

发明内容

本发明提供了一种轴流叶片盘的表面强化方法、轴流叶片盘及涡轮发动机，以解决现有强化方法无法满足整体叶片盘抗疲劳效果的提升以及变形控制难度大的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：一种轴流叶片盘的表面强化方法，包括以下步骤：

S1.基于叶片盘本体不同区域失效模式的差异和/或刚性差异对所述叶片盘进行分区；

S2.对每一分区的表面使用不同功率密度的激光强化；

S3.对每一分区的表面使用不同强度的机械喷丸进行表面强化。

作为一种优选方式，

根据本发明的另一方面，还提供了一种轴流叶片盘，应用有以上任一所述轴流叶片盘的表面强化方法

根据本发明的另一方面，还提供了一种涡轮发动机，其包括上述轴流叶片盘。

本发明具有以下有益效果：本表面强化方法基于叶片盘不同部位的结构强度、刚性、表面应力集中系数的差异性，分别选择不同功率密度的激光强化和不同强度的机械喷丸强化以及二者结合的复合强化，对具有较大刚性的分区(如盘体区域)采用大强度机械喷丸表面强化工艺，进而改善表面质量提高低周疲劳寿命；对结构应力集中区域(如叶片区域的根部圆角位置)进行大能量激光强化进而产生深层的残余压应力场，进而抑制早期疲劳裂纹的扩展；再在叶片区域的根部圆角位置，通过小强度机械喷丸产生高幅值的残余压应力，进而抑制初始疲劳裂纹的萌生；对叶片前缘和尾缘进行小能量激光强化，进而满足型面控制、表面硬度高和缺口疲劳抑制阻力等多重需求并有效控制变形，小强度机械喷丸强化叶身主体进而满足叶片气动性能和疲劳性能提升需求；经二种表面强化工艺复合强化显著提高叶片盘的疲劳性能，并基于复合强化通过激光强化对结构应力集中部位精准强化，通过控制激光强化功率密度、位置，控制机械喷丸强化强度、位置对叶片盘进行梯度式精准分区强化，有效控制叶片变形，提高叶片盘表面质量并大幅提高叶片高周疲劳寿命。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的轴流叶盘结构示意图；

图2是图1的A向剖视图；

图3是本发明优选实施例的流程示意图。

1、盘体 2、根部圆角 31、前缘 32、尾缘 4、叶身主体 5、叶片基体

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参照图1至图3，本发明的优选实施例提供了一种轴流叶片盘的表面强化方法，包括以下步骤：

S1.对叶片盘进行分区；

其中，轴流叶片盘包括盘体1和叶片基体5，二者使用钛合金材料制成，包括TC4钛合金和TC11钛合金等；叶片基体5具有叶身、叶片前缘31和叶片尾缘32；轴流叶片盘为锻件毛坯整体加工，其盘体1和叶片基体5为一整体；

具体的，根据叶片盘不同区域的结构、强度、刚性和表面应力集中系数的差异性等导致的失效模式的差异，将其分区分为叶根区域、叶身区域及盘体1区域，进而还将叶身区域划分为叶片前缘31区域、叶片尾缘32区域以及叶身主体4区域；

S2.对每一分区的表面使用不同功率密度的激光强化；

应当理解的是，前述的不同功率密度包括0功率，即对某些分区例如叶身主体4区域不进行激光强化；

基于此，在进行激光强化前，步骤S2还包括：

S21.对当前强化区域以外的区域设置保护层；在本实施例中，通过在叶身表面喷涂涂层或设置胶带的方式对叶身进行保护，防止在后续对盘体1机械喷丸时叶身表面被弹丸溅射，防止在对根部圆角2激光强化时叶身表面被激光烧蚀损伤；

其中，涂层或胶带的颜色优选为黑色，提高防止激光烧蚀效果，由于根部圆角2的表面曲率较大，为了确保粘贴牢固性，控制胶带的粘性(胶带对钢板粘性0.40～0.60oz./mm，对带基粘性0.60～0.80oz./mm)，防止在水浸润、激光冲击波撕扯等多重因素作用下，胶带发生剥离，同时单条胶带宽度不少于20Mm，待强化区外延5mm范围内应被胶带覆盖，有利于防止胶带剥离；为了提高激光强化均匀性，严格控制喷涂涂层或胶带的厚度均匀性(厚度可选范围为100～300μm，十点厚度的标准差不超过±25μm)；进一步的，在待强化区外延的5mm范围内也设置喷涂涂层或使用胶带覆盖，防止激光烧蚀；

进一步的，步骤S2还包括以下步骤：

S22.对叶片盘的叶根区域的根部圆角2位置进行第一功率密度的定点激光强化；

其中，根部圆角2属于结构应力显著集中区域，主要面临一阶振动疲劳失效风险，基于此对根部圆角2进行大能量的定点激光强化，激光功率密度为5～8GW/cm2；

S23.对叶片盘的叶身区域的叶片前缘31、叶片尾缘32进行第二功率密度的定点激光强化；

其中，叶片前缘31和叶片尾缘32主要面临外物损伤疲劳失效风险，由于弦长方向3～10mm范围的前缘31和尾缘32的横截面厚度不超过1mm，若进行大能量激光强化，则会导致变形难以控制，若不进行表面强化则其表面硬度和缺口疲劳抑制阻力效果有限，为了满足型面控制、表面硬度高和缺口疲劳抑制阻力提升等多重需求，对其采用小能量的激光强化，基于此，将其激光功率密度于于1～5GW/cm2范围设置；

S3.对每一分区的表面使用不同强度的机械喷丸进行表面强化；

具体的，步骤S3包括：

S31.对叶片盘的盘体1进行第一强度的机械喷丸；

其中，叶片盘的盘体1结构的刚度大，基于此采用较大强度的机械喷丸进行表面强化，喷丸弹丸为陶瓷弹丸，第一强度设定范围为0.1～0.3mmA，对叶片盘的盘体1进行机械喷丸的表面覆盖率为125～250％，该参数范围内可于钛合金材质的盘体1表面产生0.10～0.25mm深度的残余压应力层，显著改善表面质量，有利于提高其低周疲劳寿命；另外，该工艺参数具有良好的工艺实施效果，可满足盘体1的中心孔、内表面、半开放表面等结构干涉部位的工艺实施，确保良好的强化效果均匀性；

S32.对叶片盘的叶身及根部圆角2位置进行第二强度的机械喷丸；

应当理解的是，在进行叶身强化前，拆除设置于叶身主体4区域的保护层；

其中，第二强度设定范围为0.03～0.1mmA，对叶片盘的叶身主体4区域及根部圆角2位置进行机械喷丸的表面覆盖率为125～500％，喷丸弹丸为陶瓷弹丸；

具体的，沿叶片高度的1～5mm的叶根圆角位置相对具有较大刚度，基于此，对其先采用激光强化后进行机械喷丸，利于全面改善表面质量，通过激光强化产生深层的残余压应力场，抑制疲劳裂纹的萌生与扩展，后通过机械喷丸产生高幅值的表面残余压应力，抑制疲劳裂纹的萌生，从而显著提高叶片的一阶振动疲劳寿命；

具体的，叶身主体4区域需满足叶片气动性能与疲劳性能提升的双重需求，因此，本实施例中使用小强度机械喷丸结合钳式双枪双面对喷喷丸，双枪流量差异性不超过0.05kg/mi n，喷射压力差值不超过0.01MPa，双枪与叶身表面的枪口距离的差值不超过10mm，同时对叶身两面同时进行喷丸强化，强化后叶身变形不超过0.05mm；通过精准控制弹丸流量、喷射压力和枪口距离，改善叶身叶盆面和叶背面产生一致的喷丸强化效果；另一方面，由于叶身厚度范围于1mm-5mm范围变化，厚度变化范围较大，因此，应当采用较宽的喷丸强度范围和表面覆盖率范围，有利于满足不同截面厚度的喷丸强化需求。

本表面强化方法基于叶片盘不同部位的结构强度、刚性、表面应力集中系数的差异性，分别选择不同功率密度的激光强化和不同强度的机械喷丸强化以及二者结合的复合强化，对具有较大刚性的分区(如盘体区域)采用大强度机械喷丸表面强化工艺，进而改善表面质量提高低周疲劳寿命；对结构应力集中区域(如叶片区域的根部圆角位置)进行大能量激光强化进而产生深层的残余压应力场，进而抑制早期疲劳裂纹的扩展；再在叶片区域的根部圆角位置，通过小强度机械喷丸产生高幅值的残余压应力，进而抑制初始疲劳裂纹的萌生；对叶片前缘31和尾缘32进行小能量激光强化，进而满足型面控制、表面硬度高和缺口疲劳抑制阻力等多重需求并有效控制变形，小强度机械喷丸强化叶身主体进而满足叶片气动性能和疲劳性能提升需求；经二种表面强化工艺复合强化显著提高叶片盘的疲劳性能，并基于复合强化通过激光强化对结构应力集中部位精准强化，通过控制激光强化功率密度、位置，控制机械喷丸强化强度、位置对叶片盘进行梯度式精准分区强化，有效控制叶片变形，提高叶片盘表面质量并大幅提高叶片高周疲劳寿命。

如表1所示，依照本优选实施例的表面强化方法，可使钛合金叶片振动疲劳极限提升约15％；如表2所示，依照本优选实施例的强化方法可有效控制叶片变形，且叶身变形不超过0.06mm，不影响压气机的气动性能；轴流叶片盘表面强化后盘体1和叶片基体5的表面粗糙度为Ra0.4～1.6um；基于此，依照本表面强化方法，能够解决小尺寸(直径不超过300mm)整体叶盘减重需求大、尺寸精度要求高、不同部位结构应力集中差异显著的问题。

表1单体叶片振动疲劳极限增益效果

表2叶片前尾缘(32)变形

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种轴流叶片盘的表面强化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S2.对每一分区的表面使用不同功率密度的激光强化；

2.根据权利要求1所述的一种轴流叶片盘的表面强化方法，其特征在于，对每一分区的表面使用不同功率密度的激光强化时，步骤S1还包括：

基于叶片盘本体不同区域失效模式的差异和/或刚性差异于所述叶片盘上划分叶根区域、盘体(1)区域以及叶身区域。

3.根据权利要求2所述的一种轴流叶片盘的表面强化方法，其特征在于，对每一分区的表面使用不同功率密度的激光强化时，步骤S2还包括：

对所述叶片盘的叶根区域的根部圆角(2)位置进行第一功率密度的定点激光强化；

对所述叶片盘的叶身区域的叶片前缘(31)、叶片尾缘(32)进行第二功率密度的定点激光强化。

4.根据权利要求3所述的一种轴流叶片盘的表面强化方法，其特征在于，对所述叶片盘的根部圆角(2)进行第一功率密度的定点激光强化；对所述叶片盘的叶片前缘(31)、叶片尾缘(32)进行第二功率密度的定点激光强化时，步骤S2还包括：

所述第一功率密度的范围为5-8GW/cm2，所述根部圆角(2)范围为沿叶片高度的1-5mm；

所述第二功率密度的范围为1-5GW/cm2，所述叶片前缘(31)的长度和所述叶片尾缘(32)的长度为沿所述叶片盘的叶片基体(5)的弦长方向的3～10mm。

5.根据权利要求2所述的一种轴流叶片盘的表面强化方法，其特征在于，对每一分区使用不同强度的机械喷丸进行表面强化时，步骤S3还包括：

对所述叶片盘的盘体(1)区域进行第一强度的机械喷丸；

对所述叶片盘的叶身区域及叶根区域的根部圆角(2)位置进行第二强度的机械喷丸。

6.根据权利要求5所述的一种轴流叶片盘的表面强化方法，其特征在于，对每一分区使用不同强度的机械喷丸进行表面强化时，步骤S3还包括：

第一强度设定范围为0.1～0.3mmA，对所述叶片盘的盘体(1)进行机械喷丸的表面覆盖率为125～250％；

第二强度设定范围为0.03～0.1mmA，对所述叶片盘的叶身区域及叶根区域的根部圆角(2)位置进行机械喷丸的表面覆盖率为125～500％。

7.根据权利要求5所述的一种轴流叶片盘的表面强化方法，其特征在于，对所述叶片盘的叶身区域及叶根区域的根部圆角(2)位置进行第二强度的机械喷丸时，步骤S3还包括：

通过钳式双枪双面对喷喷丸对所述叶身区域的叶盆面和叶背面进行机械喷丸表面强化。

8.根据权利要求1-8任一项所述的一种轴流叶片盘的表面强化方法，其特征在于，对每一分区的表面使用不同功率密度的激光强化时，步骤S2还包括：

对当前强化区域以外的区域设置保护层。

9.一种轴流叶片盘，其特征在于，通过权利要求1-8任一项所述的表面强化方法进行表面强化。

10.一种涡轮发动机，其特征在于，应用有权利要求9所述的轴流叶片盘。