WO2007128278A1 - Verfahren zum oberflächenstrahlen eines bauteils - Google Patents

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Erwin Bayer
Jürgen STEINWANDEL
Philipp THÜMMLER
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Mtu Aero Engines Gmbh
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    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/10—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for compacting surfaces, e.g. shot-peening
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C5/00—Devices or accessories for generating abrasive blasts
    • B24C5/005—Vibratory devices, e.g. for generating abrasive blasts by ultrasonic vibrations

Definitions

  • the invention relates to a method for surface blasting, in particular for shot peening, of a component, in particular of a gas turbine component, according to the preamble of claim 1.
  • Gas turbine components such as components of aircraft engines
  • all optimization potential must be exploited.
  • This also includes an optimized utilization of the potentials of materials from which the components are made.
  • the surfaces of the components are of particular importance, since the surfaces or edge layers are exposed to maximum stress during operation.
  • the surfaces or edge layers usually form the starting point for the failure of a component.
  • the surface hardening of components is preferably carried out by shot peening.
  • shot peening balls are accelerated with compressed air, by means of a blast wheel or by means of a sonotrode oscillating in the ultrasonic frequency range and directed to a surface of a component to be solidified.
  • the balls which are accelerated, for example, with the aid of the sonotrode, strike the surface of the component to be solidified in the sense of a statistical distribution and thus bring about a solidification of the component on the surface to be solidified.
  • the energy provided by a sonotrode is thus transmitted indirectly or indirectly via the spheres to the surface to be solidified of the component to be irradiated during shot peening.
  • the operating voltage is used for process monitoring or process control according to existing practice and / or the operating current of the sonotrode measured, but hereby no direct monitoring of surface hardening is possible. In particular, no information about the mechanical and thermal states of the surface to be solidified can be obtained online therefrom.
  • the present invention is based on the problem to provide a novel method for surface blasting of a component.
  • the temperature and the speed of the jet body and, in addition, the temperature of the surface of the component to be radiated are measured, the surface radiation being controlled or regulated as a function thereof.
  • the present invention relates to a method for surface blasting, in particular for shot peening, of a component, in particular of a gas turbine component. Subsequently, it shall be assumed that the surface blasting is carried out as ultrasonic shot peening, in which case blasting bodies are conveyed with the aid of an ultrasound beam. Accelerated frequency-vibrating sonotrode and be directed to a surface to be solidified of a component to be radiated.
  • the speed of the same is measured adjacent to the surface of the component to be radiated, which is the impact speed or rebound speed of the jet body on or from the surface to be solidified of the component to be solidified.
  • the temperature of the surface to be radiated is also measured. From these measurements, it is then possible to draw conclusions about the conditions of the surface to be solidified, in particular their thermal and mechanical states, online. As a result, an online process monitoring or online process control of ultrasonic shot peening is possible.
  • the measurement of temperatures and velocities is preferably carried out using infrared technology. It should then be noted that boundary walls of a beam space, within which a component to be radiated is arranged, consist of at least partially infrared-transparent material so as to enable the infrared measurement.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Oberflächenstrahlen, insbesondere zum Kugelstrahlen, eines Bauteils, insbesondere eines Gasturbinenbauteils, wobei insbesondere als Kugeln ausgebildete Strahlkörper auf eine Oberfläche eines zu strahlenden Bauteils gerichtet werden, um dasselbe im Bereich seiner Oberfläche zu bearbeiten bzw. zu verfestigen. Erfindungsgemäß wird die Temperatur und/oder die Geschwindigkeit der Strahlkörper zur Etablierung einer Prozesskontrolle des Oberflächenstrahlens gemessen.

Description

Verfahren zum Oberflächenstrahlen eines Bauteils
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Oberflächenstrahlen, insbesondere zum Kugelstrahlen, eines Bauteils, insbesondere eines Gasturbinenbauteils, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Gasturbinenbauteile, wie zum Beispiel Bauteile von Flugtriebwerken, unterliegen im Betrieb hohen Belastungen, die zu einem Verschleiß und einem Versagen der Bauteile führen können. Da zum Beispiel Flugtriebwerke höchsten Anforderungen im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Gewicht, Leistung, Wirtschaftlichkeit und Lebensdauer genügen müssen, müssen alle Optimierungspotentiale ausgenutzt werden. Hierzu gehört auch eine optimierte Ausnutzung der Potentiale von Werkstoffen, aus welchen die Bauteile hergestellt sind. Dabei kommt insbesondere den Oberflächen der Bauteile eine besondere Bedeutung zu, da die Oberflächen bzw. Randschichten im Betrieb einer maximalen Beanspruchung ausgesetzt sind. So bilden die Oberflächen bzw. Randschichten meist den Ausgangsort beim Versagen eines Bauteils. Zur optimierten Ausnutzung der Werkstoffpotentiale und zur Erhöhung der Lebensdauer von Bauteilen ist es aus dem Stand der Technik bereits bekannt, die Bauteile an ihren Oberflächen bzw. Randschichten zu verfestigen. Durch eine Oberflächenverfestigung der Bauteile kann demnach die Lebensdauer der Bauteile verlängert werden.
Nach dem Stand der Technik wird die Oberflächenverfestigung von Bauteilen vorzugsweise durch Kugelstrahlen vorgenommen. Beim Kugelstrahlen werden Kugeln mit Pressluft, mittels eines Schleuderrads oder auch mit Hilfe einer im Ultraschallfrequenzbereich schwingenden Sonotrode beschleunigt und auf eine zu verfestigende Oberfläche eines Bauteils gerichtet. Die zum Beispiel mit Hilfe der Sonotrode beschleunigten Kugeln treffen im Sinne einer statistischen Verteilung auf die zu verfestigende Oberfläche des Bauteils und bewirken so eine Verfestigung des Bauteils an der zu verfestigenden Oberfläche. Die von einer Sonotrode bereitgestellte Energie wird demnach beim Kugelstrahlen indirekt bzw. mittelbar über die Kugeln auf die zu verfestigende Oberfläche des zu strahlenden Bauteils übertragen. Beim Ultraschall-Kugelstrahlen mit Hilfe einer Sonotrode wird zur Prozessüberwachung bzw. Prozesskontrolle nach der bestehenden Praxis die Betriebsspannung und/oder der Betriebsstrom der Sonotrode gemessen, wobei hiermit jedoch keine direkte Überwachung der Oberflächenverfestigung möglich ist. Insbesondere können hieraus online keine Informationen über die mechanischen und thermischen Zustände der zu verfestigenden Oberfläche gewonnen werden.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zum Oberflächenstrahlen eines Bauteils zu schaffen.
Dieses Problem wird durch ein Verfahren zum Oberflächenstrahlen eines Bauteils gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird die Temperatur und/oder die Geschwindigkeit der Strahlkörper zur Etablierung einer Prozesskontrolle des Oberflächenstrahlens gemessen.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird erstmals vorgeschlagen, beim Oberflächenstrahlen die Temperatur und/oder die Geschwindigkeit der Strahlkörper zu messen, um so eine Prozesskontrolle des Oberflächenstrahlens zu etablieren. Hiermit können direkt sowie online zum Oberflächenstrahlen Rückschlüsse auf die beim Oberflächenstrahlen erzielte Qualität der Oberflächenverfestigung gezogen werden.
Vorzugsweise wird die Temperatur und die Geschwindigkeit der Strahlkörper sowie zusätzlich die Temperatur der Oberfläche des zu strahlenden Bauteils gemessen, wobei abhängig hiervon das Oberflächenstrahlen gesteuert bzw. geregelt wird.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, nachfolgend näher erläutert.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Oberflächenstrahlen, insbesondere zum Kugelstrahlen, eines Bauteils, insbesondere eines Gasturbinenbauteils. Nachfolgend soll davon ausgegangen werden, dass das Oberflächenstrahlen als Ultraschall- Kugelstrahlen durchgeführt wird, wobei hierzu Strahlkörper mit Hilfe einer im Ultraschall- frequenzbereich schwingenden Sonotrode beschleunigt und auf eine zu verfestigende Oberfläche eines zu strahlenden Bauteils gerichtet werden.
Zur Etablierung einer Online-Prozesskontrolle bzw. einer Online-Prozessüberwachung des Ultraschall-Kugelstrahlens wird im Sinne der hier vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, während des Ultraschall-Kugelstrahlens die Temperatur und/oder die Geschwindigkeit der Strahlkörper zu messen. Diese Messung erfolgt unter Anwendung der Infrarot- Technologie.
Als Geschwindigkeit der Strahlkörper wird die Geschwindigkeit derselben benachbart zur Oberfläche des zu strahlenden Bauteils gemessen, wobei es sich hierbei um die Aufprallgeschwindigkeit bzw. Abprallgeschwindigkeit der Strahlkörper auf die bzw. von der zu strahlenden Oberfläche des zu verfestigenden Bauteils handelt.
Vorzugsweise wird zusätzlich zur Temperatur und Geschwindigkeit der Strahlkörper auch die Temperatur der zu strahlenden Oberfläche gemessen. Aus diesen Messungen können dann online Rückschlüsse auf die Zustände der zu verfestigenden Oberfläche, insbesondere auf deren thermische und mechanische Zustände, geschlossen werden. Hierdurch ist eine Online-Prozessüberwachung bzw. Online-Prozesskontrolle des Ultraschall-Kugelstrahlens möglich.
Es liegt im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, abhängig von der gemessenen Temperatur der Strahlkörper und/oder der gemessenen Geschwindigkeit der Strahlkörper und/oder der gemessenen Temperatur der zu strahlenden Oberfläche des zu verfestigenden Bauteils das Oberflächenstrahlen zu regeln. Abhängig von den gemessenen Temperaturen sowie Geschwindigkeiten können demnach Prozessparameter des Ultraschall-Kugelstrahlens an- gepasst werden. Wie bereits erwähnt, erfolgt die Messung der Temperaturen und Geschwindigkeiten vorzugsweise unter Anwendung der Infrarot-Technologie. Hierbei ist dann zu beachten, dass Begrenzungswände eines Strahlraums, innerhalb dessen ein zu strahlendes Bauteil angeordnet wird, aus zumindest abschnittsweise infrarottransparentem Material bestehen, um so die Infrarotmessung zu ermöglichen.
* * *

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Oberflächenstrahlen, insbesondere zum Kugelstrahlen, eines Bauteils, insbesondere eines Gasturbinenbauteils, wobei insbesondere als Kugeln ausgebildete Strahlkörper auf eine Oberfläche eines zu strahlenden Bauteils gerichtet werden, um dasselbe im Bereich seiner Oberfläche zu bearbeiten bzw. zu verfestigen, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur und/oder die Geschwindigkeit der Strahlkörper zur Etablierung einer Prozesskontrolle des Oberflächenstrahlens gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur und die Geschwindigkeit der Strahlkörper gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die benachbart zur Oberfläche des zu strahlenden Bauteils vorliegende Geschwindigkeit der Strahlkörper gemessen wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die Temperatur der Oberfläche des zu strahlenden Bauteils gemessen wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur und/oder die Geschwindigkeit der Strahlkörper und vorzugsweise die Temperatur der Oberfläche des zu strahlenden Bauteils über Infrarotmessung er- fasst wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von der Temperatur und/oder der Geschwindigkeit der Strahlkörper und vorzugsweise abhängig von der Temperatur der Oberfläche des zu strahlenden Bauteils das Oberflächenstrahlen gesteuert bzw. geregelt wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenstrahlen als Ultraschall-Kugelstrahlen durchgeführt wird.
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