通過對內層進行壓縮處理的金屬組件以及獲得這種組件的方法

2023-06-02 23:28:56

專利名稱：通過對內層進行壓縮處理的金屬組件以及獲得這種組件的方法
技術領域：
本發明涉及通過對組件表面下層進行壓縮處理金屬組件的領域。本發明特別涉及航空渦輪機領域，使用這種技術用來延長易承受高機械應力和熱應力組件的使用壽命。因而，尤其需要處理葉片、輪盤或整體葉盤(一體式葉盤)。
背景技術：
人們已經知道幾項使金屬組件內層處於壓縮的技術。根據第一個常規技術，通過球形噴丸處理使該層處於壓縮，這樣做的目的在於增加金屬部件表面和內層的殘餘應力。這個壓應力的目的在於延緩出現裂縫或癒合原來存在的裂縫。因此，改進了機械性能。所使用的丸料由玻璃、陶瓷或鋼等硬質材料製成，以高速將這些丸料噴拋到待處理組件的表面上。在渦輪機中進行噴拋操作或通過例如噴嘴在氣流中夾帶。氣體易於膨脹將丸料引導至膨脹所產生的氣流中。
在丸料的噴射作用下，已經超出屈服點的表麵塑性變形，產生處於壓縮的下層金屬層。這些壓應力因而增大了疲勞強度、耐蝕性和摩擦係數。丸料的衝擊在金屬向下一定深度中產生了壓應力。
使用這種技術，處於壓縮的深度達到150微米時表面壓應力大約為400至500兆帕，深度為50微米時表面壓應力為500至600兆帕。
另一種預拉伸噴丸技術使用超聲波(下面稱為US噴丸處理)，在本申請人的專利申請EP 1 208 942和EP 1 207 013中描述了該項技術，其包括使丸料以所產生的噴丸流的形式在容納待處理組件的密封腔中，在由超聲波震動產生裝置激發的超聲波焊機的有效表面上移動。在該技術中，處於壓縮的深度下至300-400微米時具有500至600兆帕的表面壓應力，在深度為50至100微米時表面壓應力為700至900兆帕。通常，超聲波噴丸處理所產生的壓應力比氣噴式噴丸處理所產生的更強烈且更深。
在本申請中，術語「噴丸處理」應被理解為是指利用機械震動的噴丸處理，該術語涵蓋了使用通過氣體噴嘴噴拋的或通過超聲波震動還可以是輥子拋光而移動的丸料的噴丸處理。
在另一項技術中，與噴丸處理不同，利用雷射衝擊噴丸進行壓縮，在雷射衝擊噴丸中可以使用更高水平的壓縮來處理更大的深度。處於壓縮的深度為大約0.5至1.5微米，但是也可以達到幾毫米，具有大約350至1000兆帕的壓應力。通常，同等壓力級的雷射衝擊噴丸在比例如US噴丸處理大兩至三倍的深度處產生殘餘壓應力。然而，這種雷射衝擊噴丸處理實施起來相對冗長。使用雷射需要使待處理表面進行塗料或膠皮帶的燒蝕塗覆，通過在雷射束的作用下噴射塗料或膠皮帶的燒蝕產生衝擊波，使待處理材料處於壓縮。這種波由覆蓋在燒蝕覆層的材料限定，並且可以使雷射束穿透。通常其作為流水的屏蔽。雷射必須能夠輸出10千兆瓦/平方釐米數量級的功率密度，具有大約十到三十毫微秒(10ns到30ns)的脈衝寬度，小於一赫茲到幾赫茲之間的擊發頻率。
雷射衝擊點具有圓形、方形、橢圓形或其它可能的形狀，覆蓋十平方毫米(具體為10到20mm2)數量級的區域。為了預期逐步獲得的整個待處理深度範圍和最大應力級，在每一個點上重複衝擊三或四次。然而，在雷射每次衝擊中，將覆層噴射到雷射點的表面上(或只是稍稍覆在其上)，因此有必要在每次擊發時重新進行燒蝕塗覆。
而且，不可能使用雷射點以單一順序掃描整個待處理表面，更不用說通過點區域上的雷射衝擊來破壞覆層。因而，根據現有技術，給定表面的處理需要一系列三或四次掃描。為了不在衝擊點之間留下任何未處理的區域，通過使衝擊點局部重疊對給定表面進行處理。通過由成行的間隔點掃描處理該表面，為了達到表面上的所有點，利用稍稍移動的點行重複掃描幾次。
而且每次掃描必須重新塗覆。因此，為了處理給定表面，必須重新塗覆高達二十次(例如參見EP 0 794 264中所述的步驟)。這種技術的操作非常冗長並且複雜，因此昂貴。因此優選地需要限制待處理區域的範圍。
如果是葉片，則在位於葉片周圍的區域例如前緣或後緣上進行上述處理。這些邊緣是最容易受到高侵蝕性顆粒或可能導致內部變形、剪切或裂縫的外來物體衝擊造成損害。然而葉片的其它部件也不會免受損害。例如，已經發現在壓力面上存在劃痕區域。
基於上述原因，通過雷射衝擊噴丸來處理葉片的延伸區域不具有經濟上的優勢。
因此本發明的目的在於提供一種組件，特別是葉片，其上所有的表面部件易受更大或更小程度的破壞，特別是由外來物體和侵蝕力的損壞，通過使其表面內層處於壓縮來處理，而其成本是比較可以接受的。
而且，已經發現通過與雷射衝擊噴丸相同強度的噴丸處理過的區域其周圍的局部產生拉壓力，其平衡掉所有的應力。因此需要通過防止大拉力梯度並通過確保拉力區域遠離敏感區域來減少這種拉應力。
發明專利內容本發明的目的是如下達到的，包括該金屬組件包括至少對其內層處進行壓縮處理的第一區域，其中該區域包括至少通過噴丸處理處於壓縮的第一層，和在第一層下層，通過雷射衝擊噴丸進行壓縮處理的第二層。
對第二層進行壓縮還可以具有增加第一層殘餘壓應力的效果—如果通過常規的噴丸處理能獲得這些應力，則大約為300至500兆帕。在預先超聲波噴丸處理的情況下，這些應力大約為700至800兆帕，但是雷射衝擊噴丸會產生的壓力增加很小的或不增加。
就渦輪機葉片而言，所述區域優選地沿著葉片前緣、後緣和/或頂部延伸。所考慮的葉片主要是硬質壓縮機葉片，例如鼓風式噴氣發動機的風機葉片。然而本發明並不局限於渦輪機葉片，還可以使用在轉盤特別是輪盤上，更特別是整體輪盤上。
通過觀察，本發明的結果是，通過噴丸處理特別地超聲波噴丸的壓縮處理可以提供與由雷射衝擊噴丸得到的同等水平的殘餘應力，儘管它們產生的只覆蓋較小的深度。通過將較便宜的噴丸壓縮處理與雷射衝擊噴丸壓縮處理進行比較，可以得到從製造上來看更經濟的產品。
優選地，該組件具有與第一區域不同的第二區域，只利用噴丸處理對其進行壓縮處理。更具體地，噴丸處理是超聲波噴丸處理。
本發明還涉及一種金屬組件的處理方法，包括第一處理步驟，其中利用噴丸處理所述第一區域，其後進行利用雷射衝擊噴丸處理相同區域的第二處理步驟。
特別地，在第一步驟中，所述第一區域和第二區域不同於第一區域通過噴丸進行處理，在第二步驟中，只在第一區域進行雷射衝擊噴丸進行處理。
優選地，兩個區域是相鄰的，因而產生遞增的殘餘應力級。與包括由雷射衝擊噴丸進行處理由相鄰不處於壓縮區域為界的組件不同，相鄰部分不會產生易受可能產生裂縫的應力的突變。而且，可以避免組件的任何變形例如由應力的這些突然變化所產生的薄葉片。
雷射重疊衝擊的減少在由雷射衝擊處理所產生的變形方面同樣具有優勢。這是因為已被發現在例如壓縮器葉片中的變形水平越高，則衝擊重疊的程度越大。在美國US 5 531 570中已經發表過。所以從這個觀點上看，本發明所支持的重疊處理的減少也是有益的。
本申請還涉及一種渦輪機輪盤，特別是整體葉盤，包括根據本發明的葉片。本申請還涉及一種包括根據本發明的葉片渦輪機，尤其涉及一種設有根據本發明的壓縮機葉片的渦輪噴氣機。


後面在本發明非限制性實施方式的描述中，結合包含下列視圖的附圖，介紹了本發明的其它特徵和優點，其中圖1是渦輪機葉片的示意圖；圖2是圖1中葉片A-A向的剖視圖，示出經噴丸處理的表面；圖3是葉片的視圖，示出了根據本發明經噴丸處理和經雷射衝擊噴丸處理的區域；圖4是沿著圖3中葉片BB向的剖視圖，示出了根據本發明通過噴丸處理和雷射衝擊噴丸使表面下層處於壓縮；圖5示出了雷射衝擊壓縮處理；圖6示出了在處理過程中雷射束的掃描順序。
具體實施例方式
如圖1中所示，葉片1包括葉根3、平臺5和機翼7。葉片通過葉根3安裝在適宜殼體內的輪盤的周圍。平臺為引導氣流的環形氣管提供了連續性。氣流掠過具有空氣動力工藝形狀的機翼7，就是葉片的這個部件易受到外部應力，影響使用壽命。前緣LE和後緣TE可能會受到例如來自由電動機吸入的外部物體的強震和對風機葉片的撞擊。這些衝擊可能會沿著機翼的外圍區域具有深度方向的影響。其它衝擊，例如那些侵蝕性顆粒更淺的，而是在更延伸的區域以劃痕或磨損的形式出現。由噴丸處理所產生的殘餘應力有助於控制破損和裂縫擴散，並增大抗疲勞性，其目的在於維持組件的使用壽命。
根據本發明，首先通過在對應於易損區域的至少局部，優選地為整個區域的延伸表面上進行噴丸處理。這個處理優選地為超聲波噴丸處理。由這種技術處理的區域以71示意性示出。其延伸在位於前緣LE與後緣TE之間的機翼的壓力表面上。該區域部分延伸在前緣LE下遊的機翼的吸氣面上。表面下面處理壓縮的層的厚度為大約0.3毫米，更具體地為大約0.2毫米。該深度的殘餘壓力級為大約400至500兆帕。
為了得到這種結果，下面描述在TA6V鈦合金上使用US噴丸處理的實施方式。製造直徑1.5毫米的100C6鋼丸，承受以超聲波頻率的超聲波焊機震動的85微米的振幅的移動。預期的重疊範圍為40％，處理時間為52秒。獲得的壓應力達到700兆帕，並延伸250到300微米的深度。
然後在應力最大的區域即特別是LE和TE以及可能的尖部進行雷射衝擊處理。在此，該區域73被限定為特定距離下遊之上的前緣LE的區域。
下面將參考圖5描述該技術的原理。
待處理組件100覆蓋所謂的燒蝕層102，然後通過密封層104將脈衝雷射束106提供給組件。
該方法包括以下步驟1)通過塗覆塗料或膠皮帶製備燒蝕層102；任意地，燒蝕可以直接發生在金屬表面上；2)設置密封層104，該密封層104例如作為流水的屏蔽或玻璃板；3)雷射發射106，雷射發射的衝擊點以具有圓形、橢圓形或其它形狀形形狀以盤形形狀發射，具有10毫米2數量級的區域。衝擊點彼此靠近，但是沒有任何重疊，以便通常對應於燒蝕層未被處理的區域。組件和雷射聚焦頭會相對移動。
4)去除燒蝕層上未被處理的那些部件；清理表面；和5)塗覆新的燒蝕層；和6)從步驟2)開始重複該循環。
燒蝕層被雷射束汽化(108)，並由密封層限定。這樣就形成了傳播到金屬材料中的衝擊波110，因而使其處於壓縮。
這些操作構成了在現有技術的雷射衝擊噴丸方法中為了使所述表面上覆蓋預期數量的衝擊重疊必須重複10到12次。
根據本發明，通過對預先進行噴丸處理特別是US噴丸處理的區域進行雷射衝擊噴丸，將減少操作的次數。以此方式即在組件表面下深0.2-0.3毫米處以大約500至700兆帕的殘餘壓應力進行預先噴丸處理。
圖6中示出了組件上衝擊點分布的實施例。第一衝擊點I1是接觸盤。第二行衝擊點I2也由衝擊盤構成，但相對於運行方向RD在橫向和縱向上偏離一個半徑。
本發明的處理需要更小的雷射衝擊，由於經處理區域已經包括具有與由雷射衝擊噴丸所產生的那些相同級的殘餘壓應力。由於兩個相鄰衝擊點之間的壓應力水平不為零，所以在那裡沒有必要修改重疊。這樣就會通過更少的次數，同時減少了必須重複塗覆的次數。因此可以減少40％到50％的處理時間。
如果恰當，在壓縮處理之後進行拋光操作、磨光(tribofinishing)特別是利用砂帶或砂紙的研磨。應該注意到在這種情況下沒有必要進行塗覆，直接在金屬表面上進行燒蝕。
該處理適於新組件，但也適於通過對材料進行表面加工修復的葉片。
權利要求
1.一種金屬組件，至少包括通過對所述表面下面的層進行壓縮處理的第一區域，其中所述區域至少包括經噴丸處理壓縮的第一層，和通過雷射衝擊噴丸進行壓縮的下面更深的第二層。
2.如權利要求1所述的組件，與所述第一區域不同的第二區域，只通過噴丸處理進行壓縮。
3.如上述權利要求所述的組件，所述兩個區域相鄰。
4.如上述權利要求中任一項所述的組件，所述噴丸處理為超聲波噴丸處理。
5.如權利要求1所述的組件，通過噴丸處理使其處於壓縮的所述層具有0.2至0.3毫米厚度。
6.如上述權利要求所述的組件，所述組件第一層的殘餘應力為500至700兆帕之間。
7.一種構成如權利要求1至6之一所述組件的渦輪機葉片，所述葉片的第一區域沿著前緣(LE)、後緣(TE)和/或其頂點至少局部延伸。
8.一種包括如權利要求7所述葉片的渦輪機輪盤。
9.一種如權利要求8所述的輪盤，其為整體漿葉盤或整體葉盤。
10.一種壓縮機，包括如權利要求7所述的葉片。
11.一種渦輪機，包括如權利要求7所述的葉片。
12.一種如上述權利要求中任一項所述的金屬組件處理方法，包括第一處理步驟，其中所述第一區域通過噴丸進行處理，隨後通過雷射衝擊噴丸處理所述區域。
13.一種如上述權利要求所述的方法，其中所述第一區域與第二區域不同於首先都通過噴丸進行處理，然後只有第一區域再利用雷射衝擊噴丸進行處理。
全文摘要
本發明涉及一種金屬組件，其至少包括通過對該金屬組件表面下面的層進行壓縮處理的第一區域。其特徵在於至少包括通過噴丸處理處於壓縮的第一層，和通過雷射衝擊噴丸處於壓縮的更下面的第二層。該組件可以是渦輪機葉片。根據該方法，所述區域首先通過預應力噴丸處理，隨後通過雷射衝擊噴丸進行壓縮處理。
文檔編號F03B3/00GK1911598SQ20061010958
公開日2007年2月14日 申請日期2006年8月14日 優先權日2005年8月12日
發明者約爾·維格諾 申請人:斯奈克瑪