专利名称：涡轮机部件的超声波喷丸处理方法
技术领域：
本发明 涉及一种处理和挤压表面的方法，所述表面带有很难进入的区域，特别涉 及涡轮机叶片的轴向固定钩，所述叶片包括钩和叶根之间的凹槽。
背景技术：
在航空燃气涡轮发动机中，涡轮盘上所述叶片壳体内叶片轴向固定钩和涡轮盘轮 缘都会承受强烈的应力，所述涡轮盘包括轴向固定叶片的径向凹槽。就涡轮盘的凹槽来讲， 叶片钩经受很高程度的静态应力，于是，在涡轮盘和应用于涡轮盘端面的凸缘之间，就存在 着接触和磨损问题。目前，为了提高机械性能，这些部件都通过传统喷丸方法来对表面进行处理，以增 强部件的耐疲劳性和耐腐蚀性。预应力喷丸处理是一种机械处理，旨在通过表面硬化来改善金属部件的特性。这 种处理基于材料的结构转变。传统方法是通过抛入小型钢丸、玻璃珠或陶瓷球来对机械部 件进行表面挤压。这种喷丸处理产生挤压区域，该区域是内挤压应力的基础，通过这些应力 来增加耐性。根据传统喷丸处理的一种示例，通过抛投钢丸BA315(钢丸直径为0. 315mm)来对 表面进行锤击，钢丸强度为F15A(根据阿尔门指数)。使用一种烟气流，该烟气流经由喷嘴 通过膨胀生成，然后，与部件表面平行移动喷嘴，或者，将部件相对于喷嘴移动，从而覆盖要 处理的表面。考虑到进入某些区域的难度，这种类型的喷丸处理无法在较佳条件下进行。在最 佳情况下，喷丸射流无法直接导向表面，而喷丸处理碰巧采用剧烈运动(by bounce)来进 行。剧烈运动喷丸处理的效果要低得多，因为弹丸抵达表面时的动能较弱。另外，在某 些情况下，挤压水平也不足以处理部件的表面。此外，传统的喷丸处理不能保证很好地覆盖那些难以进入的区域，例如叶片凹槽 或甚至盘的凹槽。也无法使用激光冲击挤压方法以应用于这些区域。因为这些区域都是隐蔽的，激 光光束恰巧无法进入这些区域。激光冲击处理是一种在材料里产生塑性冲击波的方法，目的也是改善材料的表面 特性。在非常短的周期内(几个纳秒)，在包容性介质存在的情况下，通过在材料表面聚集 非常强的激光脉冲(GW/cn^)而获得冲击波。这种处理很可能对几百微米的厚度产生残余 挤压应力，而且可在各种各样的材料上出现这种现象，特别是应用在钢铁、铝合金或钛领域 那些非常重要部位。这种处理用来改善表面特性，诸如耐疲劳、耐磨损或甚至耐腐蚀。这种 技术的其中一个优点是部件的表面状态几乎没有改变。申请人:将处理表面的目标定在轴向固定涡轮机叶片的钩上，该钩具有使用超声波 喷丸处理方法难以进入的燃气涡轮发动机部件的区域。
超声波喷丸处理方法可以挤压并硬化金属材料的表面层，这项技术的目的是改善 部件的寿命。这种方法是，通过与发生器相连的声部件，以接近超声频率的频率，使超声波 处理极(sonotrode)振动。不同种类的弹丸通过超声波处理极(sonotrode)被推向需要喷 丸处理的材料上。
发明内容
为了克服传统表面处理方法在难以进入区域方面的缺陷，本发明将超声波喷丸处 理方法应用于所述区域，这种区域属于叶片凹槽类型，传统喷丸处理或激光冲击方法无法 完全覆盖的表面。本发明提出了一种超声波喷丸处理方法，该方法通过使一团弹丸与超声波处理极 (sonotrode)接触而动作来对金属表面进行喷丸处理，所述金属表面包括难以进入的区域， 其特征在于，所述表面是指轴向固定涡轮机叶片的钩的表面，该涡轮机叶片包括在钩和叶 根之间提供的凹槽以及所述凹槽外部的表面部分，所述成团弹丸置于环绕所述表面的腔室 内。有利的是，这种方法的应用可以在难以进入的区域实行更深的挤压，从而可以改 善对损害(疲劳，磨损等)的耐受性。喷丸处理方法是针对采用钢、钛合金或镍基超合金或铝的一类材料制成的部件。本方法应用优点是可以获得全面覆盖，而且会获得更好的表面状态，不会在角落 处出现任何材料折叠。另一个优点是这种方法可以多次反复使用。重要的是，本发明适用于钩的所述凹槽宽度在1.5mm到IOmm之间，深度在1.5mm 到20mm之间。更特别地是，使用了具有如下特性的弹丸弹丸直径小于或等于2. 5mm，重量大于 或等于0. 5g，直径在300 μ m到2. 5mm之间。这些弹丸为钢质轴承弹丸，碳含量低，超声波处理极(sonotrode)的振动幅度大 于或等于20 μ m。 优选地，处理时间在5到200秒之间。超声波处理极(sonotrode)构成腔室的壁的一部分。人们已知FM816538号专利介绍了一种可延长涡轮转子上叶片紧固件寿命的 方法，该方法对凹槽和叶根进行超声波喷丸处理。喷丸处理是使用至少等于F8A的阿尔 门偏转来进行，以增加接触表面的挤压预应力，不会增加粗糙度。通过使超声波处理极 (sonotrode)振动而产生撞击，从而将弹丸抛出，超声波处理极位于腔室内，所述腔室由环 形或轴向凹槽形成，超声波处理极被置于后者入口内，两个凸耳遮盖侧向开口。在该专利中 是否教导处理进入区域是有争议的，因为容纳叶片的凹槽可以与其壁形成腔室。FR 2873609号专利涉及到超声波喷丸处理和弹丸的使用，通过这些弹丸在凹面上 获得足够的处理强度，这些凹面的曲率半径小于弹丸的曲率半径。弹丸的硬度和密度都高， 而尺寸小，它们的使用可以处理那些采用曲率半径小的常规弹丸难以进入的区域。这些弹 丸可以获得动能，这种动能之大足以在部件上产生所需水平的应力。该专利介绍了腔室的 若干个实施例，这些腔室都适宜于需要处理的表面的形状。然而，该专利的教导并没有包括 部件的处理，该部件具有带有凹槽的零部件，且这种凹槽带有小的开口。
通过阅读如下各种实施例给出的说明，可以更好地理解本发明的目的、方面和优 点；这些都作为非限制性示例来介绍。附图如下图1为涡轮机叶片钩的示意图；图2为采用X-射线衍射进行应力分析区域的示意图；图3为采用传统喷丸处理获得的应力曲线，所示为图2的分析区A，在X轴上，深度 为微米，在Y轴上，残余应力值为MPa.；图4示出了超声波喷丸处理叶片钩的工具；图5为采用超声波喷丸处理获得的应力曲线，所示为图2的分析区A。
具体实施例方式在喷气发动机中，转子盘带有轮缘，在轮缘的周围安装了多个可拆卸叶片。叶片安 装在轴向凹槽内，例如采用燕尾榫接合形式，这些凹槽被加工成轮缘，叶片包括叶根，也是 采用燕尾榫接合形式，在叶片底部加工而成，将叶根装入凹槽内便可实现装配。叶根采用滑 动装入凹槽内，带有有限的空回量。叶根通过连接到叶片根部的轴向固定钩来实现轴向固 定不动。钩与位于叶根和钩之间的横向固定环相互配合。为此，凹槽包含叶根的轴向移动。 位于叶根顶面的平台限定了气体的喷出范围。材料选自钢、钛合金、镍基超合金或铝等一类 材料。图1为应用本发明方法时涉及到的几何形状。受处理表面包括叶片钩部20和根 部13之间形成的凹槽5内部，以及邻近外表面部分7。表面由呈倒U字形式的区域5组成。 这个区域的宽度范围在1.5mm到IOmm之间，深度范围在1. 5mm到20mm之间。受处理表面 还包括凹槽5外部钩的表面部分7。钩承受很大的应力；作用在所述钩上的很高程度的静态应力会引起断裂和磨损问题。图4示出了所开发的工具，可对钩部进行超声波喷丸处理。叶片10示意地包括翼 片(vane)ll、叶根13---例如，采用燕尾榫接合布置部分---以及，也许还有支柱。平台介 于叶根13和翼片11之间。所述工具30包括带有振动表面32的支持板，和超声波处理极(sonotrode)，后者 以产生的超声频率振动来激励，附图中未示出。所述振动表面构成了腔室25的工作壁。在 由壁31形成的体积内，在腔室振动表面32的一侧上提供有开口 26，叶片10的钩20通过该 开口装入。开口 26被带钩的叶根部表面所封堵。这样，钩20就置于腔室内。邻近凹槽和凹槽外部的钩的凹槽5和表面部分7就被 置于腔室内。此处凹槽宽度为3. 2mm，深度为7. ^mm。振动表面32与钩20的距离很近。该表面比凹槽5要宽，并且在凹槽5的外部，可 看到钩的至少部分表面。直径为1. 5mm的弹丸2通过开口沈被投入到腔室25内。当振动表面32通过超 声波处理极(sonotrode)经受超声振荡时，在腔室25内会产生一团弹丸。这些弹丸被推向 钩20，撞击所述凹槽5的壁和邻近表面部分7。
对超声振荡的频率、振动表面32的尺寸、以及弹丸的直径、材料和重量进行选择， 以便钩的凹槽的区域以及凹槽外部表面部分都可以均勻地进行短时间喷丸处理。在上述示例 中，在超声波喷丸处理调整后，采用工具获得的参数见下表
权利要求
1.一种超声波喷丸处理方法，该方法通过使一团弹丸与超声波处理极(sonotrode)接 触而动作来对金属表面进行喷丸处理，所述金属表面包括难以进入的区域，其特征在于，所 述表面是指轴向固定涡轮机叶片的钩的表面，该涡轮机叶片包括在钩和叶根之间提供的凹 槽(5)以及所述凹槽外部的表面部分(7)，所述成团弹丸置于腔室0 内，该腔室环绕着所 述凹槽和所述凹槽外部的所述表面部分(7)。
2.根据权利要求1所述的喷丸处理方法，其特征在于，所述凹槽(5)的宽度在1.5mm至 IOmm之间，深度在1. 5mm至20mm之间。
3.根据权利要求1或2所述的喷丸处理方法，其特征在于，所使用的弹丸为a.直径小于或等于2.5mm,b.重量大于或等于0.5g。
4.根据前面权利要求所述的方法，其特征在于，弹丸运动的幅度大于或等于20μ m。
5.根据前面其中一项权利要求所述的方法，其特征在于，处理时间在5到200秒之间。
6.根据权利要求1所述的喷丸处理方法，其特征在于，弹丸直径在300μπι至2.5mm之间。
7.根据权利要求1所述的喷丸处理方法，其特征在于，弹丸为钢质轴承弹丸、碳化钨合 金或铝弹丸。
8.根据前面权利要求所述的方法，其特征在于，超声波处理极(sonotrode)构成了腔 室0 的壁的一部分。
9.根据前面其中一项权利要求所述的喷丸处理方法，其特征在于，所述钩采用包括钢、 钛合金或镍基超合金或铝在内的一类材料制成。
全文摘要
本发明涉及一种用于超声波喷丸处理方法，该方法通过使一团弹丸与超声波处理极(sonotrode)接触而动作来对金属表面进行喷丸处理，所述金属表面包括难以进入的区域，其特征在于，所述表面是指轴向固定涡轮机叶片的钩的表面，该涡轮机叶片包括在钩和叶根之间提供的凹槽(5)以及所述凹槽外部的表面部分(7)，所述成团弹丸置于腔室(25)内，该腔室环绕着所述凹槽和所述凹槽外部的所述表面部分(7)。
文档编号B24C1/10GK102123828SQ200980118191
公开日2011年7月13日 申请日期2009年4月17日 优先权日2008年4月18日
发明者安娜·威盖拉桑乔 申请人:斯奈克玛