[发明专利]涡轮机部件的超声波喷丸处理方法

说明书

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/cm2)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10mm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300μm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20μm。

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。