一种航空发动机构件表面残余应力电磁场调控方法与流程

文档序号:12300421阅读:676来源:国知局

本发明属于航空发动机构件表面处理技术领域,具体涉及一种航空发动机构件表面残余应力电磁场调控方法。



背景技术:

钛合金、粉末高温合金等具有优异的高比强度、高比模量、耐高温、抗氧化和阻燃等性能,是航空发动机关键零部件的主要材料。现役发动机风扇和压气机的叶片、盘、机匣等构件主要采用此类合金制造。这些关键零部件在服役中承受高温、振动、气动、离心力等负荷,工作环境恶劣,其表面组织状态和残余应力分布要求十分严格。

目前在航空工业上主要利用喷丸强化改善发动机构件表面组织状态和残余应力分布状况,具体来说就是通过压缩空气使大量弹丸高速地垂直或以一定角度连续锤击合金构件表面,以冷加工的形式在表面造成重叠的凹点,从而形成冷硬层和残余压应力场,从而有利于提升构件的机械强度和寿命。然而,喷丸工艺会使薄壁构件发生一定程度的变形,同时增大表面粗糙度值,影响其工作性能;而且,喷丸工艺不当的情况下还会在构件表面产生损伤及微裂纹,严重时甚至导致构件报废。因此,开发发动机构件残余应力调控新方法,替代或部分替代喷丸强化工艺,成为航空发动机制造中亟待解决的世界性难题。

利用电磁场处理技术调控构件残余应力分布,延长构件使用寿命是一种新型的技术,具有处理效果好、时间短、无附加变形以及绿色无污染等优点。目前,关于残余应力的电磁场调控技术,已有一些文献报道,但调控方法多为磁场处理,调控对象几乎全部针对钢铁等铁磁性材料。采用电磁场调控非铁磁性材料特别是钛合金、粉末高温合金构件残余应力的报道却尚未见到。为此,本发明提出一种航空发动机构件电磁场调控技术,用于调控新制航空发动机构件表面残余应力场,以替代喷丸强化工艺,去除机械强化“死角”,提高制造精度,缩短工艺流程,降低制造成本和周期。



技术实现要素:

为解决背景技术中喷丸工艺会对构件表面产生损伤的缺陷,本发明提供一种航空发动机构件表面残余应力电磁场调控方法,它取消了传统喷丸工艺,利用电磁场调控构件材料表层及近表层残余应力分布,可以提高制造精度和表面粗糙度,缩短工艺流程,降低制造成本和周期。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:

一种航空发动机构件表面残余应力电磁场调控方法,包括以下步骤:在常温下对新制的航空发动机构件进行电磁场调控处理,处理时间为3~600s,所述电磁场由交变磁场和脉冲电场耦合而成,交变磁场的强度为500~30000a/m,交变磁场的频率为1~1000hz,脉冲电场的最大峰值电流为5~20000a,脉冲电场的脉冲周期为0.01~1.0s。

按上述技术方案,所述交变磁场由电源输出的交变电流在含有铁芯的励磁线圈中产生。

按上述技术方案,所述脉冲电场由脉冲电源输出周期性的高密度脉冲电流,并在被处理材料内部产生周期性电场。

按上述技术方案,所述航空发动机构件由精密锻造、精密铸造、粉末冶金或数控加工工艺制作。

本发明,具有以下有益效果:本发明取消了航空发动机构件的喷丸工艺,从而消除了喷丸工艺给薄壁构件造成的变形,彻底避免了喷丸工艺不当的情况下在构件表面产生损伤及微裂纹,而是直接利用电磁场调控技术调控构件材料表层及近表层残余应力分布,可以提高制造精度和表面粗糙度,缩短工艺流程,节约生产成本和周期。

本发明的工作原理是:由于新制航空发动机构件在加工过程中,表面金属位错、空位等晶体缺陷增加,造成一定程度的晶格畸变,改变了原有晶格原子的排列状态,内部材料能量分布不均匀,导致表层产生残余应力,本发明取消了喷丸工艺,而是直接对新制航空发动机构件进行电磁场调控处理,因电场在构件表面产生瞬时的热能,磁场在材料磁学粒子中内部产生电磁力,可以使得构件晶界、亚晶界等高能量区域在电磁场能量、热能的叠加作用下,超过微区相变的临界能量,进而发生相变析出二次相粒子,使基体相(α相)的形态发生改变,并起到强烈钉扎位错和亚结构的作用,阻碍位错的运动及晶界、亚晶界迁移,导致压应力整体升高。由于新制航空发动机构件内部能量分布并不均匀,局部发生第二相粒子析出和α相畸形的概率也不相同,于是通过施加外部电磁场,使得航空发动机构件内部能量较高且内应力也较高的微区发生相变,在一定程度上释放部分较高的内应力,进而使残余压应力均匀性得到提升。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。

在本发明的较佳实施例中,一种航空发动机构件表面残余应力电磁场调控方法,包括以下步骤:在常温下对新制的航空发动机构件进行电磁场调控处理,处理时间为3~600s,所述电磁场由交变磁场和脉冲电场耦合而成,交变磁场的强度为500~30000a/m,交变磁场的频率为1~1000hz,脉冲电场的最大峰值电流为5~20000a,脉冲电场的脉冲周期为0.01~1.0s。

在本发明的优选实施例中,所述交变磁场由电源输出的交变电流在含有铁芯的励磁线圈中产生。

在本发明的优选实施例中,所述脉冲电场由脉冲电源输出周期性的高密度脉冲电流,并在被处理材料内部产生周期性电场。

在本发明的优选实施例中,所述航空发动机构件由精密锻造、精密铸造、粉末冶金或数控加工工艺制作。

以下列举本发明的三个实施例。

实施例1

当航空发动机构件为tc11钛合金压气机叶片时,本发明包括以下步骤:

s1、采用精密锻造、数控加工等工艺制成钛合金压气机叶片;

s2、将新制的钛合金叶片在常温下置于特制的电磁场发生装置中,利用电磁场对钛合金叶片进行处理,电磁场调控处理时间为3~10s,电磁场主要由交变磁场和脉冲电场耦合而成,磁场主要处理工艺参数为磁场强度500~5000a/m、频率1~20hz,电场主要处理工艺参数为最大峰值电流5~500a、脉冲周期为0.01~0.08s。

采用x射线衍射法对叶片进行表面及近表层残余应力测试。结果发现,与新制叶片表面残余应力相比,经电磁场调控工艺处理后叶片残余压应力提升了17%-33%,残余应力均方差值减少了15mpa,即消除了精密锻造与机械加工造成的残余应力分布不均匀结果;同时叶片沿层深方向上近表层形成了较强的残余压应力场,其中层深19~41μm区域残余压应力新制的叶片提升了91%。

实施例2

当航空发动机构件为tc17钛合金涡轮叶片时,本发明包括以下步骤:

s1、采用精密铸造、数控加工等工艺制成钛合金涡轮叶片;

s2、将新制的钛合金叶片在常温下置于特制的电磁场发生装置中,利用电磁场对叶片进行调控处理,电磁场调控处理时间为100~160s,电磁场主要由交变磁场和脉冲电场耦合而成,磁场主要处理工艺参数为磁场强度10000~15000a/m、频率40~50hz,电场主要处理工艺参数为最大峰值电流8000~120000a、脉冲周期为0.45~0.75s。

采用x射线衍射法对叶片进行表面及近表层残余应力测试。结果发现,与新制的叶片表面残余应力相比,经电磁场调控工艺处理后叶片残余压应力提升了10%-15%,残余应力均方差值减少了37mpa,即消除了精密铸造、机械加工造成的残余应力分布不均匀结果;同时沿叶片沿层深方向上近表层形成了较强的残余压应力场,其中层深18~35μm区域残余压应力新制的叶片提升了55%。

实施例3

当航空发动机构件为高温合金涡轮盘时,本发明包括以下步骤:

s1、采用粉末冶金等工艺制成高温合金涡轮盘;

s2、将新制的高温合金涡轮盘在常温下置于特制的电磁场发生装置中,利用电磁场对涡轮盘进行处理,处理时间为500~600s,磁场主要处理工艺参数为磁场强度25000~30000a/m、频率800~1000hz,电场主要处理工艺参数为最大峰值电流18000~20000a、脉冲周期为0.8~1.0s。

采用x射线衍射法对涡轮盘进行表面及近表层残余应力测试。结果发现,与新制的涡轮盘表面残余应力相比,经电磁场调控工艺处理后涡轮盘残余压应力提升了20%-25%,残余应力均方差值减少21mpa,即消除了粉末冶金等造成的残余应力分布不均匀结果;同时涡轮盘沿层深方向上近表层形成了较强的残余压应力场,其中层深20~32μm区域残余压应力新制的涡轮盘提升了72%。

应当理解的是,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

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