专利名称：通过对内层进行压缩处理的金属组件以及获得这种组件的方法
技术领域：
本发明涉及通过对组件表面下层进行压缩处理金属组件的领域。本发明特别涉及航空涡轮机领域，使用这种技术用来延长易承受高机械应力和热应力组件的使用寿命。因而，尤其需要处理叶片、轮盘或整体叶盘(一体式叶盘)。
背景技术：
人们已经知道几项使金属组件内层处于压缩的技术。根据第一个常规技术，通过球形喷丸处理使该层处于压缩，这样做的目的在于增加金属部件表面和内层的残余应力。这个压应力的目的在于延缓出现裂缝或愈合原来存在的裂缝。因此，改进了机械性能。所使用的丸料由玻璃、陶瓷或钢等硬质材料制成，以高速将这些丸料喷抛到待处理组件的表面上。在涡轮机中进行喷抛操作或通过例如喷嘴在气流中夹带。气体易于膨胀将丸料引导至膨胀所产生的气流中。
在丸料的喷射作用下，已经超出屈服点的表面塑性变形，产生处于压缩的下层金属层。这些压应力因而增大了疲劳强度、耐蚀性和摩擦系数。丸料的冲击在金属向下一定深度中产生了压应力。
使用这种技术，处于压缩的深度达到150微米时表面压应力大约为400至500兆帕，深度为50微米时表面压应力为500至600兆帕。
另一种预拉伸喷丸技术使用超声波(下面称为US喷丸处理)，在本申请人的专利申请EP 1 208 942和EP 1 207 013中描述了该项技术，其包括使丸料以所产生的喷丸流的形式在容纳待处理组件的密封腔中，在由超声波震动产生装置激发的超声波焊机的有效表面上移动。在该技术中，处于压缩的深度下至300-400微米时具有500至600兆帕的表面压应力，在深度为50至100微米时表面压应力为700至900兆帕。通常，超声波喷丸处理所产生的压应力比气喷式喷丸处理所产生的更强烈且更深。
在本申请中，术语“喷丸处理”应被理解为是指利用机械震动的喷丸处理，该术语涵盖了使用通过气体喷嘴喷抛的或通过超声波震动还可以是辊子抛光而移动的丸料的喷丸处理。
在另一项技术中，与喷丸处理不同，利用激光冲击喷丸进行压缩，在激光冲击喷丸中可以使用更高水平的压缩来处理更大的深度。处于压缩的深度为大约0.5至1.5微米，但是也可以达到几毫米，具有大约350至1000兆帕的压应力。通常，同等压力级的激光冲击喷丸在比例如US喷丸处理大两至三倍的深度处产生残余压应力。然而，这种激光冲击喷丸处理实施起来相对冗长。使用激光需要使待处理表面进行涂料或胶皮带的烧蚀涂覆，通过在激光束的作用下喷射涂料或胶皮带的烧蚀产生冲击波，使待处理材料处于压缩。这种波由覆盖在烧蚀覆层的材料限定，并且可以使激光束穿透。通常其作为流水的屏蔽。激光必须能够输出10千兆瓦/平方厘米数量级的功率密度，具有大约十到三十毫微秒(10ns到30ns)的脉冲宽度，小于一赫兹到几赫兹之间的击发频率。
激光冲击点具有圆形、方形、椭圆形或其它可能的形状，覆盖十平方毫米(具体为10到20mm2)数量级的区域。为了预期逐步获得的整个待处理深度范围和最大应力级，在每一个点上重复冲击三或四次。然而，在激光每次冲击中，将覆层喷射到激光点的表面上(或只是稍稍覆在其上)，因此有必要在每次击发时重新进行烧蚀涂覆。
而且，不可能使用激光点以单一顺序扫描整个待处理表面，更不用说通过点区域上的激光冲击来破坏覆层。因而，根据现有技术，给定表面的处理需要一系列三或四次扫描。为了不在冲击点之间留下任何未处理的区域，通过使冲击点局部重叠对给定表面进行处理。通过由成行的间隔点扫描处理该表面，为了达到表面上的所有点，利用稍稍移动的点行重复扫描几次。
而且每次扫描必须重新涂覆。因此，为了处理给定表面，必须重新涂覆高达二十次(例如参见EP 0 794 264中所述的步骤)。这种技术的操作非常冗长并且复杂，因此昂贵。因此优选地需要限制待处理区域的范围。
如果是叶片，则在位于叶片周围的区域例如前缘或后缘上进行上述处理。这些边缘是最容易受到高侵蚀性颗粒或可能导致内部变形、剪切或裂缝的外来物体冲击造成损害。然而叶片的其它部件也不会免受损害。例如，已经发现在压力面上存在划痕区域。
基于上述原因，通过激光冲击喷丸来处理叶片的延伸区域不具有经济上的优势。
因此本发明的目的在于提供一种组件，特别是叶片，其上所有的表面部件易受更大或更小程度的破坏，特别是由外来物体和侵蚀力的损坏，通过使其表面内层处于压缩来处理，而其成本是比较可以接受的。
而且，已经发现通过与激光冲击喷丸相同强度的喷丸处理过的区域其周围的局部产生拉压力，其平衡掉所有的应力。因此需要通过防止大拉力梯度并通过确保拉力区域远离敏感区域来减少这种拉应力。
发明专利内容本发明的目的是如下达到的，包括该金属组件包括至少对其内层处进行压缩处理的第一区域，其中该区域包括至少通过喷丸处理处于压缩的第一层，和在第一层下层，通过激光冲击喷丸进行压缩处理的第二层。
对第二层进行压缩还可以具有增加第一层残余压应力的效果—如果通过常规的喷丸处理能获得这些应力，则大约为300至500兆帕。在预先超声波喷丸处理的情况下，这些应力大约为700至800兆帕，但是激光冲击喷丸会产生的压力增加很小的或不增加。
就涡轮机叶片而言，所述区域优选地沿着叶片前缘、后缘和/或顶部延伸。所考虑的叶片主要是硬质压缩机叶片，例如鼓风式喷气发动机的风机叶片。然而本发明并不局限于涡轮机叶片，还可以使用在转盘特别是轮盘上，更特别是整体轮盘上。
通过观察，本发明的结果是，通过喷丸处理特别地超声波喷丸的压缩处理可以提供与由激光冲击喷丸得到的同等水平的残余应力，尽管它们产生的只覆盖较小的深度。通过将较便宜的喷丸压缩处理与激光冲击喷丸压缩处理进行比较，可以得到从制造上来看更经济的产品。
优选地，该组件具有与第一区域不同的第二区域，只利用喷丸处理对其进行压缩处理。更具体地，喷丸处理是超声波喷丸处理。
本发明还涉及一种金属组件的处理方法，包括第一处理步骤，其中利用喷丸处理所述第一区域，其后进行利用激光冲击喷丸处理相同区域的第二处理步骤。
特别地，在第一步骤中，所述第一区域和第二区域不同于第一区域通过喷丸进行处理，在第二步骤中，只在第一区域进行激光冲击喷丸进行处理。
优选地，两个区域是相邻的，因而产生递增的残余应力级。与包括由激光冲击喷丸进行处理由相邻不处于压缩区域为界的组件不同，相邻部分不会产生易受可能产生裂缝的应力的突变。而且，可以避免组件的任何变形例如由应力的这些突然变化所产生的薄叶片。
激光重叠冲击的减少在由激光冲击处理所产生的变形方面同样具有优势。这是因为已被发现在例如压缩器叶片中的变形水平越高，则冲击重叠的程度越大。在美国US 5 531 570中已经发表过。所以从这个观点上看，本发明所支持的重叠处理的减少也是有益的。
本申请还涉及一种涡轮机轮盘，特别是整体叶盘，包括根据本发明的叶片。本申请还涉及一种包括根据本发明的叶片涡轮机，尤其涉及一种设有根据本发明的压缩机叶片的涡轮喷气机。
后面在本发明非限制性实施方式的描述中，结合包含下列视图的附图，介绍了本发明的其它特征和优点，其中图1是涡轮机叶片的示意图；图2是图1中叶片A-A向的剖视图，示出经喷丸处理的表面；图3是叶片的视图，示出了根据本发明经喷丸处理和经激光冲击喷丸处理的区域；图4是沿着图3中叶片BB向的剖视图，示出了根据本发明通过喷丸处理和激光冲击喷丸使表面下层处于压缩；图5示出了激光冲击压缩处理；图6示出了在处理过程中激光束的扫描顺序。
具体实施例方式
如图1中所示，叶片1包括叶根3、平台5和机翼7。叶片通过叶根3安装在适宜壳体内的轮盘的周围。平台为引导气流的环形气管提供了连续性。气流掠过具有空气动力工艺形状的机翼7，就是叶片的这个部件易受到外部应力，影响使用寿命。前缘LE和后缘TE可能会受到例如来自由电动机吸入的外部物体的强震和对风机叶片的撞击。这些冲击可能会沿着机翼的外围区域具有深度方向的影响。其它冲击，例如那些侵蚀性颗粒更浅的，而是在更延伸的区域以划痕或磨损的形式出现。由喷丸处理所产生的残余应力有助于控制破损和裂缝扩散，并增大抗疲劳性，其目的在于维持组件的使用寿命。
根据本发明，首先通过在对应于易损区域的至少局部，优选地为整个区域的延伸表面上进行喷丸处理。这个处理优选地为超声波喷丸处理。由这种技术处理的区域以71示意性示出。其延伸在位于前缘LE与后缘TE之间的机翼的压力表面上。该区域部分延伸在前缘LE下游的机翼的吸气面上。表面下面处理压缩的层的厚度为大约0.3毫米，更具体地为大约0.2毫米。该深度的残余压力级为大约400至500兆帕。
为了得到这种结果，下面描述在TA6V钛合金上使用US喷丸处理的实施方式。制造直径1.5毫米的100C6钢丸，承受以超声波频率的超声波焊机震动的85微米的振幅的移动。预期的重叠范围为40％，处理时间为52秒。获得的压应力达到700兆帕，并延伸250到300微米的深度。
然后在应力最大的区域即特别是LE和TE以及可能的尖部进行激光冲击处理。在此，该区域73被限定为特定距离下游之上的前缘LE的区域。
下面将参考图5描述该技术的原理。
待处理组件100覆盖所谓的烧蚀层102，然后通过密封层104将脉冲激光束106提供给组件。
该方法包括以下步骤1)通过涂覆涂料或胶皮带制备烧蚀层102；任意地，烧蚀可以直接发生在金属表面上；2)设置密封层104，该密封层104例如作为流水的屏蔽或玻璃板；3)激光发射106，激光发射的冲击点以具有圆形、椭圆形或其它形状形形状以盘形形状发射，具有10毫米2数量级的区域。冲击点彼此靠近，但是没有任何重叠，以便通常对应于烧蚀层未被处理的区域。组件和激光聚焦头会相对移动。
4)去除烧蚀层上未被处理的那些部件；清理表面；和5)涂覆新的烧蚀层；和6)从步骤2)开始重复该循环。
烧蚀层被激光束汽化(108)，并由密封层限定。这样就形成了传播到金属材料中的冲击波110，因而使其处于压缩。
这些操作构成了在现有技术的激光冲击喷丸方法中为了使所述表面上覆盖预期数量的冲击重叠必须重复10到12次。
根据本发明，通过对预先进行喷丸处理特别是US喷丸处理的区域进行激光冲击喷丸，将减少操作的次数。以此方式即在组件表面下深0.2-0.3毫米处以大约500至700兆帕的残余压应力进行预先喷丸处理。
图6中示出了组件上冲击点分布的实施例。第一冲击点I1是接触盘。第二行冲击点I2也由冲击盘构成，但相对于运行方向RD在横向和纵向上偏离一个半径。
本发明的处理需要更小的激光冲击，由于经处理区域已经包括具有与由激光冲击喷丸所产生的那些相同级的残余压应力。由于两个相邻冲击点之间的压应力水平不为零，所以在那里没有必要修改重叠。这样就会通过更少的次数，同时减少了必须重复涂覆的次数。因此可以减少40％到50％的处理时间。
如果恰当，在压缩处理之后进行抛光操作、磨光(tribofinishing)特别是利用砂带或砂纸的研磨。应该注意到在这种情况下没有必要进行涂覆，直接在金属表面上进行烧蚀。
该处理适于新组件，但也适于通过对材料进行表面加工修复的叶片。
权利要求
1.一种金属组件，至少包括通过对所述表面下面的层进行压缩处理的第一区域，其中所述区域至少包括经喷丸处理压缩的第一层，和通过激光冲击喷丸进行压缩的下面更深的第二层。
2.如权利要求1所述的组件，与所述第一区域不同的第二区域，只通过喷丸处理进行压缩。
3.如上述权利要求所述的组件，所述两个区域相邻。
4.如上述权利要求中任一项所述的组件，所述喷丸处理为超声波喷丸处理。
5.如权利要求1所述的组件，通过喷丸处理使其处于压缩的所述层具有0.2至0.3毫米厚度。
6.如上述权利要求所述的组件，所述组件第一层的残余应力为500至700兆帕之间。
7.一种构成如权利要求1至6之一所述组件的涡轮机叶片，所述叶片的第一区域沿着前缘(LE)、后缘(TE)和/或其顶点至少局部延伸。
8.一种包括如权利要求7所述叶片的涡轮机轮盘。
9.一种如权利要求8所述的轮盘，其为整体浆叶盘或整体叶盘。
10.一种压缩机，包括如权利要求7所述的叶片。
11.一种涡轮机，包括如权利要求7所述的叶片。
12.一种如上述权利要求中任一项所述的金属组件处理方法，包括第一处理步骤，其中所述第一区域通过喷丸进行处理，随后通过激光冲击喷丸处理所述区域。
13.一种如上述权利要求所述的方法，其中所述第一区域与第二区域不同于首先都通过喷丸进行处理，然后只有第一区域再利用激光冲击喷丸进行处理。
全文摘要
本发明涉及一种金属组件，其至少包括通过对该金属组件表面下面的层进行压缩处理的第一区域。其特征在于至少包括通过喷丸处理处于压缩的第一层，和通过激光冲击喷丸处于压缩的更下面的第二层。该组件可以是涡轮机叶片。根据该方法，所述区域首先通过预应力喷丸处理，随后通过激光冲击喷丸进行压缩处理。
文档编号F03B3/00GK1911598SQ20061010958
公开日2007年2月14日 申请日期2006年8月14日 优先权日2005年8月12日
发明者约尔·维格诺 申请人:斯奈克玛