一种单晶标准圆棒试件特定取向径向气膜孔的获取方法与流程

本发明涉及金属材料试件加工制造，尤其是单晶标准圆棒试件气膜孔的加工领域。

背景技术：

随着航空发动机性能的不断提高，涡轮前温度越来越高，航空发动机涡轮叶片服役条件恶劣(高温、高压、高转速、燃气腐蚀等)，叶片材料承受着交变的机械载荷与热载荷。为了使涡轮叶片能够承受住高温，当前多采用带气膜孔的空心气冷叶片。这种叶片冷却效果显著，但是由于气膜孔的存在破坏了叶片结构的完整性，使得叶片在气膜孔附近产生明显的应力集中，严重影响涡轮叶片的强度与寿命。因此十分有必要开展带气膜孔的叶片材料在复杂工况下的疲劳试验，研究气膜孔对叶片材料性能的影响，研究成果可支撑先进航空发动机涡轮叶片的结构强度设计与疲劳寿命预测。

由于单晶材料具有明显的各向异性，不同取向的力学性能有明显的差异，因此研究气膜孔对单晶标准圆棒试件性能的影响需要考虑到气膜孔取向的影响，在加工气膜孔的过程中不能随意打孔，应该过圆心对试件沿特定的取向打孔，即保证打孔点与圆棒试件圆心连线的方向是特定方向。

用于疲劳试验的单晶试件通常加工成圆棒状或板状。对于板状试件，确定打孔点并测出打孔方向后，过打孔点沿着打孔方向打孔即可。这也是传统的打孔方案。但是对于圆棒状试件来说，由于圆棒试件的打孔方向要求是径向，即打孔方向过圆心，如果仍采用传统的打孔方案，确定打孔点并测出打孔方向后，该方向并不一定是过圆心的，因此传统的打孔方案不适用于圆棒试件。一种解决办法是找到圆心位置，在圆心处测出打孔取向，这样打孔取向通过圆心并与试件外表面交于一点，过该点按打孔取向打孔，就能得到过圆心的特定取向的气膜孔。但是空心圆棒试件圆心处并没有材料，无法测出取向，因此这种方法对于空心的圆棒试件是不适用的。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种单晶标准圆棒试件特定取向径向气膜孔的获取方法，实现过圆心对单晶标准圆棒试件沿特定的取向打孔，以便研究气膜孔对叶片材料性能的影响，支撑先进航空发动机涡轮叶片的结构强度设计与疲劳寿命预测。

本发明的技术解决方案是：一种单晶标准圆棒试件特定取向径向气膜孔的获取方法，能够实现过圆心对单晶标准圆棒试件沿特定取向打孔，以便研究晶体取向气膜孔对单晶标准圆棒试件性能的影响，具体过程主要分为三步：

(1)在单晶标准圆棒试件任取一点作为基点，测定基点与圆心的径向取向以及过基点的打孔取向，记录两者之间的夹角α，基点绕圆心旋转角度α即可确定打孔点；当打孔点不唯一时，在确定打孔点时可以测定基点与圆心的径向取向以及多个过基点的打孔取向，记录过基点的径向取向及每个过基点的打孔取向之间的夹角α_i，基点绕圆心旋转角度α_i即可同时确定多个打孔点。

(2)将单晶标准圆棒试件放置于夹具底座的槽中，基点竖直向上，参考夹具底座上刻好的量角器旋转角度α，使打孔点竖直向上，然后用压块将单晶标准圆棒试件固定，限制其运动。工装夹具由底座和压块两部分组成。压块底座中心有半圆形槽，用于放置试件；一侧端面用激光刻有量角器，用于确定旋转角度。压块中部带有圆弧形(小于半圆)槽，用于与底座的半圆形槽配合压紧试件，压块与底座之间采用螺栓连接，拧紧螺栓压块压紧在试件上。由于压块的圆弧形槽小于半圆，因此压紧后压块两侧不会同时与底座接触，这样能够保证压块压紧在试件上而不会仅仅压在底座上。

(3)采用制孔工艺(电液束、激光或电火花等)沿打孔点位置过圆心对单晶标准圆棒试件沿设定取向打孔,即可得到特定取向的径向气膜孔。

本发明的优点在于：

(1)本发明能够实现过圆心对单晶标准圆棒试件沿特定取向打孔，以便研究不同取向的气膜孔对单晶标准圆棒试件性能的影响，从而得到适合加工气膜孔的最优取向，指导航空发动机涡轮叶片设计。

(2)本发明中确定打孔点的方法简单可靠，可同时确定多个打孔点，对空心单晶标准圆棒试件和实心单晶标准圆棒试件均适用。

(3)本发明中的工装夹具容易加工、成本低，满足单晶标准圆棒试件的稳定夹持，并且借助端面上激光刻的量角器可以非常方便调节试件的旋转角度。

附图说明

图1为单晶标准圆棒试件特定取向气膜孔的获取原理与方法，其中(a)为确定打孔点的原理；(b)为夹具固定单晶标准圆棒试件的示意图；

图2为未打孔的单晶标准圆棒试件示意图；

图3为打孔点的确定原理的示意图；

图4为本发明夹具的底座示意图，其中(a)为外观图；(b)为俯视图；(c)为正视图；(d)为左视图；(e)为后视图；

图5为本发明夹具的压块示意图，其中(a)为外观图；(b)为正视图；(c)为左视图；(d)为俯视图；

图6为本发明中夹具与试件的装配图，其中(a)为外观图；(b)为后视图。

具体实施方式

本发明主要针对单晶标准圆棒试件特定取向气膜孔的获取进行了设计。单晶标准圆棒试件特定取向的气膜孔的获取原理与方法如图1所示，核心工作是有两个：一是在单晶标准圆棒试件(如图2所示)的中心截面确定打孔点，二是加工特定的工装实现试件的固定。

打孔点的确定方法如图3所示，首先在单晶标准圆棒试件任取一点作为基点A，测定基点A与圆心O的径向取向AO以及过基点A的打孔取向AA’，记录AO与AA’之间的夹角α，根据基本几何知识，α与α’为一对内错角，所以两者相等，因此过圆心O的打孔取向BO可由基点A绕圆心旋转角度α确定，B点即为打孔点。

工装夹具由底座(如图4所示)和压块(如图5所示)两部分组成。压块底座中心有半圆形槽，用于放置试件；一侧端面用激光刻有量角器，用于确定旋转角度。压块中部带有圆弧形(小于半圆)槽，用于与底座的半圆形槽配合压紧试件，压块与底座之间采用螺栓连接，拧紧螺栓压块压紧在试件上。由于压块的圆弧形槽小于半圆，因此压紧后压块两侧不会同时与底座接触，这样能够保证压块压紧在试件上而不会仅仅压在底座上，装配效果如图6所示。

具体过程主要分为三步：

(1)在单晶标准圆棒试件中心截面处任取一点作为基点A，测定基点A与圆心O的径向取向AO以及过基点A的打孔取向AA’，得到AO与AA’之间的夹角α。当打孔点不唯一时(例如2-6时)，在确定打孔点时可以测定基点与圆心的径向取向以及多个过基点的打孔取向，记录过基点的径向取向及每个过基点的打孔取向之间的夹角α_i，基点绕圆心旋转角度α_i即可同时确定多个打孔点。

(2)将单晶标准圆棒试件放置于夹具底座的槽中，基点A竖直向上，参考夹具底座上刻好的量角器旋转角度α，使打孔点B竖直向上，然后用压块将单晶标准圆棒试件固定，限制其运动。

(3)采用制孔工艺(电液束、激光或电火花等)沿B点向圆心O打孔即可得到特定取向的径向气膜孔。

从上述实施过程可以发现，本发明能够实现过圆心对单晶标准圆棒试件沿特定取向打孔，本发明中确定打孔点的方法简单可靠，可同时确定多个打孔点，对空心单晶标准圆棒试件和实心单晶标准圆棒试件均适用。工装夹具容易加工、成本低，满足单晶标准圆棒试件的稳定夹持，并且借助端面上激光刻的量角器可以非常方便调节单晶标准圆棒试件的旋转角度。