耐疲劳的涡轮贯穿螺栓的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及涡轮贯穿螺栓上的用于减少微动疲劳裂纹萌生和传播的一个或多个表面修饰，并且更具体地涉及具有用于减少微动疲劳裂纹萌生和传播的低塑性抛光层或尖晶石氧化层或者两者的涡轮贯穿螺栓。
【背景技术】
[0002]由IN⑶718材料制成的涡轮贯穿螺栓已经遭受在工业燃气涡轮引擎中的贯穿螺栓密封盘接触位置处的微动高周疲劳失效，如图1所示。裂纹已经由微动高周疲劳所萌生，并且裂纹传播已经被确定为由高周疲劳引起。
【发明内容】
[0003]本申请涉及螺栓，例如但不限于耐疲劳的涡轮贯穿螺栓，其由被第一表面修饰或第二表面修饰或两者覆盖的基底材料形成。第一表面修饰可以与基底材料相接触，并且在至少一个实施例中，可以是是增大涡轮贯穿螺栓的外表面上的残余压缩应力的低塑性抛光层。第二表面修饰可以覆盖第一表面修饰，并且在至少一个实施例中，可以是低塑性抛光层上的尖晶石氧化层。第一表面修饰可以被定位在一个或多个涡轮贯穿螺栓接触表面上，所述一个或多个涡轮贯穿螺栓接触表面被定位在涡轮贯穿螺栓的轴上。第二表面修饰可以被定位在涡轮贯穿螺栓接触表面上的第一表面修饰上，所述涡轮贯穿螺栓接触表面被定位在涡轮贯穿螺栓的轴上。第一表面修饰和第二表面修饰可以减小微动疲劳失效的可能性。
[0004]涡轮贯穿螺栓可以由被第一表面修饰和第二表面修饰覆盖的基底材料形成。第一表面修饰可以与基底材料相接触并且可以是是增大涡轮贯穿螺栓的外表面上的残余压缩应力的低塑性抛光层。第二表面修饰可以覆盖第一表面修饰并且可以是低塑性抛光层上的尖晶石氧化层。基底材料可以是至少由N1、Fe、Mo和Cr的组合形成的IN⑶718。在至少一个实施例中，基底材料可以至少由以下的组合形成:在50 %与55 %之间的镍，在17 %与21 %之间的铬，高达I %的钴，在0.65%与1.15%之间的钛，在4.75%与5.5%之间的钶加钽，在
0.2%与0.8%之间的铝，在2.8%与3.3%之间的钼，以及剩余部分的铁。在至少一个实施例中，基底材料可以包括在12.25%与23.6%之间的铁。第一表面修饰可以被定位在至少一个涡轮贯穿螺栓接触表面上，所述至少一个涡轮贯穿螺栓接触表面被定位在涡轮贯穿螺栓的轴上。第一表面修饰可以具有至少0.040英寸的厚度。第二表面修饰可以被定位在至少一个涡轮贯穿螺栓接触表面上的第一表面修饰上，所述至少一个涡轮贯穿螺栓接触表面被定位在涡轮贯穿螺栓的轴上。第二表面修饰可以由INCO 718材料的尖晶石氧化物形成。在至少一个实施例中，尖晶石氧化物可以由以下形成:(Ni ,Fe)氧化物；(Ni，Cr,Ti)氧化物；(Cr)氧化物或由基底材料的成分组成的其他尖晶石氧化物。
[0005]涡轮贯穿螺栓可以使用形成具有用于减小接触摩擦应力的低摩擦系数表面修饰的涡轮贯穿螺栓的方法来形成。该方法可以包括接收由至少一种基底材料形成的涡轮贯穿螺栓。可以在最终的铣削或研磨或两者之后接收涡轮贯穿螺栓。该方法可以包括使被定位在涡轮贯穿螺栓的轴上的涡轮贯穿螺栓接触表面经受LPB以诱发残余压缩应力，由此形成涡轮贯穿螺栓接触表面上的第一表面修饰。使涡轮贯穿螺栓接触表面经受LPB可以包括使涡轮贯穿螺栓接触表面经受LPB以诱发最小值为10ksi的残余压缩应力。该方法还可以包括使涡轮贯穿螺栓暴露于在具有低于593摄氏度的温度的氧化环境中的低温度应力释放过程两个小时与48个小时之间的时间段，以在第一表面修饰上形成第二表面修饰。接收由基底材料形成的涡轮贯穿螺栓的步骤可以包括接收由INCO 718形成的基底材料形成的涡轮贯穿螺栓，其可以至少由N1、Fe、Mo和Cr的组合形成。在至少一个实施例中，接收由基底材料形成的涡轮贯穿螺栓的步骤可以包括接收由基底材料INCO 718形成的涡轮贯穿螺栓，其中基底材料可以至少由以下的组合形成:在50 %与55 %之间的镍，在17%与21 %之间的铬，高达I %的钴，在0.65%与1.15%之间的钛，在4.75%与5.5%之间的钶加钽，在0.2%与0.8%之间的铝，在2.8 %与3.3 %之间的钼，以及剩余部分的铁。在至少一个实施例中，基底材料可以包括在12.25%与23.6%之间的铁。在第一表面修饰或第二表面修饰或两者已经被施加到涡轮贯穿螺栓之后，涡轮贯穿螺栓不应当被机械加工或被热处置。
[0006]具有由低塑性抛光层形成的第一表面修饰的涡轮贯穿螺栓的优点在于低塑性抛光层增大涡轮贯穿螺栓表面上的残余压缩应力，由此减小裂纹萌生的可能性并且有效地消除通过机械加工产生的涡轮贯穿螺栓上的任何当前残余拉伸表面应力。
[0007]具有由尖晶石氧化表面修饰形成的第二表面修饰的涡轮贯穿螺栓的另一优点在于尖晶石氧化表面修饰形成低摩擦系数表面修饰，低摩擦系数表面修饰防止涡轮贯穿螺栓接触表面与涡轮引擎的裸金属表面处于滑粘条件下，由此减小微动疲劳的可能性。
[0008]涡轮贯穿螺栓的又一优点在于尖晶石氧化表面修饰用作粘着软化剂并减小摩擦系数，由此减小接触表面上的摩擦应力。
[0009]下面更详细地描述这些和其他实施例。
【附图说明】
[0010]并入本说明书中并形成本说明书的一部分的附图图示当前公开的本发明的实施例，并且与说明书一起公开本发明的原理。
[0011]图1是具有断裂的涡轮贯穿螺栓的透视图，因为涡轮贯穿螺栓表面不包括残余压缩应力或尖晶石氧化层。
[0012]图2是示出针对IN⑶718的激光冲击处理(LSP)、低塑性抛光层(LPB)、重力锤击(GP)以及珠击处理(SP)中的每个的压缩的深度VS残余应力的比较的图形。
[0013]图3是针对INCO 718的激光冲击处理(LSP)、低塑性抛光层(LI3B)、重力锤击(GP)以及珠击处理(SP)中的每个的压缩的冷加工百分比VS深度的冷加工分配百分比的图形。
[0014]图4是针对IN⑶718的在室温VS500摄氏度以上的微动疲劳曲线的图形，其示出微动疲劳耐久极限已经由于在INCO 718上形成的尖晶石氧化物而在500摄氏度以上几乎增大 300%。
【具体实施方式】
[0015]如图1-图4所示，本发明涉及涡轮贯穿螺栓10，例如但不限于耐疲劳的涡轮贯穿螺栓10，其由被第一表面修饰14或第二表面修饰16或两者覆盖的基底材料12形成。第一表面修饰14可以与基底材料12相接触，并且在至少一个实施例中，可以是增大涡轮贯穿螺栓10的外表面18上的残余压缩应力的低塑性抛光层。第二表面修饰16可以覆盖第一表面修饰14，并且在至少一个实施例中，可以是低塑性抛光层上的尖晶石氧化层。第一表面修饰14可以被定位在一个或多个涡轮贯穿螺栓接触表面20上，一个或多个涡轮贯穿螺栓接触表面20被定位在涡轮贯穿螺栓10的轴24上。第二表面修饰16可以被定位在涡轮贯穿螺栓接触表面20上的第一表面修饰14上，涡轮贯穿螺栓接触表面20被定位在涡轮贯穿螺栓10的轴24上。第一表面修饰14和第二表面修饰16可以减小微动和接触疲劳失效的可能性。
[0016]涡轮贯穿螺栓10可以由涡轮贯穿螺栓头22形成，涡轮贯穿螺栓头22耦合到从其侧向延伸的轴24。涡轮贯穿螺栓头22可以比轴24大并且可以包括在被定位靠近