专利名称：其中具有残余压应力的变化厚度的构件和其方法
技术领域：
本发明大体上涉及到抗疲劳且耐损伤的构件，以及生产这种构 件的方法。
背景技术：
各种金属的、陶瓷的和复合材料的构件，例如燃气涡轮发动机 的风扇和压缩机叶片，由于疲劳和损伤(例如来自外物冲击)而易于产 生裂紋。这种损伤降低了这些零部件的寿命，需要进行修理或更换。
紋扩展。引入这些应力的方法包括喷丸硬化、激光沖击硬化(LSP)、 紧压硬化和低塑性抛光(LPB)。这些方法通常通过在受保护以免于裂 紋扩展的区域上，例如燃气涡轮发动机的压缩机叶片的前缘上，施 加残余压应力的"小片"来实现。
在抛光操作期间，可利用工艺参数来控制残余压应力层的深度。 已经知道，控制那些参数，就可从高应力区域过渡到低应力区域， 以防止从压应力至拉应力场的高梯度(这种技术被称为"羽状漂移")。 然而，在整个工艺的余下部分，这些参数保持恒定不变，即使在处 理不均匀的横截面(例如三角形的横截面)时。这可能导致在残余压应 力层之间形成拉应力区域，以及残余压应力高于预期范围的区域。
图1显示了带有表面12的普通金属构件10。在较大压力下将抛 光元件14压靠在该表面上，并沿着选定的路径移动。在这个示例中， 抛光元件14是球，但还可使用圆柱形滚子。通常使用加压流体将抛 光元件14压在构件10的表面12上。还可使用机械加载的工具。提 供己知类型的通常为CNC控制的合适设备，以用来加载抛光元件14，
并使其沿着所需路径移动。在抛光期间使用的压力使得在构件10中、 在抛光区域18附近产生塑性应变和残余压应力区域16。残余拉应力
的区域17存在于区域16的边界周围。
图2显示了一个典型的燃气涡轮发动机的压缩机叶片20。这个
例，本发明同样地适用于其它类型的由于疲劳或损伤而易于产生裂 紋的构件，例如压缩机定子叶片、风扇叶片、涡轮叶片、轴和转子、 固定框架、促动器硬件等等。这种构件可由金属合金、陶瓷或复合 材料(例如碳纤维复合材料)制成。压缩机叶片20包括翼型22、平台 24和附根(shank)26。在这个特定示例中，附根26包括用于容纳在转 盘的凹槽(未显示)中的燕尾榫28。翼型22具有前缘30，后缘32,顶 部34,根部36，压力侧38,和与压力侧38相对的吸入侧40。图中 显示携带抛光元件14的抛光工具42沿着翼型22的表面描绘出选定 的抛光路径"P"。在这个示例中，路径"P"包括设置成一系列S圈的多 个线段23。这种路径具有带某一宽度"W"的轨迹，所述宽度由抛光 元件14的宽度和所作用的压力来确定。线段23间隔开一段跨过距 离"S"。在跨过距离S小于宽度W的情况下，将发生线段23的重叠。 在大多数应用中，将存在实质性的重叠，以获得适当的覆盖和所需 的应力图。
图3A和3B显示了应用于翼型22的边缘32上的现有技术的抛 光处理工艺。图3A显示了通过单个抛光元件14应用于压力侧38的 处理工艺，而翼型由块体44支撑。在这种情况下，恒定的在法线方 向T上施加的压力选择成可产生残余压应力区域46，其具有深度 "d"，该深度被限定为离压力侧38表面的距离，其表示为翼型22在 测量点的总厚度的几分之一。抛光元件14从左至右移动。深度d将 随着抛光元件14在远离后缘32的翼型22的较厚部分上的来回移动 而极大地下降。结果是区域46的内部边界48并不平行于翼型22的 弦线中平面M。在这些情况下，深度d将显著地不同于在相对区域46 的轴向末端处的所需深度大小，而不管其末端是用作调整所施加的 压力的基准。
图3B显示了通过相对的抛光元件14和14'而应用于翼型22的 压力侧38和吸入侧40的现有技术的抛光处理工艺。在这种情况下， 作用在法线方向上的压力f和f',其选择成可产生残余压应力区域50 和52，其具有分别从压力侧38和吸入侧40表面测量的深度d和d', 并且表示为翼型22在测量点的总厚度的几分之一。深度d和d'通常 选择成可在后缘32附近产生遍及整个厚度的残余压应力。然而如图 所示，深度d和d'将随着抛光元件14和14'在远离后缘32的翼型22 的较厚部分上的来回移动而极大地下降。结果是，区域52和54的 内部边界54和56并不平行于翼型22的中平面M。如果压力f和f 足以在后缘32附近产生遍及整个厚度的残余压应力，那么这将在翼 型22的较厚部分上产生残余拉应力的内部区域58。可以选择压力f 和f，使得区域50和52融合而产生遍及整个厚度的残余压应力，即 使在所处理区域的最厚部分也是如此。然而，这将在后缘32附近由 于区域50和52的重叠而产生过大的压应力水平。这还可能损坏翼 型22,并导致不合要求的变形。
根据上面的现有技术的缺陷，需要一种在可变厚度的构件中产 生均匀的遍及整个厚度的残余压应力的方法。
发明内容
上述需求通过本发明来满足，其提供了一种考虑到工件厚度而 改变抛光操作参数的方法，从而获得与局部厚度无关的所需的残余 压应力的穿透深度。
根据一个方面，本发明提供了一种具有至少一个外表面的构件， 所述构件包括至少一个残余压应力区域，其从至少一个选定区域中 的表面向内延伸，构件在该至少一个选定区域中的厚度是变化的， 该残余压应力区域由内部边界所包围。
根据本发明的另 一方面，用于燃气涡轮发动机的翼型包括与顶 部间隔开的根部，间隔开的前缘和后缘，从前缘延伸到后缘的吸入 侧，以及从前缘和后缘延伸的相对的压力侧。翼型的厚度被限定在 压力侧和吸入侧之间；并且残余压应力的第 一 区域从压力侧和吸入 侧的所选定的其中一侧的第一区域向内延伸。翼型的厚度在第一区 域中是变化的，并且第一区域4皮第一内部边界包围。残余压应力的 第二区域从压力侧和吸入侧的另 一侧的第二区域向内延伸，翼型的 厚度在第二区域中是变化的，其中第二区域被第二内部边界包围。 基本上所有的第 一和第二内部边界融合在一起。
根据本发明的另 一 方面， 一 种减少构件中的裂紋扩展的方法，
包括提供具有外表面的构件；和使用抛光元件将变化压力施加在 所选定区域中的外表面上，在该区域中，构件具有变化的厚度，从 而产生被内部边界包围的残余压应力区域；其中在所选定区域中的 任何给定的位置，内部边界至外表面的距离都与构件在该位置的厚 度无关。
根据本发明的另 一方面， 一种减少构件中的裂紋扩展的方法包 括，提供具有相对的间隔开的第一和第二外表面的构件；和使用第 一和第二抛光元件将变化的压力施加在相应的第一和第二选定区域 中的外表面上，在该选定区域中，构件具有变化的厚度，从而产生 被第一和第二内部边界包围的残余压应力的第一和第二区域。在相
应的选定区域中的任何给定的位置，各内部边界至相应外表面的距 离与构件在该位置的厚度无关。
根据本发明的另 一 方面， 一 种减少构件中的裂紋扩展的方法包 括提供具有相对间隔开的第一和第二外表面的构件；和使用第一 抛光元件将压力施加在第一选定区域的第一外表面上，在该区域中 构件具有变化的厚度，同时使第 一抛光元件沿着包括由跨过距离间
隔开的线段的第一预选路径而移动，从而产生被第一内部边界包围 的残余压应力的第一区域；其中跨过距离选择成可控制相邻线段之
间的重叠量，从而改变了第一内部边界主第一外表面的距离，使得 在第一选定区域中的任何给定的位置，从内部边界至第一外表面的 距离与构件在该位置的厚度无关。
通过参考以下结合附图所作的详细描述可最好地理解本发明，
其中
图1是应用于构件表面上的现有技术的抛光工艺的示意性侧视
图2是应用于燃气涡轮发动机的压缩机叶片上的现有技术的抛 光工艺的示意性的透视图3A是应用于图2压缩机叶片单侧上的现有技术的抛光处理工 艺的示意性侧-f见图3B是应用于图2压缩机叶片两侧的现有技术的抛光处理工艺 的示意性侧^L图4A是本文所述的应用于压缩机叶片单侧的抛光处理工艺的示 意性侧视图4B是本寸折;术"点闭手A始i几H 意性侧-f见图；和
侧视图
零部件清单
10金属构件
12表面
14 ^勉光元件
16残余压应力区域
17残余^立应力的区域
18抛光区域 20压缩才几叶片
22翼型 23线段 24平台 26附根 28燕尾榫 30前缘 32后缘 34顶部 36根部 38压力侧 40吸入侧 42抛光工具 44块体 46区域 48内部边界 50区域 52区域 54内部边界 56内部边界
58残余拉应力的内部区域
具体实施例方式
图4A和4B显示了一种根据本发明一方面的应用于翼型122的 后缘区域的典型抛光处理工艺，翼型122在处理之前与上述翼型22 是相同的。图4A显示了通过4他光元件114应用于选定区域中的压力 侧138的处理工艺，而翼型122由块体144支撑。本文所述的处理
可应用于翼型122的任何部分。在这种情况下，选择在垂直于表面
的方向上施加的由F表示的压力，以便产生残余压应力区域146,其 具有从吸入侧138的表面测量的深度D(这还可描述为穿透程度)，并 且表示为翼型122在该测量点的总厚度的几分之一。为了获得更均 匀的深度D,随着抛光元件114移动至不同厚度的区域，而改变抛 光参数。具体地说，随着抛光元件114从靠近后缘132的位置移动 至远离后缘132的翼型122的较厚部分时，在法线方向上的压力F 增大。压力通常与厚度成比例。利用这种变化的压力，可以产生具 有内部边界148的区域146，内部边界148带有选定的剖面。内部边 界148可制成与任意预选的内部平面平行。在所示的示例中，内部 边界148的大部分与翼型122的中平面M基本平行，并且与之重合。
当抛光元件114移动通过选定的if各径时，通过控制抛光部分之 间的重叠量，还可操纵深度D,以便完全地或部分地控制内部边界 148。例如，如果跨过距离(图2中用"S"表示)大于抛光部分的宽度 "W"，那么将不存在重叠。当跨过距离减小至小于宽度"W"时，这种 重叠将增大。重叠越大，深度D将越大。这即使在所施加的压力保 持恒定时也是如此，但只是这种重叠对深度D的影响被认为小于抛 光压力对深度D的影响。
图4B显示了根据本发明另一方面的通过相对的抛光元件114和 114'在选定的区域中应用于翼型122的压力侧138和吸入侧140上的 一种典型的抛光处理工艺。在这种情况下，作用在法线方向上的压 力F和F',被选择成可产生残余压应力区域150和152,其具有分别 从压力侧138和吸入侧140表面进行测量、并表示为翼型122在测 量点的总厚度的几分之一的深度D和D'。这种深度D和D'选择成可 使基本上其所有的内部边界154和156在翼型122的中平面M处融 合在一起。基本上所有的或部分的内部边界154和156可彼此重合。 这导致在选定的区域中产生遍及整个厚度的残余压应力，而没有超 过所需的压应力水平。如上所迷，内部边界154和156可具有任意
预选的剖面，并且可制成与任意预选的内部平面相平行。上面相对 于现有技术方法所述的残余拉应力的区域58被消除。
当抛光元件114和114'移动通过选定的路径时，如以上关于单个 抛光元件114所述，通过控制抛光部分之间的重叠量，还可操纵深 度D和D',以便完全地或部分地控制内部边界154和156。
图5显示了根据本发明一个方面的在选定区域中通过抛光元件 214而应用于构件222的表面238上的另一典型的抛光处理工艺。在 这种情况下，表面238包括至少一个特征139(例如凸棱或凹槽)，其 显著地在表面238的余下部分以上或以下而延伸。作用在法线方向 上的压力F如同上述是变化的，从而产生残余压应力区域250,其具 有从表面238进行测量并表示为构件222在测量点处总厚度的几分 之一的变化深度D"。利用这种变化的压力，可以给内部边界254赋 予选定的剖面。内部边界254可制成与任意预选的内部平面平^"。 在这种情况下，深度D"是变化的，使得区域250的基本上所有内部 边界254都与表面238基本平4亍。
上述压力变化可通过各种方式来实现。例如，当抛光元件在不 同的工件部分上移动时，通过:^喿作员的控制，可手动地改变压力。 然而，当抛光元件的运动通常是CNC控制的时，可以分才斤工件的尺 寸，并基于这些尺寸产生和存储使所需压力与工件上可识别的座标 点相关联起来的数据"映像图"。之后当抛光设备使抛光工具移动通过 具有由上迷跨过距离间隔开的线段的选定路径时，通过抛光设备基 于对映像图的参考，就可自动地改变抛光元件上的压力。另外，可 控制跨过距离，以便如上所述当使用这种恒定的压力时，操纵线段 之间的重叠，或者在整个工艺过程中保持选定的重叠量恒定不变， 因为抛光部分的宽度随着压力变化而变化。例如，如果提高抛光压 力，导致抛光线宽度上的增加，那么这种控制将使增加的压力与所 导致的增加的宽度关联起来，并且用于下一线段的跨过距离将减小， 从而不会不合要求地增大重叠的量。
前面已经描述了抗疲劳和耐损伤的构件，以及用于制造这种构 件的方法。虽然已经描述了本发明的特定实施例，但是本领域中的 技术人员应该懂得，在没有脱离本发明的精神和范围的条件下可进 行各种修改。因此，前面对本发明的优选实施例和用于实践本发明 的最佳模式的详细描述只是为了举例说明的目的而提供的，而非出 于限制目的，本发明由权利要求来限定。
权利要求
1.一种具有至少一个外表面的构件(122)，所述构件(122)包括至少一个残余压应力区域(150)，其从至少一个选定区域中的表面(138)向内延伸，所述构件(122)在所述至少一个选定区域中的厚度是变化的，所述区域(146)由内部边界(148)所包围，其中，基本上所有的内部边界(148)都与所述构件(122)中的预选平面平行。
2. 根据权利要求1所述的构件(122),其特征在于，基本上所有 的内部边界(148)都与所述构件(122)的中平面重合。
3. 根据权利要求1所述的构件(122),其特征在于，最大压应力 水平在整个所述区域(150,152)基本上是恒定的。
4. 一种用于燃气涡轮发动^L的翼型(122),包括 与顶部间隔开的根部、间隔开的前缘和后缘(132),从所述前缘延伸至所述后缘的吸入侧(140)，以及从所述前缘和所述后缘(132)延 伸的相对的压力侧(138),其中，所述翼型(122)的厚度被限定在所述 压力侧(138)和所述吸入侧(140)之间；和残余压应力的第 一 区域(150)，其从所述压力侧(138)和所述吸入 侧(140)的选定的其中 一侧的第 一 区域向内延伸，所述翼型(122)的厚 度在所述第 一 区域中是变化的；其中，所述第一区域(146)被第一内部边界(148)包围，和残余压应力的第二区域(l 52),其从所述压力侧(138)和所述吸入 侧(140)的另一侧的第二区域向内延伸，所述翼型(122)的厚度在所述 第二区域中是变化的；其中，所述第二区域(146^皮第二内部边界(148)包围，并且基本 上所有的所述第 一和第二内部边界(146,148)彼此融合在一起。
5. 根据权利要求4所述的构件，其特征在于，残余压应力在所 述第一和第二区域中延伸穿过所述构件的整个厚度。
6. —种减少构件中的裂紋扩展的方法，包括 提供具有外表面的构件(122);和使用抛光元件(114)将变化的压力施加在选定区域中的外表面 上，在所述选定区域中，所述构件具有变化的厚度，从而产生被内 部边界(148)包围的残余压应力区域(146);其中，在所述选定区域中的任何给定的位置，从所述内部边界(148) 至所述外表面的距离与所述构件在该位置的厚度无关。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，基本上所有的内 部边界(148)都与所述外表面基本平行。
8. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述内部边界(148) 的至少一部分与所述构件(122)中的预选平面平行。
9. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述压应力在所 述选定的区域中延伸穿过所述构件(122)的厚度。
10. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述外表面包 括至少一个显著地在所述外表面的余下部分以上或以下延伸的特 征。
全文摘要
一种减少裂纹扩展的方法，包括提供具有外表面的金属构件(122)，和使用抛光元件(114)将变化的压力施加在选定区域中的外表面上，在该区域中，所述构件具有变化的厚度，从而产生由内部边界(154)包围的残余压应力区域(150)。在选定区域中的任何位置，从内部边界(148)至外表面的距离都与构件(122)在该位置的厚度无关，并且可通过改变压力和/或抛光部分之间的重叠量进行控制。
文档编号B24B29/00GK101096966SQ20071012901
公开日2008年1月2日 申请日期2007年6月29日 优先权日2006年6月30日
发明者A·卢纳, J·L·米勒 申请人:通用电气公司