专利名称：钛合金叶轮表面完整性检测方法
技术领域：
本发明涉及一种检测方法，尤其是一种钛合金叶轮表面完整性检测方法。
背景技术：
现有航空领域中的钛合金叶轮的加工，一般为车削后铣削加工，对于叶轮的表面完整性不做过多地补充处理，导致叶轮普遍寿命不高，达不到设计要求寿命最低限40000 次循环。因此，为了提高叶轮的寿命，需要对叶轮的表面完整性提出新的要求。这些要求包括叶片表面粗糙度达到O. 4 ;表面残余应力要求如果应力测量值I。I彡210 MPa，那么其各点的应力变化满足Λ σ彡60 MPa，切向应力满足τ彡8 MPa ;如果应力测量值I σ |〈 210 MPa，那么其各点的应力变化满足Λ σ彡30 MPa或σ (两个值中最大的)，切向应力满足τ < 8 MPa ;加工后无磨削烧伤、无表面硬化。
这些叶轮表面完整性要求可以是保证叶轮寿命，针对要求，对钛合金叶轮的加工工艺进行了进一步的探讨和优化，包括表面抛光和磨粒流加工。但对于优化加工后的钛合金叶轮表面完整性的各项指标，应该如何进行科学准确的检测，采用哪些检测方法和如何操作的技术尚属空白。
发明内容
本发明的目的是提供一套叶轮表面完整性检测方法，包括叶轮的表面粗糙度、表面残余应力、表面微观缺陷、磨削烧伤和表面硬化的检测的操作程序和操作方法，以实现对机械加工后的叶轮的表面完整性科学准确的计量，为设计计算和分析叶轮疲劳寿命提供可靠数据。
本发明的具体技术方案为，钛合金叶轮表面完整性的检测方法包括以下步骤(I)准备好被检测的钛合金叶轮零件；(2)目视检测叶轮的外观目视零件的外观表面是否有明显的划痕及表面不连续性缺陷；(3)检测叶轮表面粗糙度1)将零件固定安装在粗糙度测量机上；2)设定粗糙度检测评定长度为2 5mm；3)测量零件轮毂表面粗糙度Ra值在轮毂同一位置按圆周方向均布，选取任意3 5 点作为测量面，在每一点上沿径向和周向两个方向分别测量取值；4)测量零件外直径表面、叶轮背面、叶轮叶尖表面的粗糙度Ra值每一个部位至少任取3个点，在每一点上沿径向和周向两个方向分别测量取值；5)打印粗糙度测量曲线；(4)测量叶轮表面残余应力分布情况I)残余应力分析采用X射线衍射方法进行，使用的设备包含下列测量参数有关联不确定性的主要应力值符合两标准偏差0 ± A 0 ；
切应力值T ;
强度比=RI ；
衍射波峰的整体宽度LI ；
2)将被测零件放置在仪器测量台上，选取测量衍射和探测条件
靶板铜；
滤板镍；
波长:1. 540 Ium ；
衍射角度141° ;
物质常量Sl=-2. 639X IOMPa-1 和 S2 =11. 898X 10_6 MPa-1 ；
在-39°和+39°之间的至少可以使用90角；
3)定义衍射分离角度的位置，并保证
衍射波峰整体宽度L1:0. 8 X平均宽度< LI <1. 2 X平均宽度；
每个衍射波峰净高> 300个脉冲；
4)按照设计图样要求选取测量点，对每个测量点的残余应力必须在轴向和径向两个方向测定；
5)给出每个测量点的实际测量值；
(5)检测叶轮表面微观缺陷
1)对叶轮外表面进行常规荧光检测；
2)对叶轮内腔表面进行常规涡流检测；
(6)检测叶轮表面加工硬化缺陷
1)按照设计图样要求选取需要检测部位；
2)制备试样对每处检测部位切取轴向和径向2个试样并制备金相试样,制备金相试样时，试样检验面垂直于切割表面；
3)抛光将试样镶嵌在试片固定剂中，检测表面向上，然后用500 1000粒度的金相砂纸抛光试片至呈镜面状；
4)化学腐蚀采用体积比为2% 3%的硝酸、3% 5%的氢氟酸、其余为蒸馏水的液体对试件进行浸泡，时间为20 80秒； 5)观测在200倍的放大率的光学显微镜下进行表面结构观测，对比加工表面及心部组织是否存在差异，观察晶粒取向和结构判定是否存在加工硬化层；
(7)检测叶轮表面是否有烧伤缺陷
1)对零件表面进行除油使用丙酮清洗，去除尤其是机械加工过程中造成的污染，同时用毛刷刷洗需检验的部位；
2)使用清洁干燥的压缩空气吹干零件；
3)配制金相酸蚀溶液，酸蚀溶液的体积比为10% 13%的硝酸、0.5% 1. 5%氢氟酸、其余为蒸馏水；将零件在室温浸入酸蚀溶液中，并使用磁力搅拌装置搅拌酸蚀溶液，酸蚀时间在1. 5 2. 5分钟之间；
4)用水清洗被酸蚀的表面去除残余的酸蚀溶液；
5)使用清洁干燥的压缩空气吹干零件；6)使用放大倍率6到40倍的双筒放大镜观测零件的酸蚀表面，检测是否存在磨削烧伤；(8)最终判定。
本发明通过一套系统的流程方法，采用各种测量设备及测量手段，并配制了所需要的各项溶液，完成了钛合金叶轮的表面粗糙度、表面残余应力、表面微观缺陷、磨削烧伤和表面硬化的检测的操作程序和操作方法，实现了对机械加工后的叶轮的表面完整性科学准确的计量，为设计计算和分析叶轮疲劳寿命提供可靠数据。
具体实施方式
一种钛合金叶轮表面完整性检测方法，所述的方法包括以下步骤(1)准备好被检测的钛合金叶轮零件；(2)目视检测叶轮的外观目视零件的外观表面是否有明显的划痕及表面不连续性缺陷；(3)检测叶轮表面粗糙度1)将零件固定安装在粗糙度测量机上； 2)设定粗糙度检测评定长度为2 5mm；3)测量零件轮毂表面粗糙度Ra值在轮毂同一位置按圆周方向均布，选取任意3 5 点作为测量面，在每一点上沿径向和周向两个方向分别测量取值；4)测量零件外直径表面、叶轮背面、叶轮叶尖表面的粗糙度Ra值每一个部位至少任取3个点，在每一点上沿径向和周向两个方向分别测量取值；5)打印粗糙度测量曲线；(4)测量叶轮表面残余应力分布情况1)残余应力分析采用X射线衍射方法进行，使用的设备包含下列测量参数有关联不确定性的主要应力值符合两标准偏差σ ± △ σ ;切应力值τ ；强度比=RI ;衍射波峰的整体宽度LI ；2)将被测零件放置在仪器测量台上，选取测量衍射和探测条件靶板铜;滤板镍;波长1. 540 Ium ；衍射角度141° ;物质常量Sl=-2. 639X10MPa-1 和 S2 =11. 898X10_6 MPa；在-39°和+39°之间的至少可以使用9β角；3)定义衍射分离角度的位置，并保证衍射波峰整体宽度L1:0. 8 X平均宽度< LI <1. 2 X平均宽度；每个衍射波峰净高> 300个脉冲；4)按照设计图样要求选取测量点，对每个测量点的残余应力必须在轴向和径向两个方向测定；5)给出每个测量点的实际测量值；
(5)检测叶轮表面微观缺陷
1)对叶轮外表面进行常规荧光检测；
2)对叶轮内腔表面进行常规涡流检测；
(6)检测叶轮表面加工硬化缺陷
1)按照设计图样要求选取需要检测部位；
2)制备试样对每处检测部位切取轴向和径向2个试样并制备金相试样,制备金相试样时，试样检验面垂直于切割表面； 3)抛光将试样镶嵌在试片固定剂中，检测表面向上，然后用500 1000粒度的金相砂纸抛光试片至呈镜面状；
4)化学腐蚀采用体积比为2% 3%的硝酸、3% 5%的氢氟酸、其余为蒸馏水的液体对试件进行浸泡，时间为20 80秒；
5)观测在200倍的放大率的光学显微镜下进行表面结构观测，对比加工表面及心部组织是否存在差异，观察晶粒取向和结构判定是否存在加工硬化层；
(7)检测叶轮表面是否有烧伤缺陷
1)对零件表面进行除油使用丙酮清洗，去除尤其是机械加工过程中造成的污染，同时用毛刷刷洗需检验的部位；
2)使用清洁干燥的压缩空气吹干零件；
3)配制金相酸蚀溶液，酸蚀溶液的体积比为10% 13%的硝酸、0.5% 1. 5%氢氟酸、其余为蒸馏水；将零件在室温浸入酸蚀溶液中，并使用磁力搅拌装置搅拌酸蚀溶液，酸蚀时间在1. 5 2. 5分钟之间；
4)用水清洗被酸蚀的表面去除残余的酸蚀溶液；
5)使用清洁干燥的压缩空气吹干零件；
6)使用放大倍率6到40倍的双筒放大镜观测零件的酸蚀表面，检测是否存在磨削烧
伤；
(8)最终判定。
实施例某涡轴航空发动机XX叶轮，材料为钛合金，要求表面完整性的指标为叶片表面粗糙度达到0.4 ;表面残余应力要求如果应力测量值I O I彡210 MPa，那么其各点的应力变化满足A。彡60 MPa，切向应力满足T彡8 MPa ;如果应力测量值I。|〈 210 MPaJP么其各点的应力变化满足Ao彡30 MPa或O (两个值中最大的)，切向应力满足t彡8MPa ;加工后无磨削烧伤、无表面硬化。在加工完成后对其表面完整性进行检测，具体步骤如下
(1)准备好被检测的钛合金叶轮零件；
(2)目视检测叶轮的外观目视零件的外观表面是否有明显的划痕及表面不连续性缺
陷；
(3)检测叶轮表面粗糙度
I)将零件固定安装在粗糙度测量机上；2)设定粗糙度检测评定长度为2mm；3)测量零件轮毂表面粗糙度Ra值在轮毂同一位置按圆周方向均布，选取任意3点作为测量面，在每一点上沿径向和周向两个方向分别测量取值；4)测量零件外直径表面、叶轮背面、叶轮叶尖表面的粗糙度Ra值每一个部位至少任取3个点，在每一点上沿径向和周向两个方向分别测量取值；5)打印粗糙度测量曲线；(4)测量叶轮表面残余应力分布情况1)残余应力分析采用X射线衍射方法进行，使用的设备为残余应力分析仪，该设备包含了下列测量参数有关联不确定性的主要应力值符合两标准偏差σ ± △ σ ;切应力值τ ；强度比=RI ;衍射波峰的整体宽度LI ；2)将被测零件放置在仪器测量台上，选取测量衍射和探测条件靶板铜;滤板镍;波长1. 540 Ium ；衍射面2 I 3 ; 衍射角度141° ;物质常量Sl=-2. 639X IOMPa-1 和 S2 =11. 898X 10_6 MPa-1 ；在-39°和+39°之间的至少可以使用9β角；3)定义衍射分离角度的位置，并保证衍射波峰整体宽度L1:0. 8 X平均宽度< LI <1. 2 X平均宽度；每个衍射波峰净高> 300个脉冲；4)按照设计图样要求选取测量点，对每个测量点的残余应力必须在轴向和径向两个方向测定；5)给出每个测量点的实际测量值；(5)检测叶轮表面微观缺陷1)对叶轮外表面进行常规荧光检测；2)对叶轮内腔表面进行常规涡流检测；(6)检测叶轮表面加工硬化缺陷O按照设计图样要求选取需要检测部位；2)制备试样对每处检测部位切取轴向和径向2个试样并制备金相试样,制备金相试样时，试样检验面垂直于切割表面；3)抛光将试样镶嵌在试片固定剂中，检测表面向上，然后用500 1000粒度的金相砂纸抛光试片至呈镜面状；4)化学腐蚀采用体积比为2%的硝酸、3%的氢氟酸、其余为蒸馏水的液体对试件进行浸泡，时间为70秒；5)观测在200倍的放大率的光学显微镜下进行表面结构观测，对比加工表面及心部组织是否存在差异，观察晶粒取向和结构判定是否存在加工硬化层；
(7)检测叶轮表面是否有烧伤缺陷
1)对零件表面进行除油使用丙酮清洗，去除尤其是机械加工过程中造成的污染，同时用毛刷刷洗需检验的部位；
2)使用清洁干燥的压缩空气吹干零件；
3)配制金相酸蚀溶液，酸蚀溶液的体积比为10%的硝酸、1.5%氢氟酸、其余为蒸馏水；将零件在室温浸入酸蚀溶液中，并使用磁力搅拌装置搅拌酸蚀溶液，酸蚀时间在1. 5分钟之间；
4)用水清洗被酸蚀的表面去除残余的酸蚀溶液；
5)使用清洁干燥的压缩空气吹干零件；
6)使用放大倍率为40倍的双筒放大镜观测零件的酸蚀表面，检测是否存在磨削烧伤；
(8)最终判定
叶片表面粗糙度达到RaO. 24mm ；
表面残余应力 达到1.1≤325 MPa A O ^ 30 MPa, x≤3. 26 MPa;
磨削加工后表面无烧伤、无表面硬化，产品合格。
权利要求
1.一种钛合金叶轮表面完整性检测方法，其特征是，所述的方法包括以下步骤 (1)准备好被检测的钛合金叶轮零件； (2)目视检测叶轮的外观目视零件的外观表面是否有明显的划痕及表面不连续性缺陷； (3)检测叶轮表面粗糙度 1)将零件固定安装在粗糙度测量机上； 2)设定粗糙度检测评定长度为2 5mm； 3)测量零件轮毂表面粗糙度Ra值在轮毂同一位置按圆周方向均布，选取任意3 5点作为测量面，在每一点上沿径向和周向两个方向分别测量取值； 4)测量零件外直径表面、叶轮背面、叶轮叶尖表面的粗糙度Ra值每一个部位至少任取3个点，在每一点上沿径向和周向两个方向分别测量取值； 5)打印粗糙度测量曲线； (4)测量叶轮表面残余应力分布情况 1)残余应力分析采用X射线衍射方法进行，使用的设备包含下列测量参数 有关联不确定性的主要应力值符合两标准偏差σ ± △ σ ; 切应力值τ ； 强度比=RI ; 衍射波峰的整体宽度LI ； 2)将被测零件放置在仪器测量台上，选取测量衍射和探测条件 靶板铜; 滤板镍;波长1. 540 Ium ； 衍射角度141° ;物质常量Sl=-2. 639X IOMPa-1 和 S2 =11. 898X 10_6 MPa-1 ； 在-39°和+39°之间的至少可以使用9β角； 3)定义衍射分离角度的位置，并保证 衍射波峰整体宽度L1:0. 8 X平均宽度< LI <1. 2 X平均宽度； 每个衍射波峰净高> 300个脉冲； 4)按照设计图样要求选取测量点，对每个测量点的残余应力必须在轴向和径向两个方向测定； 5)给出每个测量点的实际测量值； (5)检测叶轮表面微观缺陷 1)对叶轮外表面进行常规荧光检测； 2)对叶轮内腔表面进行常规涡流检测； (6)检测叶轮表面加工硬化缺陷 O按照设计图样要求选取需要检测部位； 2)制备试样对每处检测部位切取轴向和径向2个试样并制备金相试样,制备金相试样时，试样检验面垂直于切割表面； 3)抛光将试样镶嵌在试片固定剂中，检测表面向上，然后用500 1000粒度的金相砂纸抛光试片至呈镜面状； 4)化学腐蚀采用体积比为2% 3%的硝酸、3% 5%的氢氟酸、其余为蒸馏水的液体对试件进行浸泡，时间为20 80秒； 5)观测在200倍的放大率的光学显微镜下进行表面结构观测，对比加工表面及心部组织是否存在差异，观察晶粒取向和结构判定是否存在加工硬化层； (7)检测叶轮表面是否有烧伤缺陷 1)对零件表面进行除油使用丙酮清洗，去除尤其是机械加工过程中造成的污染，同时用毛刷刷 洗需检验的部位； 2)使用清洁干燥的压缩空气吹干零件； 3)配制金相酸蚀溶液，酸蚀溶液的体积比为10% 13%的硝酸、O.5% 1. 5%氢氟酸、其余为蒸馏水；将零件在室温浸入酸蚀溶液中，并使用磁力搅拌装置搅拌酸蚀溶液，酸蚀时间在1. 5 2. 5分钟之间； 4)用水清洗被酸蚀的表面去除残余的酸蚀溶液； 5)使用清洁干燥的压缩空气吹干零件； 6)使用放大倍率6到40倍的双筒放大镜观测零件的酸蚀表面，检测是否存在磨削烧伤； (8)最终判定。
全文摘要
本发明涉及一种钛合金叶轮表面完整性检测方法，包括对测量步骤的合理设置及参数的选择，可以实现钛合金叶轮的表面粗糙度、表面残余应力、表面微观缺陷、磨削烧伤和表面硬化的检测的操作程序和操作方法，实现了对机械加工后的叶轮的表面完整性科学准确的计量，为设计计算和分析叶轮疲劳寿命提供可靠数据。
文档编号G01L1/25GK102998312SQ20121049761
公开日2013年3月27日 申请日期2012年11月29日 优先权日2012年11月29日
发明者田丽波, 李铁军, 郭君伟, 王铁海, 刘可, 郑洪涛, 薄锡金, 雷云莲, 马瑞, 王静 申请人:哈尔滨东安发动机(集团)有限公司