CN111551460A - 一种检验涡轮盘榫槽可达性的试片和评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于零件表面处理技术，涉及一种检验涡轮盘榫槽可达性的试片和评估方法；本发明设计了一种与榫槽榫齿材质及表面加工状态基本一致的试片，并设计了一个与涡轮盘结构基本一致的模拟件，将试片镶嵌在榫槽榫齿的受力面\非受力面位置，从而有效模拟榫槽的榫齿的结构干涉情况。在评估中，本发明综合考虑喷丸后的表面完整性情况，选择了三个可以定量化的表面完整性参数进行测量，通过获得直射条件下对照试片的表面完整性参数，从而计算出方程F中的三个定量(a、b、c)，并代入方程F，并据此方程比较不同多角度斜射喷丸工艺的优劣。

Description

一种检验涡轮盘榫槽可达性的试片和评估方法
技术领域
本发明属于零件表面处理技术，涉及一种检验涡轮盘榫槽可达性的试片和评估方法。
背景技术
喷丸强化技术是基于塑性形变强化理论，通过高速运动的弹丸撞击金属表面，引起金属表面发生塑性变形，形成组织强化层和残余压应力层，从而提高金属的疲劳性能、耐磨损和抗应力腐蚀性能。该技术具有强化效果显著、表面质量好、工艺稳定性高等一系列优点，在国内外航空制造业被广泛应用。
涡轮盘是航空发动机的关键零件，承受高温、高载、接触磨损等多重因素影响，发生疲劳失效的风险较高，被列为“限寿件”。对于涡轮盘，榫槽是疲劳裂纹萌生概率较高的部位。榫槽的榫齿由受力面、非受力面、齿顶和底部过渡R角等四部分组成。其中，受力面是疲劳失效高发区域，因而成为重点关注区域。研究表明，喷丸强化成为提高受力面疲劳性能的有效手段。
但是，由于受到结构干涉的影响，受力面的喷丸可达性并不佳，目前仅凭研究人员的经验或单一测量参数判断喷丸可达性程度，存在误差较大的问题，尚未形成量化的评估方法。另外，目前检验喷丸强度常采用Almen标准试片，该试片的材质及加工方法与涡轮盘榫槽均不相同，难以准确反映喷丸可达性程度。
发明内容
本发明的目的是：提出一种检验涡轮盘榫槽可达性的试片和评估方法，形成量化的评估方法，可解决传统方法评估误差较大的难题，为喷丸强化效果提供了一种检验手段，满足工艺研发、固化和质量检验的需求。
本发明的技术方案是：
一种检验涡轮盘榫槽喷丸可达性的评估方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
1.1加工一个涡轮盘模拟件，在榫槽的榫齿的受力面/非受力面制作一个凹槽，根据该凹槽的尺寸制作一个与待喷丸的涡轮盘尺寸、材质相同的试片，将试片嵌入凹槽内，两者呈间隙配合；
1.2将嵌入试片的涡轮盘模拟件喷丸：采用多角度斜射喷丸工艺方法对涡轮盘模拟件榫槽的榫齿的受力面/非受力面进行喷丸强化；
1.3试片检验：取下试片，将试片均分为上、中和下3个部分，并采用如下方法进行检验：
1.3.1、表面粗糙度检验
在上、中和下部每个部分选取3个测量点，各测量1次，取平均值后，获得上、中和下部的表面粗糙度值Rup、Rmid和Rdown；
1.3.2、表面残余压应力检验
分别测量喷丸后的试片表面残余应力值，在上、中和下部每个部分选取3个测量点，各测量1次，取平均值后，获得上、中和下部的表面残余压应力值Sup、Smid和Sdown；
1.3.3、硬化层厚度检验
将试片镶样获得金相试样，并将与被喷丸面相垂直的横截面进行抛光，获得被喷丸面沿深度方向的显微硬度分布，从而获得硬化层厚度；在上、中和下部每个部分选取3个测量点，各测量1次，取平均值后，获得上、中和下部的硬化层厚度Dup、Dmid和Ddown；
1.4、喷丸可达性判定
喷丸可达性程度F计算公式如下：
F＝a*R+b*S+c*D，…………………………………………(1)
其中，a为表面粗糙度系数、b为表面残余应力系数、c为硬化层厚度系数
计算在不同多角度斜射喷丸工艺条件下获得的F值：将Rup、Rmid和Rdown；Sup、Smid和Sdown；Dup、Dmid和Dmid分别代入公式中求出Fup、Fmid Fdown值；F值趋近于1效果最佳，通过得到的Fup、Fmid Fdown值判定该工艺的喷丸可达性程度，择优选定最终工艺(Xoptimized)。
所述表面粗糙度系数a、为表面残余应力系数b、为硬化层厚度系数c值的是通过以下方法得到：
取一件所述试片作为对照试片，将该试片放置在喷丸工作台上，采用直射喷丸工艺方法对该对照试片的待喷丸面进行喷丸；通过三组直射喷丸工艺(Y1，Y2和Y3)，按照步骤1.3.1至1.3.3所述方法获得在相同的涡轮盘榫槽材质和结构条件下的三组值R1、S1、D1，R2、S2、D2和R3、S3、D3，将三组值分别代入公式(1)中，设定直射喷丸工艺方法为无干涉遮挡，F＝1，换算得到a、b和c值。
所述涡轮盘模拟件，以钢锭或铝合金锭为毛坯，通过机械加工或增材制造方法，
所述试片嵌入凹槽内时采用速干胶水、万能胶水或双面胶固定，取下试片前采用丙酮或汽油溶解并去除掉速干胶水、万能胶水或双面胶，
所述表面粗糙度检验采用白光干涉仪或划痕仪测量喷丸后的试片的表面粗糙度值。
所述表面残余压应力依照标准GB/T 7704《无损检测X射线应力测定方法》检验。
所述硬化层厚度采用显微硬度计，依照标准GB/T 4340.1《金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》检验。
所述三组直射喷丸工艺(Y1，Y2和Y3)的差异在于弹丸规格、喷丸强度或覆盖率不同。
所述的试片，其特征在于：所述试片的形状为长方体，其长度比待检验的榫槽的榫齿的受力面/非受力面的长度小于1％～10％，宽度比待检验的榫槽的榫齿的受力面/非受力面的宽度小于1％～10％，厚度为1mm～3mm；试片的材质与待喷丸的涡轮盘的材质相同，表面粗糙度Ra0.4μm～Ra0.8μm，表面粗糙度Ra0.8μm～Ra3.2μm。
所述试片的待喷丸面采用磨削加工，其余面采用线切割加工成形。
本发明的优点是：
其一，相比传统的Almen标准试片，本专利的试片的材质与涡轮盘榫槽的材质相同，且加工方法类似，更为准确地反映榫槽的表面加工状态，从而为后续评估方法提供更有效的硬件基础。
其二，相比传统的经验判断方法，本方法将喷丸可达性定量化，测试精度和准确度更高。
第三，相比传统的单一测量参数判定方法，本方法将表面粗糙度、表面残余应力和硬化层厚度三个参数纳入统一的计算公式中，评估方法更为全面。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明：
一种检验涡轮盘榫槽喷丸可达性的试片，它的形状为长方体，其长度比待检验的榫槽的榫齿的受力面/非受力面的长度小1％～10％，宽度比待检验的榫槽的榫齿的受力面/非受力面的宽度小1％～10％，厚度为1mm～3mm；试片的材质与待喷丸的涡轮盘的材质相同，试片的待喷丸面采用磨削加工，表面粗糙度Ra0.4μm～Ra0.8μm，其余面采用线切割加工成形，表面粗糙度Ra0.8μm～Ra3.2μm。
一种检验涡轮盘榫槽喷丸可达性的评估方法，所述方法包括如下步骤：
1、试片装夹：
1.1涡轮盘模拟件加工：以钢锭或铝合金锭为毛坯，通过机械加工或增材制造方法，获得一个与涡轮盘尺寸基本一致的模拟件，其中，榫槽的榫齿的受力面/非受力面存在一个凹槽，该凹槽的尺寸与所述试片的尺寸基本相同，两者呈间隙配合；
1.2将所述试片嵌入凹槽内，并采用速干胶水、万能胶水或双面胶固定；
2、试片喷丸：采用多角度斜射喷丸工艺方法对榫槽的榫齿的受力面/非受力面进行喷丸强化；
3、试片检验：采用丙酮或汽油溶解并去除掉速干胶水、万能胶水或双面胶，取下试片，将试片均分为上、中和下3个部分，采用如下方法进行检验：
3.1、表面粗糙度检验
分别采用白光干涉仪或划痕仪测量喷丸后的试片的表面粗糙度值，每个部分选取3个测量点，各测量1次，取平均值后，获得上、中和下部分的表面粗糙度值Rup、Rmid和Rdown；
3.2、表面残余压应力检验
依照标准GB/T 7704《无损检测X射线应力测定方法》，分别测量喷丸后的试片表面残余应力值，每个部分选取3个测量点，各测量1次，取平均值后，获得上、中和下部分的表面残余压应力值Sup、Smid和Sdown；
3.3、硬化层厚度检验
将试片镶样获得金相试样，并将与被喷丸面相垂直的横截面进行抛光，分别采用显微硬度计，依照标准GB/T 4340.1《金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》，获得被喷丸面沿深度方向的显微硬度分布，从而获得硬化层厚度；每个部分选取3个测量点，各测量1次，取平均值后，获得上、中和下部分的硬化层厚度Dup、Dmid和Ddown；
4、喷丸可达性判定
喷丸可达性程度F计算公式如下：
F＝a*R+b*S+c*D，…………………………………………(1)
其中，a为表面粗糙度系数、b为表面残余应力系数、c为硬化层厚度系数
计算在不同多角度斜射喷丸工艺条件下获得的F值：将Rup、Rmid和Rdown；Sup、Smid和Sdown；Dup、Dmid和Dmid分别代入公式中求出Fup、Fmid Fdown值；F值趋近于1效果最佳，通过得到的Fup、Fmid Fdown值判定该工艺的喷丸可达性程度，择优选定最终工艺(Xoptimized)，其中，X为多角度斜射喷丸工艺。
所述表面粗糙度系数a、为表面残余应力系数b、为硬化层厚度系数c值的是通过以下方法得到：
取一件所述试片作为对照试片，将该试片放置在喷丸工作台上，采用直射喷丸工艺方法对该对照试片的待喷丸面进行喷丸；通过三组直射喷丸工艺(Y1，Y2和Y3)，按照步骤1.3.1至1.3.3所述方法获得在相同的涡轮盘榫槽材质和结构条件下的三组值R1、S1、D1，R2、S2、D2和R3、S3、D3，将三组值分别代入公式(1)中，设定直射喷丸工艺方法为无干涉遮挡，F＝1，换算得到a、b和c值。
三组直射喷丸工艺(Y1，Y2和Y3)的差异在于弹丸规格、喷丸强度或覆盖率；不同多角度斜射喷丸工艺的差异在于喷丸路径、入射角度、喷射压力、弹丸流量、相对移动速度或喷枪。
本发明的工作原理是：
本发明设计了一种与榫槽榫齿材质及表面加工状态基本一致的试片，并设计了一个与涡轮盘结构基本一致的模拟件，将试片镶嵌在榫槽榫齿的受力面\非受力面位置，从而有效模拟榫槽的榫齿的结构干涉情况。在评估中，本发明综合考虑喷丸后的表面完整性情况，选择了三个可以定量化的表面完整性参数进行测量，通过获得直射条件下对照试片的表面完整性参数，从而计算出方程F中的三个定量(a、b、c)，并代入方程F，并据此方程比较不同多角度斜射喷丸工艺的优劣。
实施例1
下面结合具体实施案例对本发明的具体实施方式做详细的说明，但本发明不应仅限于此实施案例：
本发明提供了一种检验涡轮盘榫槽喷丸可达性的试片，形状为长方体：长度为10mm，比待检验的榫槽的榫齿的受力面的长度小1％；试片宽度为1mm，比待检验的榫槽的榫齿的受力面/非受力面的宽度小10％；试片厚度为1mm；试片的材质为GH4169高温合金；试片的待喷丸面采用磨削加工，表面粗糙度Ra0.4μm，其余面采用线切割加工成形，表面粗糙度Ra3.2μm。
一种检验涡轮盘榫槽喷丸可达性的评估方法，步骤如下：
1、试片装夹：
1.1涡轮盘模拟件加工：采用牌号2024的铝合金锭为毛坯，通过机械加工方法，获得一个与涡轮盘尺寸基本一致的模拟件，其中，榫槽的榫齿的受力面存在一个凹槽，该凹槽的尺寸与权利要求1所述试片的尺寸基本相同，两者呈间隙配合；
1.2将试片嵌入凹槽内，并采用万能胶水固定；
2、试片喷丸：采用多角度斜射喷丸工艺方法对榫槽的榫齿的受力面/非受力面进行喷丸强化；
3、试片检验：采用丙酮溶解并去除掉万能胶水，取下试片，将试片均分为上、中和下3个部分，采用如下方法进行检验：如表1
3.1、表面粗糙度检验
分别采用白光干涉仪测量喷丸后的试片的表面粗糙度值，每个部分选取3个测量点，各测量1次，取平均值后，获得上、中和下部分的表面粗糙度值Rup、Rmid和Rdown；
3.2、表面残余压应力检验
依照标准GB/T 7704《无损检测X射线应力测定方法》，分别测量喷丸后的试片表面残余应力值，每个部分选取3个测量点，各测量1次，取平均值后，获得上、中和下部分的表面残余压应力值Sup、Smid和Sdown；
3.3、硬化层厚度检验
将试片镶样获得金相试样，并将与被喷丸面相垂直的横截面进行抛光，分别采用显微硬度计，依照标准GB/T 4340.1《金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》，获得被喷丸面沿深度方向的显微硬度分布，从而获得硬化层厚度；每个部分选取3个测量点，各测量1次，取平均值后，获得上、中和下部分的硬化层厚度Dup、Dmid和Ddown；
4、喷丸可达性判定
本专利使用F值作为喷丸可达性程度判定依据，计算F值的公式如下：
F＝a*R+b*S+c*D，…………………………………………(1)
取一件所述试片作为对照试片，将该试片放置在喷丸工作台上，采用直射喷丸工艺方法对该试片的待喷丸面进行喷丸，通过三组直射喷丸工艺(Y1，Y2和Y3)，三组直射喷丸工艺的差异在于喷丸强度(0.10A、0.15A和0.20A)，按照3.1所述方法获得对照试片的表面粗糙度值R1、R2和R3；按照3.2所述方法获得参照试片的表面残余压应力值S1、S2和S3；按照3.3所述方法获得参照试片的硬化层厚度D1、D2和D3；详见表1。将上述值代入公式(1)中换算得到a、b和c值，详见表2
计算在不同多角度斜射喷丸工艺条件下获得的F值：将Rup、Rmid和Rdown；Sup、Smid和Sdown；Dup、Dmid和Dmid分别代入公式中求出Fup、Fmid Fdown值；Fup＝0.9105值趋近于1效果最佳，因此试片上部采用的工艺作为最终工艺。
表1
Figure BDA0002484367980000061
表2
Figure BDA0002484367980000062
Figure BDA0002484367980000071
表3
Figure BDA0002484367980000072

Claims (10)

1.一种检验涡轮盘榫槽喷丸可达性的评估方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
1.1加工一个涡轮盘模拟件，在榫槽的榫齿的受力面/非受力面制作一个凹槽，根据该凹槽的尺寸制作一个与待喷丸的涡轮盘尺寸、材质相同的试片，将试片嵌入凹槽内，两者呈间隙配合；
1.2将嵌入试片的涡轮盘模拟件喷丸：采用多角度斜射喷丸工艺方法对涡轮盘模拟件榫槽的榫齿的受力面/非受力面进行喷丸强化；
1.3试片检验：取下试片，将试片均分为上、中和下3个部分，并采用如下方法进行检验：
1.3.1、表面粗糙度检验
在上、中和下部每个部分选取3个测量点，各测量1次，取平均值后，获得上、中和下部的表面粗糙度值Rup、Rmid和Rdown；
1.3.2、表面残余压应力检验
分别测量喷丸后的试片表面残余应力值，在上、中和下部每个部分选取3个测量点，各测量1次，取平均值后，获得上、中和下部的表面残余压应力值Sup、Sup和Sdown；
1.3.3、硬化层厚度检验
将试片镶样获得金相试样，并将与被喷丸面相垂直的横截面进行抛光，获得被喷丸面沿深度方向的显微硬度分布，从而获得硬化层厚度；在上、中和下部每个部分选取3个测量点，各测量1次，取平均值后，获得上、中和下部的硬化层厚度Dup、Dmid和Ddown；
1.4、喷丸可达性判定
喷丸可达性程度F计算公式如下：
F＝a*R+b*S+c*D，.................................................(1)
其中，a为表面粗糙度系数、b为表面残余应力系数、c为硬化层厚度系数
计算在不同多角度斜射喷丸工艺条件下获得的F值：将Rup、Rmid和Rdown；Sup、Smid和Sdown；Dup、Dmid和Dmid分别代入公式中求出F up、Fmid F down值；F值趋近于1效果最佳，通过得到的F up、Fmid F down值判定该工艺的喷丸可达性程度，择优选定最终工艺Xoptimized。
2.如权利要求1所述的检验涡轮盘榫槽喷丸可达性的评估方法，其特征在于：所述表面粗糙度系数a、为表面残余应力系数b、为硬化层厚度系数c值的是通过以下方法得到：
取一件所述试片作为对照试片，将该试片放置在喷丸工作台上，采用直射喷丸工艺方法对该对照试片的待喷丸面进行喷丸；通过三组直射喷丸工艺Y1，Y2和Y3，按照步骤1.3.1至1.3.3所述方法获得在相同的涡轮盘榫槽材质和结构条件下的三组值R1、S1、D1，R2、S2、D2和R3、S3、D3，将三组值分别代入公式(1)中，设定直射喷丸工艺方法为无干涉遮挡，F＝1，换算得到a、b和c值。
3.如权利要求1所述的检验涡轮盘榫槽喷丸可达性的评估方法，其特征在于：所述涡轮盘模拟件，以钢锭或铝合金锭为毛坯，通过机械加工或增材制造方法获得。
4.如权利要求1所述的检验涡轮盘榫槽喷丸可达性的评估方法，其特征在于：所述试片嵌入凹槽内时采用速干胶水、万能胶水或双面胶固定，取下试片前采用丙酮或汽油溶解并去除掉速干胶水、万能胶水或双面胶。
5.如权利要求1所述的检验涡轮盘榫槽喷丸可达性的评估方法，其特征在于：所述表面粗糙度检验采用白光干涉仪或划痕仪测量喷丸后的试片的表面粗糙度值。
6.如权利要求1所述的检验涡轮盘榫槽喷丸可达性的评估方法，其特征在于：所述表面残余压应力依照标准GB/T 7704《无损检测X射线应力测定方法》检验。
7.如权利要求1所述的检验涡轮盘榫槽喷丸可达性的评估方法，其特征在于：所述硬化层厚度采用显微硬度计，依照标准GB/T 4340.1《金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》检验。
8.如权利要求2所述的检验涡轮盘榫槽喷丸可达性的评估方法，其特征在于：三组直射喷丸工艺(Y1，Y2和Y3)的差异在于弹丸规格、喷丸强度或覆盖率不同。
9.如权利要求1所述的试片，其特征在于：所述试片的形状为长方体，其长度比待检验的榫槽的榫齿的受力面/非受力面的长度小于1％～10％，宽度比待检验的榫槽的榫齿的受力面/非受力面的宽度小于1％～10％，厚度为1mm～3mm；试片的材质与待喷丸的涡轮盘的材质相同，表面粗糙度Ra0.4μm～Ra0.8μm，表面粗糙度Ra0.8μm～Ra3.2μm。
10.如权利要求9所述的试片，其特征在于：所述试片的待喷丸面采用磨削加工，其余面采用线切割加工成形。
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