[发明专利]其中具有残余压应力的变化厚度的构件和其方法

说明书

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)而易于产生裂纹。这种损伤降低了这些零部件的寿命，需要进行修理或更换。

目前已经知道通过在构件中引入残余压应力可保护构件免于裂纹扩展。引入这些应力的方法包括喷丸硬化、激光冲击硬化(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纹扩展的区域上，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。这个构件仅仅用作现有技术方法和本发明可应用于的零部件的一个示例，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纹的构件，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″f″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。