有利于耐久性的增強燕尾表面的制作方法
【專利說明】有利于耐久性的增強燕尾表面
[0001] 本申請是申請號為200610135684.1、申請日為2006年10月20日、名稱為“有利于耐久性的增強燕尾表面”的專利申請的分案申請。
_2] 關于聯邦贊助的研究的聲明
本發明在政府的支持下根據由美國空軍授予的合同F33657-99-D2050而形成。政府對本發明具有當然的權利。
技術領域
[0003]本發明總體上涉及減少燃氣渦輪發動機部件之間的裂紋和損壞，尤其涉及減少燃氣渦輪發動機的風扇葉片和壓縮機葉片的燕尾裂紋和損壞。
【背景技術】
[0004]在飛機燃氣渦輪(噴氣)發動機中，空氣由風扇吸入發動機的前部、由軸裝壓縮機壓縮并且與燃料混和。將這種混合物燃燒且使熱廢氣穿過安裝在同一軸上的渦輪。燃燒氣流通過沖擊渦輪葉片的翼型部分使渦輪轉動，渦輪使該軸轉動并向壓縮機提供動力。除了使用整體葉盤(blisk)的某些情況之外，壓縮機葉片和風扇葉片通常是分開的部件，這些分開的部件嵌在附接到軸上的一個或多個圓盤上。
[0005]在某些飛機發動機的設計中，鈦或鈦合金圓盤，也稱為轉子，具有沿著其外圓周排列的燕尾槽陣列。也用鈦或鈦合金制成的壓縮機葉片和風扇葉片具有對應的燕尾基座，以允許葉片燕尾基座與各自的轉子燕尾槽配對，這樣，葉片保持在燕尾槽中。當轉子以正常的運行速度運行時，離心力導致葉片徑向向外移動。
[0006]已知隨著時間的推移，出于各種各樣的原因包括航空力學響應，裂紋和損壞會在燕尾中進一步發展。超過材料能力的高周期性疲勞一直以來至少是這些損壞的一個因素。
[0007]裂紋尤其可在早期風扇葉片中出現，在燕尾的壓力面中開始，并位于葉片與圓盤之間的接觸之處。在發動機運行期間，由于發動機的受迫響應和航空力學激勵，葉片會共振。這些振動導致滑動和由葉片與圓盤之間的法向力所產生的關聯抵抗剪力連同摩擦的出現。局部應力集中的區域在接觸區域至摩擦的邊緣產生，然后這種摩擦導致裂紋的開始。應力集中產生磨蝕疲勞裂紋，由于高周期性疲勞，這種磨蝕疲勞裂紋蔓延而損壞。
[0008]已經提出的解決這種問題的一種方法是單噴丸處理，接著是銅-鎳-銦抗磨涂層，然后在葉片燕尾與轉子燕尾槽之間的區域施加含鉛干膜潤滑劑，如以商品名稱M0LYDAG?254出售的含鉛干膜潤滑劑。M0LYDAG?是密歇根州休倫港的Acheson Colloids公司所擁有的聯邦注冊商標。潤滑劑降低了摩擦系數，并因此而降低了應力集中峰值。不過，普通的干膜潤滑劑包括鉛，所以因為對環境不利而在許多國家受到限制或禁止。
[0009]所提出的另一種解決方法包括雙噴丸處理，接著是鋁-青銅抗磨涂層，如美國專利6，267，558所述，該專利已授與了本發明的擁有人，該公開在此通過參考整體結合到本發明之中。
[0010]所需要的是一種有利于燃氣渦輪發動機葉片燕尾的耐久性的無鉛表面增強。
【發明內容】
[0011]本發明公開了一種具有有利于耐久性的增強無鉛表面的燃氣渦輪發動機葉片。燃氣渦輪發動機葉片包括翼型部分和與翼型部分相對布置的燕尾部分。燕尾部分包括外表面，外表面的至少一部分具有由多次噴丸處理操作所導致的殘余壓應力。葉片還包括抗磨涂層和潤滑劑涂層，抗磨涂層包括布置在具有殘余壓應力的至少一部分外表面上的銅、鎳和銦，潤滑劑涂層布置在銅-鎳-銦涂層上，且潤滑劑涂層無鉛。
[0012]本發明還公開了一種燃氣渦輪發動機轉子組件。轉子組件包括多個葉片，每個葉片包括選自由鈦和鈦基合金所組成的組的材料，每個葉片還包括翼型部分和與之相對的具有外表面的燕尾部分以及銅-鎳-銦涂層，外表面的至少一部分具有殘余壓應力，殘余壓應力由多次噴丸處理操作導致，銅-鎳-銦涂層布置在外表面的至少一部分上。轉子組件的轉子包括選自由鈦和鈦基合金所組成的組的材料，轉子還包括沿著外周邊定位的多個燕尾槽，每個燕尾部分位于槽中，每個銅-鎳-銦涂層起著每個燕尾與對應的每個槽之間的隔離物的作用，每個銅-鎳-銦涂層向在正常的發動機運行期間與轉子燕尾槽接觸的葉片燕尾部分提供降低的摩擦系數。
[0013]本發明還公開了一種增強燃氣渦輪發動機葉片的表面耐久性的方法。該方法包括:提供具有翼型部分和燕尾部分的燃氣渦輪發動機葉片，燕尾部分與翼型部分相對；對燕尾部分進行噴丸處理，該噴丸處理利用具有第一預先選定尺寸的第一顆粒進行；然后對燕尾部分再進行噴丸處理，該噴丸處理利用具有第二預先選定尺寸的第二顆粒進行，其中第二預先選定尺寸小于第一預先選定尺寸；然后在燕尾部分的外表面的一部分上施加銅-鎳-銦抗磨涂層；然后在所施加的銅-鎳-銦抗磨涂層上施加無鉛干膜潤滑劑。
[0014]本發明的一個優點是以在環境上有利和可接受的方式增強渦輪機葉片燕尾表面，以延長耐久性。
[0015]本發明的另一個優點是燕尾表面，該燕尾表面具有耐久性優于僅進行過單次噴丸處理的表面的耐久性。
[0016]本發明的再一個優點是將有利于燕尾表面的多個表面增強結合在一起，以減少高周期性疲勞的影響并改進發動機壽命。
[0017]通過下文中對本發明的優選實施例的具體介紹并結合附圖，本領域技術人員可以清楚本發明其它方面的特點和優點，這些附圖通過舉例的方式示出了本發明的原理。
【附圖說明】
[0018]圖1是典型的燃氣渦輪發動機葉片的局部透視圖和局部截面圖。
[0019]圖2是在發動機運行期間安裝在典型轉子圓盤的燕尾槽中的燃氣渦輪發動機葉片的截面圖。
[0020]圖3是3-3區域的分解圖，該區域是葉片燕尾與轉子燕尾槽之間的接觸區域。
[0021]圖4是燃氣渦輪發動機葉片燕尾的截面圖，該燃氣渦輪發動機葉片燕尾具有根據本發明的示范性實施例的表面增強。
【具體實施方式】
[0022]圖1是典型的燃氣渦輪發動機葉片10如壓縮機葉片或風扇葉片的透視圖。所示出的葉片是具有軸向燕尾的懸臂葉片。葉片10包括向外伸到氣流中的翼型部分12、向下延伸的柄部分13和以燕尾16的形式從柄13伸出的附件，附件將葉片10附在轉子或圓盤上(未示出)。具有底面15的平臺14在翼型部分12與柄13和燕尾16之間的位置橫向向外延伸。可以理解燃氣渦輪發動機葉片可包括各種各樣的修改以改變具體用途中的性能，如葉冠(tip shroud)、懸臂周向燕尾和減震凸肩(part span shroud)。不過,大多數燃氣潤輪發動機葉片設計均包括這些基本特征。葉片10可用任何適當的材料制成，但鈦和鈦合金是典型的材料。
[0023]圖2示出了葉片燕尾16，葉片燕尾16組裝到轉子20或圓盤的燕尾槽18中，以形成轉子組件。每個轉子20包括位于其周邊的多個燕尾槽18，以接收多個葉片10。而且，典型的飛機燃氣渦輪發動機包括多個壓縮機級，這些壓縮機級包括組裝到轉子的壓縮機葉片，每個連續級具有組裝到轉子20的遞增數量的較小葉片。同樣地，典型的飛機燃氣渦輪發動機還包括多個風扇級，這些風扇級包括組裝到轉子的風扇葉片。轉子20可用任何適當的材料制成，但與葉片10類似，轉子20也典型地用鈦或鈦基合金制成。示范性鈦合金包括T1-6-4、T1-17和T1-8-l-l。葉片10和轉子20可以但不必需具有相同的組成。
[0024]在發動機高速轉動時，由于示于圖2中的A方向的離心力，所以葉片燕尾16向外移動。這種移動導致葉片燕尾16與燕尾槽18之間沿著接觸區域22的合成接觸。除了由于離心力的連續影響而導致的外向力之外，還有在轉子20轉動時發動機振動和氣流動力性所導致的連續的摩擦。
[0025]裂紋典型地在沿著接觸區域22的燕尾中開始，然后蔓延到葉片中。這種裂紋需要花費很多停工時間和定期檢修，以在損壞出現之前檢測和排除裂紋葉片。
[0026]本發明通過對裂紋的開始和已經開始的裂紋的蔓延中均涉及到的過程進行修改來幫助增加葉片燕尾的預期壽命。如圖3所示，由于轉子20上的燕尾槽18的壁與葉片燕尾16的壁之間的摩擦，接觸區域22呈現出高的應力，這種應力可能會導致裂紋30的發展。
[0027]本發明通過在雙強度噴丸機械處理之后將銅-鎳-銦(Cu-N1-1n)涂層施加到葉片燕尾來延緩裂紋的開始。然后將無鉛干膜潤滑劑施加到葉片燕尾的銅-鎳-銦涂層上。
[0028]如圖4所示，燕尾16具有機械增強的燕尾表面44，壓應力已由雙強度噴丸施加在該燕尾表面44上。將銅-鎳-銦抗磨涂層42施加在燕尾16上，優選與燕尾表面44接觸。將無鉛干膜潤滑劑作為與抗磨涂層42交疊的潤滑劑層46，且優選與抗磨涂層42接觸。干膜潤滑劑是犧牲層且作為燕尾16的外保護層。一旦干膜潤滑劑耗散掉，作為抗磨涂層42而施加在葉片燕尾上的銅-鎳-銦接著起到降低包含有鈦或鈦合金的葉片燕尾16的結構性部分與鈦基轉子20之間的摩擦的作用。與干膜潤滑劑類似，銅-鎳-銦抗磨涂層42也是犧牲層。
[0029]本文中所使用的術語“銅-鎳-銦”意指銅基合金，這種合金具有范圍在約35%至約38%重量的鎳含量、范圍在約4.5