一種單晶標準圓棒試件特定取向徑向氣膜孔的獲取方法與流程

本發明涉及金屬材料試件加工制造，尤其是單晶標準圓棒試件氣膜孔的加工領域。

背景技術：

隨著航空發動機性能的不斷提高，渦輪前溫度越來越高，航空發動機渦輪葉片服役條件惡劣(高溫、高壓、高轉速、燃氣腐蝕等)，葉片材料承受著交變的機械載荷與熱載荷。為了使渦輪葉片能夠承受住高溫，當前多采用帶氣膜孔的空心氣冷葉片。這種葉片冷卻效果顯著，但是由于氣膜孔的存在破壞了葉片結構的完整性，使得葉片在氣膜孔附近產生明顯的應力集中，嚴重影響渦輪葉片的強度與壽命。因此十分有必要開展帶氣膜孔的葉片材料在復雜工況下的疲勞試驗，研究氣膜孔對葉片材料性能的影響，研究成果可支撐先進航空發動機渦輪葉片的結構強度設計與疲勞壽命預測。

由于單晶材料具有明顯的各向異性，不同取向的力學性能有明顯的差異，因此研究氣膜孔對單晶標準圓棒試件性能的影響需要考慮到氣膜孔取向的影響，在加工氣膜孔的過程中不能隨意打孔，應該過圓心對試件沿特定的取向打孔，即保證打孔點與圓棒試件圓心連線的方向是特定方向。

用于疲勞試驗的單晶試件通常加工成圓棒狀或板狀。對于板狀試件，確定打孔點并測出打孔方向后，過打孔點沿著打孔方向打孔即可。這也是傳統的打孔方案。但是對于圓棒狀試件來說，由于圓棒試件的打孔方向要求是徑向，即打孔方向過圓心，如果仍采用傳統的打孔方案，確定打孔點并測出打孔方向后，該方向并不一定是過圓心的，因此傳統的打孔方案不適用于圓棒試件。一種解決辦法是找到圓心位置，在圓心處測出打孔取向，這樣打孔取向通過圓心并與試件外表面交于一點，過該點按打孔取向打孔，就能得到過圓心的特定取向的氣膜孔。但是空心圓棒試件圓心處并沒有材料，無法測出取向，因此這種方法對于空心的圓棒試件是不適用的。

技術實現要素：

本發明解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供一種單晶標準圓棒試件特定取向徑向氣膜孔的獲取方法，實現過圓心對單晶標準圓棒試件沿特定的取向打孔，以便研究氣膜孔對葉片材料性能的影響，支撐先進航空發動機渦輪葉片的結構強度設計與疲勞壽命預測。

本發明的技術解決方案是：一種單晶標準圓棒試件特定取向徑向氣膜孔的獲取方法，能夠實現過圓心對單晶標準圓棒試件沿特定取向打孔，以便研究晶體取向氣膜孔對單晶標準圓棒試件性能的影響，具體過程主要分為三步：

(1)在單晶標準圓棒試件任取一點作為基點，測定基點與圓心的徑向取向以及過基點的打孔取向，記錄兩者之間的夾角α，基點繞圓心旋轉角度α即可確定打孔點；當打孔點不唯一時，在確定打孔點時可以測定基點與圓心的徑向取向以及多個過基點的打孔取向，記錄過基點的徑向取向及每個過基點的打孔取向之間的夾角α_i，基點繞圓心旋轉角度α_i即可同時確定多個打孔點。

(2)將單晶標準圓棒試件放置于夾具底座的槽中，基點豎直向上，參考夾具底座上刻好的量角器旋轉角度α，使打孔點豎直向上，然后用壓塊將單晶標準圓棒試件固定，限制其運動。工裝夾具由底座和壓塊兩部分組成。壓塊底座中心有半圓形槽，用于放置試件；一側端面用激光刻有量角器，用于確定旋轉角度。壓塊中部帶有圓弧形(小于半圓)槽，用于與底座的半圓形槽配合壓緊試件，壓塊與底座之間采用螺栓連接，擰緊螺栓壓塊壓緊在試件上。由于壓塊的圓弧形槽小于半圓，因此壓緊后壓塊兩側不會同時與底座接觸，這樣能夠保證壓塊壓緊在試件上而不會僅僅壓在底座上。

(3)采用制孔工藝(電液束、激光或電火花等)沿打孔點位置過圓心對單晶標準圓棒試件沿設定取向打孔,即可得到特定取向的徑向氣膜孔。

本發明的優點在于：

(1)本發明能夠實現過圓心對單晶標準圓棒試件沿特定取向打孔，以便研究不同取向的氣膜孔對單晶標準圓棒試件性能的影響，從而得到適合加工氣膜孔的最優取向，指導航空發動機渦輪葉片設計。

(2)本發明中確定打孔點的方法簡單可靠，可同時確定多個打孔點，對空心單晶標準圓棒試件和實心單晶標準圓棒試件均適用。

(3)本發明中的工裝夾具容易加工、成本低，滿足單晶標準圓棒試件的穩定夾持，并且借助端面上激光刻的量角器可以非常方便調節試件的旋轉角度。

附圖說明

圖1為單晶標準圓棒試件特定取向氣膜孔的獲取原理與方法，其中(a)為確定打孔點的原理；(b)為夾具固定單晶標準圓棒試件的示意圖；

圖2為未打孔的單晶標準圓棒試件示意圖；

圖3為打孔點的確定原理的示意圖；

圖4為本發明夾具的底座示意圖，其中(a)為外觀圖；(b)為俯視圖；(c)為正視圖；(d)為左視圖；(e)為后視圖；

圖5為本發明夾具的壓塊示意圖，其中(a)為外觀圖；(b)為正視圖；(c)為左視圖；(d)為俯視圖；

圖6為本發明中夾具與試件的裝配圖，其中(a)為外觀圖；(b)為后視圖。

具體實施方式

本發明主要針對單晶標準圓棒試件特定取向氣膜孔的獲取進行了設計。單晶標準圓棒試件特定取向的氣膜孔的獲取原理與方法如圖1所示，核心工作是有兩個：一是在單晶標準圓棒試件(如圖2所示)的中心截面確定打孔點，二是加工特定的工裝實現試件的固定。

打孔點的確定方法如圖3所示，首先在單晶標準圓棒試件任取一點作為基點A，測定基點A與圓心O的徑向取向AO以及過基點A的打孔取向AA’，記錄AO與AA’之間的夾角α，根據基本幾何知識，α與α’為一對內錯角，所以兩者相等，因此過圓心O的打孔取向BO可由基點A繞圓心旋轉角度α確定，B點即為打孔點。

工裝夾具由底座(如圖4所示)和壓塊(如圖5所示)兩部分組成。壓塊底座中心有半圓形槽，用于放置試件；一側端面用激光刻有量角器，用于確定旋轉角度。壓塊中部帶有圓弧形(小于半圓)槽，用于與底座的半圓形槽配合壓緊試件，壓塊與底座之間采用螺栓連接，擰緊螺栓壓塊壓緊在試件上。由于壓塊的圓弧形槽小于半圓，因此壓緊后壓塊兩側不會同時與底座接觸，這樣能夠保證壓塊壓緊在試件上而不會僅僅壓在底座上，裝配效果如圖6所示。

具體過程主要分為三步：

(1)在單晶標準圓棒試件中心截面處任取一點作為基點A，測定基點A與圓心O的徑向取向AO以及過基點A的打孔取向AA’，得到AO與AA’之間的夾角α。當打孔點不唯一時(例如2-6時)，在確定打孔點時可以測定基點與圓心的徑向取向以及多個過基點的打孔取向，記錄過基點的徑向取向及每個過基點的打孔取向之間的夾角α_i，基點繞圓心旋轉角度α_i即可同時確定多個打孔點。

(2)將單晶標準圓棒試件放置于夾具底座的槽中，基點A豎直向上，參考夾具底座上刻好的量角器旋轉角度α，使打孔點B豎直向上，然后用壓塊將單晶標準圓棒試件固定，限制其運動。

(3)采用制孔工藝(電液束、激光或電火花等)沿B點向圓心O打孔即可得到特定取向的徑向氣膜孔。

從上述實施過程可以發現，本發明能夠實現過圓心對單晶標準圓棒試件沿特定取向打孔，本發明中確定打孔點的方法簡單可靠，可同時確定多個打孔點，對空心單晶標準圓棒試件和實心單晶標準圓棒試件均適用。工裝夾具容易加工、成本低，滿足單晶標準圓棒試件的穩定夾持，并且借助端面上激光刻的量角器可以非常方便調節單晶標準圓棒試件的旋轉角度。