專利名稱：鈦合金葉輪表面完整性檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種檢測(cè)方法，尤其是一種鈦合金葉輪表面完整性檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有航空領(lǐng)域中的鈦合金葉輪的加工，一般為車削后銑削加工，對(duì)于葉輪的表面完整性不做過多地補(bǔ)充處理，導(dǎo)致葉輪普遍壽命不高，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求壽命最低限40000 次循環(huán)。因此，為了提高葉輪的壽命，需要對(duì)葉輪的表面完整性提出新的要求。這些要求包括葉片表面粗糙度達(dá)到O. 4 ;表面殘余應(yīng)力要求如果應(yīng)力測(cè)量值I。I彡210 MPa，那么其各點(diǎn)的應(yīng)力變化滿足Λ σ彡60 MPa，切向應(yīng)力滿足τ彡8 MPa ;如果應(yīng)力測(cè)量值I σ |〈 210 MPa，那么其各點(diǎn)的應(yīng)力變化滿足Λ σ彡30 MPa或σ (兩個(gè)值中最大的)，切向應(yīng)力滿足τ < 8 MPa ;加工后無磨削燒傷、無表面硬化。
這些葉輪表面完整性要求可以是保證葉輪壽命，針對(duì)要求，對(duì)鈦合金葉輪的加工工藝進(jìn)行了進(jìn)一步的探討和優(yōu)化，包括表面拋光和磨粒流加工。但對(duì)于優(yōu)化加工后的鈦合金葉輪表面完整性的各項(xiàng)指標(biāo)，應(yīng)該如何進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確的檢測(cè)，采用哪些檢測(cè)方法和如何操作的技術(shù)尚屬空白。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一套葉輪表面完整性檢測(cè)方法，包括葉輪的表面粗糙度、表面殘余應(yīng)力、表面微觀缺陷、磨削燒傷和表面硬化的檢測(cè)的操作程序和操作方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械加工后的葉輪的表面完整性科學(xué)準(zhǔn)確的計(jì)量，為設(shè)計(jì)計(jì)算和分析葉輪疲勞壽命提供可靠數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的具體技術(shù)方案為，鈦合金葉輪表面完整性的檢測(cè)方法包括以下步驟(I)準(zhǔn)備好被檢測(cè)的鈦合金葉輪零件；(2)目視檢測(cè)葉輪的外觀目視零件的外觀表面是否有明顯的劃痕及表面不連續(xù)性缺陷；(3)檢測(cè)葉輪表面粗糙度1)將零件固定安裝在粗糙度測(cè)量機(jī)上；2)設(shè)定粗糙度檢測(cè)評(píng)定長(zhǎng)度為2 5mm；3)測(cè)量零件輪轂表面粗糙度Ra值在輪轂同一位置按圓周方向均布，選取任意3 5 點(diǎn)作為測(cè)量面，在每一點(diǎn)上沿徑向和周向兩個(gè)方向分別測(cè)量取值；4)測(cè)量零件外直徑表面、葉輪背面、葉輪葉尖表面的粗糙度Ra值每一個(gè)部位至少任取3個(gè)點(diǎn)，在每一點(diǎn)上沿徑向和周向兩個(gè)方向分別測(cè)量取值；5)打印粗糙度測(cè)量曲線；(4)測(cè)量葉輪表面殘余應(yīng)力分布情況I)殘余應(yīng)力分析采用X射線衍射方法進(jìn)行，使用的設(shè)備包含下列測(cè)量參數(shù)有關(guān)聯(lián)不確定性的主要應(yīng)力值符合兩標(biāo)準(zhǔn)偏差0 ± A 0 ；
切應(yīng)力值T ;
強(qiáng)度比=RI ；
衍射波峰的整體寬度LI ；
2)將被測(cè)零件放置在儀器測(cè)量臺(tái)上，選取測(cè)量衍射和探測(cè)條件
靶板銅；
濾板鎳；
波長(zhǎng):1. 540 Ium ；
衍射角度141° ;
物質(zhì)常量Sl=-2. 639X IOMPa-1 和 S2 =11. 898X 10_6 MPa-1 ；
在-39°和+39°之間的至少可以使用90角；
3)定義衍射分離角度的位置，并保證
衍射波峰整體寬度L1:0. 8 X平均寬度< LI <1. 2 X平均寬度；
每個(gè)衍射波峰凈高> 300個(gè)脈沖；
4)按照設(shè)計(jì)圖樣要求選取測(cè)量點(diǎn)，對(duì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的殘余應(yīng)力必須在軸向和徑向兩個(gè)方向測(cè)定；
5)給出每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際測(cè)量值；
(5)檢測(cè)葉輪表面微觀缺陷
1)對(duì)葉輪外表面進(jìn)行常規(guī)熒光檢測(cè)；
2)對(duì)葉輪內(nèi)腔表面進(jìn)行常規(guī)渦流檢測(cè)；
(6)檢測(cè)葉輪表面加工硬化缺陷
1)按照設(shè)計(jì)圖樣要求選取需要檢測(cè)部位；
2)制備試樣對(duì)每處檢測(cè)部位切取軸向和徑向2個(gè)試樣并制備金相試樣,制備金相試樣時(shí)，試樣檢驗(yàn)面垂直于切割表面；
3)拋光將試樣鑲嵌在試片固定劑中，檢測(cè)表面向上，然后用500 1000粒度的金相砂紙拋光試片至呈鏡面狀；
4)化學(xué)腐蝕采用體積比為2% 3%的硝酸、3% 5%的氫氟酸、其余為蒸餾水的液體對(duì)試件進(jìn)行浸泡，時(shí)間為20 80秒； 5)觀測(cè)在200倍的放大率的光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行表面結(jié)構(gòu)觀測(cè)，對(duì)比加工表面及心部組織是否存在差異，觀察晶粒取向和結(jié)構(gòu)判定是否存在加工硬化層；
(7)檢測(cè)葉輪表面是否有燒傷缺陷
1)對(duì)零件表面進(jìn)行除油使用丙酮清洗，去除尤其是機(jī)械加工過程中造成的污染，同時(shí)用毛刷刷洗需檢驗(yàn)的部位；
2)使用清潔干燥的壓縮空氣吹干零件；
3)配制金相酸蝕溶液，酸蝕溶液的體積比為10% 13%的硝酸、0.5% 1. 5%氫氟酸、其余為蒸餾水；將零件在室溫浸入酸蝕溶液中，并使用磁力攪拌裝置攪拌酸蝕溶液，酸蝕時(shí)間在1. 5 2. 5分鐘之間；
4)用水清洗被酸蝕的表面去除殘余的酸蝕溶液；
5)使用清潔干燥的壓縮空氣吹干零件；6)使用放大倍率6到40倍的雙筒放大鏡觀測(cè)零件的酸蝕表面，檢測(cè)是否存在磨削燒傷；(8)最終判定。
本發(fā)明通過一套系統(tǒng)的流程方法，采用各種測(cè)量設(shè)備及測(cè)量手段，并配制了所需要的各項(xiàng)溶液，完成了鈦合金葉輪的表面粗糙度、表面殘余應(yīng)力、表面微觀缺陷、磨削燒傷和表面硬化的檢測(cè)的操作程序和操作方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械加工后的葉輪的表面完整性科學(xué)準(zhǔn)確的計(jì)量，為設(shè)計(jì)計(jì)算和分析葉輪疲勞壽命提供可靠數(shù)據(jù)。
具體實(shí)施方式
一種鈦合金葉輪表面完整性檢測(cè)方法，所述的方法包括以下步驟(1)準(zhǔn)備好被檢測(cè)的鈦合金葉輪零件；(2)目視檢測(cè)葉輪的外觀目視零件的外觀表面是否有明顯的劃痕及表面不連續(xù)性缺陷；(3)檢測(cè)葉輪表面粗糙度1)將零件固定安裝在粗糙度測(cè)量機(jī)上； 2)設(shè)定粗糙度檢測(cè)評(píng)定長(zhǎng)度為2 5mm；3)測(cè)量零件輪轂表面粗糙度Ra值在輪轂同一位置按圓周方向均布，選取任意3 5 點(diǎn)作為測(cè)量面，在每一點(diǎn)上沿徑向和周向兩個(gè)方向分別測(cè)量取值；4)測(cè)量零件外直徑表面、葉輪背面、葉輪葉尖表面的粗糙度Ra值每一個(gè)部位至少任取3個(gè)點(diǎn)，在每一點(diǎn)上沿徑向和周向兩個(gè)方向分別測(cè)量取值；5)打印粗糙度測(cè)量曲線；(4)測(cè)量葉輪表面殘余應(yīng)力分布情況1)殘余應(yīng)力分析采用X射線衍射方法進(jìn)行，使用的設(shè)備包含下列測(cè)量參數(shù)有關(guān)聯(lián)不確定性的主要應(yīng)力值符合兩標(biāo)準(zhǔn)偏差σ ± △ σ ;切應(yīng)力值τ ；強(qiáng)度比=RI ;衍射波峰的整體寬度LI ；2)將被測(cè)零件放置在儀器測(cè)量臺(tái)上，選取測(cè)量衍射和探測(cè)條件靶板銅;濾板鎳;波長(zhǎng)1. 540 Ium ；衍射角度141° ;物質(zhì)常量Sl=-2. 639X10MPa-1 和 S2 =11. 898X10_6 MPa；在-39°和+39°之間的至少可以使用9β角；3)定義衍射分離角度的位置，并保證衍射波峰整體寬度L1:0. 8 X平均寬度< LI <1. 2 X平均寬度；每個(gè)衍射波峰凈高> 300個(gè)脈沖；4)按照設(shè)計(jì)圖樣要求選取測(cè)量點(diǎn)，對(duì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的殘余應(yīng)力必須在軸向和徑向兩個(gè)方向測(cè)定；5)給出每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際測(cè)量值；
(5)檢測(cè)葉輪表面微觀缺陷
1)對(duì)葉輪外表面進(jìn)行常規(guī)熒光檢測(cè)；
2)對(duì)葉輪內(nèi)腔表面進(jìn)行常規(guī)渦流檢測(cè)；
(6)檢測(cè)葉輪表面加工硬化缺陷
1)按照設(shè)計(jì)圖樣要求選取需要檢測(cè)部位；
2)制備試樣對(duì)每處檢測(cè)部位切取軸向和徑向2個(gè)試樣并制備金相試樣,制備金相試樣時(shí)，試樣檢驗(yàn)面垂直于切割表面； 3)拋光將試樣鑲嵌在試片固定劑中，檢測(cè)表面向上，然后用500 1000粒度的金相砂紙拋光試片至呈鏡面狀；
4)化學(xué)腐蝕采用體積比為2% 3%的硝酸、3% 5%的氫氟酸、其余為蒸餾水的液體對(duì)試件進(jìn)行浸泡，時(shí)間為20 80秒；
5)觀測(cè)在200倍的放大率的光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行表面結(jié)構(gòu)觀測(cè)，對(duì)比加工表面及心部組織是否存在差異，觀察晶粒取向和結(jié)構(gòu)判定是否存在加工硬化層；
(7)檢測(cè)葉輪表面是否有燒傷缺陷
1)對(duì)零件表面進(jìn)行除油使用丙酮清洗，去除尤其是機(jī)械加工過程中造成的污染，同時(shí)用毛刷刷洗需檢驗(yàn)的部位；
2)使用清潔干燥的壓縮空氣吹干零件；
3)配制金相酸蝕溶液，酸蝕溶液的體積比為10% 13%的硝酸、0.5% 1. 5%氫氟酸、其余為蒸餾水；將零件在室溫浸入酸蝕溶液中，并使用磁力攪拌裝置攪拌酸蝕溶液，酸蝕時(shí)間在1. 5 2. 5分鐘之間；
4)用水清洗被酸蝕的表面去除殘余的酸蝕溶液；
5)使用清潔干燥的壓縮空氣吹干零件；
6)使用放大倍率6到40倍的雙筒放大鏡觀測(cè)零件的酸蝕表面，檢測(cè)是否存在磨削燒
傷；
(8)最終判定。
實(shí)施例某渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)XX葉輪，材料為鈦合金，要求表面完整性的指標(biāo)為葉片表面粗糙度達(dá)到0.4 ;表面殘余應(yīng)力要求如果應(yīng)力測(cè)量值I O I彡210 MPa，那么其各點(diǎn)的應(yīng)力變化滿足A。彡60 MPa，切向應(yīng)力滿足T彡8 MPa ;如果應(yīng)力測(cè)量值I。|〈 210 MPaJP么其各點(diǎn)的應(yīng)力變化滿足Ao彡30 MPa或O (兩個(gè)值中最大的)，切向應(yīng)力滿足t彡8MPa ;加工后無磨削燒傷、無表面硬化。在加工完成后對(duì)其表面完整性進(jìn)行檢測(cè)，具體步驟如下
(1)準(zhǔn)備好被檢測(cè)的鈦合金葉輪零件；
(2)目視檢測(cè)葉輪的外觀目視零件的外觀表面是否有明顯的劃痕及表面不連續(xù)性缺
陷；
(3)檢測(cè)葉輪表面粗糙度
I)將零件固定安裝在粗糙度測(cè)量機(jī)上；2)設(shè)定粗糙度檢測(cè)評(píng)定長(zhǎng)度為2mm；3)測(cè)量零件輪轂表面粗糙度Ra值在輪轂同一位置按圓周方向均布，選取任意3點(diǎn)作為測(cè)量面，在每一點(diǎn)上沿徑向和周向兩個(gè)方向分別測(cè)量取值；4)測(cè)量零件外直徑表面、葉輪背面、葉輪葉尖表面的粗糙度Ra值每一個(gè)部位至少任取3個(gè)點(diǎn)，在每一點(diǎn)上沿徑向和周向兩個(gè)方向分別測(cè)量取值；5)打印粗糙度測(cè)量曲線；(4)測(cè)量葉輪表面殘余應(yīng)力分布情況1)殘余應(yīng)力分析采用X射線衍射方法進(jìn)行，使用的設(shè)備為殘余應(yīng)力分析儀，該設(shè)備包含了下列測(cè)量參數(shù)有關(guān)聯(lián)不確定性的主要應(yīng)力值符合兩標(biāo)準(zhǔn)偏差σ ± △ σ ;切應(yīng)力值τ ；強(qiáng)度比=RI ;衍射波峰的整體寬度LI ；2)將被測(cè)零件放置在儀器測(cè)量臺(tái)上，選取測(cè)量衍射和探測(cè)條件靶板銅;濾板鎳;波長(zhǎng)1. 540 Ium ；衍射面2 I 3 ; 衍射角度141° ;物質(zhì)常量Sl=-2. 639X IOMPa-1 和 S2 =11. 898X 10_6 MPa-1 ；在-39°和+39°之間的至少可以使用9β角；3)定義衍射分離角度的位置，并保證衍射波峰整體寬度L1:0. 8 X平均寬度< LI <1. 2 X平均寬度；每個(gè)衍射波峰凈高> 300個(gè)脈沖；4)按照設(shè)計(jì)圖樣要求選取測(cè)量點(diǎn)，對(duì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的殘余應(yīng)力必須在軸向和徑向兩個(gè)方向測(cè)定；5)給出每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際測(cè)量值；(5)檢測(cè)葉輪表面微觀缺陷1)對(duì)葉輪外表面進(jìn)行常規(guī)熒光檢測(cè)；2)對(duì)葉輪內(nèi)腔表面進(jìn)行常規(guī)渦流檢測(cè)；(6)檢測(cè)葉輪表面加工硬化缺陷O按照設(shè)計(jì)圖樣要求選取需要檢測(cè)部位；2)制備試樣對(duì)每處檢測(cè)部位切取軸向和徑向2個(gè)試樣并制備金相試樣,制備金相試樣時(shí)，試樣檢驗(yàn)面垂直于切割表面；3)拋光將試樣鑲嵌在試片固定劑中，檢測(cè)表面向上，然后用500 1000粒度的金相砂紙拋光試片至呈鏡面狀；4)化學(xué)腐蝕采用體積比為2%的硝酸、3%的氫氟酸、其余為蒸餾水的液體對(duì)試件進(jìn)行浸泡，時(shí)間為70秒；5)觀測(cè)在200倍的放大率的光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行表面結(jié)構(gòu)觀測(cè)，對(duì)比加工表面及心部組織是否存在差異，觀察晶粒取向和結(jié)構(gòu)判定是否存在加工硬化層；
(7)檢測(cè)葉輪表面是否有燒傷缺陷
1)對(duì)零件表面進(jìn)行除油使用丙酮清洗，去除尤其是機(jī)械加工過程中造成的污染，同時(shí)用毛刷刷洗需檢驗(yàn)的部位；
2)使用清潔干燥的壓縮空氣吹干零件；
3)配制金相酸蝕溶液，酸蝕溶液的體積比為10%的硝酸、1.5%氫氟酸、其余為蒸餾水；將零件在室溫浸入酸蝕溶液中，并使用磁力攪拌裝置攪拌酸蝕溶液，酸蝕時(shí)間在1. 5分鐘之間；
4)用水清洗被酸蝕的表面去除殘余的酸蝕溶液；
5)使用清潔干燥的壓縮空氣吹干零件；
6)使用放大倍率為40倍的雙筒放大鏡觀測(cè)零件的酸蝕表面，檢測(cè)是否存在磨削燒傷；
(8)最終判定
葉片表面粗糙度達(dá)到RaO. 24mm ；
表面殘余應(yīng)力 達(dá)到1.1≤325 MPa A O ^ 30 MPa, x≤3. 26 MPa;
磨削加工后表面無燒傷、無表面硬化，產(chǎn)品合格。
權(quán)利要求
1.一種鈦合金葉輪表面完整性檢測(cè)方法，其特征是，所述的方法包括以下步驟 (1)準(zhǔn)備好被檢測(cè)的鈦合金葉輪零件； (2)目視檢測(cè)葉輪的外觀目視零件的外觀表面是否有明顯的劃痕及表面不連續(xù)性缺陷； (3)檢測(cè)葉輪表面粗糙度 1)將零件固定安裝在粗糙度測(cè)量機(jī)上； 2)設(shè)定粗糙度檢測(cè)評(píng)定長(zhǎng)度為2 5mm； 3)測(cè)量零件輪轂表面粗糙度Ra值在輪轂同一位置按圓周方向均布，選取任意3 5點(diǎn)作為測(cè)量面，在每一點(diǎn)上沿徑向和周向兩個(gè)方向分別測(cè)量取值； 4)測(cè)量零件外直徑表面、葉輪背面、葉輪葉尖表面的粗糙度Ra值每一個(gè)部位至少任取3個(gè)點(diǎn)，在每一點(diǎn)上沿徑向和周向兩個(gè)方向分別測(cè)量取值； 5)打印粗糙度測(cè)量曲線； (4)測(cè)量葉輪表面殘余應(yīng)力分布情況 1)殘余應(yīng)力分析采用X射線衍射方法進(jìn)行，使用的設(shè)備包含下列測(cè)量參數(shù) 有關(guān)聯(lián)不確定性的主要應(yīng)力值符合兩標(biāo)準(zhǔn)偏差σ ± △ σ ; 切應(yīng)力值τ ； 強(qiáng)度比=RI ; 衍射波峰的整體寬度LI ； 2)將被測(cè)零件放置在儀器測(cè)量臺(tái)上，選取測(cè)量衍射和探測(cè)條件 靶板銅; 濾板鎳;波長(zhǎng)1. 540 Ium ； 衍射角度141° ;物質(zhì)常量Sl=-2. 639X IOMPa-1 和 S2 =11. 898X 10_6 MPa-1 ； 在-39°和+39°之間的至少可以使用9β角； 3)定義衍射分離角度的位置，并保證 衍射波峰整體寬度L1:0. 8 X平均寬度< LI <1. 2 X平均寬度； 每個(gè)衍射波峰凈高> 300個(gè)脈沖； 4)按照設(shè)計(jì)圖樣要求選取測(cè)量點(diǎn)，對(duì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的殘余應(yīng)力必須在軸向和徑向兩個(gè)方向測(cè)定； 5)給出每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際測(cè)量值； (5)檢測(cè)葉輪表面微觀缺陷 1)對(duì)葉輪外表面進(jìn)行常規(guī)熒光檢測(cè)； 2)對(duì)葉輪內(nèi)腔表面進(jìn)行常規(guī)渦流檢測(cè)； (6)檢測(cè)葉輪表面加工硬化缺陷 O按照設(shè)計(jì)圖樣要求選取需要檢測(cè)部位； 2)制備試樣對(duì)每處檢測(cè)部位切取軸向和徑向2個(gè)試樣并制備金相試樣,制備金相試樣時(shí)，試樣檢驗(yàn)面垂直于切割表面； 3)拋光將試樣鑲嵌在試片固定劑中，檢測(cè)表面向上，然后用500 1000粒度的金相砂紙拋光試片至呈鏡面狀； 4)化學(xué)腐蝕采用體積比為2% 3%的硝酸、3% 5%的氫氟酸、其余為蒸餾水的液體對(duì)試件進(jìn)行浸泡，時(shí)間為20 80秒； 5)觀測(cè)在200倍的放大率的光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行表面結(jié)構(gòu)觀測(cè)，對(duì)比加工表面及心部組織是否存在差異，觀察晶粒取向和結(jié)構(gòu)判定是否存在加工硬化層； (7)檢測(cè)葉輪表面是否有燒傷缺陷 1)對(duì)零件表面進(jìn)行除油使用丙酮清洗，去除尤其是機(jī)械加工過程中造成的污染，同時(shí)用毛刷刷 洗需檢驗(yàn)的部位； 2)使用清潔干燥的壓縮空氣吹干零件； 3)配制金相酸蝕溶液，酸蝕溶液的體積比為10% 13%的硝酸、O.5% 1. 5%氫氟酸、其余為蒸餾水；將零件在室溫浸入酸蝕溶液中，并使用磁力攪拌裝置攪拌酸蝕溶液，酸蝕時(shí)間在1. 5 2. 5分鐘之間； 4)用水清洗被酸蝕的表面去除殘余的酸蝕溶液； 5)使用清潔干燥的壓縮空氣吹干零件； 6)使用放大倍率6到40倍的雙筒放大鏡觀測(cè)零件的酸蝕表面，檢測(cè)是否存在磨削燒傷； (8)最終判定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鈦合金葉輪表面完整性檢測(cè)方法，包括對(duì)測(cè)量步驟的合理設(shè)置及參數(shù)的選擇，可以實(shí)現(xiàn)鈦合金葉輪的表面粗糙度、表面殘余應(yīng)力、表面微觀缺陷、磨削燒傷和表面硬化的檢測(cè)的操作程序和操作方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械加工后的葉輪的表面完整性科學(xué)準(zhǔn)確的計(jì)量，為設(shè)計(jì)計(jì)算和分析葉輪疲勞壽命提供可靠數(shù)據(jù)。
文檔編號(hào)G01L1/25GK102998312SQ20121049761
公開日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月29日
發(fā)明者田麗波, 李鐵軍, 郭君偉, 王鐵海, 劉可, 鄭洪濤, 薄錫金, 雷云蓮, 馬瑞, 王靜 申請(qǐng)人:哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限公司