表面处理系统、表面处理工艺和系统处理的构件

摘要

本发明涉及一种表面处理系统、表面处理工艺和系统处理的构件。公开了系统、工艺和构件。该系统和工艺涉及：感应加热器，其被布置和设置成加热构件以形成热表面；和喷嘴装置，其定位成施加流体到该热表面上以形成构件的经加工的表面。该经加工的表面包括压缩残余应力，从而导致构件的增加的抗疲劳性，包括抗微动疲劳性。

说明书

技术领域

本发明涉及制造和处理金属构件的系统和方法。更具体而言，本 发明涉及感应加热和施加流体到金属构件上的系统和方法。

背景技术

诸如燃气轮机的压缩机叶片燕尾榫的金属构件倾向于由于疲劳 和微动疲劳两者而发生故障。疲劳能描述为这样的过程：通过该过程， 低于材料的抗拉强度的循环负荷开始并传播表面裂纹。微动疲劳可描 述为一种具体形式的疲劳，其中例如在大约50微米与大约200微米 之间的小振幅滑动运动开始并传播裂纹。滑动运动能通过产生研磨性 氧化磨损产物而加重通常的疲劳过程。微动疲劳能出现于诸如翼型件 燕尾榫和/或燃气轮机或蒸汽涡轮转子中的附连点的构件中。普通和微 动疲劳裂纹两者为传播到构件内部的从表面开始的微裂纹。当构件具 有高温度梯度，且表面处于比内部部分更高温度时，更可能形成微动 疲劳裂纹。靠近构件表面的压缩残余应力减小了疲劳裂纹和微动疲劳 裂纹两者将会形成的可能性。

在已知的系统中，能使用激光冲击加工来通过增加在构件表面处 的压缩残余应力来改进抗微动疲劳性。使用激光冲击加工承受若干缺 陷。举例而言，激光冲击加工能由于生成高强度冲击波而损坏诸如叶 片燕尾榫的构件。冲击波在基础材料的表面上反射，生成拉应力。拉 应力能传播现有缺陷和裂纹，导致基础材料故障。此外，激光冲击加 工添加了不需要的成本。

在另一种已知的系统中，涂层施加到压缩机叶片燕尾榫上以改进 抗微动疲劳性。施加涂层承受若干缺陷。举例而言，施加涂层Alumazite 能由于在涂层与基础材料(例如，马氏体不锈钢，诸如包括大约15.5％ 铬、大约6.3％镍，大约0.8％钼，大约0.03％碳和余量铁的合金)之间 的界面处的应力的拉伸性质而具有提早的故障。当涂层剥落裂纹时这 可导致裂纹传播到基础材料内。这可减小基础材料的抗腐蚀性且允许 基础材料有缝隙腐蚀。此外，涂层可导致额外的不希望的成本。

在另一已知系统中，使用水射流冲击来处理构件。水射流冲击移 除碎屑且清洁构件的表面。水射流冲击承受若干缺陷。举例而言，水 射流冲击并不改进抗微动疲劳性且水射流冲击并不增加构件表面附 近的压缩残余应力。

在本领域中将需要能够改进构件的抗微动疲劳性、不承受上述缺 陷的系统和方法。

发明内容

根据一个实施例，一种表面处理系统包括：感应加热器，其布置 且设置成在处于感应处理模式时加热构件以形成热表面；喷嘴装置， 其被定位成当处于流体施加模式时以高于流体的空化压力的压力施 加流体到构件的热表面，以形成经加工的表面。经加工的表面包括压 缩残余应力。

根据另一实施例，一种表面处理工艺包括：通过感应加热器来以 感应的方式加热构件，从而形成热表面；以及以高于流体的空化压力 的压力由喷嘴装置来施加流体到热表面上，从而形成经加工的表面。 经加工的表面包括压缩残余应力。

根据另一实施例，一种表面处理的构件包括经加工的表面，经加 工的表面包括通过以感应的方式加热来形成热表面且将流体施加到 该热表面而形成的压缩残余应力。经加工的表面包括比构件的内部部 分或未处理表面更强的抗微动疲劳性。

通过结合附图得到的对优选实施例的以下更详细描述，本发明的 其它特点和优点将会显然，附图以举例说明的方式说明本发明的原 理。

附图说明

图1示出了根据本公开的示例性表面处理系统的一个实施例的透 视图。

图2示出了根据本公开的示例性表面处理系统的一个实施例的透 视图。

图3示出了根据本公开的示例性表面处理系统的一个实施例的透 视图。

图4示出了在图1的示例性表面处理系统中在方向4-4中所得到 的放大截面透视图。

图5示出了在图2的示例性表面处理系统中在方向5-5中所得到 的放大截面透视图。

图6示出了根据本公开的示例性表面处理系统的一个实施例的透 视图。

图7示出了根据本公开的示例性表面处理系统的一个实施例的透 视图。

图8示出了根据本公开的示例性的表面处理的构件的一个实施例 的透视图。

图9示出了沿着图8中的示例性的表面处理的构件的线9-9的截 面图。

图10至图12示出了温度随时间的曲线，以比较方式说明了根据 本公开的示例性表面处理工艺。

在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的参考标号来表 示相同部件。

具体实施方式

提供了能改进金属构件的抗微动疲劳性的表面处理系统和表面 处理工艺。该系统和方法增加压缩残余应力，从而改进抗微动疲劳性。 本公开的实施例允许感应加热和水射流喷射(peening)的自动化，延长 了感应加热器的使用寿命，在靠近构件表面处生成压缩残余应力，减 小或排除了裂纹或裂纹在构件表面下方的传播以及它们的组合。

根据本公开，“疲劳”和“微动疲劳”两者可能性都较低。因此， 如下文中所用的那样，术语“疲劳”和“微动疲劳”在本公开的上下 文中可互换地使用。

参看图1至图2，系统100包括感应加热器102和喷嘴装置104。 该系统100被构造为以感应的方式加热金属构件106。金属构件106 包括任何合适的金属或金属组合物。举例而言，在各种实施例中，金 属构件106包括任何类型的合金，包括但不限于奥氏体钢、钢/镍合金、 马氏体/贝氏体不锈钢等。在一个实施例中，构件106包括马氏体/贝 氏体不锈钢合金，其具有按重量计小于大约15％的铬，小于大约5％ 的镍，小于大约2％的锰和小于大约3％的钼。在一个实施例中，构件 106由硬件(未图示)固定，以在感应处理模式和/或流体施加模式期间 限制构件106的移动。

在感应加热模式期间，构件106由感应加热器102加热，形成热 表面(在下文中参看图9所述)。参看图1，在一个实施例中，构件106 在感应加热器102的腔室108中被加热。在一个实施例中，感应加热 器102可由定位硬件(未图示)和/或定位设施(未图示)而定位。在一个 实施例中，腔室108大体上为圆柱形且由以同轴关系或一体关系定位 的感应加热器102和喷嘴装置104形成。在此实施例中，构件106或 构件106的一部分可定位于腔室108内和/或系统100可绕构件106或 构件106的一部分定位或者定位于构件106或构件106的一部分附近。

在另一实施例中，参看图2，构件106通过靠近感应加热器102 而被加热(例如，邻近感应加热器102定位或者在感应加热器102附近 的外周向区域103内)。在此实施例中，构件106的内表面107由感应 加热器102加热。在一个实施例中，然后冷却或允许冷却热表面。

参看图1至图2，喷嘴装置104被构造为在流体施加模式期间施 加流体到构件106上或构件106的一部分上。类似于感应加热器102， 在一个实施例中，喷嘴装置104能在腔室108内施加流体到构件106 上或者构件106的一部分上。在一个实施例中，喷嘴装置104可由定 位硬件(未图示)和/或定位设施(未图示)而定位。在一个实施例中，喷 嘴装置104能施加流体到靠近喷嘴装置104的构件106上或构件106 的一部分上(例如，靠近喷嘴装置104定位或者定位于喷嘴装置104附 近的外周向区域103内)，如图2所示。

在一个实施例中，喷嘴装置104包括一个或多个喷嘴105(合适的 喷嘴包括用于水射流喷射的超高压力水射流喷嘴或能在喷嘴装置104 内操作的任何其它喷嘴)。喷嘴装置104施加流体到金属构件106上。 在一个实施例中，通过使用可结合任何合适的计算机操作的控制程序 (未图示)，能够调整且协调喷嘴参数。在一个实施例中，喷嘴105中 的一个或多个被构造为以预定压力或预定压力范围(例如，高于大约 1360巴(bar)，在大约2000巴与大约3500巴之间，在大约2000巴与 大约3700巴之间，大约3000巴，或大约3500巴)操作。在一个实施 例中，喷嘴105中的一个或多个被构造为以预定速度或在预定速度范 围内施加流体(例如，250m/min(米每分钟)，500m/min，大约560 m/min，大约1120m/min，大约250m/min与大约500m/min之间或大 约560m/min与大约1120m/min之间)。

在一个实施例中，喷嘴105中的一个或多个定位于离构件106预 定距离109处或在预定距离范围内(例如，大约0.25mm，大约0.5mm， 大约2mm，在大约0.5mm与大约2mm之间，在大约0.25mm与大 约0.5mm之间)和/或在离其它喷嘴105预定距离111或预定距离范围 内(例如，大约0.6cm、大约7.5cm、大约15cm、在大约0.6cm与大 约15cm之间，在大约0.6cm与大约7.5cm之间)。参看图4至图5， 在一个实施例中，喷嘴105定向为预定角度115或在预定角度范围内 (例如，大约75度、大约90度或在大约75与90度之间)。

尽管图1至图2示出了基本上圆柱形的几何形状，该系统100能 具有任何合适的几何形状。举例而言，如图3所示，在一个实施例中， 该系统100为类似于桨的基本上平面形状。在其它实施例中，该系统 100基本上为对应于金属构件106(例如，对应于压缩机叶片、压缩机 燕尾榫或转子的几何形状)的立方体、基本上线性的形状或它们的组 合。

感应加热器102包括一个或多个感应线圈110。参看图1和图4， 在一个实施例中，感应线圈110在该系统100内以基本上螺旋布置定 向。在一个实施例中，感应线圈110容纳于外壁302(基本上形成外圆 筒)和内壁304(基本上形成内圆筒)内。喷嘴装置104定位于外壁302 上或内(参看图2和图4)、内壁304上或内(参看图1和图3)或两种情 况。参看图4，在一个实施例中，线圈110包括流体通道112以运输 流体和从感应加热器102向流体传热，从而延长了感应加热器102的 可使用寿命。在感应加热模式期间，流体通过入口(未图示)进入流体 通道112，冷却线圈110内部且通过出口(未图示)从流体通道112出来。 在一个实施例中，在感应加热模式期间，通过线圈(一个或多个)110 收集、冷却且再循环流体。在流体施加模式期间，阀(未图示)引导一 部分或全部流体通过喷嘴装置104以施加到构件106上。在一个实施 例中，在流体施加模式期间，收集、净化且再循环流体。

在一个实施例中，在超空化条件下在流体施加模式期间施加流体 (例如，流体处在大约流体沸点的温度或者处在对应于流体空化压力的 温度)。超空化使用空化效果来在流体内形成气泡，允许悬浮于流体中 的物体由于该物体完全被气泡封闭而以极其高的速度行进。超空化减 小了对物体的阻力(例如，大约1000倍)，允许物体以预定速度范围施 加到构件106上。在一个实施例中，悬浮于流体中的物体为磨料。合 适的流体为水。合适的磨料为碳化硅或冰，其具有例如基本上球形的 几何形状和/或预定粒度或粒度范围(例如，大约80目、大约400目或 在大约80目与大约400目之间)。

在一个实施例中，如图6所示，该系统10包括通往喷嘴装置104 的流体通道112，流体通道112和喷嘴装置104靠近线圈110且流体 通道112和喷嘴装置104与线圈110分开。在此实施例中，线圈110 并不由流体冷却且该系统100能定位成使得喷嘴装置104和线圈110 靠近构件106或构件106的一部分。在此实施例中，在感应加热模式 期间，流体通过入口602进入流体通道112，冷却线圈110内部且通 过出口604从流体通道112出来。在流体施加模式期间，流体通过入 口602进入流体通道112且通过喷嘴装置104施加到构件106。在感 应加热模式与流体施加模式之间的调整通过任何合适的机构来实现， 包括但不限于诸如阀的流动控制机构。

在另一实施例中，如图7所示，该系统包括绕通往喷嘴装置104 的流体通道112包绕的线圈110。在此实施例中，线圈110由流体通 道112冷却且该系统100能定位成使得喷嘴装置104和线圈104靠近 构件106或构件106的一部分。在此实施例中，在感应加热模式期间， 流体通过入口602进入流体通道112，冷却线圈110内部且通过出口 604从流体通道112出来。在流体施加模式期间，流体通过入口602 进入流体通道112且通过喷嘴装置104施加到构件106。在感应加热 模式与流体施加模式之间的调整通过任何合适的机构来实现，包括但 不限于调整喷嘴装置104以防止施加流体。

参看图8至图9，在一个实施例中，构件106为涡轮叶片。涡轮 叶片的表面116由上文所述的感应加热器102加热，形成热表面。由 预定深度114限定的构件106的子层902作为过渡区操作且由感应加 热器102加热到比表面116更小的程度。构件106的内部部分120加 热到甚至更小的程度或者基本上不受感应加热影响。类似地，未处理 部分904加热到更小程度或基本上不受感应加热影响。在一个示例性 工艺中，构件106由感应加热器102加热(例如，在构件106的表面 116上)。感应加热形成压缩残余应力层(例如，在构件106的表面116 上)。在一个实施例中，通过增加或减小交流电流频率、电流密度、线 圈表面积、在线圈110与构件106之间的距离、其它合适参数或它们 的组合来调整所形成的压缩残余应力(例如，延伸到预定深度114)。

交流电流以预定频率和预定电流密度行进穿过线圈(一个或多 个)110。在一个实施例中，减小频率和/或增加电流密度以与构件106 的另一部分(例如，构件106的表面116)相比减小(例如，预定深度114 的)加热。在一个实施例中，可将交流电流从第一预定频率(例如，大 约100千赫)调整到第二预定频率(例如，大约1兆赫)和/或可将电流密 度从第一预定电流密度(例如，大约15×10⁶amp/m²(安培每平方米)) 调整至第二电流密度(例如，大约5×10⁶amp/m²)。

参看图10和图11，频率的增加(例如，从图11所示的100千赫 到图10所示的1000千赫)升高了表面116处的温度。这减少了在预定 深度114处的加热且温度升高在金属构件106的表面116的局部，同 时减小或消除对内部部分120的加热。参看图10和图12，电流密度 的增加(例如，从图12所示的5×10⁶amp/m²到图10所示的15×10⁶amp/m²)以基本上均匀的方式升高了在表面116处的温度。下文所述的 这些调整和/或其它调整的关系用于针对表面116、预定深度114、内 部部分120、构件106的其它合适部分以及它们的组合控制相对温度， 以及因此(控制)压缩残余应力。

再次参看图1至图2，在一个实施例中，可调整在金属构件106 与感应加热器102(或线圈(一个或多个)110)之间的距离113。举例而 言，在一个实施例中，在感应加热器102(或线圈(一个或多个)110)与 构件106之间的距离113增加，从而形成在表面116(参看图9)、预定 深度114(参看图9)、内部部分120(参看图9)与它们的组合之间的更 大温度梯度，从而增加了压缩残余应力。在一个实施例中，线圈110 可从具有第一预定截面积(例如，大约15cm²)的第一位置定位到具有 第二预定截面积(例如，大约225cm²)的第二位置。

虽然仅示出和描述了本发明的某些特点和实施例，但本领域技术 人员能想到许多修改和变化(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形 状和比例，参数(例如，温度、压力等)的值，安装布置，材料使用， 方位等的变化)而不会在实质上偏离权利要求中所陈述的主题的新颖 教导内容和优点。任何工艺或方法步骤的次序或顺序可根据备选实施 例改变或重新排序。因此应了解所附权利要求预期涵盖属于本发明的 真实精神内的所有这些修改和变化。此外，为了致力于提供示例性实 施例的简洁描述，可能并没有描述实际实施方式的所有特点(即，与目 前设想到的实施本发明的最佳模式无关的那些或者与允许实现所主 张的本发明无关的那些)。应了解在任何这些实际实施方式的开发中， 如在任何工程或设计项目中，可做出许多对实施方式而言具体的决 策。这种开发努力可为复杂的且耗时的，但仍将是受益于本公开的本 领域普通技术人员设计、制作和制造的常规任务而无需过度实验。