制造中空風(fēng)扇葉片的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及使用擴散焊接和超塑成形的金屬壓力加工的領(lǐng)域。按照給定模板圖案將保護性涂層預(yù)施加到蒙皮預(yù)成形件和芯部預(yù)成形件進行接觸的表面的區(qū)域。為了安裝至少一個管，蒙皮預(yù)成形件設(shè)有凹槽，芯部預(yù)成形件設(shè)有通槽。除了要安裝至少一個管的位置，沿邊緣不透氣地密封堆疊組件。將管安裝為連接到收集區(qū)，且從堆疊組件中的空腔中去除氧氣和保護性涂層的粘合劑。將堆疊組件完全不透氣地密封、加熱，且在特定區(qū)域中、以及沿入口邊緣、出口邊緣和周緣擴散焊接預(yù)成形件。使整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件形成氣動外形，且借助將工作流體也利用至少一個管供應(yīng)到蒙皮預(yù)成形件和芯部預(yù)成形件之間的空腔中，對整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件進行超塑成形。收集區(qū)被置于堆疊組件的對應(yīng)于葉片的周緣的一側(cè)。為了安裝在超塑成形中供應(yīng)工作流體的一個或多個管，將蒙皮預(yù)成形件中的凹槽和芯部預(yù)成形件中的通槽設(shè)置在距入口邊緣或出口邊緣的外邊界的距離小于L/3處，其中L是葉片弦沿周緣的長度。因此能夠消除葉片成形期間的缺陷的危險，而不會損害葉片的性能特性和增加其生產(chǎn)的勞動強度。
【專利說明】
制造中空風(fēng)扇葉片的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及金屬成形技術(shù)，更具體來說，涉及通過擴散焊接和超塑成形來制造燃氣渦輪發(fā)動機(GTE)的中空風(fēng)扇葉片的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]本方法可應(yīng)用于航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)來制造寬弦風(fēng)扇葉片，對寬弦風(fēng)扇葉片來說，減少重量是必要的，且假設(shè)將葉片制造為中空的。
[0003]葉片具有[I]中大體描述的復(fù)雜機翼形狀，[I]公開了限定葉片(為風(fēng)扇葉片和壓縮機葉片兩者所共有)的基礎(chǔ)性能特性的結(jié)構(gòu)特征。
[0004]葉片橫截面的機翼形狀由膨脹線和壓力線形成，所述膨脹線和壓力線包圍葉片機翼形狀的中心線，從葉片機翼形狀的結(jié)構(gòu)進入角彎向葉片機翼形狀的離開結(jié)構(gòu)角。葉片具有沿著根據(jù)設(shè)計角的位置的縱向的入口邊緣和出口邊緣。葉片機翼形狀的中心線的最大彎曲被選擇為使得在葉片表面上提供平緩增加的壓力梯度。
[0005]按照葉片機翼的彎曲中心線的形狀，一個葉片的膨脹線和相鄰葉片的壓力線形成葉片通道的流動路徑的構(gòu)造，這在弱斜激波(weak oblique shock)的系統(tǒng)中提供平緩減速的超音速流，且提供葉片通道的出口部中的尾沖擊波(trailing shock wave)的形成。這引起超音速流的減速處的較小壓力損耗，以及風(fēng)扇或壓縮機的增加的效率和失速裕度。
[0006]膨脹線和壓力線分別位于涉及葉片的吸入側(cè)和壓力側(cè)的表面上。
[0007]葉片具有足部和機翼，葉片通過足部附接到轂上。
[0008]制造壓縮機葉片和風(fēng)扇葉片的方法有差別。如上所述，至關(guān)重要的是，整體尺寸比壓縮機葉片更大的軸流風(fēng)扇葉片，甚至于寬弦葉片，被制造為中空的。通常，即便只有葉片機翼是中空的，也使用術(shù)語“中空葉片”。機翼由蒙皮和芯部組成，其中一張蒙皮形成葉片的吸入側(cè)而另一張蒙皮形成葉片的壓力側(cè)，且芯部為加強肋的形式。蒙皮和芯部由鈦合金制造。
[0009]加強肋的參數(shù)，包括其傾斜角和其間的距離，由蒙皮與芯部之間的擴散焊接接合點的相對位置、以及蒙皮與芯部之間缺失的接合點的區(qū)域決定。為此目的，設(shè)計(預(yù)定)了掩蓋圖案，根據(jù)該掩蓋圖案將阻擋材料施加到預(yù)成形件的接觸表面，從而防止以擴散焊接接合預(yù)成形件，且由此限定待接合的區(qū)域。
[0010]在超塑成形的過程中，形成蒙皮預(yù)成形件與葉片的吸入側(cè)和壓力側(cè)的最終外部設(shè)計形狀之間的空腔。同時，在形成芯部預(yù)成形件的過程中，沒有受到與蒙皮預(yù)成形件接合的區(qū)域在被拉伸時形成加強肋，也就是說，形成葉片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。最常見的內(nèi)部構(gòu)造是由葉片的橫截面中的具有三角網(wǎng)格的框架[2、3、4]的傾斜肋形成的。這樣的結(jié)構(gòu)是根據(jù)掩蓋圖案形成的，該掩蓋圖案為放置在蒙皮預(yù)成形件與芯部預(yù)成形件的接觸面上的交替的帶的形式。由于傾斜加強肋的彈性能力，且由此吸收和耗散了沖擊能量，所以所討論的葉片可以較好地耐受各種物體(包括鳥類)的碰撞。此外，這樣的結(jié)構(gòu)最佳地有助于減緩風(fēng)扇的操作中不可避免地發(fā)生的震動。
[0011]如上所述，制造中空葉片的方法基于兩個基本步驟的使用:擴散焊接和超塑成形[2、3、4]。這三種方法都基本相似。在其更詳細的論述中將提到它們之間的區(qū)別。
[0012]對專利[2]的描述中披露了制造中空風(fēng)扇葉片的最廣為所知的方法。該方法包括施加阻擋材料的步驟，從而根據(jù)預(yù)定掩蓋圖案，防止將預(yù)成形件接合在擴散焊接中不被粘合的蒙皮預(yù)成形件和/或芯部預(yù)成形件的表面上。
[0013]在葉片的整個外周上沒有阻擋材料，從而使預(yù)成形件在葉片的足部以及入口、出口和周緣中進行接合。
[0014]將蒙皮預(yù)成形件和芯部預(yù)成形件組裝為堆疊，該堆疊沿著邊緣被密封，除了一個位置不密封以安裝至少一個管。在管安裝位置處，蒙皮預(yù)成形件設(shè)有凹槽，芯部預(yù)成形件設(shè)有通槽。然后安裝管，堆疊中的空腔通過該管被依次排空并填充惰性氣體以去除氧氣。通過加熱該堆疊，在堆疊空腔的持續(xù)排空下，從堆疊空腔中去除(蒸發(fā))阻擋材料的粘合劑。隨后完全密封堆疊。在預(yù)定溫度和壓力下進行預(yù)成形件的擴散焊接，以生產(chǎn)整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件。
[0015]在超塑成形的步驟之前，再次將整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件的空腔依次排空且填充惰性氣體以去除氧氣。
[0016]為了完成超塑成形，將整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件放入整體結(jié)構(gòu)的成形半體之間的專用模具且與該模具一同加熱，并將工作流體供應(yīng)到芯部預(yù)成形件與蒙皮預(yù)成形件之間的空腔中，從而在超塑性條件(superplasticity regime)下形成葉片的加強肋和最終機翼形狀。工作流體通常是氬氣。
[0017]使用不同的管來供應(yīng)氬氣，該管可與之前的管的安裝在相同位置。該管的橫截面較小，因為對應(yīng)于超塑性條件，應(yīng)該通過該管相當(dāng)慢地供應(yīng)氬氣以確保預(yù)成形件的形變速度。
[0018]在超塑成形的步驟和其它步驟中，比如在從堆疊的空腔中去除氧氣以及隨后從整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件中去除氧氣的步驟中，為了使氬氣沿芯部的每一側(cè)上的交替帶分布，設(shè)有管連接到其上的收集區(qū)。方法[2]的描述沒有提到分別在整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件的哪一側(cè)上設(shè)置收集區(qū)和安裝管。解釋該方法的附圖中也缺失這樣的信息，因為預(yù)成形件的堆疊被示出為沒有足部[2，圖5]。因此，對于實施方法[2]來說，收集區(qū)的位置不是必要的。它或者可被置于足部的一側(cè)，或者可被置于葉片的周緣的一側(cè)。
[0019]在收集區(qū)中，芯部預(yù)成形件不應(yīng)與任何蒙皮預(yù)成形件接合，以使兩個空腔形成為分隔;這就是將阻擋材料也施加在預(yù)成形件的接觸表面的收集區(qū)中從而防止以擴散焊接接合預(yù)成形件的原因。
[0020]葉片的制造還包括使葉片形成機翼形狀的步驟，其包括彎曲整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件以形成葉片的壓力側(cè)和吸入側(cè)，以及扭曲葉片的機翼。該步驟在預(yù)成形件的超塑成形之前完成。
[0021]葉片的制造包括這樣的步驟:在足夠的高壓下，破壞擴散焊接的步驟中出現(xiàn)在預(yù)成形件與阻擋材料之間的粘合劑粘結(jié)?？梢韵穹椒╗2]中一樣，在使整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件形成機翼形狀的步驟之后完成破壞粘結(jié)的步驟，或者在擴散焊接的步驟之后立刻完成破壞粘結(jié)的步驟[3]。這是方法[3]與方法[2]的主要區(qū)別。
[0022]此外，方法[3]的描述提到收集區(qū)形成在葉片的足部一側(cè)上。
[0023]在強度計算和葉片的原型的生產(chǎn)和測試中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，用于執(zhí)行該方法的步驟所需的各種管、以及收集區(qū)分別優(yōu)選被置于葉片的周緣一側(cè)上。這樣有助于保持機翼的根部的強度，這在葉片和風(fēng)扇作為整體的操作特性方面是重要的。將收集區(qū)在葉片的足部一側(cè)的布置可歸因于方法[3 ]的缺點。
[0024]方法[2、3]的一個共同的缺點是，即使在破壞粘合劑粘結(jié)后，預(yù)成形件仍然會在超塑成形的開始時刻彼此緊緊粘合。換言之，這樣的情況可限定為預(yù)成形件彼此“粘住” ο “粘住”造成一定的問題，特別是其妨礙足量的氬氣滲透到芯部預(yù)成形件與蒙皮預(yù)成形件之間。該問題主要涉及收集區(qū)。
[0025]妨礙芯部預(yù)成形件與蒙皮預(yù)成形件之間的氣體滲透的結(jié)果是，芯部預(yù)成形件可能在收集區(qū)中未對齊，如在制造中空風(fēng)扇葉片的常用方法[4]的描述中提到的。芯部預(yù)成形件的未對齊可損害加強肋的形成條件且導(dǎo)致葉片的制造瑕疵。
[0026]目前，已經(jīng)嘗試提供技術(shù)方案，使得在超塑成形的起始時刻，位于整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件的收集區(qū)中的區(qū)域中的預(yù)成形件能夠彼此“脫粘”，具體來說，這在前述的中空風(fēng)扇葉片的制造方法[4 ]中已經(jīng)完成。
[0027]方法[4]，以及方法[2、3]，包括以下主要步驟:擴散焊接吸入側(cè)預(yù)成形件、壓力側(cè)的預(yù)成形件以及置于其間的芯部預(yù)成形件(膜)，且超塑成形這些預(yù)成形件。該方法包括將阻擋材料施加到蒙皮預(yù)成形件和芯部預(yù)成形件的接觸表面以防止預(yù)成形件的粘合。以預(yù)定掩蓋圖案施加阻擋材料。該樣式由交替帶形成，這些帶的布置限定加強肋的構(gòu)造。
[0028]為了形成收集區(qū)，沿著周緣施加阻擋材料以提供已經(jīng)提到的保持機翼的根部的強度的優(yōu)點。在方法[4]中，在緊鄰周緣的區(qū)域中，一個蒙皮預(yù)成形件與芯部預(yù)成形件的擴散粘結(jié)設(shè)置為帶沿葉片的整個弦或者至少沿葉片的弦的一部分延伸的形式。其結(jié)果是，在整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件的收集區(qū)中，沿葉片的翼展方向，在壓力側(cè)預(yù)成形件與芯部預(yù)成形件之間的擴散粘結(jié)的尺寸，大于在吸入側(cè)預(yù)成形件與芯部預(yù)成形件之間的擴散粘結(jié)的尺寸?；蚍粗嗳唬厝~片的翼展方向，在吸入側(cè)預(yù)成形件與芯部預(yù)成形件之間的擴散粘結(jié)的尺寸，大于在壓力側(cè)預(yù)成形件與芯部預(yù)成形件之間的擴散粘結(jié)的尺寸。
[0029]由于芯部預(yù)成形件與吸入側(cè)預(yù)成形件的帶形狀的接合[4，圖4A]，在供應(yīng)氬氣時，將芯部預(yù)成形件與吸入側(cè)預(yù)成形件一同提升到壓力側(cè)預(yù)成形件上方，從而在葉片的收集區(qū)中提供芯部預(yù)成形件與壓力側(cè)預(yù)成形件之間的氣流。
[0030]在另一個實施例中，由于芯部預(yù)成形件與壓力側(cè)預(yù)成形件的帶形狀的接合，在供應(yīng)氬氣時，芯部預(yù)成形件與吸入側(cè)預(yù)成形件分離，從而在葉片的收集區(qū)中提供芯部預(yù)成形件與吸入側(cè)預(yù)成形件之間的氣流。
[0031]據(jù)推測，該方法擴展了文獻[4]中描述的方法的能力，其中嘗試使用這種樣式，SP，允許在收集區(qū)中形成芯部預(yù)成形件與一個蒙皮預(yù)成形件之間的多個接合點，例如以有助于芯部預(yù)成形件與另一個蒙皮預(yù)成形件“脫粘”的多個點的形式來形成。然而，多個點不能執(zhí)行功能，因為氣體圍繞這些點流動且在整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件的末端處累積，從而引起芯部預(yù)成形件的未對齊[4]。
[0032]該方法的描述沒有明確帶的寬度，然而在寬度很小的情況下預(yù)成形件彼此“脫粘”的過程將會不進行。該事實通過實驗和方法[4]的描述而被證實，其中為了確?！懊撜场保ㄗh使用呈多個點的形式的樣式。因此，芯部預(yù)成形件通過帶粘結(jié)到一個蒙皮預(yù)成形件且通過多個點粘結(jié)到另一個蒙皮預(yù)成形件[4，圖4a、圖4b]。
[0033]方法[4]的主要缺點是，由于通過以小點和窄帶的形式的擴散焊接制造的接合點的存在。從多個引用文獻可知，特別是從通過擴散焊接和超塑成形制造物品的方法[5]的描述可知，在擴散焊接中，不可避免地出現(xiàn)微孔群的形式的缺陷，以及在接合區(qū)域的末端處的底切(undercut)形式的缺陷。微孔群通常也出現(xiàn)在接合區(qū)域的末端處。如果整個接合點區(qū)域與上述瑕疵集中的區(qū)域的尺寸相當(dāng)，則接合變得非常弱。
[0034]此外，帶的存在導(dǎo)致芯部預(yù)成形件在收集區(qū)內(nèi)彎曲以及在彎曲處出現(xiàn)應(yīng)力集中。多個點的存在導(dǎo)致已經(jīng)薄化的芯部預(yù)成形件的不均勻薄化。
[0035]在使用中，在各種外部因素的影響下，且由于葉片的懸臂附接到轂，以及葉片的顯著的跨度量級，葉片的周邊區(qū)域受到最大彈性形變，這在原理上可能破壞擴散焊接形成的粘結(jié)，特別是如果這些粘結(jié)脆弱的話。
[0036]鑒于葉片的周邊區(qū)域是葉片的最小負載部的事實，可以假設(shè)芯部與蒙皮之間的粘結(jié)的破壞，以及在收集區(qū)中芯部從蒙皮斷裂將不會削弱葉片的基本操作特性。但是芯部的從與蒙皮的接合脫離且彎曲的部分將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中的額外振動，這最終會破壞加強肋的位置處的粘結(jié)。
[0037]為此原因，除了加強肋的形成期間出現(xiàn)的不可避免的應(yīng)力集中以外，葉片的周邊區(qū)域中存在的任何應(yīng)力集中都是特別不期望的。結(jié)果，芯部預(yù)成形件與蒙皮預(yù)成形件在葉片的周邊區(qū)域中的額外接合點是不期望的。
[0038]方法[4]的所討論的步驟的另一個缺點是，這些步驟增加了將阻擋材料施加到預(yù)成形件的表面的已經(jīng)很復(fù)雜的步驟(該步驟防止預(yù)成形件以擴散焊接進行接合)的復(fù)雜度。
[0039]因此，在方法[4]的使用中，在超塑成形的起始時刻不能克服預(yù)成形件之間的“粘住”而不損害葉片質(zhì)量且增加其制造復(fù)雜度。
[0040]最接近的現(xiàn)有技術(shù)是專利[2]中描述的中空風(fēng)扇葉片的制造方法。該方法在技術(shù)本質(zhì)上接近權(quán)利要求的方法，因為該方法的描述披露了特征-步驟和方法，基于這些步驟和方法能夠達到本發(fā)明方法中的期望的技術(shù)效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0041]本發(fā)明的目的是消除葉片的制造中的缺陷的危險，而不犧牲葉片的性能特性和增加其制造復(fù)雜度。
[0042]本發(fā)明的技術(shù)效果歸因于這樣的事實:在超塑成形中，通過管將工作流體供應(yīng)到蒙皮(skin)預(yù)成形件與芯部預(yù)成形件之間的空腔中，該管被安裝為使得在超塑成形之前的步驟中出現(xiàn)的自然因素可以用于使蒙皮預(yù)成形件和芯部預(yù)成形件彼此“脫粘”。
[0043]在使用擴散焊接和超塑成形來制造燃氣渦輪發(fā)動機的中空風(fēng)扇葉片的方法中，所述葉片由鈦合金的蒙皮和呈加強肋形式的芯部組成，其步驟是:將蒙皮的預(yù)成形件和芯部的預(yù)成形件組裝成堆疊；按照預(yù)定掩蓋圖案(screen pattern)，將阻擋材料(stop-offmaterial)預(yù)備性地施加到蒙皮預(yù)成形件和芯部預(yù)成形件的進行接觸、但在擴散焊接中不粘合的表面的區(qū)域，該區(qū)域包括收集區(qū)(collector zone);還為蒙皮預(yù)成形件設(shè)置凹槽(groove)，且為芯部預(yù)成形件設(shè)置通槽(slot，貫通的槽)，用以安裝至少一個管；除了安裝至少一個管的位置，沿邊緣密封堆疊;安裝管且將其連接到收集區(qū)；從堆疊的空腔中去除氧氣以及阻擋材料的粘合劑;完全密封堆疊；加熱堆疊，且在預(yù)定區(qū)域中以及沿入口邊緣、出口邊緣和周緣擴散焊接預(yù)成形件，從而產(chǎn)生整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件;使整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件形成機翼形狀;還使用至少一個管，通過將工作流體供應(yīng)到蒙皮預(yù)成形件與芯部預(yù)成形件的空腔中，來進行超塑成形。
[0044]該方法與現(xiàn)有技術(shù)的方法的區(qū)別在于:收集區(qū)被置于堆疊的對應(yīng)于葉片的周緣的一側(cè);而且，為了安裝在超塑成形中供應(yīng)工作流體的一個或多個管，將蒙皮預(yù)成形件中的凹槽和芯部預(yù)成形件中的通槽設(shè)置在距入口邊緣或出口邊緣的外邊界的距離小于L/3處，其中L是葉片弦沿周緣的長度。
[0045]也可通過以下情況獲得本發(fā)明的技術(shù)效果:
[0046]-當(dāng)在超塑成形中使用單個管來供應(yīng)工作流體時，將用于安裝管的凹槽和通槽設(shè)置在距入口邊緣或出口邊緣的外邊界的距離等于L/6處，其中L是葉片弦沿周緣的長度；
[0047]-當(dāng)在超塑成形中使用兩個管來供應(yīng)工作流體時，將用于安裝一個管的凹槽和通槽設(shè)置在距入口邊緣的外邊界的距離等于L/6處，其中L是葉片弦沿周緣的長度，而將用于安裝另一個管的凹槽和通槽設(shè)置在距出口邊緣的外邊界的相同距離(L/6)處。
[0048]對本發(fā)明的本質(zhì)的說明。
[0049]當(dāng)如上所述地安裝管時，若干(具體地是兩個)自然因素起作用，這在超塑成形的起始時刻在收集區(qū)中使得芯部預(yù)成形件能夠與蒙皮預(yù)成形件分離(“脫粘”)?，F(xiàn)在將考慮這些因素。
[0050]如最接近的現(xiàn)有技術(shù)的描述中提到的，在從阻擋材料去除粘合劑之后，阻擋材料的顆粒趨于分開，所以必須在擴散焊接之前特別小心地處理預(yù)成形件的堆疊。而且，在方法
[2]中，預(yù)成形件之間的粘結(jié)和阻擋材料的破壞是在使整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件形成機翼形狀之后完成，從而在該步驟期間保持整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件的完整性，由于阻擋材料的顆粒的散布，在破壞預(yù)成形件之間的粘結(jié)之后，該完整性將會損失。
[0051]因此，在破壞粘合劑粘結(jié)之后，呈獨立顆粒形式的阻擋材料還沒有均勻地分布在蒙皮預(yù)成形件和芯部預(yù)成形件的表面之間。如果考慮未來的加強肋之間的空間，由于緊密度，阻擋材料顆粒在那里的散布過程不會像在收集區(qū)中那么強烈顯著。在收集區(qū)中，阻擋材料的幾乎所有松散顆粒都從整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件的中間的、最凸起部分下落向入口邊緣或出口邊緣。
[0052]靠近這些邊緣，阻擋材料顆粒提供蒙皮預(yù)成形件和芯部預(yù)成形件的顯著的非緊密彼此粘結(jié)，換言之沒有“粘住”，且對于氬氣通過阻擋材料顆粒從它們之間通過是足夠的。
[0053]就在周緣一側(cè)觀察到顆粒的最強烈的瓦解。這是由于與機翼根部的葉片的弦相比，周邊處的葉片存在更寬的弦，以及由于與固體足部附近的機翼根部相比，空間中的周緣有更多自由位置。為此原因，在周緣一側(cè)上安裝在超塑成形時供應(yīng)工作流體的一個或多個管的特征是重要的，因為該特征與其它區(qū)別性特征一同影響提供新技術(shù)效果的能力。如上所述，已知效果存在于保持根部中的機翼的強度。
[0054]現(xiàn)在考慮，在使整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件形成機翼形狀的步驟中發(fā)生的其它因素如何影響蒙皮預(yù)成形件和芯部預(yù)成形件彼此“脫粘”的過程。
[0055]在擴散焊接之后，整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件形成由多層片狀預(yù)成型件組成的板，這些片狀預(yù)成型件在某些區(qū)域(包括收集區(qū))中未接合。因此，在通過彎折形成壓力側(cè)和吸入側(cè)的形狀時，每個蒙皮預(yù)成形件的一些層將會在這些區(qū)域中經(jīng)歷壓應(yīng)力，而其它層將會經(jīng)歷拉應(yīng)力。壓力側(cè)預(yù)成形件的最接近芯部預(yù)成形件的層將會經(jīng)歷拉應(yīng)力，而吸入側(cè)預(yù)成形件的層將會經(jīng)歷壓應(yīng)力。其結(jié)果是，柔性大得多的芯部預(yù)成形件將會被夾緊在較剛性的蒙皮預(yù)成形件之間。夾緊壓力將取決于整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件的彎曲程度，且因此將會在最接近入口邊緣和出口邊緣的區(qū)域處最小，而在中心部最大。由于彎曲和扭曲的步驟時間相對較短，考慮的應(yīng)力受到微不足道的松弛且保持在預(yù)成形件的本體中。在超塑成形的過程中，高溫和形變導(dǎo)致完全去除殘余應(yīng)力。但是在成形的初始時刻，必須克服殘余應(yīng)力的效果。因此，通過從整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件的最小凸起(幾乎平直)區(qū)域開始該過程將會容易得多地分離芯部預(yù)成形件和蒙皮預(yù)成形件。這個因素像第一個因素一樣有助于實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)效果O
[0056]最后，考慮在超塑成形過程中，芯部預(yù)成形件和蒙皮預(yù)成形件(包括收集區(qū))的形變的本質(zhì)。
[0057]如已經(jīng)提到的，壓力側(cè)預(yù)成形件在所有區(qū)域中保持幾乎不形變。吸入側(cè)預(yù)成形件在所有區(qū)域中受到充分的強烈形變，就像在形成球殼時發(fā)生的那樣。芯部預(yù)成形件在形成加強肋期間在主要部分中經(jīng)歷彎曲和張力，這是在其以預(yù)定樣式，在蒙皮預(yù)成型件的接合點的影響下發(fā)生的。吸入側(cè)預(yù)成形件在升起時如同拉動著芯部預(yù)成形件，而壓力側(cè)預(yù)成形件保持在其位置上。在整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件的主要部分中芯部預(yù)成形件的拉伸幾乎是單軸的(uniaxial，單向的)。
[0058]在收集區(qū)拉伸芯部預(yù)成形件的過程還受到預(yù)定樣式的芯部預(yù)成形件與蒙皮預(yù)成形件的接合點位置的影響，該過程在形成加強肋之前且進一步伴隨著形成加強肋。但是在收集區(qū)中的芯部預(yù)成形件的形變或多或少地不同于其在整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件的主要部分中在形成加強肋期間的形變，因為在收集區(qū)中的芯部預(yù)成形件的形變過程仍然受到芯部預(yù)成形件在周緣與兩個蒙皮預(yù)成形件的接合的影響。其結(jié)果是，在收集區(qū)中，芯部預(yù)成形件的拉伸沿著空間中不同朝向的若干軸線發(fā)生。在這樣的情況下，芯部預(yù)成形件的形變也在吸入側(cè)預(yù)成形件的形變后面，但是在壓力側(cè)預(yù)成形件的幾乎零形變之前。在所有已知方法中，這樣的事實導(dǎo)致預(yù)成形件的分離和收集區(qū)中兩個空腔的形成。然而，在“粘住”預(yù)成形件的情況下，芯部預(yù)成形件的未對齊(misalignment)將會伴隨分離過程。在存在這樣的因素的情況下:如在本發(fā)明的方法或方法[4]中那樣為預(yù)成型件的分離過程提供有利的起始，則將在芯部預(yù)成型件未對齊的情況下發(fā)生分離。
[0059]權(quán)利要求限定了用于確定至少一個管的位置最簡單的關(guān)系，其中在超塑成形中通過該管來供應(yīng)氬氣。該一個或多個管被安裝在距入口邊緣或出口邊緣的外邊界的距離小于L/3處，其中L是葉片弦沿周緣的長度。
[0060]如果超過該尺寸，則管將被安裝在整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件的中央凸起部中，阻擋材料的幾乎所有顆粒已經(jīng)從該突起部下落到更接近入口邊緣和出口邊緣的內(nèi)邊界，即是說，收集區(qū)的角落。在相同的位置，芯部預(yù)成形件在形成于蒙皮預(yù)成形件之間之前被緊緊的夾持。結(jié)果，上文討論的用于“脫粘”蒙皮預(yù)成形件和芯部預(yù)成形件的兩個因素都不能使用。[0061 ]在本方法中，像在最接近的方法中一樣，可使用多個管來完成各種步驟[2 ]。
[0062]當(dāng)在超塑成形中使用多個(特別是兩個)管來供應(yīng)工作流體時，所有管被安裝在小于L/3的距離處，其中L是葉片弦沿周緣的長度。
[0063]在將至少一個管(用于在超塑成形中供應(yīng)工作流體)安裝到整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件的中心部中時，芯部預(yù)成形件可能發(fā)生未對齊。在該方法的其它步驟中，特別是從整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件的空腔中去除氧氣的步驟中使用的管可被安裝在中心部。
[0064]用于安裝在超塑成形中供應(yīng)工作流體的一個管的凹槽和通槽最優(yōu)選地設(shè)置在距入口邊緣或出口邊緣的外邊界的距離等于L/6處，其中L是葉片弦沿周緣的長度，S卩，接近邊緣。在那里，存在阻擋材料的最多數(shù)量的下落顆粒，且蒙皮預(yù)成型件的彎曲具有最小沖擊。
[0065]在使用兩個管來在超塑成形中供應(yīng)工作流體時，建議將用于安裝一個管的凹槽和通槽設(shè)置在距入口邊緣的外邊界的距離等于L/6處，其中L是葉片弦沿周緣的長度。建議將另一個管安裝在距出口邊緣的外邊界的相同距離(L/6)處。這樣的策略能夠避免在相當(dāng)小的一段葉片弦長度上設(shè)置多個凹槽和通槽。
【附圖說明】
[0066]制造中空風(fēng)扇葉片的本發(fā)明的方法在附圖中示出:
[0067]圖1是預(yù)成形件的堆疊在擴散焊接的步驟之前的其組裝過程中的示意圖；
[0068]圖2是收集區(qū)中的葉片機翼在超塑成形的步驟之前的橫截面；
[0069]圖3是完成的葉片的橫截面；
[0070]圖4是完成的葉片的照片。
【具體實施方式】
[0071]堆疊(圖1)包括蒙皮預(yù)成形件1、2和芯部預(yù)成形件3。芯部預(yù)成形件的表面和與芯部預(yù)成形件接觸的蒙皮預(yù)成形件的表面是平坦的。
[0072]蒙皮預(yù)成形件1、2的外表面包括用于葉片的足部的突起部4、5。此外，預(yù)成形件的外表面在周緣一側(cè)的蒙皮包括工藝突起部6、7。工藝突起部6、7被設(shè)計為保持整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件，該整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件是由使整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件形成機翼形狀的步驟中的擴散焊接造成的。蒙皮預(yù)成形件和芯部預(yù)成形件具有用于定位銷(圖1中未示出)的孔8，組裝堆疊需要上述定位銷。在周緣一側(cè)，蒙皮預(yù)成形件具有凹槽9、10。芯部預(yù)成形件在相同位置具有對應(yīng)于凹槽的通槽11。凹槽和通槽用于安裝管12，在與從堆疊和整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件的空腔中去除氧氣相關(guān)的各個步驟中，管12首先用于將氬氣供應(yīng)到堆疊的空腔中，然后將氬氣供應(yīng)到整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件的空腔中。在破壞預(yù)成形件與阻擋材料之間的粘結(jié)的步驟中，同樣的管可用于將氬氣注入整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件的空腔中。圖1中未示出在超塑成形時供應(yīng)氬氣的管，但該管被安裝在與管12的相同位置(在管12被拆卸后)，因此，管12被嚴(yán)格安裝在距入口邊緣或出口邊緣的外邊界具有根據(jù)權(quán)利要求的方法的建議所選擇的距離處。芯部預(yù)成形件3的表面上的區(qū)域13和蒙皮預(yù)成形件I上的對應(yīng)區(qū)域(圖1中未示出)，以及蒙皮預(yù)成形件2的表面上的區(qū)域14和芯部預(yù)成形件3的表面上的對應(yīng)區(qū)域(圖1中未示出)通過擴散焊接粘合。三個預(yù)成形件還都在外圍上粘合，外圍上包括突起部4、5、6、7和邊緣15、16、
17、18。葉片的外周上的粘合的區(qū)域的寬度被計算為，使得在去除工藝突起部6、7和機加工余量后，完成的葉片具有預(yù)定寬度的足部、入口、出口和周緣。芯部預(yù)成形件3上的區(qū)域19和蒙皮預(yù)成形件2上的區(qū)域20在擴散焊接中不被粘合且打算用于形成收集區(qū)21，其中區(qū)域19與蒙皮預(yù)成形件I的對應(yīng)區(qū)域(未示出)接觸，區(qū)域20與芯部預(yù)成形件3的對應(yīng)區(qū)域(未示出)接觸。
[0073]圖2示出在超塑成形的步驟開始之前，收集區(qū)中的葉片機翼的橫截面；附圖標(biāo)記22、23、24、25示出阻擋材料的顆粒的聚集的位置。
[0074]圖3示出機加工后完成的葉片機翼的橫截面。
[0075]圖4示出完成的葉片的照片，其展示了葉片的周緣的弦大于葉片機翼的根部的弦的程度。
[0076]該方法實現(xiàn)如下:
[0077]初始蒙皮預(yù)成形件是平坦的板或片，且具有足夠的厚度以形成足部。初始芯部預(yù)成形件是薄片。
[0078]初始蒙皮預(yù)成形件和芯部預(yù)成形件受到機加工，以分別提供子午面[I]中的葉片的預(yù)定形狀和機翼區(qū)域中的蒙皮的厚度，以及用于葉片的足部的突起部4、5和工藝突起部
6、7。通過研磨和拋光，蒙皮預(yù)成形件和芯部預(yù)成形件的表面為擴散焊接做好準(zhǔn)備。在馬上要進行焊接之前，待粘合的預(yù)成型件表面被化學(xué)清潔。
[0079]通過篩網(wǎng)印刷將阻擋材料施加到蒙皮預(yù)成形件1、2與芯部預(yù)成形件3的接觸平坦表面的不進行粘合的區(qū)域，以防止在擴散焊接過程中粘合這些區(qū)域。還將阻擋材料施加到蒙皮預(yù)成形件1、2與芯部預(yù)成形件3的接觸表面的區(qū)域，以便沿著周緣形成收集區(qū)21。阻擋材料可包括分散在粘合劑或溶劑中的釔粉。將預(yù)成形件1、2、3組裝為堆疊且用安裝在孔8中的銷彼此固定。然后，將管12附接到收集區(qū)。將管12安裝在周緣一側(cè)以使所有預(yù)成形件的不被粘合的區(qū)域彼此連接。將該管安裝在距入口邊緣或出口邊緣的外邊界邊緣的距離不大于L/3處，其中L是葉片弦沿周緣的長度。
[0080]如上所述，如有所需，可安裝多個管，使得在每個蒙皮預(yù)成形件和芯部的預(yù)成形件的相鄰表面上，每個管均接觸不被粘合的區(qū)域。在這樣的情況下，無論管的總數(shù)量有多少，在超塑成形中用于供應(yīng)工作流體的管都安裝在整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件的端部，在周緣一側(cè)距入口邊緣或出口邊緣的外邊界邊緣的距離不大于L/3處，其中L是葉片弦沿周緣的長度。
[0081]可將管12安裝為使其突出而超過堆疊輪廓，因為該管的端部上還將連接一個管道(圖1中未示出)，以便將管12交替地連接到真空栗和惰性氣體供應(yīng)系統(tǒng)。三個預(yù)成形件1、2、3都通過氬弧焊在周緣上接合在一起。也可通過氬弧焊來固定管12。除了管12的入口以外，產(chǎn)生的組件單元被密閉地密封。
[0082]將堆疊中的空腔排空(evacuate)。隨后將惰性氣體，比如氬氣注入到堆疊空腔中。在注入氬氣后將堆疊空腔排空，且將氬氣再次注入到堆疊空腔中。在達到大氣壓水平的壓力下將氬氣注入到堆疊空腔中。在排空過程中，建議監(jiān)視去除的氬氣中的氧氣的水平。應(yīng)執(zhí)行多次連續(xù)的氬氣的排空和注入，直至從堆疊空腔中完全去除氧氣。
[0083]進一步，將堆疊安裝在加熱爐中，其在加熱爐中被加熱到250_350°C的溫度，以便在堆疊空腔的持續(xù)排空下從阻擋材料中蒸發(fā)粘合劑。將堆疊從加熱爐移出并在持續(xù)排空下冷卻。通過在排空期間監(jiān)視去除的氣體中的粘合劑的水平，來檢測殘余粘合劑的存在。隨后將管12密封，且將堆疊轉(zhuǎn)移到熱等靜壓機(hot isostatic press)。對預(yù)成形件進行擴散焊接。
[0084]接下來，通過像專利[6]中描述的專用裝置來彎曲整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件以及扭曲其機翼。通過熱形變來進行彎曲和扭曲。在扭曲的最終步驟中，將彎曲的整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件的形狀調(diào)整為與用于超塑成形的模具的預(yù)定形狀一致?？墒褂贸艹尚蔚膶Ｓ媚＞?。該模具的分開的半體在邊緣部分上與整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件接觸，其在之后將被去除。優(yōu)選在惰性氣體環(huán)境下完成使整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件形成機翼形狀的步驟，以防止該結(jié)構(gòu)的外表面的快速氧化。
[0085]在接下來的步驟中，在室溫、達到大氣壓的壓力下，將氬氣注入到整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件的空腔中，從而破壞預(yù)成形件與阻擋材料的粘合劑粘結(jié)。在壓力釋放后，將整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件的空腔排空和密封。
[0086]為了完成超塑成形，整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件被置于模具的適當(dāng)形狀的分開的半體之間。將該結(jié)構(gòu)被加熱且進行超塑形變。該步驟也優(yōu)選在惰性氣體環(huán)境下完成，以防止整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件的外表面的快速氧化。通過供應(yīng)到整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件中的空腔的工作流體的壓力來執(zhí)行形變，從而提供超塑形變的速度。工作流體通常是氬氣。
[0087]在形變時，蒙皮預(yù)成形件采用模具的工作腔的形狀，且芯部預(yù)成形件形成傾斜加強肋。
[0088]在超塑成形的步驟之后，對半成品的葉片進行機加工以去除邊緣的處理部(process part)和周緣一側(cè)上的突起部;使葉片機翼和葉片足部的邊緣最終形成。而且，卸下所有管，且封閉剩余的孔。
[0089]圖3示出葉片機翼在機加工后的橫截面。
[0090]中空風(fēng)扇葉片由鈦合金制造。在俄羅斯和其他國家用于制造這樣的產(chǎn)品的最常見的鈦合金是VT6合金(T1-6A1-4V)。然而，這并不排除使用其它鈦合金來制造葉片。
[0091]根據(jù)本發(fā)明的方法，制造了具有復(fù)雜機翼形狀的中空風(fēng)扇葉片，其結(jié)構(gòu)符合[I]中提供的描述。葉片由BT6合金制造。
[0092]初始蒙皮預(yù)成形件是平均晶粒尺寸為6μπι的板。初始芯部預(yù)成形件是厚度為Imm且平均晶粒尺寸為2μπι的片材。蒙皮預(yù)成形件和芯部預(yù)成形件的表面在遍及整個區(qū)域中是平坦的。
[0093]在蒙皮預(yù)成形件和芯部預(yù)成形件中給定的晶粒的平均尺寸的情況下，選擇以下擴散焊接條件:
[0094]焊接溫度為920 Γ ;
[0095]施加到預(yù)成形件的堆疊的等靜壓為3MPa;
[0096]焊接時間為大約兩小時，未算上除了為了焊接而加熱堆疊的時間。
[0097]使整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件形成機翼形狀的步驟以800°C進行。該步驟持續(xù)大約30分鐘，未算上加熱整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件的時間。
[0098]破壞蒙皮預(yù)成形件和芯部預(yù)成形件與阻擋材料之間的粘結(jié)劑粘結(jié)的步驟在室溫下完成，且按照蒙皮預(yù)成形件的彈性形變的需求來選擇氬氣壓力。
[0099]在920 °C的溫度完成超塑成形;按照特定時間表在壓力下注入氬氣，以便在超塑性條件中提供芯部預(yù)成形件的形變速度。
[0100]超塑成形持續(xù)大約2-3小時。
[0101]在該方法的所有步驟中，與將氬氣供應(yīng)到整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件的空腔中相關(guān)聯(lián)而使用這樣的管，該管所安裝的位置是基于該方法的描述中給出的關(guān)系來選擇的，具體來說，該位置距出口邊緣的外邊界的距離等于L/3，其中L是葉片弦沿周緣的長度。
[0102]在超塑成形中，吸入側(cè)預(yù)成形件的均勻升起被控制，特別是在超塑成形的初始時刻被控制。
[0103]吸入側(cè)均勻地升起。對完成的葉片進行非破壞性測試。找到收集區(qū)中的芯部預(yù)成形件的未對齊。這兩個因素都確認在超塑成形的起始時刻在收集區(qū)中不存在芯部與蒙皮預(yù)成形件的“粘住”。
[0104]圖4是機加工后完成的葉片的照片。
[0105]本發(fā)明的技術(shù)方案旨在用于工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)中制造中空風(fēng)扇葉片。
[0106]引用文獻:
[0107]1.專利RU 2354854，IPC F04D 29/32，F(xiàn)04D 29/38，2009。
[0108]2.歐洲專利EP 0568201 B I ,IPC B21D 53/78,B21D 26/02,B21D 11/14。
[0109]3.專利RU 2477191, IPC B21D 53/78,B21D 26/02，B 23K 20/18，B 23K 101/02，2013ο
[0110]4.歐洲申請 E P 2223767A1，IPCB23K 20/02，B21D 53/78,FOlD 5/14，B23K20/18，B23P 15/04，2010。
[0111]5.專利RU 2291019,IPC B21D 53/78,B21D 26/02,20070
[0112]6.專利GB 2073631，B21D 11/14,1980
【主權(quán)項】
1.一種使用擴散焊接和超塑成形來制造燃氣渦輪發(fā)動機的中空風(fēng)扇葉片的方法，所述葉片由鈦合金的蒙皮和呈加強肋形式的芯部組成，其中，所述方法包括:將所述蒙皮的預(yù)成形件和所述芯部的預(yù)成形件組裝成堆疊；以預(yù)定掩蓋圖案，將阻擋材料預(yù)備性地施加到所述蒙皮預(yù)成形件和芯部預(yù)成形件的進行接觸、但在擴散焊接中不粘合的表面的區(qū)域，所述區(qū)域包括收集區(qū)；還在所述蒙皮預(yù)成形件上設(shè)置凹槽，且在所述芯部預(yù)成形件上設(shè)置通槽，用以安裝至少一個管;除了安裝所述至少一個管的位置，沿邊緣密封所述堆疊;安裝管且將所述管連接到所述收集區(qū)；從所述堆疊的空腔中去除氧氣和所述阻擋材料的粘合劑;完全密封所述堆疊;加熱所述堆疊，且在預(yù)定區(qū)域中以及沿入口邊緣、出口邊緣和周緣擴散焊接所述預(yù)成形件，從而產(chǎn)生整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件;使所述整體結(jié)構(gòu)的預(yù)成形件形成機翼形狀；還使用至少一個管，通過將工作流體供應(yīng)到所述蒙皮預(yù)成形件與芯部預(yù)成形件之間的空腔中，來進行超塑成形，所述方法的特征在于，所述收集區(qū)被置于所述堆疊的對應(yīng)于所述葉片的周緣的一側(cè);而且，為了安裝在超塑成形中供應(yīng)所述工作流體的一個或多個管，將所述蒙皮預(yù)成形件中的凹槽和所述芯部預(yù)成形件中的通槽設(shè)置在距所述入口邊緣或出口邊緣的外邊界的距離小于L/3處，其中L是所述葉片弦沿所述周緣的長度。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，當(dāng)在超塑成形中使用單個管來供應(yīng)所述工作流體時，將用于安裝所述管的所述凹槽和所述通槽設(shè)置在距所述入口邊緣或出口邊緣的外邊界的距離等于L/6處，其中L是所述葉片弦沿所述周緣的長度。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，當(dāng)在超塑成形中使用兩個管來供應(yīng)所述工作流體時，將用于安裝一個所述管的所述凹槽和所述通槽設(shè)置在距所述入口邊緣的外邊界的距離等于L/6處，其中L是所述葉片弦沿所述周緣的長度，而將用于安裝另一個所述管的所述凹槽和所述通槽也設(shè)置在距所述出口邊緣的外邊界的等于L/6處。
【文檔編號】B21D53/78GK105980082SQ201480075466
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2014年12月11日
【發(fā)明人】A·A·伊諾澤姆切夫, R·R·穆柳科夫, S·P·帕夫林奇, A·V·阿爾秋霍夫, R·V·薩菲烏林, V·G·特里弗諾夫, S·A·哈林, I·U·馬納普夫, M·A·莫羅佐夫
【申請人】俄羅斯科學(xué)院金屬超塑性課題研究所, 阿維德加圖開放式聯(lián)合股份公司, 烏法發(fā)動機工業(yè)協(xié)會聯(lián)合股份公司