制造中空风扇叶片的方法

制造中空风扇叶片的方法
【专利摘要】本发明涉及使用扩散焊接和超塑成形的金属压力加工的领域。按照给定模板图案将保护性涂层预施加到蒙皮预成形件和芯部预成形件进行接触的表面的区域。为了安装至少一个管，蒙皮预成形件设有凹槽，芯部预成形件设有通槽。除了要安装至少一个管的位置，沿边缘不透气地密封堆叠组件。将管安装为连接到收集区，且从堆叠组件中的空腔中去除氧气和保护性涂层的粘合剂。将堆叠组件完全不透气地密封、加热，且在特定区域中、以及沿入口边缘、出口边缘和周缘扩散焊接预成形件。使整体结构的预成形件形成气动外形，且借助将工作流体也利用至少一个管供应到蒙皮预成形件和芯部预成形件之间的空腔中，对整体结构的预成形件进行超塑成形。收集区被置于堆叠组件的对应于叶片的周缘的一侧。为了安装在超塑成形中供应工作流体的一个或多个管，将蒙皮预成形件中的凹槽和芯部预成形件中的通槽设置在距入口边缘或出口边缘的外边界的距离小于L/3处，其中L是叶片弦沿周缘的长度。因此能够消除叶片成形期间的缺陷的危险，而不会损害叶片的性能特性和增加其生产的劳动强度。
【专利说明】
制造中空风扇叶片的方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及金属成形技术，更具体来说，涉及通过扩散焊接和超塑成形来制造燃气涡轮发动机(GTE)的中空风扇叶片的方法。
【背景技术】
[0002]本方法可应用于航空发动机产业来制造宽弦风扇叶片，对宽弦风扇叶片来说，减少重量是必要的，且假设将叶片制造为中空的。
[0003]叶片具有[I]中大体描述的复杂机翼形状，[I]公开了限定叶片(为风扇叶片和压缩机叶片两者所共有)的基础性能特性的结构特征。
[0004]叶片横截面的机翼形状由膨胀线和压力线形成，所述膨胀线和压力线包围叶片机翼形状的中心线，从叶片机翼形状的结构进入角弯向叶片机翼形状的离开结构角。叶片具有沿着根据设计角的位置的纵向的入口边缘和出口边缘。叶片机翼形状的中心线的最大弯曲被选择为使得在叶片表面上提供平缓增加的压力梯度。
[0005]按照叶片机翼的弯曲中心线的形状，一个叶片的膨胀线和相邻叶片的压力线形成叶片通道的流动路径的构造，这在弱斜激波(weak oblique shock)的系统中提供平缓减速的超音速流，且提供叶片通道的出口部中的尾冲击波(trailing shock wave)的形成。这引起超音速流的减速处的较小压力损耗，以及风扇或压缩机的增加的效率和失速裕度。
[0006]膨胀线和压力线分别位于涉及叶片的吸入侧和压力侧的表面上。
[0007]叶片具有足部和机翼，叶片通过足部附接到毂上。
[0008]制造压缩机叶片和风扇叶片的方法有差别。如上所述，至关重要的是，整体尺寸比压缩机叶片更大的轴流风扇叶片，甚至于宽弦叶片，被制造为中空的。通常，即便只有叶片机翼是中空的，也使用术语“中空叶片”。机翼由蒙皮和芯部组成，其中一张蒙皮形成叶片的吸入侧而另一张蒙皮形成叶片的压力侧，且芯部为加强肋的形式。蒙皮和芯部由钛合金制造。
[0009]加强肋的参数，包括其倾斜角和其间的距离，由蒙皮与芯部之间的扩散焊接接合点的相对位置、以及蒙皮与芯部之间缺失的接合点的区域决定。为此目的，设计(预定)了掩盖图案，根据该掩盖图案将阻挡材料施加到预成形件的接触表面，从而防止以扩散焊接接合预成形件，且由此限定待接合的区域。
[0010]在超塑成形的过程中，形成蒙皮预成形件与叶片的吸入侧和压力侧的最终外部设计形状之间的空腔。同时，在形成芯部预成形件的过程中，没有受到与蒙皮预成形件接合的区域在被拉伸时形成加强肋，也就是说，形成叶片的内部结构。最常见的内部构造是由叶片的横截面中的具有三角网格的框架[2、3、4]的倾斜肋形成的。这样的结构是根据掩盖图案形成的，该掩盖图案为放置在蒙皮预成形件与芯部预成形件的接触面上的交替的带的形式。由于倾斜加强肋的弹性能力，且由此吸收和耗散了冲击能量，所以所讨论的叶片可以较好地耐受各种物体(包括鸟类)的碰撞。此外，这样的结构最佳地有助于减缓风扇的操作中不可避免地发生的震动。
[0011]如上所述，制造中空叶片的方法基于两个基本步骤的使用:扩散焊接和超塑成形[2、3、4]。这三种方法都基本相似。在其更详细的论述中将提到它们之间的区别。
[0012]对专利[2]的描述中披露了制造中空风扇叶片的最广为所知的方法。该方法包括施加阻挡材料的步骤，从而根据预定掩盖图案，防止将预成形件接合在扩散焊接中不被粘合的蒙皮预成形件和/或芯部预成形件的表面上。
[0013]在叶片的整个外周上没有阻挡材料，从而使预成形件在叶片的足部以及入口、出口和周缘中进行接合。
[0014]将蒙皮预成形件和芯部预成形件组装为堆叠，该堆叠沿着边缘被密封，除了一个位置不密封以安装至少一个管。在管安装位置处，蒙皮预成形件设有凹槽，芯部预成形件设有通槽。然后安装管，堆叠中的空腔通过该管被依次排空并填充惰性气体以去除氧气。通过加热该堆叠，在堆叠空腔的持续排空下，从堆叠空腔中去除(蒸发)阻挡材料的粘合剂。随后完全密封堆叠。在预定温度和压力下进行预成形件的扩散焊接，以生产整体结构的预成形件。
[0015]在超塑成形的步骤之前，再次将整体结构的预成形件的空腔依次排空且填充惰性气体以去除氧气。
[0016]为了完成超塑成形，将整体结构的预成形件放入整体结构的成形半体之间的专用模具且与该模具一同加热，并将工作流体供应到芯部预成形件与蒙皮预成形件之间的空腔中，从而在超塑性条件(superplasticity regime)下形成叶片的加强肋和最终机翼形状。工作流体通常是氩气。
[0017]使用不同的管来供应氩气，该管可与之前的管的安装在相同位置。该管的横截面较小，因为对应于超塑性条件，应该通过该管相当慢地供应氩气以确保预成形件的形变速度。
[0018]在超塑成形的步骤和其它步骤中，比如在从堆叠的空腔中去除氧气以及随后从整体结构的预成形件中去除氧气的步骤中，为了使氩气沿芯部的每一侧上的交替带分布，设有管连接到其上的收集区。方法[2]的描述没有提到分别在整体结构的预成形件的哪一侧上设置收集区和安装管。解释该方法的附图中也缺失这样的信息，因为预成形件的堆叠被示出为没有足部[2，图5]。因此，对于实施方法[2]来说，收集区的位置不是必要的。它或者可被置于足部的一侧，或者可被置于叶片的周缘的一侧。
[0019]在收集区中，芯部预成形件不应与任何蒙皮预成形件接合，以使两个空腔形成为分隔;这就是将阻挡材料也施加在预成形件的接触表面的收集区中从而防止以扩散焊接接合预成形件的原因。
[0020]叶片的制造还包括使叶片形成机翼形状的步骤，其包括弯曲整体结构的预成形件以形成叶片的压力侧和吸入侧，以及扭曲叶片的机翼。该步骤在预成形件的超塑成形之前完成。
[0021]叶片的制造包括这样的步骤:在足够的高压下，破坏扩散焊接的步骤中出现在预成形件与阻挡材料之间的粘合剂粘结。可以像方法[2]中一样，在使整体结构的预成形件形成机翼形状的步骤之后完成破坏粘结的步骤，或者在扩散焊接的步骤之后立刻完成破坏粘结的步骤[3]。这是方法[3]与方法[2]的主要区别。
[0022]此外，方法[3]的描述提到收集区形成在叶片的足部一侧上。
[0023]在强度计算和叶片的原型的生产和测试中，已经发现，用于执行该方法的步骤所需的各种管、以及收集区分别优选被置于叶片的周缘一侧上。这样有助于保持机翼的根部的强度，这在叶片和风扇作为整体的操作特性方面是重要的。将收集区在叶片的足部一侧的布置可归因于方法[3 ]的缺点。
[0024]方法[2、3]的一个共同的缺点是，即使在破坏粘合剂粘结后，预成形件仍然会在超塑成形的开始时刻彼此紧紧粘合。换言之，这样的情况可限定为预成形件彼此“粘住” ο “粘住”造成一定的问题，特别是其妨碍足量的氩气渗透到芯部预成形件与蒙皮预成形件之间。该问题主要涉及收集区。
[0025]妨碍芯部预成形件与蒙皮预成形件之间的气体渗透的结果是，芯部预成形件可能在收集区中未对齐，如在制造中空风扇叶片的常用方法[4]的描述中提到的。芯部预成形件的未对齐可损害加强肋的形成条件且导致叶片的制造瑕疵。
[0026]目前，已经尝试提供技术方案，使得在超塑成形的起始时刻，位于整体结构的预成形件的收集区中的区域中的预成形件能够彼此“脱粘”，具体来说，这在前述的中空风扇叶片的制造方法[4 ]中已经完成。
[0027]方法[4]，以及方法[2、3]，包括以下主要步骤:扩散焊接吸入侧预成形件、压力侧的预成形件以及置于其间的芯部预成形件(膜)，且超塑成形这些预成形件。该方法包括将阻挡材料施加到蒙皮预成形件和芯部预成形件的接触表面以防止预成形件的粘合。以预定掩盖图案施加阻挡材料。该样式由交替带形成，这些带的布置限定加强肋的构造。
[0028]为了形成收集区，沿着周缘施加阻挡材料以提供已经提到的保持机翼的根部的强度的优点。在方法[4]中，在紧邻周缘的区域中，一个蒙皮预成形件与芯部预成形件的扩散粘结设置为带沿叶片的整个弦或者至少沿叶片的弦的一部分延伸的形式。其结果是，在整体结构的预成形件的收集区中，沿叶片的翼展方向，在压力侧预成形件与芯部预成形件之间的扩散粘结的尺寸，大于在吸入侧预成形件与芯部预成形件之间的扩散粘结的尺寸。或反之亦然，沿叶片的翼展方向，在吸入侧预成形件与芯部预成形件之间的扩散粘结的尺寸，大于在压力侧预成形件与芯部预成形件之间的扩散粘结的尺寸。
[0029]由于芯部预成形件与吸入侧预成形件的带形状的接合[4，图4A]，在供应氩气时，将芯部预成形件与吸入侧预成形件一同提升到压力侧预成形件上方，从而在叶片的收集区中提供芯部预成形件与压力侧预成形件之间的气流。
[0030]在另一个实施例中，由于芯部预成形件与压力侧预成形件的带形状的接合，在供应氩气时，芯部预成形件与吸入侧预成形件分离，从而在叶片的收集区中提供芯部预成形件与吸入侧预成形件之间的气流。
[0031]据推测，该方法扩展了文献[4]中描述的方法的能力，其中尝试使用这种样式，SP，允许在收集区中形成芯部预成形件与一个蒙皮预成形件之间的多个接合点，例如以有助于芯部预成形件与另一个蒙皮预成形件“脱粘”的多个点的形式来形成。然而，多个点不能执行功能，因为气体围绕这些点流动且在整体结构的预成形件的末端处累积，从而引起芯部预成形件的未对齐[4]。
[0032]该方法的描述没有明确带的宽度，然而在宽度很小的情况下预成形件彼此“脱粘”的过程将会不进行。该事实通过实验和方法[4]的描述而被证实，其中为了确保“脱粘”，建议使用呈多个点的形式的样式。因此，芯部预成形件通过带粘结到一个蒙皮预成形件且通过多个点粘结到另一个蒙皮预成形件[4，图4a、图4b]。
[0033]方法[4]的主要缺点是，由于通过以小点和窄带的形式的扩散焊接制造的接合点的存在。从多个引用文献可知，特别是从通过扩散焊接和超塑成形制造物品的方法[5]的描述可知，在扩散焊接中，不可避免地出现微孔群的形式的缺陷，以及在接合区域的末端处的底切(undercut)形式的缺陷。微孔群通常也出现在接合区域的末端处。如果整个接合点区域与上述瑕疵集中的区域的尺寸相当，则接合变得非常弱。
[0034]此外，带的存在导致芯部预成形件在收集区内弯曲以及在弯曲处出现应力集中。多个点的存在导致已经薄化的芯部预成形件的不均匀薄化。
[0035]在使用中，在各种外部因素的影响下，且由于叶片的悬臂附接到毂，以及叶片的显著的跨度量级，叶片的周边区域受到最大弹性形变，这在原理上可能破坏扩散焊接形成的粘结，特别是如果这些粘结脆弱的话。
[0036]鉴于叶片的周边区域是叶片的最小负载部的事实，可以假设芯部与蒙皮之间的粘结的破坏，以及在收集区中芯部从蒙皮断裂将不会削弱叶片的基本操作特性。但是芯部的从与蒙皮的接合脱离且弯曲的部分将导致结构中的额外振动，这最终会破坏加强肋的位置处的粘结。
[0037]为此原因，除了加强肋的形成期间出现的不可避免的应力集中以外，叶片的周边区域中存在的任何应力集中都是特别不期望的。结果，芯部预成形件与蒙皮预成形件在叶片的周边区域中的额外接合点是不期望的。
[0038]方法[4]的所讨论的步骤的另一个缺点是，这些步骤增加了将阻挡材料施加到预成形件的表面的已经很复杂的步骤(该步骤防止预成形件以扩散焊接进行接合)的复杂度。
[0039]因此，在方法[4]的使用中，在超塑成形的起始时刻不能克服预成形件之间的“粘住”而不损害叶片质量且增加其制造复杂度。
[0040]最接近的现有技术是专利[2]中描述的中空风扇叶片的制造方法。该方法在技术本质上接近权利要求的方法，因为该方法的描述披露了特征-步骤和方法，基于这些步骤和方法能够达到本发明方法中的期望的技术效果。

【发明内容】

[0041]本发明的目的是消除叶片的制造中的缺陷的危险，而不牺牲叶片的性能特性和增加其制造复杂度。
[0042]本发明的技术效果归因于这样的事实:在超塑成形中，通过管将工作流体供应到蒙皮(skin)预成形件与芯部预成形件之间的空腔中，该管被安装为使得在超塑成形之前的步骤中出现的自然因素可以用于使蒙皮预成形件和芯部预成形件彼此“脱粘”。
[0043]在使用扩散焊接和超塑成形来制造燃气涡轮发动机的中空风扇叶片的方法中，所述叶片由钛合金的蒙皮和呈加强肋形式的芯部组成，其步骤是:将蒙皮的预成形件和芯部的预成形件组装成堆叠；按照预定掩盖图案(screen pattern)，将阻挡材料(stop-offmaterial)预备性地施加到蒙皮预成形件和芯部预成形件的进行接触、但在扩散焊接中不粘合的表面的区域，该区域包括收集区(collector zone);还为蒙皮预成形件设置凹槽(groove)，且为芯部预成形件设置通槽(slot，贯通的槽)，用以安装至少一个管；除了安装至少一个管的位置，沿边缘密封堆叠;安装管且将其连接到收集区；从堆叠的空腔中去除氧气以及阻挡材料的粘合剂;完全密封堆叠；加热堆叠，且在预定区域中以及沿入口边缘、出口边缘和周缘扩散焊接预成形件，从而产生整体结构的预成形件;使整体结构的预成形件形成机翼形状;还使用至少一个管，通过将工作流体供应到蒙皮预成形件与芯部预成形件的空腔中，来进行超塑成形。
[0044]该方法与现有技术的方法的区别在于:收集区被置于堆叠的对应于叶片的周缘的一侧;而且，为了安装在超塑成形中供应工作流体的一个或多个管，将蒙皮预成形件中的凹槽和芯部预成形件中的通槽设置在距入口边缘或出口边缘的外边界的距离小于L/3处，其中L是叶片弦沿周缘的长度。
[0045]也可通过以下情况获得本发明的技术效果:
[0046]-当在超塑成形中使用单个管来供应工作流体时，将用于安装管的凹槽和通槽设置在距入口边缘或出口边缘的外边界的距离等于L/6处，其中L是叶片弦沿周缘的长度；
[0047]-当在超塑成形中使用两个管来供应工作流体时，将用于安装一个管的凹槽和通槽设置在距入口边缘的外边界的距离等于L/6处，其中L是叶片弦沿周缘的长度，而将用于安装另一个管的凹槽和通槽设置在距出口边缘的外边界的相同距离(L/6)处。
[0048]对本发明的本质的说明。
[0049]当如上所述地安装管时，若干(具体地是两个)自然因素起作用，这在超塑成形的起始时刻在收集区中使得芯部预成形件能够与蒙皮预成形件分离(“脱粘”)。现在将考虑这些因素。
[0050]如最接近的现有技术的描述中提到的，在从阻挡材料去除粘合剂之后，阻挡材料的颗粒趋于分开，所以必须在扩散焊接之前特别小心地处理预成形件的堆叠。而且，在方法
[2]中，预成形件之间的粘结和阻挡材料的破坏是在使整体结构的预成形件形成机翼形状之后完成，从而在该步骤期间保持整体结构的预成形件的完整性，由于阻挡材料的颗粒的散布，在破坏预成形件之间的粘结之后，该完整性将会损失。
[0051]因此，在破坏粘合剂粘结之后，呈独立颗粒形式的阻挡材料还没有均匀地分布在蒙皮预成形件和芯部预成形件的表面之间。如果考虑未来的加强肋之间的空间，由于紧密度，阻挡材料颗粒在那里的散布过程不会像在收集区中那么强烈显著。在收集区中，阻挡材料的几乎所有松散颗粒都从整体结构的预成形件的中间的、最凸起部分下落向入口边缘或出口边缘。
[0052]靠近这些边缘，阻挡材料颗粒提供蒙皮预成形件和芯部预成形件的显著的非紧密彼此粘结，换言之没有“粘住”，且对于氩气通过阻挡材料颗粒从它们之间通过是足够的。
[0053]就在周缘一侧观察到颗粒的最强烈的瓦解。这是由于与机翼根部的叶片的弦相比，周边处的叶片存在更宽的弦，以及由于与固体足部附近的机翼根部相比，空间中的周缘有更多自由位置。为此原因，在周缘一侧上安装在超塑成形时供应工作流体的一个或多个管的特征是重要的，因为该特征与其它区别性特征一同影响提供新技术效果的能力。如上所述，已知效果存在于保持根部中的机翼的强度。
[0054]现在考虑，在使整体结构的预成形件形成机翼形状的步骤中发生的其它因素如何影响蒙皮预成形件和芯部预成形件彼此“脱粘”的过程。
[0055]在扩散焊接之后，整体结构的预成形件形成由多层片状预成型件组成的板，这些片状预成型件在某些区域(包括收集区)中未接合。因此，在通过弯折形成压力侧和吸入侧的形状时，每个蒙皮预成形件的一些层将会在这些区域中经历压应力，而其它层将会经历拉应力。压力侧预成形件的最接近芯部预成形件的层将会经历拉应力，而吸入侧预成形件的层将会经历压应力。其结果是，柔性大得多的芯部预成形件将会被夹紧在较刚性的蒙皮预成形件之间。夹紧压力将取决于整体结构的预成形件的弯曲程度，且因此将会在最接近入口边缘和出口边缘的区域处最小，而在中心部最大。由于弯曲和扭曲的步骤时间相对较短，考虑的应力受到微不足道的松弛且保持在预成形件的本体中。在超塑成形的过程中，高温和形变导致完全去除残余应力。但是在成形的初始时刻，必须克服残余应力的效果。因此，通过从整体结构的预成形件的最小凸起(几乎平直)区域开始该过程将会容易得多地分离芯部预成形件和蒙皮预成形件。这个因素像第一个因素一样有助于实现本发明的技术效果O
[0056]最后，考虑在超塑成形过程中，芯部预成形件和蒙皮预成形件(包括收集区)的形变的本质。
[0057]如已经提到的，压力侧预成形件在所有区域中保持几乎不形变。吸入侧预成形件在所有区域中受到充分的强烈形变，就像在形成球壳时发生的那样。芯部预成形件在形成加强肋期间在主要部分中经历弯曲和张力，这是在其以预定样式，在蒙皮预成型件的接合点的影响下发生的。吸入侧预成形件在升起时如同拉动着芯部预成形件，而压力侧预成形件保持在其位置上。在整体结构的预成形件的主要部分中芯部预成形件的拉伸几乎是单轴的(uniaxial，单向的)。
[0058]在收集区拉伸芯部预成形件的过程还受到预定样式的芯部预成形件与蒙皮预成形件的接合点位置的影响，该过程在形成加强肋之前且进一步伴随着形成加强肋。但是在收集区中的芯部预成形件的形变或多或少地不同于其在整体结构的预成形件的主要部分中在形成加强肋期间的形变，因为在收集区中的芯部预成形件的形变过程仍然受到芯部预成形件在周缘与两个蒙皮预成形件的接合的影响。其结果是，在收集区中，芯部预成形件的拉伸沿着空间中不同朝向的若干轴线发生。在这样的情况下，芯部预成形件的形变也在吸入侧预成形件的形变后面，但是在压力侧预成形件的几乎零形变之前。在所有已知方法中，这样的事实导致预成形件的分离和收集区中两个空腔的形成。然而，在“粘住”预成形件的情况下，芯部预成形件的未对齐(misalignment)将会伴随分离过程。在存在这样的因素的情况下:如在本发明的方法或方法[4]中那样为预成型件的分离过程提供有利的起始，则将在芯部预成型件未对齐的情况下发生分离。
[0059]权利要求限定了用于确定至少一个管的位置最简单的关系，其中在超塑成形中通过该管来供应氩气。该一个或多个管被安装在距入口边缘或出口边缘的外边界的距离小于L/3处，其中L是叶片弦沿周缘的长度。
[0060]如果超过该尺寸，则管将被安装在整体结构的预成形件的中央凸起部中，阻挡材料的几乎所有颗粒已经从该突起部下落到更接近入口边缘和出口边缘的内边界，即是说，收集区的角落。在相同的位置，芯部预成形件在形成于蒙皮预成形件之间之前被紧紧的夹持。结果，上文讨论的用于“脱粘”蒙皮预成形件和芯部预成形件的两个因素都不能使用。[0061 ]在本方法中，像在最接近的方法中一样，可使用多个管来完成各种步骤[2 ]。
[0062]当在超塑成形中使用多个(特别是两个)管来供应工作流体时，所有管被安装在小于L/3的距离处，其中L是叶片弦沿周缘的长度。
[0063]在将至少一个管(用于在超塑成形中供应工作流体)安装到整体结构的预成形件的中心部中时，芯部预成形件可能发生未对齐。在该方法的其它步骤中，特别是从整体结构的预成形件的空腔中去除氧气的步骤中使用的管可被安装在中心部。
[0064]用于安装在超塑成形中供应工作流体的一个管的凹槽和通槽最优选地设置在距入口边缘或出口边缘的外边界的距离等于L/6处，其中L是叶片弦沿周缘的长度，S卩，接近边缘。在那里，存在阻挡材料的最多数量的下落颗粒，且蒙皮预成型件的弯曲具有最小冲击。
[0065]在使用两个管来在超塑成形中供应工作流体时，建议将用于安装一个管的凹槽和通槽设置在距入口边缘的外边界的距离等于L/6处，其中L是叶片弦沿周缘的长度。建议将另一个管安装在距出口边缘的外边界的相同距离(L/6)处。这样的策略能够避免在相当小的一段叶片弦长度上设置多个凹槽和通槽。
【附图说明】
[0066]制造中空风扇叶片的本发明的方法在附图中示出:
[0067]图1是预成形件的堆叠在扩散焊接的步骤之前的其组装过程中的示意图；
[0068]图2是收集区中的叶片机翼在超塑成形的步骤之前的横截面；
[0069]图3是完成的叶片的横截面；
[0070]图4是完成的叶片的照片。
【具体实施方式】
[0071]堆叠(图1)包括蒙皮预成形件1、2和芯部预成形件3。芯部预成形件的表面和与芯部预成形件接触的蒙皮预成形件的表面是平坦的。
[0072]蒙皮预成形件1、2的外表面包括用于叶片的足部的突起部4、5。此外，预成形件的外表面在周缘一侧的蒙皮包括工艺突起部6、7。工艺突起部6、7被设计为保持整体结构的预成形件，该整体结构的预成形件是由使整体结构的预成形件形成机翼形状的步骤中的扩散焊接造成的。蒙皮预成形件和芯部预成形件具有用于定位销(图1中未示出)的孔8，组装堆叠需要上述定位销。在周缘一侧，蒙皮预成形件具有凹槽9、10。芯部预成形件在相同位置具有对应于凹槽的通槽11。凹槽和通槽用于安装管12，在与从堆叠和整体结构的预成形件的空腔中去除氧气相关的各个步骤中，管12首先用于将氩气供应到堆叠的空腔中，然后将氩气供应到整体结构的预成形件的空腔中。在破坏预成形件与阻挡材料之间的粘结的步骤中，同样的管可用于将氩气注入整体结构的预成形件的空腔中。图1中未示出在超塑成形时供应氩气的管，但该管被安装在与管12的相同位置(在管12被拆卸后)，因此，管12被严格安装在距入口边缘或出口边缘的外边界具有根据权利要求的方法的建议所选择的距离处。芯部预成形件3的表面上的区域13和蒙皮预成形件I上的对应区域(图1中未示出)，以及蒙皮预成形件2的表面上的区域14和芯部预成形件3的表面上的对应区域(图1中未示出)通过扩散焊接粘合。三个预成形件还都在外围上粘合，外围上包括突起部4、5、6、7和边缘15、16、
17、18。叶片的外周上的粘合的区域的宽度被计算为，使得在去除工艺突起部6、7和机加工余量后，完成的叶片具有预定宽度的足部、入口、出口和周缘。芯部预成形件3上的区域19和蒙皮预成形件2上的区域20在扩散焊接中不被粘合且打算用于形成收集区21，其中区域19与蒙皮预成形件I的对应区域(未示出)接触，区域20与芯部预成形件3的对应区域(未示出)接触。
[0073]图2示出在超塑成形的步骤开始之前，收集区中的叶片机翼的横截面；附图标记22、23、24、25示出阻挡材料的颗粒的聚集的位置。
[0074]图3示出机加工后完成的叶片机翼的横截面。
[0075]图4示出完成的叶片的照片，其展示了叶片的周缘的弦大于叶片机翼的根部的弦的程度。
[0076]该方法实现如下:
[0077]初始蒙皮预成形件是平坦的板或片，且具有足够的厚度以形成足部。初始芯部预成形件是薄片。
[0078]初始蒙皮预成形件和芯部预成形件受到机加工，以分别提供子午面[I]中的叶片的预定形状和机翼区域中的蒙皮的厚度，以及用于叶片的足部的突起部4、5和工艺突起部
6、7。通过研磨和抛光，蒙皮预成形件和芯部预成形件的表面为扩散焊接做好准备。在马上要进行焊接之前，待粘合的预成型件表面被化学清洁。
[0079]通过筛网印刷将阻挡材料施加到蒙皮预成形件1、2与芯部预成形件3的接触平坦表面的不进行粘合的区域，以防止在扩散焊接过程中粘合这些区域。还将阻挡材料施加到蒙皮预成形件1、2与芯部预成形件3的接触表面的区域，以便沿着周缘形成收集区21。阻挡材料可包括分散在粘合剂或溶剂中的钇粉。将预成形件1、2、3组装为堆叠且用安装在孔8中的销彼此固定。然后，将管12附接到收集区。将管12安装在周缘一侧以使所有预成形件的不被粘合的区域彼此连接。将该管安装在距入口边缘或出口边缘的外边界边缘的距离不大于L/3处，其中L是叶片弦沿周缘的长度。
[0080]如上所述，如有所需，可安装多个管，使得在每个蒙皮预成形件和芯部的预成形件的相邻表面上，每个管均接触不被粘合的区域。在这样的情况下，无论管的总数量有多少，在超塑成形中用于供应工作流体的管都安装在整体结构的预成形件的端部，在周缘一侧距入口边缘或出口边缘的外边界边缘的距离不大于L/3处，其中L是叶片弦沿周缘的长度。
[0081]可将管12安装为使其突出而超过堆叠轮廓，因为该管的端部上还将连接一个管道(图1中未示出)，以便将管12交替地连接到真空栗和惰性气体供应系统。三个预成形件1、2、3都通过氩弧焊在周缘上接合在一起。也可通过氩弧焊来固定管12。除了管12的入口以外，产生的组件单元被密闭地密封。
[0082]将堆叠中的空腔排空(evacuate)。随后将惰性气体，比如氩气注入到堆叠空腔中。在注入氩气后将堆叠空腔排空，且将氩气再次注入到堆叠空腔中。在达到大气压水平的压力下将氩气注入到堆叠空腔中。在排空过程中，建议监视去除的氩气中的氧气的水平。应执行多次连续的氩气的排空和注入，直至从堆叠空腔中完全去除氧气。
[0083]进一步，将堆叠安装在加热炉中，其在加热炉中被加热到250_350°C的温度，以便在堆叠空腔的持续排空下从阻挡材料中蒸发粘合剂。将堆叠从加热炉移出并在持续排空下冷却。通过在排空期间监视去除的气体中的粘合剂的水平，来检测残余粘合剂的存在。随后将管12密封，且将堆叠转移到热等静压机(hot isostatic press)。对预成形件进行扩散焊接。
[0084]接下来，通过像专利[6]中描述的专用装置来弯曲整体结构的预成形件以及扭曲其机翼。通过热形变来进行弯曲和扭曲。在扭曲的最终步骤中，将弯曲的整体结构的预成形件的形状调整为与用于超塑成形的模具的预定形状一致。可使用超塑成形的专用模具。该模具的分开的半体在边缘部分上与整体结构的预成形件接触，其在之后将被去除。优选在惰性气体环境下完成使整体结构的预成形件形成机翼形状的步骤，以防止该结构的外表面的快速氧化。
[0085]在接下来的步骤中，在室温、达到大气压的压力下，将氩气注入到整体结构的预成形件的空腔中，从而破坏预成形件与阻挡材料的粘合剂粘结。在压力释放后，将整体结构的预成形件的空腔排空和密封。
[0086]为了完成超塑成形，整体结构的预成形件被置于模具的适当形状的分开的半体之间。将该结构被加热且进行超塑形变。该步骤也优选在惰性气体环境下完成，以防止整体结构的预成形件的外表面的快速氧化。通过供应到整体结构的预成形件中的空腔的工作流体的压力来执行形变，从而提供超塑形变的速度。工作流体通常是氩气。
[0087]在形变时，蒙皮预成形件采用模具的工作腔的形状，且芯部预成形件形成倾斜加强肋。
[0088]在超塑成形的步骤之后，对半成品的叶片进行机加工以去除边缘的处理部(process part)和周缘一侧上的突起部;使叶片机翼和叶片足部的边缘最终形成。而且，卸下所有管，且封闭剩余的孔。
[0089]图3示出叶片机翼在机加工后的横截面。
[0090]中空风扇叶片由钛合金制造。在俄罗斯和其他国家用于制造这样的产品的最常见的钛合金是VT6合金(T1-6A1-4V)。然而，这并不排除使用其它钛合金来制造叶片。
[0091]根据本发明的方法，制造了具有复杂机翼形状的中空风扇叶片，其结构符合[I]中提供的描述。叶片由BT6合金制造。
[0092]初始蒙皮预成形件是平均晶粒尺寸为6μπι的板。初始芯部预成形件是厚度为Imm且平均晶粒尺寸为2μπι的片材。蒙皮预成形件和芯部预成形件的表面在遍及整个区域中是平坦的。
[0093]在蒙皮预成形件和芯部预成形件中给定的晶粒的平均尺寸的情况下，选择以下扩散焊接条件:
[0094]焊接温度为920 Γ ;
[0095]施加到预成形件的堆叠的等静压为3MPa;
[0096]焊接时间为大约两小时，未算上除了为了焊接而加热堆叠的时间。
[0097]使整体结构的预成形件形成机翼形状的步骤以800°C进行。该步骤持续大约30分钟，未算上加热整体结构的预成形件的时间。
[0098]破坏蒙皮预成形件和芯部预成形件与阻挡材料之间的粘结剂粘结的步骤在室温下完成，且按照蒙皮预成形件的弹性形变的需求来选择氩气压力。
[0099]在920 °C的温度完成超塑成形;按照特定时间表在压力下注入氩气，以便在超塑性条件中提供芯部预成形件的形变速度。
[0100]超塑成形持续大约2-3小时。
[0101]在该方法的所有步骤中，与将氩气供应到整体结构的预成形件的空腔中相关联而使用这样的管，该管所安装的位置是基于该方法的描述中给出的关系来选择的，具体来说，该位置距出口边缘的外边界的距离等于L/3，其中L是叶片弦沿周缘的长度。
[0102]在超塑成形中，吸入侧预成形件的均匀升起被控制，特别是在超塑成形的初始时刻被控制。
[0103]吸入侧均匀地升起。对完成的叶片进行非破坏性测试。找到收集区中的芯部预成形件的未对齐。这两个因素都确认在超塑成形的起始时刻在收集区中不存在芯部与蒙皮预成形件的“粘住”。
[0104]图4是机加工后完成的叶片的照片。
[0105]本发明的技术方案旨在用于工业规模生产中制造中空风扇叶片。
[0106]引用文献:
[0107]1.专利RU 2354854，IPC F04D 29/32，F04D 29/38，2009。
[0108]2.欧洲专利EP 0568201 B I ,IPC B21D 53/78,B21D 26/02,B21D 11/14。
[0109]3.专利RU 2477191, IPC B21D 53/78,B21D 26/02，B 23K 20/18，B 23K 101/02，2013ο
[0110]4.欧洲申请 E P 2223767A1，IPCB23K 20/02，B21D 53/78,FOlD 5/14，B23K20/18，B23P 15/04，2010。
[0111]5.专利RU 2291019,IPC B21D 53/78,B21D 26/02,20070
[0112]6.专利GB 2073631，B21D 11/14,1980
【主权项】
1.一种使用扩散焊接和超塑成形来制造燃气涡轮发动机的中空风扇叶片的方法，所述叶片由钛合金的蒙皮和呈加强肋形式的芯部组成，其中，所述方法包括:将所述蒙皮的预成形件和所述芯部的预成形件组装成堆叠；以预定掩盖图案，将阻挡材料预备性地施加到所述蒙皮预成形件和芯部预成形件的进行接触、但在扩散焊接中不粘合的表面的区域，所述区域包括收集区；还在所述蒙皮预成形件上设置凹槽，且在所述芯部预成形件上设置通槽，用以安装至少一个管;除了安装所述至少一个管的位置，沿边缘密封所述堆叠;安装管且将所述管连接到所述收集区；从所述堆叠的空腔中去除氧气和所述阻挡材料的粘合剂;完全密封所述堆叠;加热所述堆叠，且在预定区域中以及沿入口边缘、出口边缘和周缘扩散焊接所述预成形件，从而产生整体结构的预成形件;使所述整体结构的预成形件形成机翼形状；还使用至少一个管，通过将工作流体供应到所述蒙皮预成形件与芯部预成形件之间的空腔中，来进行超塑成形，所述方法的特征在于，所述收集区被置于所述堆叠的对应于所述叶片的周缘的一侧;而且，为了安装在超塑成形中供应所述工作流体的一个或多个管，将所述蒙皮预成形件中的凹槽和所述芯部预成形件中的通槽设置在距所述入口边缘或出口边缘的外边界的距离小于L/3处，其中L是所述叶片弦沿所述周缘的长度。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当在超塑成形中使用单个管来供应所述工作流体时，将用于安装所述管的所述凹槽和所述通槽设置在距所述入口边缘或出口边缘的外边界的距离等于L/6处，其中L是所述叶片弦沿所述周缘的长度。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当在超塑成形中使用两个管来供应所述工作流体时，将用于安装一个所述管的所述凹槽和所述通槽设置在距所述入口边缘的外边界的距离等于L/6处，其中L是所述叶片弦沿所述周缘的长度，而将用于安装另一个所述管的所述凹槽和所述通槽也设置在距所述出口边缘的外边界的等于L/6处。
【文档编号】B21D53/78GK105980082SQ201480075466
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2014年12月11日
【发明人】A·A·伊诺泽姆切夫, R·R·穆柳科夫, S·P·帕夫林奇, A·V·阿尔秋霍夫, R·V·萨菲乌林, V·G·特里弗诺夫, S·A·哈林, I·U·马纳普夫, M·A·莫罗佐夫
【申请人】俄罗斯科学院金属超塑性课题研究所, 阿维德加图开放式联合股份公司, 乌法发动机工业协会联合股份公司