制造中空风扇叶片的方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及金属成形技术，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。
技术介绍
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。叶片具有[1]中大体描述的复杂机翼形状，[1]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。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。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。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。叶片具有足部和机翼，叶片通过足部附接到毂上。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。此外，方法[3]的描述提到收集区形成在叶片的足部一侧上。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。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”。“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。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。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。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。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，在紧邻周缘的本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.12.12 RU 20131553981.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：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(专利权)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，
类型：发明
国别省市：俄罗斯;RU