CN100416043C - 用于涡轮发动机的中空叶片的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于涡轮发动机的中空叶片的制造方法，该叶片包括根部和转子叶片，该方法包括具有转子叶片部分和根部的叶片预制件(14)的加工阶段，该叶片预制件的加工阶段包括以下操作：至少由两个部件(30，32)堆叠和扩散连接在一起形成的单元(28)的制造，通过这种方式，该单元单独地形成叶片预制件的转子叶片部分；附加元件(34)的制造，该附加元件整体形成叶片预制件的根部；以及，将该附加元件组装到该单元上以获得该叶片预制件。

Description

用于涡轮发动机的中空叶片的制造方法

技术领域

本发明通常涉及用于涡轮发动机的叶片的制造方法，如中空风机叶片，或用于涡轮发动机的其它类型的转子或定子叶片。

背景技术

通常，用于涡轮发动机的中空风机叶片，包括一个相对较厚的根部，该根部用来将该叶片连接到转盘(叶轮)上，该根部通过称为转子叶片的较薄的空气动力部分径向地向外延伸。

从现有技术获知，该中空叶片的已知制造方法主要是基于扩散连接技术的使用，并且结合超塑性成型技术。

事实上，在现有技术的该方法中，首先定义出叶片的两个或三个组成部分，然后在通过扩散连接技术将其相互堆叠和组装之前，对各组成部分分别进行加工，以便获得所需的叶片预制件。

随后，预制的预制件的螺旋造型就完成了，接着通过气体压力和该预制件的超塑性成型进行膨胀(撑压)，以获得基本具有最终形状的叶片。

如上所述，叶片预制件的加工阶段需要对两个外部部件进行加工，可能还有一个放置在这两个外部部件之间的中央部件，以便稍候用作桁条(连接杆)。

外部部件的加工通常是通过对供给元件进行机加工进行的，该供给元件必须具有相对较大的初始尺寸，这两个机加工的外部部件中的每一个都必须具有两个径向面对的明显厚度不同的部分，这些部分分别用来限定出叶片预制件的根部以及所述预制件的转子叶片部分。

这样，至少部分组成叶片预制件的外部部分的加工，例如通过层压进行，将会产生非常大的材料成本和机加工成本，因此，这种加工中空叶片的方法不是最优选的。

针对该主要不便，提出了借助于包含至少五个部分堆叠的扩散连接阶段来制造叶片预制件的方法，其中这些部分中的一些沿着该预制件的整个长度径向延伸，而另一些只沿着该预制件的根部延伸。

然而，文献US-A-4 822 823和EP-A-1 188 197中显著披露的该方法也存在一些不便，当要焊接的单元具有变化很大的厚度(根部/转子叶片)以及堆叠件的数量较多时，在扩散连接技术的完成中会存在很大的困难。

此外，在确保堆叠件周围具有良好的渗漏密封性的过程中也会遇到显著的问题。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种制造用于涡轮发动机的中空叶片的方法，可至少部分地解决与现有技术的方法相关的前述诸多不便。

更确切地说，本发明的目的在于提供一种中空叶片的制造方法，该方法的叶片预制件的加工阶段和现有技术相比，可显著地降低加工成本。

为此，本发明的目的在于提供一种用于涡轮发动机的中空叶片的制造方法，该叶片包括根部和转子叶片，该方法包括具有转子叶片部和根部的叶片预制件的加工阶段，该预制件的加工阶段通过以下方式实现，即包括至少将两个部件堆叠和扩散连接在一起组成的一个单元。根据本发明，该叶片预制件的加工阶段包括以下操作：

加工至少由两个部件堆叠和扩散连接在一起形成的单元，通过这种方式，该单元可单独地形成预制件的转子叶片部分；

加工附加元件，其整体形成叶片预制件的根部；以及

将该附加元件组装到所述单元上，以获得叶片预制件。

方便地，在根据本发明的制造方法中，至少由两个部件堆叠和扩散连接在一起的单元不能够形成整个叶片预制件，而只能形成叶片预制件的转子叶片部分。

因此，该扩散连接而形成的单元的制造不再与两个外部部件相当昂贵的生产相结合，其中所述两个外部部件中的每一个都具有两个具有明显厚度不同的部分，并分别用来限定叶片预制件转子部分的根部。相反地，该焊接单元并不形成预制件的根部，因此它的两个外部部件可以很好设计，以便每一个都具有相对均匀的厚度，这样自然会使得材料成本和机加工成本显著地降低。

此外，本发明的再一个优点在于，在扩散连接阶段当要焊接的单元具有变化很大的厚度(根部/转子叶片)以及堆叠件的数量较大时，根部的非整体性可避免遇到焊接技术中碰到的实施困难。事实上，经过扩散连接而成的单元可单独形成预制件的转子叶片部分，由于只有两个或三个部件的堆叠，并且每一个部件基本上具有均匀的厚度，因此，加工非常简单。

另外，在扩散连接阶段，根部的非整体性使得在要焊接的堆叠部件之间可方便地进行泄漏密封成为可能，这种泄漏密封性对于扩散连接技术的实施是非常必要的。事实上，堆叠件根部的渗漏密封很难产生，这对于本领域的普通技术人员来说都是熟知的，因此不必指望它成为一个真正的优点。

而且，在将附加元件组装到同时获得的扩散连接单元上之前，附加元件的单独制造使得对该元件进行各种中间过程的机加工操作成为可能。

此外，附加元件不会进入叶片预制件的转子叶片部分的构造中，而是独自的、整体形成所述预制件的根部，由于它们具有较小的径向长度，很显然，制造成本可最大程度地减小。

因此，本发明利用组装前制造的多个部件，对其中的一些通过扩散连接，完成了叶片预制件的制造，这些部件中没有一个沿着预制件的完整径向长度延伸，这样可非常容易地克服沿着它的长度直接连接到叶片预制件的不同厚度上所带来的不便。

优选地，将每一个附加元件组装到单元上的操作最好使用选自线性摩擦焊和搅动摩擦焊技术组成的组中的技术进行，首选这些技术是因为它们相对容易实施、并且可靠、便宜，以及几乎没有具有破坏性的冶金火花。

优选地，在该叶片预制件的制造阶段之后进行如下阶段：

预制件的螺旋造型；以及

通过气体压力和螺旋型的预制件的超塑性成型进行膨胀(撑压)。

可以看到，全部形成预制件根部的附加元件是通过挤压制造的，就加工成本来说，其非常有利。事实上，从原料坯开始，以及通过适当的模具，要实施的这种低廉的技术包括对具有所需几何形状的附加元件的轮廓加工。

本发明的其它优点和特征将会在下面非限制性的详细描述中体现。

附图说明

本发明将参照附图进行描述，其中：

图1示出了用于涡轮发动机的标准中空叶片的立体图；

图2示出了在根据本发明制造方法的预制件的制造阶段的实施中所获得的叶片预制件的示意性立体图；以及

图3a到3d示意示出了根据本发明的加工方法的各阶段。

具体实施方式

参照图1，示出了用于涡轮发动机(未示出)的标准中空叶片1，例如可以由钛或其一种合金制成。

这个带有大弦的风机转子叶片类型的中空叶片1，包括根部2，通过转子叶片4在径向延伸。

转子叶片4，放置在涡轮发动机的气流循环通道内，具有两个外部表面6和8，分别被称为上表面6和下表面8，这两个表面通过前缘10和后缘12连接。

图2示出了叶片预制件16，该叶片预制件在根据本发明制造方法的叶片预制件的制造阶段中获得。

该预制件14包括具有不同的、较大厚度的根部16，其通过转子叶片部分18在径向延伸。如图2中所示，根部16具有较大的平均厚度为E的内部径向部分20，该部分20通过平均厚度为e的外部径向部分22向外径向延伸，其中厚度e小于厚度E。为此，可注意到，由于位于中央部分23c两侧的两个突起部分23a和23b，其中，中央部分插入根部16的外部径向部分22的延长部分中，该内部径向部分20随后可确保叶片固定安装到涡轮发动机的转盘内。

此外，预制件14的转子叶片部分18具有一个厚度为e′的径向内端24，厚度e′基本上等于平均厚度e，和一个厚度为e″的径向外端26，厚度e″小于厚度e′。然而，该预制件14的转子叶片部分18却有一个基本上均匀的厚度。

另外，由于这些元件基本上呈直线排列，所以在转子叶片部分18的径向内端24和预制件14的根部16的外部径向部分22之间没有明显的划分。然而，在图2中示意示出了假想的连接平面P，该连接平面为预制件14的根部16和转子叶片部分18之间的一般公认的理论分割。

在根据本发明制造方法的优选实施例中，叶片预制件14的制造阶段通过上述方式进行，参照图3a到3c。

首先，单元28至少由两个堆叠和扩散连接在一起的部件30和32制成，这两个在图3a示出的部件30和32分别构成单元28的上下外部部分。在这一点上，第三部分(没有示出)也可插入外部部分30和32之间，以便稍后形成一个桁条。事实上，由于单元28单独和全部地形成预制件14的转子叶片部分18，因此其能够通常使用两个相同的内表面开槽的外部部分制成，或者也可用三个部分，其中两个相同的外部部分具有基本平滑的、用于和第三个中间部分连接的内表面。

在本发明的该优选示实例中，单独形成预制件14的转子叶片部分18的单元28，以及构成该单元28的所述两个相同的外部部分30和32均具有基本均匀的厚度。这样，由于用于制造部件30和32所必需的供给元件非常容易具有与这些所述部件30和32必需具有的最终尺寸相似的尺寸，因此，通过层压(层叠)获得部件30和32的技术也特别合适，并且就材料成本和机加工成本而言也完全是最优选的。

在单元28单独由两个相同的外部部件30和32构成的情况下，一旦这些部件如上所述制造完成，然后为了完成预制件的不同组成部分的组装，通过一种与现有技术所使用的相似的方式，将其扩散连接在一起。在这一点上，并且以持续的方式，可以注意到扩散连接操作是根据设定的模式通过燃料棒涂层的沉淀操作进行的，该涂层涂抹到和外部部分30和32接触的内部表面30a和32a上。

在中空单元28单独和全部地形成预制件14的转子叶片部分18的制造过程的同时，形成单个的附加元件34，该附加元件单独和全部形成所述预制件14的根部16。因此，很自然地想到，单元28和附加元件34中的每一个都有各自的几何形状，该几何形状基本上与图2中示出的预制件14的转子叶片部分18和根部16的几何形状相同。

如图3b所示，附加元件34因此包括一个较厚的部分36，与图2中所示的内部径向部分20相似，以及一个次厚的部分38，与上述图2中示出的外部径向部分22相似。因此，元件34可以通过挤压而容易地制造，从原料坯，以及通过合适的模具，该已证明了的、低成本的技术包括对具有所需几何形状的附加元件34的外形的加工。按照这种方式，使用该技术，通过单独脱模，可以一个接一个地制造该附加元件34。

一旦单元28和附加元件34已被同时制造，优选使用钛合金，然后将它们通过以下方式组装，即，充分获得预制件14的几何形状的方式，如图3c所示。

因此，该组装可通过焊接进行，即通过使单元28的内部径向表面40与附加元件34的外部径向表面42相接触。与预制件14的根部16和转子叶片部分18相比，这些表面40和42基本上是平滑的，并连接到一起限定出一个平的接触区域44，大致位于与图2所示的假想连接面P相同的位置。

经过描述，将附加元件34组装到单元28上的操作最好是通过线性摩擦焊，或通过搅动摩擦焊来完成。这些所熟知的焊接技术可以方便地使焊接区保持与扩散连接和超塑性成型技术相一致的金属工艺特性，并确保具有符合预制件规格的机械特性。

当然，该焊接操作结束之后，需要进行焊接区域几何形状修复的机加工操作。

在已描述过的叶片预制件14的制造阶段之后，接着进行标准阶段，首先是针对预制件14进行螺旋造型，以便其具有一个充分扭曲的形状，如图3d所示。然后，仍然以一种持续的方式，通过气体压力和超塑性成型阶段的膨胀操作以获得如图1所示的叶片1，该阶段之后通常是最终的机加工，通过机加工严格形成叶片1的所需的螺旋外形。

当然，本领域的普通技术人员对于上述的中空叶片1的加工方法可以进行各种修改，此处只做了非限制的一般说明。

Claims (5)

1. 一种用于涡轮发动机的中空叶片(1)的制造方法，所述中空叶片包括根部(2)和转子叶片(4)，所述方法包括具有转子叶片部分(18)和根部(16)的叶片预制件(14)的加工阶段，所述预制件(14)的加工阶段通过如下方式进行，即包括至少由两个部件(30，32)堆叠和扩散连接在一起组成的单元(28)，其特征在于，所述叶片预制件(14)的加工阶段包括以下操作：

至少由两个部件(30，32)堆叠和扩散连接在一起形成的所述单元(28)的制造，通过这种方式，所述单元单独地形成所述叶片预制件(14)的转子叶片部分(18)；

附加元件(34)的制造，所述附加元件整体形成所述叶片预制件(14)的根部(16)；以及

将所述附加元件(34)组装到所述单元(28)上以获得所述叶片预制件(14)。

2. 根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，将所述附加元件(34)组装到所述单元(28)上的操作通过使用选自线性摩擦焊技术和搅动摩擦焊技术组成的组中的技术完成。

3. 根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，所述叶片预制件(14)的制造阶段之后进行如下阶段：

所述预制件(14)的螺旋造型；以及

通过气体压力和所述螺旋形预制件(14)的超塑性成型进行膨胀。

4. 根据权利要求1或2所述的加工方法，其特征在于，所述附加元件(34)通过挤压整体形成所述预制件(14)的根部(16)。

5. 根据权利要求3所述的加工方法，其特征在于，所述附加元件(34)通过挤压整体形成所述预制件(14)的根部(16)。

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