CN101827682A - 扩散粘结 - Google Patents

Abstract

一种形成部件的方法，该部件包括扩散粘结起来的第一元件和第二元件。第一元件为压力元件，包括第一粘结区域表面。第二元件为吸入元件，包括第二粘结区域表面。心轴包括第一表面和第二表面，第一表面具有与第一元件的至少一部分相配合的轮廓，第二表面具有与第二元件的至少一部分相配合的轮廓。第一和第二元件放置在心轴上，从而第一粘结区域表面和第二粘结区域表面配合邻接。第一、第二元件连同心轴一起放置在模具组件内。模具组件包括第一模具、第二模具以及多个紧固零件，多个紧固零件用于可释放地将第一模具固定到第二模具上。

Description

扩散粘结

本发明申请要求申请日为2007年9月19日的美国临时专利申请No.60/994362的优先权和申请日为2008年1月11日的美国临时专利申请No.61/020548的优先权，这两个临时申请在此以引用的方式并入。

技术领域

本发明涉及扩散粘结(diffusion bonding)中或者关于扩散粘结的改进。

背景技术

已知使用均衡压力技术(isostatic pressure techniques)将金属部件扩散粘结(diffusion bond)在一起。当两个配合表面在能使得原子穿过界面相互交换的温度、时间和压力条件下压合在一起时，扩散粘结就会发生。被结合的表面干净和温度、压力与时间变量被密切地控制是必要的，这样，必要的原子的相互交换就能够实现。均衡加压是在压力容器内将高压气体(比如氩)在高温下施加到将被结合的元件。气体压力被均衡地施加，从而被结合的元件的几何形状不会改变或者改变最小。这种扩散粘结工艺需要元件有效地密封，并且传统地，这在初始步骤中就已经在压力容器的外部完成。然而，在初始步骤以后元件之间的密封变得脆弱，因而在将结合的元件移动到在那里将发生扩散粘结的装置时需要非常的小心。

此外，由于这涉及用于喷气式飞机发动机风扇叶片的冲击保护的部件，因此尤其在部件承受最大剧烈应力并同时最易受到冲击的起飞过程中，这些部件暴露于来自于鸟和其它外部物体的可能的冲击。传统地，这些部件被构造成单件式(one-piece)。然而，单件式部件制造昂贵。具有焊接接头和/或通过传统扩散粘结工艺的粘结接头的两件式部件(two-piece part)不能承受与该部件使用相联系的冲击。制造单件式部件所需的原材料昂贵并且是两件式部件花费的两倍。这加上产生内表面和外表面所需加工的数额是巨大的。由于切削深度和内鼻部半径的小尺寸并因此需要使用小切削工具，从而所需加工时间的大部分用来产生内表面，尤其是用来产生内鼻部半径。

本发明提供了一种扩散粘结的方法，其克服了现有技术中的某些难点，并同时具有更好的和更有利的整体效果。

发明内容

根据本发明的一个非限制的方面，提供一种粘结在喷气式飞机发动机风扇叶片保护中所使用的部件的方法。虽然本发明特别涉及一个或多个飞机发动机部件的扩散粘结并特别引用其来描述，然而，这种扩散粘结工艺能够用来将材料粘结在一起以形成其它种类装置的部件(比如汽车部件、军用元件、航天器元件、等等)。在喷气式飞机发动机风扇叶片中使用的部件包括第一元件和第二元件，第二元件扩散粘结到第一元件上。第一元件被构造成压力侧元件并包括第一主粘结区域表面。第二元件被构造成吸入侧元件并包括第二配合粘结区域表面。心轴被提供。该心轴包括第一表面和第二表面，其中，第一表面具有与第一元件的至少一部分相配合的轮廓，第二表面具有与第二元件的至少一部分相配合的轮廓。第一和第二元件被放置在心轴上，从而第一粘结区域表面和第二粘结区域表面配合邻接。第一元件可释放地与第二元件连接。连接起来的第一元件和第二元件连同心轴一起放置在模具组件(die assembly)内。模具组件包括第一模具、第二模具、以及用于将第一模具和第二模具可释放地固定在一起的多个紧固零件。第一模具和第二模具由具有第一热膨胀系数的第一材料形成。紧固零件由具有较小第二热膨胀系数的第二材料形成。模具组件被放置在用于扩散粘结循环的真空炉内，或者被放置在用于扩散粘结循环的其它类型的加热装置内。加热装置被抽空。比如，加热装置首先用氩气净化以移除任何大气污染，然后加热装置被抽成预定真空水平的真空。加热装置的温度被增加到预定温度。均匀压力被应用到第一和第二元件的第一和第二粘结区域表面之间的界面。真空水平、温度和压力被保持在炉内并持续一段预定时间。从炉内移除包括已扩散粘结的第一和第二元件的模具组件。

根据本发明的另一个非限制的方面，提供一种扩散粘结模具组件，用于将第一元件扩散粘结到第二元件，其中第一元件具有非平面第一粘结区域表面，第二元件具有非平面第二粘结区域表面。该扩散粘结模具组件包括心轴、上部模具和下部模具。心轴被构造成可释放地保持第一和第二元件。当第一粘结区域表面和第二粘结区域表面坐落在心轴上时，第一粘结区域表面和第二粘结区域表面配合邻接。上部模具包括上部表面和下部表面。下部表面包括第一部分和第二部分，其中第一部分被构造成结合心轴，第二部分被构造成与第一和第二元件中的一个元件配合。下部模具包括上部表面和下部表面。该上部表面包括第一部分和第二部分，其中第一部分被构造成结合心轴，第二部分被构造成与第一和第二元件中的一个元件配合。柔性压力容器至少部分地布置在上部和下部模具中的一个模具与第一和第二元件的第一和第二粘结区域表面中的一个表面之间。多个紧固零件将上部模具紧固到下部模具，并且在扩散粘结循环过程中将扩散粘结模具组件保持在一起。多个紧固零件被构造成在扩散粘结循环过程中限制上部和下部模具的膨胀。

根据本发明的另一个非限制的方面，扩散粘结的方法包括提供第一元件和第二元件。第一元件包括第一粘结区域表面，该第一粘结区域表面具有波状的形态(wave-like conformation)。第二元件包括第二粘结区域表面，该第二粘结区域表面具有波状的形态。将要被扩散粘结的配对的第一和第二粘结区域表面已做好准备达到预定条件，在该条件下可发生穿过表面界面的扩散粘结。第一元件和第二元件连接在一起，从而第一和第二粘结区域表面配合邻接。提供构造成用来可释放地将已连接的元件固定在其中的扩散模具组件。模具组件包括第一模具、第二模具和用于将第一模具紧固到第二模具的多个紧固零件。模具组件连同第一和第二元件的特别标识的关键区域涂有脱模剂(release agent)。具有配合邻接的第一和第二粘结区域表面的第一和第二元件被放置在模具组件内。模具组件被放置在用于扩散粘结循环的真空炉内，或者被放置在用于扩散粘结循环的其它类型的加热装置内。该加热装置被抽空，并且该加热装置的温度被提高到第一温度。该第一温度被保持一段预定时间。该加热装置的温度被提高到第二温度，该第二温度被保持一段预定时间。在第二温度下，第一压力被应用到第一和第二元件的界面并持续一段预定时间。应用的压力被增加到第二压力。在第二温度下，第二压力被应用到第一和第二元件的界面并持续一段预定时间。应用的压力被降低到第三压力。在第二温度下，第三压力被应用到第一和第二元件的界面并持续一段预定时间。加热装置的温度被降低到第三温度。包括已扩散粘结的第一和第二元件的模具组件从加热装置中移除。

根据本发明的另一个非限制的方面，由扩散粘结形成的部件包括第一元件和第二元件。第一元件包括第一粘结区域表面、第二表面和第三表面，其中第二表面通过连接弓形壁从第一表面偏移，第三表面与第一和第二表面相对。第二元件包括第一表面和第二表面。第二表面的一段形成第二粘结区域表面，该第二粘结区域表面与第一元件的第一粘结区域表面粘结。

附图说明

图1是非限制部件的侧视图，该非限制部件包括第一元件和根据本发明的扩散粘结工艺与第一元件粘结的第二元件。

图2是图1中的部件的第一元件的侧视图。

图3是图2中的第一元件的俯视立体图。

图4是图2中的第一元件大致沿线4-4截取的截面图。

图5是图4的局部放大图。

图6是图1中的部件的第二元件的侧视图。

图7是图6中的第二元件大致沿线7-7截取的截面图。

图8是图1中的部件的第一元件的侧视图，示出了非限制粘结区域表面。

图9是图1中的部件的第二元件的侧视图，示出了非限制粘结区域表面。

图10是心轴的前视立体图，其中第一和第二元件放置在该心轴上。

图11是图10的局部放大图。

图12是图10的侧截面图。

图13是用于形成图1的部件的非限制扩散粘结模具组件的分解前视立体图，包括第一模具、第二模具、压力袋、以及图10中的心轴和第一、第二元件。

图14是图13中的扩散粘结模具组件在组装状态下的前视立体图。

图15是图13中的扩散粘结模具组件大致沿线15-15截取的截面图。

图16是图15的局部放大图。

图17是图13中的扩散粘结模具组件大致沿线17-17截取的截面图。

图18是图17的局部放大图。

图19是第一、第二模具和心轴在扩散粘结检查以后状态下的前视立体图。

图20是图1的部件的侧视立体图。

图21是图20的部件的截面图。

图22是图21的局部放大图。

图23是根据本发明的非限制扩散粘结工艺的概要图。

具体实施方式

当然地，应该明白这里的说明和附图仅仅是说明性的，并且应该明白可以对所揭示的结构进行各种修改和变化而没有脱离本发明。还应该明白的是，这里所揭示的用于扩散粘结工艺的各种已标识的元件仅仅是技术术语，不应该理解为用于限制本发明。

此外，应该明白，这里所揭示的元件材料仅仅是用作例子。元件材料可以进一步地不仅包括基本金属，而且还包括金属合金本身以及带陶瓷材料的金属合金。材料可以是烧结粉末、铸件、片、板或锻件形式。

现在参考附图，其中贯穿多个附图，相同附图标记表示相同部件。图1示出了通过本发明的扩散粘结工艺制造的部件100的非限制示例。该示例不应该解释为限制性的，因为该示例在理解和实践所描述的扩散粘结工艺方面是有用的。

首先一般性地纵览该扩散粘结工艺。部件100用两个独立的元件制造，即在粘结接头110被粘结到第二吸入侧元件104的第一压力侧元件102。应该理解，部件100可以由多余两个的元件形成，但是这并不是必须的。第一元件102可以由粗加工，热成形然后精加工以准备用于扩散粘结的AMS4911板材(大约0.375英寸厚)制造。第二元件104可以由精加工成平直的形式然后热成形的AMS4911片材(大约0.040英寸厚)制造。应该理解，这些元件的一个或两个可以由不同的材料形成，并且/或者具有不同的厚度。

众所周知，AMS4911是钛合金，可以热处理，并且同时具有良好的强度和抗腐蚀性能。AMS4911被广泛地用在航空工业的各种涡轮机(即涡轮机轮盘(turbine discs))和“热”结构应用中。一般地，它可以被使用在高达750°F(400℃)温度的应用中。

在准备扩散粘结工艺的过程中，该两个元件102、104被一般地清洁、连接在一起然后放进根据本发明(图13、14)的扩散粘结模具组件106中。然后，扩散粘结模具组件106被放进例如真空炉的加热装置，然后，扩散粘结循环在预设的参数下进行。在粘结后，可以制作金相试样并评估金相试样以确定粘结的完整性，然而这不是必须的。部件100还可以或者替代地进行超声波检测，但这不是必须的。在超声波检测后，部件通常被精加工并手工磨光，以达到预定的视觉要求。再次强调，部件100仅仅是用作示例。应该明白，可以用这里所描述的扩散粘结工艺制造具有可替换的材料、形状、和/或尺寸的部件。

现在将具体描述部件100的第一和第二元件102、104。参见图2-5，第一元件102包括第一纵长零件112，该第一纵长零件112具有波状或带状的形态。特别地，如图3所示，当该纵长零件从第一端部114到第二端部116扭曲时，该纵长零件沿两个相对(opposed)的直径弯曲。该纵长零件包括第一或主粘结区域表面120、第二表面122和第三表面128，其中第二表面122通过壁126从所述粘结区域表面偏移，第三表面128与第一、第二表面相背。多个间隔开的突出部130从第一表面延伸。如图4所示，第一和第三表面120、128一起限定纵长零件的第一截段134，而第二和第三表面122、128一起限定纵长零件的第二截段136。随着第一截段134过渡到第二截段136，第一截段134的厚度增加，然而这不是必须的。随着第二截段以锐角从第一截段延伸，第二截段1的厚度减小。如图1所表明的，第一元件102具有变化的厚度。

参见图4和5，壁126连接第一表面120和第二表面122。壁包括弓形表面140，该弓形表面140具有第一端142和第二端144，其中第一端142连接第二表面，第二端144连接斜端头150。斜端头具有大体三角形形状，斜端头的端部轻微地从第一表面偏移。

参见图6和图7，第二元件104包括第二纵长零件160，该第二纵长零件160具有波状或带状的形态，第二纵长零件160从第一端部166到第二端部168扭曲。第二纵长零件160包括第一表面162和第二表面164。第二表面的截段170至少部分地限定第二配合粘结区域表面，该第二配合粘结区域表面粘结到第一粘结区域表面120。与第一纵长零件类似，多个间隔开的突出部172从粘结表面截段170延伸。如图1所表明的，第二元件104包括第一截段174和第二过渡截段，其中，第一截段174具有恒定厚度，第二过渡截段具有变小的厚度，然而这不是必须的。

在准备扩散粘结工艺的过程中，如上所述，第一和第二元件102、104被清洁，并且第一和第二元件的配合表面被制备成具有预定的光滑度(比如大约1微米的光滑度或更好的光滑度)。然后，元件102、104被连接到一起并且放进扩散粘结模具组件106。为便利清洁和任何随后的检查，如图8和图9所示，第一和第二元件包括至少一个孔180、182，孔180、182使得第一和第二元件可以被悬挂，从而避免与外界表面接触。应该明白，元件中所具有的一个或更多个孔不是必须的。

参见图10-12，提供心轴200以确保第一元件102与第二元件104的正确连接。心轴包括基座202和从基座延伸的臂204。臂大致为三角形并且包括第一表面205、第二表面206和弓形端部208。应该明白，臂204可以有其它形状。第一和第二表面具有与第一和第二元件102、104的带状的轮廓相配合的轮廓。端部208具有与壁126的弓形表面140相配合的轮廓。这使得第一元件102能够可释放地放置在心轴上。至少一个销210从臂204的第二表面206的下部向外延伸。该至少一个销使得第二元件能够可释放地放置在心轴上。如所示出的，两个销被提供，但是可以使用更多数量的销或更少数量的销。销距离端部208具有预定距离，从而一旦第二元件104被放置在销210上，突出部172能够与突出部130对齐(见图11)，一旦突出部130与突出部172对齐，突出部130、172通过合适的紧固件例如但不限于小的C形夹(未示出)而保持在一起。然后，心轴200和被夹在一起的第一和第二元件102、104被放置到其中突出部130、172可以被点焊在一起的氩气腔室(未示出)内。然而应该明白，第一和第二元件可以通过附加的或替换的装置连接，在那情形中，突出部130、172不是必须的。然后，心轴和连接起来的第一和第二元件被快速地放置在扩散粘结模具组件106中，以确保粘结表面保持清洁。

如图13和图14所示，扩散粘结模具组件106包括第一模具220和第二模具222。第二模具包括表面230，表面230具有能够与第一和第二元件102、104中的一个元件相配合的结构。第一模具包括表面232，表面232与第一和第二元件中的另一个元件相符合。例如，表面130、232可以具有波状或带状的形态，但是表面130、232可以具有其它的或附加的形状。在所描述的实施例中，表面230至少部分地从第二模具突出，并且接合第二元件104。表面232至少部分地从第一模具突出，并且接合第一元件102。第一模具220包括多个间隔开的剪切块250，剪切块250位于该模具的相对侧252、254上。第一模具的壁256包括多个间隔开的搁板258，搁板258从壁256向外延伸。剪切块250延伸穿过搁板258。类似地，第二模具222包括多个间隔开的剪切块260，剪切块260位于该模具的相对侧262、264上。第二模具222的壁270包括多个间隔开的搁板272，搁板272从壁270向外延伸。剪切块260延伸穿过搁板272。在组装位置中(如14)，壁256与壁270平行，然而这不是必须的。第一和第二模具220、222可以由HH2铸件形成，其中HH2铸件为具有高碳含量的309不锈钢，然而其它材料也可以使用。

如图15和图16所示，在组装位置，心轴200被牢固地放置在第一和第二模具220、222之间。尤其是，心轴200包括第一和第二相对的槽274和276。每个槽延伸心轴基座202的长度，然而这不是必须的。第一和第二槽274、276被构造成接收第一和第二突起280、282，其中，第一和第二突起280、282位于各自的第一和第二模具220、222上。在基座202部分和第一、第二模具部分之间具有空间。如图17和图18所示，心轴200进一步分别包括第一和第二凹进288、290。凹进位于心轴基座的偏移区域292内，并且凹进大致与第一和第二槽274、276垂直。第一和第二凹进288、290被构造成接收第一和第二突出部294、296，其中第一和第二突出部294、296位于各自的第一和第二模具220、222上。每个突出部从每个模具220、222的各自偏移区域300、302向内延伸。此外，第一模具220的表面232包括偏移部分304。压力袋340的至少一部分被布置在偏移部分内，用于你粘结过渡。

再次参见图14，在组装位置，剪切块250与剪切块260和位于心轴200的基座202上的相应剪切块310对齐。剪切块的尺寸能够接收紧固零件或销320。如所示出的，每个销可以大致呈哑铃形状，然而这不是必须的。销包括杆322和位于杆的端部的帽324、326。杆呈圆柱体形状，帽呈矩形形状，然而这不是必须的。如所示出的，提供有16个销，其中每第一和第二模具220、222的每一侧有8个销。然而，应该明白，可以使用多于或少于16个销来紧固扩散粘结模具组件106。每个销可以印有自己唯一的数字并与印在模具组件106上的剪切块位置相关联。此外，销可以用字母表中的字母标记，使销与特定模具相关联。每个销具有预定长度，销的长度依赖它在模具上的位置。

销可以由Haynes230合金制造，然而也可以用其它材料制造。正如众所周知的，Haynes230合金是镍-铬-钨-钼合金，同时具有良好的高温强度、突出的长时间暴露于高达2100°F(1149℃)温度的氧化环境的耐抗性能、优良的抗氮化环境性能以及优良的长时间热稳定性能。它可以很容易地被制造并成形，并且可以铸造。其它有吸引力的特性包括比大多数高温合金更低的热膨胀性能、以及显著的长时间暴露于高温下晶粒粗糙耐抗性能。

如图13所示，压力容器或袋340位于第一、第二模具220、222中的一个模具和位于心轴200上的第一、第二元件102、102中的一个元件之间，用于在扩散粘结过程中在第一、第二模具中的一个模具和第一、第二元件中的一个元件之间应用均匀压力。压力袋由柔性片材制造，比如但不限于309不锈钢片材，从而压力袋能够与位于心轴200上的第一和第二元件中的一个元件的形状相符合。这是所希望的，因为每个元件102、104的扭曲的带状的形状使第一和第二元件被简单地压在传统的模具上变得困难。

在图13描述实施例中，压力袋放置在第一模具220的表面232和位于心轴200上的第二元件104之间。第一模具和心轴之一可以包括用于将压力袋正确放置在其上的装置。比如，第一模具可以包括定位销(未示出)，该定位销与压力袋上的相应孔(未示出)接合。压力袋340限定腔室(未示出)，该腔室用于通过连接于压力袋的气体管线342从远处源接收气体。在该实施例中，被压缩的氩气从处于大约200PSI到大约250PSI的储存罐中释放，然而可以考虑替换的气体和压力。氩气流过软管并进入压力袋管线342。该管线可以由数字压力计量器(未示出)调节，该数字压力计量器可以由操作者监视。氩气露点可以被定期监视(比如按月监视等)，从而确定湿气含量大致不超过大约-76°F。

由于涉及到用于第一、第二模具220、222和销320的互补材料，因此相对于Haynes230合金，HH2材料在两个材料之间的热膨胀系数方面提供小但显著的差别。本领域的技术人员应该明白，只要在两个替换的互补金属或金属合金之间存在热膨胀系数的差别，可以考虑使用该替换的互补金属或金属合金。众所周知，一种材料的热膨胀系数是非常复杂的，并且随着实际温度的变化，热膨胀系数会显著变化，但是它决定了材料尺寸的改变随材料温度改变的关系。热膨胀系数是温度每单位增加带来的在长度上的分数增量。热膨胀系数可以在精确温度点定义，也可以在一个温度范围内定义。在设计中，热膨胀是一个重要的考量，但是常常被忽视。正如本领域的技术人员所明白的，HH2材料的热膨胀系数比Haynes230合金的热膨胀系数略高。因此，在暴露于超过第一、第二模具220、222和销320退火温度的温度下，第一、第二模具220、222将比销320膨胀得略多。在使用中，随着炉内温度的升高，第一和第二模具220、222将开始膨胀。该膨胀将受到以更低速度膨胀的销320的限制。此外，因为销320可以具有不同的长度，因此销的长度可以进一步限制第一和第二模具的膨胀。在第一、第二模具和销之间的膨胀的差别将压力传递给压力袋340，压力袋340再将均匀载荷提供给第一和第二元件102、104的粘结区域表面120、170。进一步地，炉内温度的升高将增加压力袋340内的压力，这又将增加第一、第二模具220、222和第一、第二元件102、104之间的压力。

不可膨胀的热电偶344可以放置在第一和第二模具220、222中的至少一个模具内，用于监视温度。热电偶一般地用于多达30个粘结循环，并且可以校准到特定限制。热电偶使用的控制可以取决于在大约1500°F进行的系统精度测试最大偏差为±4°F(±0.4％)到最大±5°F时，或者达到30个粘结循环时中先发生的。

参见图20-21，在扩散粘结过程完成并且连接起来的突出部130、172被小心地从部件100移除后，部件100包括粘结区域370。粘结区域可以做超声波检测，以确保第一元件102的粘结区域表面120和第二元件104的第二表面164的截段170之间的正确连接。然后，可以清洁并抛光该部件的外部表面。

参见图23，提供了根据本发明的扩散粘结工艺的概括图。正如前面所指出的，第一元件102可以由粗加工，热成形然后精加工以准备用于扩散粘结的AMS4911板材(大约0.375英寸厚)制造。第二元件104可以由精加工成平直的形式然后热成形的AMS4911片材(大约0.040英寸厚)制造。

在准备扩散粘结的过程中，该两个元件102、104被清洁、被连接在一起、并被放入扩散粘结模具组件106中。为了化学清洁第一和第二元件，它们可被放置在由316不锈钢制造的清洁架上。最多是4个的单独的处理罐可以用来清洁，处理罐可以是碱性清洁罐、化学蚀刻清洁罐、市政清洗罐和/或去离子清洗罐。每个罐的参数提供在下表中。清洁和扩散粘结之间的最长时间一般为8小时或更少。

碱性清洁罐	化学蚀刻清洁罐	市政清洗罐	去离子清洗罐
				开始时溶液成分：水＝48″＝745gals8-10oz.gal TurcoVitro-Kleene＝500lbs(11/4drum)操作条件-温度-160°F-200°F空气搅动频率分析-每周一次规格限制-Vitro-Kleene 7-12oz/gal目标限制-Vitro-Kleene 8-10oz/gal	开始时溶液成分：35+/-5％含氮物(HNO3)＝17.8″＝278gals3+/-1％氟化氢(HF)＝1.5″＝24gals剩余水＝31.6″＝493gals操作条件-温度-RT最大120°F；空气搅动频率分析-两周一次规格限制-HNO3(30-40％)；*HF(最大6％)；蚀刻速率0.0015-0.005l/S/H目标限制-HNO3(31-39％)；蚀刻速率0.0019-0.0046l/S/H注：酸罐-应该由蚀刻速率控制。如果蚀刻速率在各限制内并且HF在最小限制以下，则处理继续	溶液成分-100％市政水操作条件-温度-如从市政管线接收的搅动-当激活时，空气或喷洒清洗无污染物-比如铁锈粒子，如果是溢流罐控制限制-氯含量-最大2.0ppm；总溶解固体(TDS)-最大750ppm；氯化物-最大30ppm	溶液成分-100％去离子水操作条件-温度-如通过D1单元从市政管线接收的搅动-当激活时，喷洒控制限制-传导率-＜10umbos(＝6ppm NaCl)；总溶解固体(TDS)-最大10ppm

检测第一和第二模具220、222，以确保模具平直和平行。通常要测量每个销320的长度以保证精确度。在每第10次粘结循环后检测每个模具220、222和心轴200的的轮廓，然而也可以在更多或更少的粘结循环后检测。第二模具可以被划分为多个截段(比如3、4、5、6个截段等)，并且可与某些模具参数对照。关于该模具的数据可以被电子收集并储存，以供监视。该数据收集可用作关于部件质量的问题探测工具(trouble shooting tool)。压力袋340可以在每一个粘结循环以前进行压力检测，以确定压力袋将能承受压力(比如50psi氩气)和没有泄露。参见图19，扩散粘结模具组件106和心轴可以在一个或多个循环后被检测。特别地，第一、第二模具220、222和心轴200一般地在没有压力袋340的情况下组装，以验证围绕第一、第二模具和心轴的间隙306没有超过大约0.010英寸的最大间隙。

炉也要定期检查。比如，每周执行1小时大约2000°F的炉烧透(furnaceburn outs)。每周检查炉泄露率要满足小于或等于每小时大约3microns或更少。炉温度均匀性为大约±15°F的测量可以每季度进行。系统精度测试可以按月进行，以保证在大约0.5％到最大大约±5°F的范围(这包括控制热电偶和负载热电偶)。仪器校准可以每季度进行，以保证在大约1°F内的可读性下大约±2°F。

在扩散粘结以前，一般地要验证以下项目：1)按时的烧透检测已经完成；2)按时的泄露率检测已经完成，并且泄露率小于或等于每小时预定量；3)要有足够的气体用于在粘结循环过程中输送到压力袋340以及4)第一和第二模具220、222已清洁并且没有任何油污/油脂/切削液残渣等；如果扩散粘结模具组件106没有清洁，扩散粘结模具应该在大约1800°F温度下烧结大约1小时，炉冷到大约最大1000°F并且空气风扇淬火；以及5)第一、第二模具220、222以及心轴200和压力袋340要在任何之前的粘结循环后清洁(即用scotch-brite处理得平滑)，表面上没有残余固体、残渣或突起材料。表面必须干燥。

为组装用于扩散粘结循环的扩散粘结模具组件106，操作者应该带上非棉绒手套。心轴200、第一和第二模具220、222以及压力袋340可以涂有脱模剂，比如氮化硼(boron nitride)喷剂。特别地，第一和第二元件的已标识关键区域也要涂有脱模剂。典型地，当扩散粘结钛元件时使用脱模剂。如上所述，部件100被设置在心轴200上并且心轴被放置在第二模具222上，从而确保部件100的连接起来的突出部130、172被正确地放入第二模具中。压力袋340被至少部分地放置在该部件的上方，并且被固定在第一模具上。然后，销320被固定到扩散粘结模具组件106，注意，销可以标上数字并与第一模具220上的数字标记的位置相关联。压力袋340用气体膨胀并被保持以验证压力袋保持有足够的压力。然后，包括心轴200和部件100的扩散粘结模具组件106以预定方向(比如前右到后左方向45°)被放入到真空炉中。气体压力阀保持打开状态以便防止压力袋中的压力升高，直到高温保温点(soak point)。炉的高温测定系统(pyrometry system)经由设定的条件控制。炉首先被氩气净化，从而移除任何大气污染物，然后炉被抽空达到预定真空水平。可以在一个炉中运作多个粘结模具，负荷取决于所使用的真空炉的大小。

本发明的扩散粘结循环一般在以下预设参数下运行，然而应该明白，示例性参数可以改变。

炉负荷设备：真空粘结压合机材料规格：AMS4911  最大材料厚度：0.300″(仅作参考)大约部件尺寸：6″x 42″(模具尺寸10″x1′x3.5′)
	环境(升温期间)：最大5x10-4Torr环境(高温保温期间)：最大5x10-4Torr控制器设定点可以在高于或低于高温保温温度10Deg.F内以使TC在均匀分布±范围内传播。

炉负荷设备：真空粘结压合机材料规格：AMS4911  最大材料厚度：0.300″(仅作参考)大约部件尺寸：6″x 42″(模具尺寸10″x1′x3.5′)
	用泵抽吸炉到≤3microns，然后用氩气回填，并且在循环开始时启动风扇2次。1st升温速率：最大20F/Min1st高温保温温度：1500±50Deg.F1st高温保温时间：将TC’s均衡到±20
随着循环温度提高，验证在压力袋中没有压力2nd升温速率：最大5F/Min2nd高温保温温度：1700±15Deg.F2nd高温保温时间：保持150-170分钟
	一旦负荷达到高温保温温度，加压到100±10psi持续50-60分钟，增加到200±10psi持续另一50-60分钟，然后降低到150±10psi持续剩余的循环时间。循环结束后释放压力。3rd升温速率：炉冷3rd高温保温温度：1200Deg.F3rd高温保温时间：N/A
4th升温速率：N/A4th高温保温温度：N/A4th高温保温时间：N/A
	使用氩气环境进行气体风扇冷却到300Deg.F的最大温度。

炉负荷设备：真空粘结压合机材料规格：AMS4911      最大材料厚度：0.300″(仅作参考)大约部件尺寸：6″x42″ (模具尺寸10″x1′x3.5′)
	环境(升温期间)：最大5x10-4Torr环境(高温保温期间)：最大5x10-4Torr控制器设定点可以在高于或低于高温保温温度10Deg.F内以使TC在均匀分配±范围内传播。
用泵抽吸炉到≤3微米，然后用氩气回填，并且在循环开始时启动风扇2次。1st升温速率：最大20F/Min1st高温保温温度：1500±20Deg.F1st高温保温时间：将TC’s均衡到±20
	随着循环温度提高，验证在压力袋中没有压力2nd升温速率：最大5F/Min2nd高温保温温度：1700±15Deg.F2nd高温保温时间：保持150-170分钟

一旦负荷达到高温保温温度，加压到100±10psi持续50-60分钟，增加到250±10psi持续50-60分钟，然后降低到200±10psi持续剩余的循环时间。循环结束后释放压力。3rd升温速率：炉冷3rd高温保温温度：1000Deg.F3rd高温保温时间：N/A
	4th升温速率：N/A4th高温保温温度：N/A4th高温保温时间：N/A
使用氩气环境进行气体风扇冷却到300Deg.F的最大温度。

在粘结后，制作并评估金属相变试样以确定粘结的完整性。部件100还可以进行超声波检测。比如，粘结区域370可以用脉冲回声L波模式(pulse-echoL-wave mode)检测。该粘结区域用超声波束检测，该超声波束大体上与部件表面垂直(比如大约±1度)并且集中在粘结接头上。实验检测可以用从每个已扩散粘结的部件的过剩修整区域而获得的试样直接进行。在超声波检测后，部件接着进行机械精加工、清洁并且手工磨光以达到预定的视觉要求。再次强调，部件100仅仅用作示例。应该明白，可以用这里所描述的扩散粘结工艺制造具有其它替换的形状和尺寸的部件。

从前述的描述可以明确的是，扩散粘结模具组件106因为有几个原因而是独特的。模具可以在高达大约1720°F的温度下操作。模具材料可以是铸件HH2，其具有比标准铸件309不锈钢略高的碳含量。在温度条件下施加到粘结区域的机械的均匀的载荷可以用309不锈钢压力袋340产生。这使得该类型的工具能够在几乎任何标准的真空炉内运行，仅仅需要略微的变化来探测压力袋。第一和第二模具220、222可以使用由Haynes230合金制造的销320在温度条件下保持在一起。可以使用Haynes230合金，因为与HH2模具材料相比，Haynes230合金具有略低的热膨胀系数。如图16所示，这使得模具能够被松散地放在一起，然后当载荷施加到粘结区域上时，在温度条件下就变得紧密。

应该明白，几个上述揭示的以及其它的特征和方法或者它们的替代形式能够根据需要结合成许多其它不同的系统或应用。而且，本领域的技术人员将来可以从中进行那些目前还无法预见的变体或无法预测的替代形式、修改、变化或者改进。这些还将用以下所述的权利要求以及它们的等价物所涵盖。

Claims (53)

1.一种形成部件的方法，所述部件包括第一元件和第二元件，且所述第一元件和第二元件被扩散粘结在一起，所述方法包括：

提供所述第一元件，所述第一元件被构造成压力元件，并且所述第一元件包括第一粘结区域表面；

提供独立的所述第二元件，所述第二元件被构造成吸入元件，并且所述第二元件包括第二粘结区域表面；

提供心轴，所述心轴包括第一表面和第二表面，所述第一表面具有与所述第一元件的至少一部分相配合的轮廓，所述第二表面具有与所述第二元件的至少一部分相配合的轮廓；

将所述第一元件和所述第二元件放置在所述心轴上，从而所述第一粘结区域表面和所述第二粘结区域表面配合邻接；

可释放地将所述第一元件与所述第二元件连接；

将连接起来的所述第一元件和所述第二元件连同所述心轴一起放置在模具组件内，所述模具组件包括第一模具、第二模具以及多个紧固零件，所述紧固零件用于将所述第一模具和所述第二模具可释放地紧固在一起，所述第一模具和所述第二模具由第一材料形成，所述第一材料具有第一热膨胀系数，所述紧固零件由第二材料形成，所述第二材料具有较小的第二热膨胀系数；

将模具组件放置在真空炉内，用于扩散粘结循环；

将所述真空炉抽空；

将所述真空炉的温度提高到预定温度；

将均匀压力施加到所述第一、第二元件的所述第一、第二粘结区域表面之间的界面；

保持所述真空炉内的真空水平、温度和压力，并持续一段预定时间；以及

从所述真空炉内移除所述模具组件，其中所述模具组件包括已经扩散粘结的所述第一元件和所述第二元件。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，施加均匀压力的步骤包括使用充满气体的容器，所述容器由柔性片材制造，所述容器位于所述第一、第二元件中的一个元件和所述第一、第二模具中的一个模具之间，其中所述容器内的压力被控制在预定压力并保持一段预定时间，并且所述容器向所述第一、第二元件的所述第一、第二粘结区域表面的界面提供均匀载荷。

3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括形成偏移部分，所述偏移部分位于所述第一模具和第二模具中的一个模具的内表面上并且在其内定位所述容器的至少一部分用于粘结转移。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，施加均匀压力的步骤包括所述第一模具和第二模具与多个所述紧固零件分别使用第一材料和第二材料，其中所述炉内温度的提高使得所述第一模具和第二模具以比所述多个紧固零件更大的速度膨胀，所述多个紧固零件限制所述第一模具和第二模具的膨胀。

5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括提供至少两个不同长度的紧固零件。

6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括用钛合金板材制造所述第一元件，其中所述第一元件具有非平面形态。

7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括用钛合金片材制造所述第二元件，其中所述第二元件具有非平面形态。

8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括用Haynes230合金制造所述多个紧固零件。

9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括用铸件不锈钢材料制造所述第一模具和第二模具，其中所述铸件不锈钢材料具有比标准铸件309不锈钢更高的碳含量。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述炉的温度被提高到大约1700°F，并且该温度被保持大约150到大约170分钟。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述炉的抽空至少为大约5x10^-4Torr。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，施加的压力为大约100psi并保持大约50分钟，该压力被提高到大约250psi并保持大约50分钟，然后降低到大约200psi并保持所述扩散粘结循环的剩余时间。

13.根据权利要求1所述的方法，其中，施加的压力为大约100psi并保持大约50分钟，该压力被提高到大约200psi并保持大约50分钟，然后降低到大约150psi并保持所述扩散粘结循环的剩余时间。

14.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将已连接的所述第一、第二元件以及心轴放置在所述第一模具和第二模具中的一个模具上，并且松驰地将所述第一模具固定到所述第二模具。

15.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述第一元件上提供至少两个突出部并且在所述第二元件上提供至少两个突出部，并且在所述心轴上将所述第一元件和第二元件的所述至少两个突出部对齐，并且将所述第一元件的至少两个突出部连接到所述第二元件的至少两个突出部。

16.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将所述心轴、所述第一模具和所述第二模具涂覆脱模剂。

17.一种扩散粘结模具组件，用于将第一元件扩散粘结到第二元件，其中所述第一元件具有非平面第一粘结区域表面，所述第二元件具有非平面第二粘结区域表面，所述扩散粘结模具组件包括：

心轴，其被构造成可释放地保持所述第一元件和所述第二元件，所述第一粘结区域表面和所述第二粘结区域表面在所述心轴上配合邻接；

上部模具，其包括上部表面和下部表面，所述下部表面包括第一部分和第二部分，其中所述第一部分被构造成接合所述心轴，所述第二部分被构造成与所述第一元件和所述第二元件中的一个元件配合；

下部模具，其包括上部表面和下部表面，所述上部表面包括第一部分和第二部分，其中所述第一部分被构造成接合所述心轴，所述第二部分被构造成与所述第一元件和所述第二元件中的一个元件配合；

柔性压力容器，其至少部分地放置在所述上部、下部模具中的一个模具和所述第一、第二元件的第一、第二粘结区域表面中的一个表面之间；以及

多个紧固零件，用于将所述上部模具紧固到所述下部模具，所述多个紧固零件被构造成在扩散粘结循环过程中限制所述上部模具和所述下部模具的膨胀。

18.根据权利要求17所述的扩散粘结模具组件，其中，所述上部模具和所述下部模具用第一材料形成，所述第一材料具有第一热膨胀系数，并且所述紧固零件用第二材料形成，所述第二材料具有较小的第二热膨胀系数。

19.根据权利要求18所述的扩散粘结模具组件，其中，所述上部模具和所述下部模具用铸件不锈钢材料形成，所述铸件不锈钢材料具有比标准铸件309不锈钢更高的碳含量。

20.根据权利要求18所述的扩散粘结模具组件，其中，所述多个紧固零件用Haynes230合金形成。

21.根据权利要求17所述的扩散粘结模具组件，其中，所述上部模具包括多个第一剪切块，所述下部模具包括多个相应的第二剪切块，所述第一剪切块和所述第二剪切块的尺寸能够接收至少所述紧固零件的部分。

22.根据权利要求21所述的扩散粘结模具组件，其中，所述心轴包括多个剪切块，用于接收至少所述紧固零件的部分。

23.根据权利要求17所述的扩散粘结模具组件，其中，每个紧固零件具有预定长度，所述紧固零件的长度依赖于所述紧固零件在所述上部模具和所述下部模具上的安装位置。

24.根据权利要求17所述的扩散粘结模具组件，其中，每个紧固零件为大致哑铃形状，包括杆和位于所述杆的端部的帽。

25.根据权利要求17所述的扩散粘结模具组件，其中，上部模具的下部表面包括偏移部分，所述压力容器的至少部分被放置在所述偏移部分中，用于粘结转移。

26.根据权利要求17所述的扩散粘结模具组件，其中，所述上部模具包括用于将所述心轴可释放地安装到其上的装置。

27.根据权利要求17所述的扩散粘结模具组件，其中，所述下部模具包括用于将所述心轴可释放地安装到其上的装置。

28.根据权利要求17所述的扩散粘结模具组件，其中，所述心轴包括基座和从所述基座延伸的臂，所述臂包括第一表面和相对的第二表面，所述第一元件的至少部分被可释放地固定于所述第一表面，所述第二元件的至少部分被可释放地固定于所述第二表面。

29.根据权利要求28所述的扩散粘结模具组件，其中，所述心轴的臂包括弓形端部分，所述弓形端部分与所述第一元件的部分接合，用于可释放地将所述第一元件保持到所述心轴上。

30.根据权利要求17所述的扩散粘结模具组件，其中，所述下部模具的上部表面的第二部分从所述上部表面向外延伸，所述第二部分具有非平面形态。

31.根据权利要求17所述的扩散粘结模具组件，其中，所述上部模具的下部表面的第二部分从所述下部表面向外延伸，所述第二部分具有非平面形态。

32.一种扩散粘结的方法，包括：

提供第一元件，所述第一元件包括具有波状形态的第一粘结区域表面；

提供第二元件，所述第二元件包括具有波状形态的第二粘结区域表面；

准备将要扩散粘结的配对的所述第一粘结区域表面和第二粘结区域表面达到预定条件，从而使穿过表面之间的界面的扩散粘结成为可能；

将所述第一元件和所述第二元件连接在一起，从而所述第一粘结区域表面和所述第二粘结区域表面配合邻接；

提供扩散粘结模具组件，所述扩散粘结模具组件被构造成将已连接的元件可释放地固定在扩散粘结模具组件内，所述扩散粘结模具组件包括第一模具、第二模具和多个紧固零件，所述多个紧固零件用于将所述第一模具可释放地固定到所述第二模具；

将扩散粘结模具组件和所述第一、第二元件的选定部分涂覆脱模剂；

将所述第一元件和所述第二元件放置在所述扩散粘结模具组件中，其中所述第一粘结区域表面和所述第二粘结区域表面配合邻接；

将所述扩散粘结模具组件放置在真空炉中，用于扩散粘结循环；

将所述真空炉抽空；

将所述真空炉的温度提高到第一温度；

保持所述第一温度一段预定时间；

将所述真空炉的温度提高到第二温度；

保持所述第二温度一段预定时间；

在所述第二温度下将第一压力施加到所述第一元件和所述第二元件之间的界面，并保持一段预定时间；

将所应用的压力提高到第二压力；

在所述第二温度下将所述第二压力施加到所述第一元件和所述第二元件之间的界面，并保持一段预定时间；

将所应用的压力降低到第三压力；

在所述第二温度下将所述第三压力施加到所述第一元件和所述第二元件之间的界面，并保持一段预定时间；

将所述真空炉的温度降低到第三温度；以及

从所述真空炉内移除所述扩散粘结模具组件，其中所述扩散粘结模具组件包括已经扩散粘结的所述第一元件和所述第二元件。

33.根据权利要求32所述的方法，其中，施加均匀压力的步骤包括使用充满气体的容器，所述容器由柔性309不锈钢片材制造，所述容器将均匀载荷提供给所述第一元件和所述第二元件之间的界面。

34.根据权利要求32所述的方法，进一步包括用第一材料形成所述第一模具和所述第二模具，所述第一材料具有第一热膨胀系数，并且用第二材料形成所述紧固零件，所述第二材料具有较小的第二热膨胀系数。

35.根据权利要求34所述的方法，其中，施加均匀压力的步骤包括使用所述第一模具、第二模具和多个紧固零件，其中所述炉内温度的提高使得所述第一模具和第二模具以比所述多个紧固零件更大的速度膨胀，所述多个紧固零件限制所述第一模具和第二模具的膨胀，这又将至少部分地使所述第一模具和所述第二模具能够向所述第一元件和所述第二元件的界面提供均匀载荷。

36.根据权利要求34所述的方法，进一步包括用铸件不锈钢材料制造所述第一模具和第二模具，其中所述铸件不锈钢材料具有比标准铸件309不锈钢更高的碳含量。

37.根据权利要求34所述的方法，进一步包括用Haynes230合金制造所述多个紧固零件。

38.根据权利要求34所述的方法，进一步包括用铸件钛合金制造所述第一元件和所述第二元件。

39.根据权利要求32所述的方法，其中，所述第一温度为大约1500°F到大约1550°F，并且在所述第一温度没有压力施加到所述第一元件和所述第二元件之间的界面。

40.根据权利要求32所述的方法，其中，所述真空炉的第二温度为大约1690°F到大约1710°F，该温度保持大约150到大约170分钟。

41.根据权利要求32所述的方法，其中，施加的所述第一压力为大约90psi到大约110psi并保持大约50到60分钟，施加的所述第二压力为大约240psi到大约260psi并保持大约50到60分钟，并且施加的所述第三压力为大约190psi到大约210psi并保持所述扩散粘结循环的剩余时间。

42.根据权利要求41所述的方法，其中，所述第三温度至少为大约1000°F。

43.根据权利要求32所述的方法，其中，施加的所述第一压力为大约90psi到大约110psi并保持大约50到60分钟，施加的所述第二压力为大约190psi到大约210psi并保持大约50到60分钟，并且施加的所述第三压力为大约140psi到大约160psi并保持所述扩散粘结循环的剩余时间。

44.根据权利要求41所述的方法，其中，所述第三温度至少为大约1200°F。

45.根据权利要求32所述的方法，其中，涂覆步骤包括用氮化硼喷剂喷涂所述扩散粘结模具组件。

46.根据权利要求32所述的方法，进一步包括超声波检测已扩散粘结的第一元件和第二元件的粘结区域。

47.一种金属前缘，其用权利要求32所述的扩散粘结的方法制造并用于喷气式飞机发动机风扇叶片的冲击保护。

48.一种部件，用扩散粘结形成，所述部件包括：

第一元件，所述第一元件包括第一粘结区域表面、第二表面以及第三表面，其中所述第二表面通过连接的弓形壁从所述第一表面偏移，所述第三表面与所述第一、第二表面相对；

第二元件，所述第二元件包括第一表面和第二表面，所述第二表面的截段形成第二粘结区域表面，所述第二粘结区域表面粘结于所述第一元件的第一粘结区域表面。

49.根据权利要求48所述的部件，其中，所述第一粘结区域表面和所述第二粘结区域表面都具有带状形态。

50.根据权利要求48所述的部件，其中，所述第一元件包括第一截段和第二截段，所述第一元件从所述第一截段到所述第二截段大致沿两个相对的直径弯曲，并且

所述第二元件包括第一截段和第二截段，所述第二元件从所述第一截段到所述第二截段大致沿两个相对的直径弯曲。

51.根据权利要求50所述的部件，其中，所述第一表面和所述第三表面一起限定所述第一元件的第一截段，并且所述第二表面和所述第三表面一起限定所述第一元件的第二截段，随着所述第一截段过渡到所述第二截段，所述第一截段的厚度增加，随着所述第二截段从所述第一截段延伸，所述第二截段的厚度减少。

52.根据权利要求50所述的部件，其中，所述第二元件的第一截段具有恒定厚度，并且所述第二元件的第二截段具有减小的厚度。

53.根据权利要求48所述的部件，进一步包括斜端头，所述斜端头将所述壁和所述第一表面连接起来，所述斜端头的端部从所述第一表面偏移。

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