CN102834220B - 制作金属嵌入件以保护复合材料制成的前缘的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过模锻板材(1)和在所述板材之间扩散连接制作金属嵌入件，以保护复合材料制成的航空机器压气机叶片前缘或后缘的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：通过模锻来首先使板材成形，目的是使所述板材近似于所述嵌入件的吸力面(1E)和压力面(1I)的形状；制作芯(3)，其形状与将要制造的金属嵌入件的内部腔室相似，所述芯的其中一个面类似于嵌入件的吸力面内部形状，另一个面类似于嵌入件的压力面的内部形状；将所述板材置于所述芯的周围并紧固组件；应用真空，通过连接来密封组件；通过热等静压来连接组件；切割组件以便提取芯(3)，并分离嵌入件；通过最后机械加工来制成嵌入件的外部轮廓。

Description

制作金属嵌入件以保护复合材料制成的前缘的方法

本发明的领域是制造金属部件的领域，特别是制造航空用的钛前缘或钛后缘的领域，诸如涡轮风扇发动机上使用的宽弦风扇叶片的前缘，这种叶片采用复合材料制成。

涡轮喷气发动机风扇叶片目前因为重量和成本的原因而主要采用复合材料制成。这些部件因为其转速和其所支撑的气动力载荷而会受到相当大的机械应力，因此，必须承受易于进入空气流的异物的冲击。为此，这些部件的前缘和/或后缘上都由覆盖其端部的金属部件来予以保护，所述金属部件结合到叶片的复合材料上。

目前，可用于制造复合材料风扇叶片的钛前缘的工艺方法都很难实施，很复杂，而且因此成本也高。这是因为这些工艺方法都主要基于热成形，而这些热成形都需要能够承受所使用温度的工具。此外，这些工艺方法还必须涉及到中间部件和制作最后阶段的大量机械加工。

因为重量和强度的原因，这些前缘或后缘一般都是采用钛制成，而且较薄。鉴于该厚度小，很自然，人们会想到使用包括采用超塑成形与扩散连接(SPFDB)的板材连接制造工艺。本申请者在专利申请EP 1 574 270中介绍了这种工艺。

然而，这种工艺的缺陷是腔室的内部形状不容易控制，特别是，很难优化腔室端部板材之间的连接。具体来讲，如果前缘很牢固时，在两个板材之间形成连接是很重要的，该连接带有公切线，该公切线横向于腔室的纵轴，而且，可能的话，该连接具有较大的曲率半径，而SPFDB工艺是无法实现这些的。

本发明的目的是提出一种制造钛前缘或后缘的方法来克服上述缺陷，这种方法可以使得前缘和/后缘腔室的制造更加容易，而且，这些前缘和后缘的制造成本也不会很高。

为此，本发明的目的是提供通过模锻板材和扩散焊接制造金属嵌入件的方法，来保护航空机器复合材料压气机叶片的前缘或后缘，其特征在于，该方法包括如下步骤：

首先采用模锻方法成形板材，以便使板材类似于所述嵌入件的吸力面和压力面的形状；

制造芯，该芯采用将要制作的金属嵌入件内部腔室形式，其中一边类似于所述嵌入件吸力面的内部形状，另一边类似于嵌入件压力面的内部形状，两个面在顶部汇合，而该顶部类似于前缘或后缘的内部形状；

在所述芯周围布置所述板材，两个板材以平行方式在芯顶部汇合，并牢牢固定组件；

将组件置于真空状态下，并焊接合拢组件；

采用热等静压方法连接所述组件；

切割所述组件以提取芯，并分离嵌入件；以及

采用最后加工作业来制成嵌入件的外部轮廓。

与芯一起采用热等静压可获得金属嵌入件，该嵌入件的内部腔室具有连续弯度，从而防止应力集中于腔室顶部。

优选地，芯的每个面的一半的形状为板材的吸力面，而另一半的形状则是板材的压力面，这样，每次作业可制造出两个嵌入件。

于是，前缘和/或后缘嵌入件的生产速度就可以翻一番，而且提高了工作站的生产效率。

有利的是，所述芯在每个面上都有纵向中点凹痕，这样，在热等静压处理后，可以形成清楚可见的刻线，该刻线将两个嵌入件分开。

采用这种外部可见的凹痕，操作手可以知道在何处切割组件，从而将所制成的两个前缘分开。

在一个实施例中，在板材的最初模锻时，在前缘或后缘顶部形成一个凹槽。

该凹槽用来插入增强件，所述增强件在热等静压期间扩散到嵌入件材料中，增加了嵌入件的强度。

有利的是，在该实施例中，当板材布置在所述芯周围时，复合材料纤维制成的增强件置于该凹槽内。

优选地，所述芯采用耐火材料制成。

在另一个实施例中，所述芯采用金属制成，该金属的膨胀系数不同于所述板材的膨胀系数。

在该实施例中，芯有利地采用防扩散屏来覆盖，后者不会污染所述板材金属。

优选地，该芯的金属是钛或镍合金，而防扩散屏为氧化钇。

下面参照附图，阅读本发明的一个实施例的详细解释性描述，可以更好地理解本发明，本发明的其它目的、细节、特性和优点会更清楚地显现出来，所述实施例仅以说明性而非限定性示例给出。

附图如下：

图1为根据本发明一个实施例制造前缘的方法的板材成型步骤示意图；

图2为根据本发明一个实施例制造前缘的方法的板材预连接步骤示意图；

图3为根据本发明一个实施例制造前缘的方法的板材连接步骤示意图；

图4为根据本发明一个实施例制造前缘的方法的板材切割步骤示意图；

图5为采用本发明一个实施例方法所生产的前缘的示意图；以及

图6为在本发明另一种方法的板材成型步骤实施期间前缘前部的示意图。

图1分两个步骤示出了钛板材1的热成型情况，目的是使其内部形状大体上相当于耐火芯的外部形状，所述芯的精确形状为前缘的内部腔室。为此，两个板材连续成型，其中一个板材可形成前缘的吸力面1E，而另一个可形成前缘的压力面1I。

图2所示芯3采用耐火材料制成(或金属合金，诸如IN100，其膨胀系数与前缘的钛的膨胀系数截然不同)，芯的周围是采用上述方法预成型的两个板材1E和1I，以便在其大部分长度上与芯的形状相匹配。应该看到，两个板材并未采用这样的形状，即连接后，它们在前缘顶部相遇并以180°角度彼此面对，而是其端部呈大体平行，且与芯的中平面大体对准。因此，在前缘顶部，两个板材在其将要连接的部位上不会完全包围芯。而是留出一个剩余空间4，该空间在随后的实施步骤中将会被去除。

在这个结构中，板材是通过TIG焊接法(在惰性气体下采用不熔化钨电极的电弧焊接)临时点焊在一起(图中未示)，目的是将板材连接到一起并使其在芯3上处于适当位置。

图3示出了通过电子束(EB)焊接工艺将两个板材1E和1I围绕耐火芯连接后的情况。如图3所示，电子束焊接沿缝5进行，缝5与板材的侧边相平行，而且，在部件的横向端部(图中未示)。

图4示出了板材采用热等静压(HIP)工艺连接后而制成的前缘。热等静压工艺使得板材1变形，将其紧紧抵靠在芯3上，板材完全贴合所述芯的形状。在这个步骤之后，剩余空间4不再存在。

另外，图4示出了热等静压作业之后几个步骤的实施情况。首先，应该注意的是，每个板材1都要预成型，以便板材的一半类似于现前缘的吸力面1E，另一半类似于压力面1I。同样，芯3的形状也具有对称的纵轴，芯的一半3’为前缘的内部形状，另一半3”也类似于该形状，只是这次是在芯的另一边。两个内部形状在芯3的横向中平面两边彼此面对，从而可以同时制成两个前缘。

为此，该图的右侧部分示出第一前缘，该第一前缘是通过将位于芯顶部的吸力面半板材1’E与位于底面的压力面半板材1’I结合而制成，而左侧部分则示出了采用压力面半板材1”I和吸力面半板材1”E制成的第二前缘。

图4还示出了沿组件横向中平面延伸的两个刻线6和6’，所述组件由板材1和芯3构成。这些刻线可使两个前缘在热等静压作业完成之后彼此分离。最后，图4示出了两个轮廓线7和7’，沿这两个线，可从两个前缘的侧面去除多余的材料。

图5示出了生产工艺结束时的前缘，所示前缘已与其完全相同的另一部分分离，且其轮廓也已经过相应机械加工。

图6示出了根据本发明的方法的另一种形式，在这个实施方式中，在成型步骤实施期间，在芯3的每边，在剩余空间4端部两个板材之间设有一个凹槽8。在热等静压作业之后，该凹槽则位于前缘的顶部。该凹槽为管状，如图所示，但并非必须为管状，凹槽用来插入复合纤维制成的圆柱形增强件。

下面介绍根据本发明一个实施例的方法同时制造两个前缘的方法。

根据该方法，首先采用传统的模锻作业生产出板材，板材形状类似于前缘所需形状。然而，在现有技术中，成型作业必须很精确，形成的部件尺寸几乎完全合适，此处，成型作业仅给出大概合适形状，从而简化了随后进行的热成型步骤。此外，在现有技术中，成型后，模锻会在板材表面造成起伏，特别是如果要求模锻制成的部件具有很高程度的扭曲形状(twisting)时。采用本发明时，不会再出现这种影响，成型时的应力很轻。

模的形状是这样的，即，其可使板材的一半成为吸力面形状，而另一半为压力面形状。这样，就形成两个板材，一个置放在芯的上部，而另一个则置放在其下部，与第一个相对。

两个板材沿板材侧缘通过TIG临时点焊在所述芯周围连接。然后，将组件置放在真空室内，进行电子束焊接作业。沿板材的侧缘和沿其横向边缘可产生连续焊缝5，从而使芯3得以完全被包围，并对组件进行封闭。于是，在板材1和芯3之间形成真空，特别是，在板材1E、1I和芯3的顶部之间的剩余空间4内会存在真空。应该注意的是，根据电子束焊接作业的要求，还需要进行抽真空步骤，以便进行本发明所述方法的后续步骤。将这两个抽真空操作步骤相结合，可以简化所述方法，从而有助于降低前缘的生产成本。

随后，对由芯3和两个板材1E和1I形成的组件进行热等静压处理，该项作业是在大约940℃温度下进行，在所给示例中，叶片采用TA6V钛合金制成。在这个温度下，金属会变得较软，可以在施加给其的大约1000巴压力作用下流动。两个板材变形，从而与芯3的形状完全吻合，并去除剩余空间4。特别是，两个板材会在芯的顶部以180°的角度汇合。与此同时，在加热的作用下，两个板材扩散焊接在一起。将这两个作用结合可以制作出前缘内部腔室，该腔室的形状与芯的形状完全相同，而且在其顶部，还具有所需要的曲率半径。在所使用温度情况下，形成曲率半径，且不会在顶部出现应力，而后者在现有技术中是存在的。

随后，沿包围芯3组件的横向中平面进行两次切割6和6’，形成两个前缘，并对其分解。为了使得该项作业简单易行，优选地，沿刻线部分，芯可具有纵向凹痕，附图未示出，该凹痕用来表示刻线的位置。在热等静压作业期间，板材的金属会流动并填满芯3上的凹痕，在板材外侧重建凹痕，该凹痕可从外部看到。操作者于是知道进行所述两次切割6和6’的位置。

此外，芯采用所选择的材料制成，所以，在板材和芯之间不存在粘合。这种材料通常都是耐火材料，在耐火材料内，钛是不会扩散的，或者采用金属制成，而金属的膨胀系数不同于板材的膨胀系数。在这种情况下，这些膨胀上的差异在热等静压作业期间可防止板材1粘结到芯3上。在具体实施例中，金属芯还覆盖有防扩散屏，这种屏不会污染钛，诸如，氧化钇，因此，在热等静压作业期间不会出现粘结的风险。

不论采用哪种类型的芯，本发明都可使其得以重新使用，因为在实施本发明的方法期间，既不会出现性能下降，也不会被消耗。因此，这可使前缘的制造成本得以下降，不会影响到所制造内部腔室的质量。

所述方法的最后步骤是，通过沿轮廓线7和7’进行切割，从沿两个前缘侧边去除多余的材料。最后进行的机械加工可以赋予前缘所需要的外部形状。

在图6所示不同方式中，用于板材预成型的模具的形状是在剩余空间4的端部处形成凹槽8。在TIG临时点焊作业之前，板材1安装在芯3上时，将复合材料纤维制成的增强件置于该凹槽内。置于该凹槽内的纤维在热等静压作业期间会扩散到板材的金属内，在前缘顶部形成纤维增强。这样，增加了前缘承受腐蚀和冲击的能力。

尽管结合具体实施例进行了介绍本发明，但是，很显然，本发明包括了所述装置及其结合形式的各种同等技术，如果这些技术均在本发明范围之内时。

Claims (9)

1.一种通过模锻板材(1)和扩散焊接上述板材制造金属嵌入件的方法，来保护航空机器复合材料制备的压气机叶片前缘或后缘，

其特征在于，其包括了如下步骤：

首先采用模锻方法成形板材，以便使板材具有类似于所述嵌入件的吸力面(1E)和压力面(1I)的形状；

制造芯(3)，该芯采用将要制作的金属嵌入件内部腔室形式，其中一边具有类似于所述嵌入件吸力面的内部形状，另一边具有类似于上述嵌入件压力面的内部形状，两个面在顶部汇合，而该顶部具有类似于前缘或后缘的内部形状；

由芯和板材形成组件：在所述芯周围布置所述板材，两个所述板材在所述芯顶部以平行方式汇合，从而将所述板材牢牢固定到所述芯；

将所述组件置于真空状态下，并焊接合拢所述组件；

采用固态扩散方法连接所述组件；

切割所述组件，提取所述芯(3)，并分离所述嵌入件；以及

采用最后加工作业来制成所述嵌入件的外部轮廓；

其特征在于，所述芯的两面在与所述前缘或所述后缘内部形状相似的顶部相汇，两个所述板材以平行的方式在所述芯的顶部相汇，以及所述固态扩散方法是通过热等静压来进行。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述芯(3)的每个面的一半具有所述板材吸力面(1’E)的形状，而另一半则具有所述板材压力面(1’I)的形状，从而每次作业可制造出两个所述嵌入件。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述芯(3)在每个面上都有纵向中间点凹痕，这样，在上述热等静压之后，可形成清楚可见的刻线(6)，该刻线用来分离两个所述嵌入件。

4.根据权利要求1到3任一项所述的方法，其特征在于，所述板材的初始模锻在所述前缘或所述后缘的顶部形成凹槽(8)。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当所述板材(1)围绕位于所述芯(3)时，在所述凹槽(8)内可置放由复合材料纤维制成的增强件。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述芯采用耐火材料制成。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述芯(3)采用膨胀系数不同于所述板材(1)的膨胀系数的金属制成。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述芯(3)上覆盖有不会污染所述板材(1)金属的防扩散屏。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述芯的金属是钛合金或镍合金，而所述防扩散屏为氧化钇。