CN103328150B - 制造金属增强件的方法 - Google Patents

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Abstract

制造安装在涡轮发动机的复合材料叶片的前缘或后缘上的金属增强件（4，6），的方法，其包括以下步骤制造：对两个薄板（1）进行成形；将薄板定位在核心（2）的两侧上；在真空中将两个薄板（1）围绕着核心（2）装配在一起；通过热等静压制在核心上对薄板进行成形；以及切割薄板以分离增强件（4，6）并去掉核心（2）。核心（2）的表面的至少一部分被赋予预定的粗糙度，并且该粗糙度被通过热等静压制被转移至增强件（4，6）的内表面的对应部分。

Description

制造金属增强件的方法
本发明涉及制造金属增强件的方法，该金属增强件安装在涡轮发动机的复合材料叶片，例如，飞机涡轮螺旋桨发动机或涡轮喷气发动机的风扇叶片的前缘或后缘上。
为了降低涡轮发动机风扇叶片的重量和成本，它们通常都由复合材料制成。考虑到风扇叶片的转速及受到可能渗透入气流通道的颗粒或异物的冲击，风扇叶片需要能够承受高水平的应力和冲击。为此，复合材料叶片在其前缘和/或后缘处借助金属增强件得以保护，该金属增强件粘着性地结合到叶片的翼面上。
申请人提交的EP1574270-A1描述了通过扩散连接和超塑成形（SPF/DB）来制造金属增强件的方法，该方法包括以下步骤：
通过扩散连接将两个金属薄板结合在一起，以获得预制品，薄板的一部分被防扩散物质覆盖，以避免它们在确定的区域结合；
弯曲和扭曲预制品；
使预制品充气，由此预制品接受超塑成形；以及
切割预制品，以获得增强件。
该方法不能精确控制增强件中的空腔的内部形状。特别是，薄板之间的结合区形成应力集中区和破裂起始区，使增强件变弱。
为改善增强件的机械强度，申请人提交的尚未公开的专利申请FR10/51992提出了制造金属增强件的方法，该方法包括：
通过模压对两个金属薄板进行成形，以使它们接近将要制造的增强件的最终形状；
将两个薄板定位在核心的两侧上，该核心复制增强件的吸入侧和压力侧的内部形状；
在真空中以密封的方式将两个薄板围绕着核心装配在一起；
通过热等静压制使薄板成形在核心上；以及
切割薄板，以分离增强件并去掉核心。
对薄板进行热等静压制的作用是使薄板成形，以同核心的形状匹配并在薄板之间的结合区获得大曲率半径，由此避免任何应力集中区或破裂起始区。
在施加粘合剂以赋予其更大的粗糙度之前，增强件的内壁接受额外的机械加工，以使增强件更好地粘结在叶片上，增强件的内壁形成增强件的压力侧表面和吸入侧表面，这些表面在叶片的前缘或后缘附近分别粘着性地结合在叶片的压力侧和吸入侧上。
上述机械加工是复杂的，因为工具需要穿入增强件的狭窄的内部空腔，该空腔由增强件的压力侧表面和吸入侧表面限定。
本发明的一个特定目的是提供针对该问题的解决方案，该方案简单，有效且廉价。
为此，本发明提供制造金属增强件的方法，该金属增强件安装在涡轮发动机的复合材料叶片的前缘或后缘上，该发明包括以下步骤：
对两个金属薄板进行成形，以使金属薄板接近将要制造的增强件的最终形状；
将两个薄板定位在核心的两侧上，该核心复制增强件的吸入侧和压力侧的内部形状；
在真空中以密封的方式将两个金属薄板围绕着核心装配在一起；
通过热等静压制使薄板成形在核心上；以及
切割薄板，以分离增强件并去掉核心；
该方法的特征在于其包括给予核心的表面的至少一部分非零的预定粗糙度，并通过热等静压制将该粗糙度转移至增强件的内表面的一个相应部分。
由此，核心的粗糙度直接“印”在增强件的压力侧和吸入侧的内表面上。不再需要上述的额外机械加工，因此能够减少制造增强件的工期和成本。
有利地，核心的表面的至少一部分具有大于3微米（μm），优选位于3.2μm至6.4μm范围内的粗糙度Ra。
在分离增强件之后，核心可以重复用于其它的制造周期。
一旦转移到增强件的压力侧和吸入侧的内表面上，该粗糙度能够使粘合剂获得良好的抓持力。
在本发明中，另一可能情况是核心的外表面包括具有不同粗糙度的区域。
在某些应用中，可能需要使用具有不同粗糙度的多个区域。
核心的外表面的粗糙度可以通过研磨，机械喷丸，喷砂，激光加工，电腐蚀，和/或化学加工来获得。
在优选的方式中，核心由金属耐火材料如镍合金制成，或者由陶瓷制成，并通过覆盖在防扩散屏障中而被钝化，该屏障不污染薄板的金属材料，例如，通过沉积氧化物（如，氧化钇），或通过热处理形成的氧化层而获得的屏障。
这样就防止薄板在热等静压制过程中粘合到核心上。
薄板可由钛基合金，如TA6V制成。
这种材料在大约940℃可容易地成形，并且在低温时能够承受高水平的应力，或颗粒或异物的高水平的冲击。
根据本发明的一个特征，薄板在通过模压被定位在核心的两侧上之前成形。
根据本发明的另一个特征，两个薄板通过电子束（EB）焊接被装配在一起。
有利地，核心具有第一表面，该第一表面的一半复制第一增强件的压力侧的内部形状，另一半复制第二增强件的吸入侧的内部形状，核心还具有与第一表面相反的第二表面，该第二表面的一半复制第一增强件的吸入侧的内部形状，另一半复制第二增强件的压力侧的内部形状，在薄板通过等静压制在核心上成形之后，两个增强件被切割，从而彼此分离。因此，能够在每个制造周期中使用单核心而制造两个增强件，由此降低制造增强件的成本。
本发明还提供叶片，其用于涡轮发动机，例如飞机涡轮螺旋桨发动机或涡轮喷气发动机，叶片的特征在于其具有复合材料制成的翼面，该翼面具有通过前缘和后缘连接在一起的压力侧表面和吸入侧表面，叶片的特征在于其包括至少一个通过上述方法获得的增强件，该增强件具有两个相对的内表面，所述内表面在翼面的前缘或后缘上粘着性地结合到压力侧表面和吸入侧表面上，每个内表面的至少一部分具有粗糙度Ra，该粗糙度Ra大于3μm，优选位于3.2μm至6.4μm的范围中。
通过阅读下面描述，可以更好地理解本发明，并且本发明的其它细节，特征及优势能够更好地显现，该描述通过非限制性实施例给出并参考了附图，在这些附图中：
图1和图2示出了本发明的方法中对金属薄板进行成形的步骤；
图3示出了围绕核心装配金属薄板的步骤；
图4示出了通过热等静压制在核心上对薄板进行成形的步骤，以及切割薄板以分离增强件并移除核心的步骤；以及
图5为通过执行本发明的方法所获得的增强件的透视图。
图1示出了对金属薄板1进行热模压，以使该金属薄板接近将要制造的增强件的最终形状的步骤。该成形结束时，每个金属薄板1具有凹形的区域2，该区域2限定一凹槽。金属薄板1可由钛基合金，如TA6V制成。成形步骤在大约940℃的温度进行。
如图3所示，两个一样的金属薄板1接下来彼此相对地被放置在核心2的两侧上，金属薄板1的每个凹面侧分别容纳核心2的一部分。
核心2具有垂直于薄板的对称面P，并包括第一表面，该第一表面的一半3复制将要制造的第一增强件4的压力侧的内部形状，另一半5复制将要制造的第二增强件6的吸入侧的内部形状。核心2还具有与第一表面相反的第二表面，该第二表面的一半7复制第一增强件5的吸入侧的内部形状，另一半8复制第二增强件6的压力侧3的内部形状。
位于两个表面，即核心2的侧边之间的连接区域9具有2毫米（mm）至6毫米（mm）范围之内的半径。
核心2由耐火材料及金属合金制成，钛不能扩散进该耐火材料中，金属合金具有与钛薄板1迥然不同的膨胀系数，例如IN100。
这样做的目的是在进行的各种操作中，特别是在热等静压制中避免金属薄板1和核心2之间的任何粘附。
同样，为此目的，核心2可以通过覆盖在防扩散屏障中而被钝化，该屏障不污染薄板的金属材料，该屏障可以通过沉积氧化物（如，氧化钇），或通过热处理形成的氧化层而获得。
在此之前，核心2的表面被处理或机械加工，使得其被赋予预定程度的粗糙度，例如，大于3微米（μm），优选为3.2μm至6.4μm范围内的粗糙度Ra。
核心2的外表面的粗糙度可以通过研磨，机械喷丸，喷砂，激光加工，电腐蚀，和/或化学加工来获得。
如果需要，核心2的外表面可以包括具有不同粗糙度的区域。
一旦薄板1围绕核心2设置，它们通过定位点焊（图中未示出）和钨极隋性气体（TIG）焊接在其边缘处被装配在一起，由此被结合在一起并固定在位置上。接着，组件被放置在真空罩内，以在薄板1的整个边缘上对薄板1进行焊接，例如，利用电子束（EB）焊接。连续的边缘焊缝10为薄板1之间形成的空腔提供密封。
如图3所示，接着薄板1在核心2上通过热等静压制被成形，如果薄板1由TA6V钛合金制成，在该过程中，薄板1在大约940℃承受大约1000巴的外部压力大约3小时。
在该操作过程中，薄板1变形，以精确复制核心2的形状，包括核心2的连接区域9。特别地，在这些区域中，薄板1在紧密适应核心2的整个形状同时结合在一起。
在该步骤中，核心2的粗糙度被转移或“印”到薄板1的内表面上，该内表面同粗糙的核心2接触。
并行地，由于高温，两个薄板1通过扩散结合被焊接在一起。
此后，通过沿着线11切割薄板1，增强件4，6被分离，线11位于所述薄板和对称面P的相交处。
额外的边缘物质12通过沿着修边线13切割而被移除。最后，精加工赋予增强件4，6所期望的外部形状。
由此获得两个增强件，每个增强件具有如图5所示的形状，其中，通过扩散结合所获得的两个薄板1之间的连接确保了机械性能，该机械性能与制成为单体件的部件的性能相同。每个增强件的空腔14还在压力侧16和吸入侧17之间的连接区15中具有足够大的曲率半径，以避免在使用中产生应力集中和破裂。
最后，空腔14的内表面16和17具有足够的粗糙度，能够使增强件4，6被粘着性地结合到复合材料叶片的前缘或后缘上，例如，使用环氧型粘合剂。
核心2可再次用于制造其它的增强件。

Claims (13)

1.制造金属增强件(4，6)的方法，该增强件安装在涡轮发动机的复合材料叶片的前缘或后缘上，该方法包括以下步骤：
对两个金属薄板(1)进行成形，以使它们接近将要制造的所述增强件(4,6)的最终形状；
将所述两个金属薄板(1)定位在核心(2)的两侧上，该核心复制所述增强件(4，6)的吸入侧和压力侧(17，16)的内部形状；
在真空中以密封的方式将所述两个金属薄板(1)围绕着所述核心(2)装配在一起；
通过热等静压制使所述金属薄板(1)成形在所述核心(2)上；以及
切割所述金属薄板(1)，以分离所述增强件(4，6)并去掉所述核心(2)；
该方法的特征在于其包括给予所述核心(2)的表面的至少一部分非零的预定粗糙度，并通过热等静压制将该粗糙度转移至所述增强件(4，6)的内表面(16，17)的一个相应部分。
2.如权利要求1所述的方法，特征在于所述核心的表面的至少一部分具有大于3微米的粗糙度Ra。
3.如权利要求2所述的方法，特征在于所述粗糙度Ra位于3.2μm至6.4μm范围内。
4.如权利要求1-3任意一项所述的方法，特征在于所述核心(2)的外表面包括具有不同粗糙度的区域。
5.如权利要求1至3任意一项所述的方法，特征在于所述核心(2)的外表面(3，5，7，8)的粗糙度通过研磨，机械喷丸，喷砂，激光加工，电腐蚀，和/或化学加工来获得。
6.如权利要求1至3任意一项所述的方法，特征在于所述核心(2)由金属耐火材料制成，并通过覆盖在防扩散屏障中而被钝化，该防扩散屏障不污染所述金属薄板的金属材料制成的屏障。
7.如权利要求6所述的方法，特征在于所述的金属耐火材料为钛合金或镍合金。
8.如权利要求6所述的方法，特征在于所述防扩散屏障为由氧化钇制成的屏障。
9.如权利要求1至3任意一项所述的方法，特征在于所述金属薄板(1)由钛基合金制成。
10.如权利要求9所述的方法，特征在于所述钛基合金为TA6V。
11.如权利要求1至3任意一项所述的方法，特征在于所述金属薄板(1)在通过模压被定位在所述核心(2)的两侧上之前成形。
12.如权利要求1至3任意一项所述的方法，特征在于两个所述金属薄板(1)通过电子束焊接被装配在一起。
13.如权利要求1至3任意一项所述的方法，特征在于所述核心(2)具有第一表面，该第一表面的一半(3)复制第一增强件(4)的压力侧的内部形状，另一半(5)复制第二增强件(6)的吸入侧的内部形状，所述核心还具有与所述第一表面相反的第二表面，该第二表面的一半(7)复制所述第一增强件(4)的吸入侧的内部形状，另一半(8)复制所述第二增强件(6)的压力侧的内部形状，在所述金属薄板(1)通过等静压制在所述核心(2)上成形之后，两个所述增强件(4，6)被切割(11)，从而彼此分离。
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