CN103551444B - 制造中空结构的方法 - Google Patents

Abstract

本文提出一种制造中空结构的方法，该方法包括：提供多层板材结构，其中所述多层板材结构的各层板材具有结合部和非结合部，各相邻层板材之间于其结合部固定结合在一起；加热所述多层板材结构至至少部分层板材的软化温度；以及在所述软化温度下，对相邻层板材之间用流体进行加压，使得所述多层板材结构发生形变以形成各相邻层板材于其结合部固定结合在一起而于其非结合部形成空腔的中空结构。

Description

制造中空结构的方法

技术领域

本发明涉及一种制造中空结构的方法，特别是一种制造金属或合金中空结构的方法。

背景技术

中空结构在很多场合能提供比实心结构更好的性能。例如，对于涡轮发动机的叶片，其在高温环境下高速运转，中空结构能够降低重量、增加结构强度且能够提供优秀的叶片冷却性能，因此业界一直希望采用这种中空结构的叶片。但是，制造一些具有不规则横截面的中空结构非常困难，导致成本高昂。例如，涡轮发动机的叶片就是一种这样具有不规则横截面的结构，因此现有的制造中空结构的方法几乎不能用于制造中空结构的叶片。

发明内容

有鉴于此，本文提出一种可降低成本的制造中空结构的方法。

本文提出一种制造中空结构的方法，该方法包括：提供多层板材结构，其中所述多层板材结构的各层板材具有结合部和非结合部，各相邻层板材之间于其结合部固定结合在一起；加热所述多层板材结构至至少部分层板材的软化温度；以及在所述软化温度下，对相邻层板材之间用流体进行加压，使得所述多层板材结构发生形变以形成各相邻层板材于其结合部固定结合在一起而于其非结合部形成空腔的中空结构。

在一实施例中，所述板材可以为金属或合金材料。

在一实施例中，所述多层板材结构是被放置在模具中的，对相邻层板材之间用所述流体进行加压使得所述多层板材结构变形至所述模具的边界面。

在一实施例中，当所述多层板材结构变形至所述模具的边界面后，保持上述软化温度和用所述流体进行加压的状态一预定时间。

在一实施例中，所述多层板材结构的各层板材包括顶层板材、底层板材以及位于所述顶层板材和底层板材之间的至少一中间层板材，所述至少一中间层板材具有相反的两个板材表面，所述两个板材表面分别与相邻的其它两层板材之间于其结合部固定结合在一起，在所述流体的加压作用下，所述两个板材表面分别与所述相邻的两层板材之间于其非结合部形成所述空腔。

在一实施例中，所述多层板材结构于其外围区域设有供所述流体进入相邻层板材之间的至少一流体入口，所述各层板材的结合部包括位于板材外围区域的外围结合区，使得所述多层板材结构的各层板材在其外围区域除所述至少一流体入口的位置之外，其余位置都密封结合在一起，所述各层板材的结合部还包括位于板材中央区域的内部结合区。

在一实施例中，所述至少一中间层板材于其非结合部设有至少一通孔，让所述流体能够从所述两个板材表面的其中一个板材表面流通至另一个板材表面。

在一实施例中，对于所述至少一中间层板材而言，所述内部结合区离散地分布在其相反的两个板材表面的多个位置上，所述至少一中间层板材的内部结合区与相邻的其它两层板材的对应位置的内部结合区固定结合。

在一实施例中，对于所述至少一中间层板材的两个板材表面而言，所述内部结合区在其中一个板材表面上的多个位置与在另一个板材表面上的多个位置相互错开。

在一实施例中，所述内部结合区在所述板材表面上的位置为多个点位置。

在一实施例中，对于所述至少一中间层板材而言，所述内部结合区分布在其相反的两个板材表面的多个线位置。

在一实施例中，所述至少一中间层板材于其非结合部设有促进变形的多个缺口。

在一实施例中，所述中空结构为涡轮叶片，所述多层板材结构的各层板材包括顶层板材、底层板材以及位于所述顶层板材和底层板材之间的至少一中间层板材，在所述流体的加压作用下，所述至少一中间层板材变形成褶皱结构从而与相邻的两层板材之间形成所述空腔，所述顶层板材和底层板材的软化温度高于所述至少一中间层板材的软化温度。

在一实施例中，所述中空结构为涡轮叶片，所述多层板结构的各层板材包括至少三层第一板材以及位于每两层相邻第一板材之间的第二板材，在所述流体的加压作用下，所述第二板材变形成褶皱结构从而与相邻的两层第一板材之间形成所述空腔，所述第一板材变形成曲面结构，所述第一板材的软化温度高于所述第二板材的软化温度。

根据初始多层板材结构的不同，本文介绍的方法可以制造出多种中空结构。这种方法步骤简单，显著降低了中空结构的制造成本，尤其是对于复杂的中空结构，例如蜂窝状结构。这种方法对于涡轮发动机的叶片的制造尤其有用。而且，利用本发明制造的中空结构提高了结构强度，降低了重量，节省了材料。对于使用在高温场合的中空结构（例如涡轮发动机的叶片），内部的中空结构有利于中空结构的冷却。

附图说明

图1是制造中空结构的方法的大致流程图。

图2是多层板材结构的一个实施例的示意图。

图3是其中一个中间层板材及其两相邻层板材的分解图。

图4是其中一个中间层板材的结合部的示意图。

图5是流体加压的示意图。

图6至图8是板材变形后得到的中空结构的不同实施例的示意图。

图9是板材的结合部的另一个实施例的示意图。

图10是根据图9的板材结构得到的中空结构的示意图。

图11是中间层板材的另一个实施例的示意图。

图12和图13是中空结构的另一个实施例的示意图。

具体实施方式

在详细描述实施例之前，应该理解的是，本发明不限于本申请中下文或附图中所描述的详细结构或元件排布。本发明可为其它方式实现的实施例。而且，应当理解，本文所使用的措辞及术语仅仅用作描述用途，不应作限定性解释。本文所使用的“包括”、“包含”、“具有”等类似措辞意为包含其后所列出之事项、其等同物及其它附加事项。特别是，当描述“一个某元件”时，本发明并不限定该元件的数量为一个，也可以包括多个。

图1是一种制造中空结构的方法的大致流程图。如图1，在步骤S102，先提供多层板材结构。该多层板材结构的各层板材具有结合部和非结合部，各相邻层板材之间于其结合部固定结合在一起。在步骤S104，加热该多层板材结构至至少部分层板材的软化温度。在步骤S106，在该软化温度下，对相邻层板材之间用流体进行加压，使得该多层板材结构发生形变以形成各相邻层板材于其结合部固定结合在一起而于其非结合部形成空腔的中空结构。

以下将以举例的方式结合具体的板材结构详细介绍上述方法。

图2是多层板材结构的一个实施例的示意图。在这个示例中，多层板材结构108的各层板材包括顶层板材110、底层板材114以及位于顶层板材110和底层板材114之间的至少一中间层板材112。图2所示的结构描绘了两个中间层板材112。在其它实施例中，根据需求，中间层板材112的数量可以是一层，也可以是多于两层。另外，这里的方向性术语“顶层”和“底层”只是为了方便描述，并不对多层板材结构的放置方向进行限制。

如图3和图4，中间层板材112具有相反的两个板材表面116和118，这两个板材表面116和118分别与相邻的其它两层板材之间于其结合部固定结合在一起。在这里，根据中间层板材112所处的位置，面对中间层板材112的其中一个板材表面116（在图中是上表面116）的相邻板材可以是顶层板材110或者是另一个中间层板材112。类似的，面对中间层板材112的另一个板材表面118（在图中是下表面118）的相邻板材可以是底层板材114或者是另一个中间层板材112。

该多层板材结构108的各层板材具有结合部和非结合部，各相邻层板材之间于其结合部固定结合在一起。这些板材的材料可以是金属或合金材料，这些结合部的固定结合可以通过焊接或者铸造进行。

多层板材结构108于其外围设有供加压流体进入相邻层板材之间的至少一流体入口120（见图1）。流体入口120可以设置在其中一层板材靠近相邻层板材的边缘，也可以设置在相邻的两层板材上。图3所示的示例中，流体入口120是设置在相邻的两层板材上。

各层板材的结合部包括位于板材外围区域的外围结合区以及位于板材中部区域的内部结合区。对于中间层板材112而言，外围结合区和内部结合区在中间层板材112的两个相反板材表面116和118都有设置；对于顶层板材110和底层板材114而言，只是在面向多层板材结构108内部的那一个表面上才设置这些结合区。

例如，如图3和图4所示，每个中间层板材112的上表面116的外围区域除了流体入口120位置外设有一圈外围结合区122。每个中间层板材112的下表面118的外围区域同样设有外围结合区（从附图的那个视角看不见）。如此，相邻层板材的对应外围结合区固定结合，使得多层板材结构108的各层板材在其外围区域除该流体入口120的位置之外，其余位置都密封地固定结合在一起。

中间层板材112的上表面116的中部区域设有内部结合区124，其下表面118的中部区域设有内部结合区126（应当理解，这些内部结合区126是位于板材112的另一面118）。这里所说的“中部区域”是相对于前述的“外围区域”而言，其可以理解为外围区域以内的所有区域，而不仅仅是板材中央的区域。在图3和图4所示的实施例中，内部结合区离散地分布在中间层板材112的两相反板材表面116、118的多个位置上，而相邻的两个板材的表面对应地设有类似的内部结合区，因此每个中间层板材112的内部结合区与相邻的两层板材的对应位置的内部结合区固定结合。对于每个中间层板材112的两个板材表面116、118而言，内部结合区124在其中一个板材表面116上的多个位置与在另一个板材表面118上的多个位置相互错开。例如，在图3和图4所示的实施例中，内部结合区124位于板材表面116上的多个线位置，内部结合区126位于板材表面118上的多个线位置，且内部结合区124的多个线位置与内部结合区126的多个线位置相互错开。

中间层板材112还设有连通上表面116和下表面118的通孔125，该通孔125的作用是让流体能够从其中一个板材表面流通至另一个板材表面，具体将在后面流体加压的步骤中描述。

提供了上述多层板材结构之后，在步骤S104中，对上述多层板材结构进行加热。为防止氧化，加热可以在真空加热炉中进行。加热的目的是在于软化板材，以使后续板材的变形过程更加容易。根据预期形成的中空结构，各层板材可由具有不同软化温度的材料制成。例如，中间层板材的软化温度低于顶层和底层板材的软化温度。这样，加热后，中间层板材会比顶层和底层更容易变形，因此在最终的中空结构中具有更大的变形程度。

加热至至少部分中间层板材的软化温度之后，如图5和图6，从流体入口120向各层板材之间注入流体以对各层板材之间加压。这种加压程序是在模具（图未示）中完成的，模具表面限定了最终中空结构的外形结构。加压流体将会沿着板材的非结合部流动，由于流体的压力，将会促使高温软化的板材进行变形，从而在相邻层板材的非结合部之间形成空腔134，而之前固定结合的结合部保持在固定结合状态。变形后的整体结构的外表面受到模具表面的限制。当多层板材结构变形至模具表面后，应当保持上述软化温度和用流体进行加压的状态一预定时间，以使得到的变形结构更加稳定。加压流体可以为气体或者液体。

由此可以看出，相邻层板材的非结合部之间形成了供流体流动的流道，而这些流道最终形成中空结构的空腔134。而这些流道的形成是根据相邻层板材之间的结合部而定，因此，通过设计不同的结合部，即可以得到不同的中空结构。

如前所述，中间层板材112的通孔125是引导流体在两个表面116、118之间流通。这样，如果每个中间层板材112都设有这样的通孔，则只需要设置一个流体入口120，就可以让每两相邻层板材之间都充满加压流体。在一些其它未例示的实施例中，也可以对应每两相邻层板材之间单独设置一个流体入口120。在一些实施例中，部分或全部中间层板材112也可以不设置这样的通孔125。

图6描绘了有两层中间层板材112的中空结构。可以看出，相对于最外层板材，两中间层板材112具有更大的变形程度，因此在加压流体的压力作用以及顶层110和底层板材114的拉扯作用下，中间层112变形成褶皱结构，从而形成一种蜂窝状的中空结构。

图7描绘了只有一层中间层板材112的中空结构。与图6的结构类似，中间层板材112也具有更大的变形程度，变形成褶皱状的结构。

图8也描绘了只有一层中间层板材112的中空结构。与图7不同的是，图8中的内部结合区124、126的宽度大于图7中的内部结合区的宽度。应当理解的是，结合区的宽度可以根据具体产品要求而加以变化。

图9描绘了另一种结合区的实施例。与前述实施例的线状或条状结合区不同，图9的实施例展示了点状的内部结合区124、126，即这些内部结合区124、126离散的分布于多个点位置。例如，在图9中，中间层板材的两相反表面上的内部结合区124、126的点位置分别以“×”和“0”表示。可以看出，两相反表面上的内部结合区124、126的位置是相互交错的。这种在多点位置交错固定的中间层板材112在经过变形之后，会形成图10所示的凹凸相间的结构（未画出与该中间层板材结合的相邻层板材），其中凸起的顶部即为上表面的结合区124，其与相邻的上一层板材结合，而凹陷的底部即为下表面的结合区126，其与相邻的下一层板材结合。

图11描绘了另一种中间层板材212的示意图。中间层板材212上的内部结合区224、226与图9的内部结合区124、126类似。为了促进变形，中间层板材212于其非结合部设有促进变形的多个缺口214。缺口214的设置不仅促进中间层板材212的变形，而且更加节省了材料。在图11所示的实施例中，这些缺口214与内部结合区224、226（以“×”和“0”表示）是间隔设置的。在图11中，这些缺口214是以正方形表示，实际上其可以为任何形状，只要能达到促进变形的作用即可。

利用上述方法，还可以形成具有更多层的中空结构。多层板结构的各层板材可包括至少三层第一板材以及位于每两层相邻第一板材之间的第二板材。在流体的加压作用下，第二板材变形成褶皱结构从而分别与相邻的两层第一板材之间形成空腔，而这些第一板材变形成曲面结构。

图12描绘了一种五层板材结构利用上述方式形成的中空结构。该五层板材包括三层第一板材310以及两层第二板材312，其中这些第二板材312与第一板材310交错配置，即每层第二板材312位于相邻两层第一板材310之间。第二板材312的软化温度低于第一板材310的软化温度。经过流体加压后，第二板材312具有更大的变形程度而形成褶皱结构，而第一板材310具有较小的变形程度而变形成曲面结构。最外的两层第一板材310的变形受到模具表面（图未画出）的限制。

图13描绘了一种九层板材结构利用上述方式形成的中空结构。该九层板材包括五层第一板材410以及四层第二板材412，其中这些第二板材412与第一板材410交错配置，即每层第二板材412位于相邻两层第一板材410之间。第二板材412的软化温度低于第一板材410的软化温度。经过流体加压后，第二板材412具有更大的变形程度而形成褶皱结构，而第一板材410具有较小的变形程度而变形成曲面结构。最外的两层第一板材410的变形受到模具表面（图未画出）的限制。

应当理解的是，利用上述方法，还可以制造出更多层的中空结构。

上述以举例的方式描述本发明的制造中空结构的方法。应当理解，根据初始多层板材结构的不同，本发明可以制造出多种中空结构。这种方式显著降低了中空结构的制造成本，尤其是对于复杂的中空结构，例如蜂窝状结构。这种中空结构提高了结构强度，降低了重量，节省了材料。对于使用在高温场合的中空结构（例如下面提到的涡轮发动机的叶片），内部的中空结构有利于中空结构的冷却。

本文介绍的方式的一个应用是制造涡轮发动机的叶片。最外层的板材变形后将形成叶片的外形，而中间层板材变形后会形成叶片内部的加强筋。例如，图6至图8、图10、图12至图13中的褶皱结构，都可以作为叶片的加强筋。这种中空结构的叶片提高了结构强度，降低了重量，节省了材料，并且提供了较好的散热性能。

本文所描述的概念在不偏离其精神和特性的情况下可以实施成其它形式。所公开的具体实施例应被视为例示性而不是限制性的。因此，本发明的范围是由所附的权利要求，而不是根据之前的这些描述进行确定。在权利要求的字面意义及等同范围内的任何改变都应属于这些权利要求的范围。

Claims (5)

1.一种制造中空结构的方法，其特征在于，该方法包括：

提供多层板材结构，所述多层板材结构的各层板材包括至少三层第一板材以及位于每两层相邻第一板材之间的第二板材，其中两层第一板材构成最外层板材，位于最外层板材之间的其余层第一板材和第二板材构成中间层板材，其中所述多层板材结构的各层板材具有结合部和非结合部，各相邻层板材之间于其结合部固定结合在一起，所述多层板材结构于其外围区域设有供流体进入相邻层板材之间的至少一流体入口，所述各层板材的结合部包括位于板材外围区域的外围结合区，使得所述多层板材结构的各层板材在其外围区域除所述至少一流体入口的位置之外，其余位置都密封结合在一起，所述各层板材的结合部还包括位于板材中央区域的内部结合区，所述每一中间层板材的内部结合区与相邻的其它两层板材的对应位置的内部结合区固定结合；

加热所述多层板材结构至至少部分层板材的软化温度；

在所述软化温度下，对相邻层板材之间用流体进行加压，使得所述多层板材结构发生形变以形成各相邻层板材于其结合部固定结合在一起而于其非结合部形成空腔的中空结构，所述中空结构为涡轮叶片，其中，在所述流体的加压作用下，所述第二板材变形成褶皱结构从而与相邻的两层第一板材之间形成所述空腔，所述第一板材变形成曲面结构，所述第一板材的软化温度高于所述第二板材的软化温度。

2.如权利要求1所述的制造中空结构的方法，其特征在于，所述多层板材结构是被放置在模具中的，对相邻层板材之间用所述流体进行加压使得所述多层板材结构变形至所述模具的边界面，当所述多层板材结构变形至所述模具的边界面后，保持上述软化温度和用所述流体进行加压的状态一预定时间。

3.如权利要求1所述的制造中空结构的方法，其特征在于，至少一所述中间层板材于其非结合部设有促进变形的多个缺口，所述缺口与所述内部结合区的点位置间隔设置。

4.如权利要求1所述的制造中空结构的方法，其特征在于，每一中间层板材的内部结合区离散地分布在所述每一中间层板材相反的两个板材表面的多个点位置上。

5.如权利要求4所述的制造中空结构的方法，其特征在于，所述内部结合区在其中一个板材表面上的多个点位置与在另一个板材表面上的多个点位置相互错开。