CN104822489B - 涡轮叶片的制造方法和制造装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属合金制的涡轮叶片(5；7；28；33)的制造方法和装置。由一个具有简单的和/或轴对称的几何形状的钛铝合金制的杆件(10；34)，通过水喷射(16)切割在杆件(10；34)中同时制造至少两个相互迭置的坯件(2；3；4；8；11)，然后，分别地加工每个如此获得的坯件(2；3；4；8；11)，以获得具有最终型面的叶片(5；7；28；33)。

Description

涡轮叶片的制造方法和制造装置

技术领域

本发明涉及一种用于制造金属合金制的涡轮叶片的制造方法。

本发明也涉及使用这种方法的制造装置，以及如此获得的叶片。

特别重要地，本发明不专用于航空领域或能源领域中使用的叶片或桨叶。

背景技术

通常，航空领域用叶片或者产生于铸造毛坯或产生于锻造毛坯，部分地或全部地进行再加工。

当加工仅为部分时，特别是当叶片的型面不进行机械再加工而进行精加工时，必须进行矫直、成形和/或校准操作，以确保工作尺寸确定。

在研制原型的情况下对于小尺寸涡轮叶片，或者对于校准，或者甚至对于生产用易加工和不太昂贵的材料制成的叶片，使用大量切削的成套产品。

在希望使用铝化钛(λ－TiAL)的情况下，这种解决方案具有缺陷，铝化钛具有良好的耐热性，但是在环境温度下非常易脆。

更确切地说，这些公知的技术方案存在以下问题。

在由锻造毛坯棒获得的成套产品的范围内，锻造必须在差不多等温的条件下以及以高温下较低的变形速度进行。在这种情况下，成套工具昂贵，使用寿命有限。

另外，高速率难以达到(专用昂贵设备增加)，此外校准也必须在高温下进行。因此，即使可能的厚度余量通过化学处理被去除，用这种材料也难以制造具有精加工型面的叶片。

总之，可由留有厚度余量的锻造毛坯或压制成型毛坯开始，再进行整个表面的机械加工，但是，需要进行一系列复杂加工，以便能够进行与应力释放有关的变形，甚至使用自适应范围的加工。此外，使用锻造毛坯要求最低限度进行三种操作：材料制备、锻造和加工，生产周期较长。

公知涡轮叶片的制造方法(EP1623792)是从具有管形壁的环状物提取坯件来实施。

如此锻造的叶片具有缺陷。其几何形状由于包含在管段中而受很大限制。尤其是由于管的弯曲度，需要进行扭转变形/钣金操作，所述方法不能获得加工成品。另外，其在尺寸上尤其是在厚度上受到限制。

在用铸造毛坯获得的成套产品的情况下，铸造必须在真空中或在保护气氛下用可以快速供给金属的横截面较薄的方法(例如离心法)进行。

因此，不重新进行机械加工而获得合格的型面，需要矫直，在采用铝化钛的情况下，则类似于前述校准，用以限制具有如上所述缺陷的不合格件的比率。

实际上，显然，可由留有厚度余量的铸造毛坯开始，重新整个表面的机械加工，但是，这里还需要进行一系列复杂加工，以便能够进行与应力释放有关的变形，然而所述方法会在加工后产生与铸造缺陷有关的很大的报废率。

因此，均衡加压操作也往往是去除铸造缺陷、因此限制其毛坯中存在的缺陷所需要的。

最后，使用铸造毛坯，要求进行三种至五种操作：材料制备、铸造、可选地均衡热压、可选地矫直、最后是加工，这里，生产周期依然较长。

由铸造毛坯用热处理法加工涡轮构件的制造方法也是公知的(EP2423340)。

这些方法还要增加一个复杂的成本高的热处理步骤。另外，通过切割并置的矩形材料薄片，不能节省材料。

在使用机械加工大量切削的成套产品的情况下，这里是由(铸造或压制成型制成的)金属块件开始，加工车去多余材料，使该简单的几何形状变成工件的几何形状。

鉴于难以加工铝化钛(一旦切割条件相当低，则工具磨损大，材料在环境温度下易脆)和材料的高成本，这里，这种方法对于批量制造叶片也具有严重缺陷。

发明目的

本发明旨在弥补这些缺陷，提出比先前公知的方法和装置更符合实际的要求的方法和装置，尤其是通过限制使用的材料量，因而相对于大量切削的成套产品限制待加工的材料，本发明还旨在不使用补偿操作、缩短生产周期、降低成本、同时采用标准工业部件。

补偿是指工件在空间中的重定位或定向，以便相对于参考系测定其平面度缺陷和/或变形，以最小化/均匀工件的几何形状缺陷。

采用本发明，可设计能排除或最小化与铸造有关的缺陷的坯件。

由此导致废料数量较少。

为此，本发明基于这样的理念：选择简单的和/或轴对称的几何形状，以从而形成初始实心的杆件，其可利用材料制备步骤(混合不同的元素以制成合金)，以形成所述杆件。这样可不从接近所需尺寸的铸造步骤开始。

简单的几何形状的杆件是指多边形、圆形或椭圆形或者基本上呈多边形、基本上呈圆形或基本上呈椭圆形的母截面的实心杆件。

因此，杆件例如可具有矩形、方形或梯形截面的平行六面体形状。

截面可以是恒定的或不恒定的，例如取决于所需工件完成后的形状，例如端部比中央部分体积大。

轴对称杆件是指围绕轴线延长的，例如具有圆柱形、圆锥形或截锥形几何形状的实心杆件。

这里，截面可以是恒定的或不恒定的，取决于截面在轴线上的位置。

有利地，杆件具有一个和/或多个平表面和/或凸表面。

根据本发明的一有利的实施方式，杆件具有平表面或总是凸的表面。

这种相同的简单几何形状可限制材料缺陷的存在、使材料缺陷定位在精确的能再现的将被去除(消除)的区域。

另外，简单和/或轴对称的几何形状可不具有过大的残余应力级，因为相对于具有大量敏感区域的工件来说，冷却比较均匀。

因此，由于加工时变形而报废的危险性较小。

为此，本发明尤其提出一种由钛铝合金制的元件来制造金属合金制的涡轮叶片的制造方法，其特征在于，金属合金是铝化钛，所述元件是一个实心的杆件，通过水喷射切割在所述杆件中同时制造至少两个相互迭置的坯件，然后，分别地加工每个如此获得的所述坯件，以获得具有最终型面的涡轮叶片。

换句话说，在同一金属块件(或杆件)中制造最优化迭置的多个叶片，例如λ－TiAL制的叶片，这需要克服已有的构思，有利于铸造成套产品(成品型面或半成品型面)。

为此，每次迭置时必须最优化，这需要提前考虑工件的彼此定位，也要限定最优数量，同时综合考虑待使用切割方法的限制条件。

在某些情况下，这要引起工件设计的相反修改，以使迭置最优化，例如使叶片部分在圆盘上移动，或再增加一个工件，这违背本领域技术人员的想法。

迭置切割可用同一杆件制造多个工件，因而限制材料量。

也可回收数量较大的优质材料，以循环利用。这里应当指出，只有重块可用铸造方式回收，浇口降低。

本发明可避免这些缺陷。

因此，采用本发明，可由一个例如2.3千克材料的杆件，在水喷射切割后得到两个0.4千克的坯件，以获得两个例如90克的工件(叶片)。

因此，发现的报废率低于5％，而现有技术中由比本发明的合金更易于加工的合金制成的这些工件通常的批量报废率约为35％。

工件的成本分析(相等的报废范围、相等的千克材料价格等)表明，相对于通常观察到的情况，材料节省10％。

在本发明有利的实施方式中，还借助于以下布置方案中的一种和/或另一种：

－迭置的坯件是相同的，分别相对于一个点、一条直线或一个中央平面两两对称地相面对地制成；

－铝化钛合金是λ－TiAl；

－由铸造而成的一个杆件来制造坯件；

－由压制成型的一个杆件来制造坯件；

－由一个圆柱形的杆件来制造坯件；

－由包括一个或多个仅有直表面或凸表面的外表面的杆件来制造坯件。

本发明还提出使用前述方法的装置。

本发明也提出一种用于制造金属合金制的涡轮叶片的制造装置，其特征在于，所述制造装置具有切割工具、用于控制切割工具的自动控制器以及加工部件，所述切割工具通过水喷射切割金属杆件，所述用于控制切割工具的自动控制器设置用于在同一个钛铝合金制的杆件中同时制造至少两个相互迭置的坯件，所述加工部件用于加工每个如此获得的坯件，以获得具有最终型面的叶片。

有利地，所述切割工具以及所述用于控制切割工具的自动控制器设置用于切割相对于一个点、一条直线或一个中央平面两两对称地相面对相同的迭置的坯件。

有利地，金属合金是铝化钛(λ－TiAl)。

本发明还提出使用上述方法获得的涡轮叶片。

附图说明

通过阅读以下对作为非限制性实施例描述的实施方式的说明，本发明将得到更好的理解。

说明参照附图进行，附图如下：

图1以侧视图示出一个平行六面体形块件或杆件，其用于制成三个迭置坯件，以生产根据本发明的第一实施方式的涡轮叶片。

图2以横向剖切侧视图示出一个圆柱形杆件的另一实施方式，其用于制成本发明的两个迭置坯件/叶片。

图3是根据本发明的另一种实施方式的两个迭置叶片坯件的横向剖视图。

图4以示意图示出根据本发明的一实施方式的涡轮叶片制造装置。

图5是用特别是这里所述的本发明的方法获得的叶片的透视图。

图6以透视图示出根据本发明的方法制成的两个叶片迭置坯件。

图7示意地示出根据本发明的一实施方式的方法的步骤。

具体实施方式

图1以侧视图示意地示出一个由铝化钛制成的平行六面体形实心块件或杆件1，该块件或杆件用于制成三个相同或基本上相同的迭置(相互)坯件2、3、4(鉴于迭置最优化)，以生产根据本发明的一实施方式的涡轮叶片5。

块件1例如为6千克，用于制造三个基本上为2千克的坯件，从上述坯件提取三个1千克的叶片。叶片各具有一个心部5’和两个端部5”与5”’，其以本身公知的方法加工成形。

图2示出简单几何形状的另一杆件6的一实施方式，该另一杆件围绕轴线延长，这里呈圆柱形，能够允许从相对于属于中央平面9’的一个对称点9对称的坯件8制造两个叶片7。

相互迭置的坯件2、3或者4或8通过使用水喷射切割同一杆件而获得，这将在后面予以说明。

图3是一个平行六面体形杆件10的横向剖视图，其通过一个切割枪切割成两个相同的迭置坯件11，这里，相对于平行六面体形杆件10的两个对称平面13和14交叉而获得的轴线12对称地进行切割。

图4更精确地示出使用用于切割坯件10的方法的装置15的一实施方式。

该方法使用一种本身公知的水喷射16切割枪15’。

极高压水(例如3800巴)在附图标记17处注入到一个准直管18中，然后通过一个混合室20中的喷嘴19聚焦，研磨剂21在附图标记22处注入到位于切割枪15’的头部的主体23中的室中，该研磨剂在所述混合室中与极高压的水混合。

聚焦枪15’具有喷射器24，该喷射器在附图标记25处磨削杆件10，用以根据叶片设计者所要求的切割轨迹进行切割26，该喷射器尤其在材料消耗方面是最优的。

紧固螺母27可将聚焦枪的喷射器固定在头部主体23上。

基于由杆件10获得的两个坯件11，根据特别是这里所述的方法的实施方式，接着单独加工如此获得的每个所述坯件11，以获得如图5所示的叶片28。

现有技术中不使用这种切割方法，因为本领域技术人员不关心坯件彼此迭置，而是鉴于待获得工件的复杂性，力求一举从单个形状较复杂的杆件一个一个地制造工件。

因此，明智之举在于铸型的设计。

装置15还具有控制切割枪15’的自动控制器30，该自动控制器具有计算机31，该计算机被编程以根据本身公知的方法同时制造相互迭置的两个坯件11。因此，一旦获得坯件11，就设置通过去除碎屑而工作的加工部件32或其它已知的部件，以获得如上所述的叶片28，所述其它已知的部件如电化学加工部件，例如具有四轴铣削机构、精密电化学加工机、磨削机构。

图6示出在一个平行六面体形杆件34上获得的在图上用点划线示出的相同叶片33的另一个实施方式，其沿曲线35切割以获得坯件，并相应地被编程。

现将参照图7描述制造叶片的一实施方式。

在选择一个实心杆件之后，所述方法包括第一步骤El，在该第一步骤，杆件的几何参数输入到计算机31中。

计算机31根据这些信息产生一个杆件模型。

在第二步骤E2，叶片的几何参数输入到计算机31中，其也产生叶片模型，该叶片模型例如特定地用于制造在确定的空气动力条件下布置在涡轮机气流的循环流中的叶片。

具有编程的计算部件的计算机31，比较杆件模型与叶片模型，用以从中确定最优配置，即最节省材料、同时符合物理限制条件的配置。

例如，模型由一个四件组形成。前三个构件中每个都代表笛卡尔空间的三个坐标之一，最后一个构件属于或不属于模型化工件/杆件。

程序包括算法Al，其：

－在空间中确定一个坐标系，

－使杆件模型定位在该坐标系中，

－定位确定的叶片模型的几个点(例如三个点)，以及

－根据定位在所述坐标系中的叶片模型的点，确定整个模型是否包含在杆件中，以及确定任何点是否与事先布置的另一叶片重叠。该步骤例如通过四件组四件组地比较每个模型而进行。

*如果比较叶片与杆件，如果在杆件模型上存在不相同的至少一叶片四件组(情况1)，则叶片的至少一点位于杆件之外，

*如果比较两个叶片，并且存在每个模型的彼此相同的至少一四件组(情况2)，则每个叶片的至少一点互相交迭。

－只要出现情况1或2，就重复前一步骤。

如果算法在一个杆件上找不到用于与叶片组合的解决方案，则所述方法由Cl返回到前一步骤El(或者在另一实施方式中返回步骤E2)。

这种环形回路可确保迭置的最优化，该迭置并非简单的叠置，因而可节省材料，在某些情况下，显出再设计叶片的益处。

计算机31可具有显示部件(未示出)，该显示部件允许同一杆件上不同的叶片可视，以及其由操作员31进行的可能更换。

其它参数也可在算法中起作用，以使叶片定位最优化，例如切割用水流的特性(宽度、深度等)以及与在所涉及的点处的材料质量有关的数据。

最后，在第三步骤E3，计算机确定切割型面，例如杆件上叶片模型之间的中曲线，以及控制相应的切割用水流。

不言而喻地，且如前所述，本发明不局限于特别述及的实施方式，相反包括所有实施变型，尤其是这样的实施变型，其中，三个以上的坯件同时切割而成，杆件的型面不是直的而是弯曲的，或者母截面的周边具有有限的少量点(少于25点)，这些点之间由直线或曲线连接。

Claims (9)

1.一种由钛铝合金制的元件来制造金属合金制的涡轮叶片(5；7；28；33)的制造方法，其特征在于，所述金属合金是铝化钛，所述元件是一个实心的杆件，通过水喷射(16)切割在所述杆件(10；34)中同时制造至少两个相互迭置的坯件(2；3；4；8；11)，然后，分别地加工每个如此获得的所述坯件(2；3；4；8；11)，以获得具有最终型面的所述涡轮叶片(5；7；28；33)。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，迭置的所述坯件(2；3；4；8；11)是相同的，分别相对于一个点(9)、一条直线或一个中央平面(9’)两两对称地相面对地制成。

3.根据前述权利要求中任一项所述的制造方法，其特征在于，铝化钛制合金是λ-TiAl。

4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，由铸造而成的一个杆件(10；34)来制造所述坯件(2；3；4；8；11)。

5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，由压制成型的一个杆件(10；34)来制造所述坯件(2；3；4；8；11)。

6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，由一个圆柱形的和/或包括一个或多个仅具有直表面或凸表面的外表面的杆件(10；34)，来制造所述坯件(2；3；4；8；11)。

7.一种用于制造金属合金制的涡轮叶片(5；7；28；33)的制造装置，所述制造装置具有切割工具(15’)以及加工部件(32)，所述切割工具通过水喷射(16)切割金属坯件(10；34)，用于制造至少两个坯件(2；3；4；8；11)，所述加工部件用于加工每个如此获得的所述坯件(2；3；4；8；11)，以获得具有最终型面的所述涡轮叶片(5；7；28；33)，其特征在于，所述金属坯件是金属杆件；并且，所述制造装置还具有用于控制切割工具的自动控制器(30)，所述用于控制切割工具的自动控制器设置用于在同一个钛铝合金制的杆件(10；34)中同时制造至少两个相互迭置的坯件。

8.根据权利要求7所述的制造装置，其特征在于，所述切割工具以及所述用于控制切割工具(15’)的自动控制器(30)设置用于切割相对于一个点(9)、一条直线或一个中央平面(9’)两两对称地相面对地相同的迭置的坯件(2；3；4；8；11)。

9.根据权利要求8所述的制造装置，其特征在于，所述金属合金是铝化钛(λ－TiAl)。