CN106794545B - 制造前缘护罩的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及旋转叶片的领域并且更特别地涉及制造一种旨在保护这种叶片的前缘护罩的方法。该方法涉及至少如下步骤，初始塑性变形压力侧薄板(17)和吸力侧薄板(18)的至少一个薄板，利用添加制造以将具有纤维插入件(14)的增强件(15、16)添加到所述压力侧和吸力侧薄板(17、18)的至少一个，在所述初始塑性变形后以及添加每个增强件(15、16)后，将所述压力侧和吸力侧薄板(17、18)在芯体(20)周围闭合，在它们已在芯体(20)周围闭合后，通过将所述压力侧和吸力侧薄板(17、18)挤压在芯体(20)的外部表面上进行后续塑性变形，以及抽取芯体(20)。

Description

制造前缘护罩的方法
背景技术
本发明涉及一种制造前缘护罩的方法。这种前缘护罩通常用于保护旋转叶片的前缘免于撞击。在该上下文中，术语“叶片”应理解为涵盖风机叶片和航空螺旋桨叶片。为了限制它们的重量，这些叶片通常由一种包括由纤维增强的聚合物基质的复合材料制成。尽管这些材料具有通常非常有利的力学属性，特别地相对于它们的重量，它们对点撞击高度敏感，这特别地导致材料内分层的现象。典型地由诸如钛合金的非常牢固的金属材料制成的护罩因此通常安装在这些叶片的前缘上，以保护它们免受这些撞击。这种护罩通常是通过覆盖前缘的较厚部分连接在一起的薄压力侧和吸力侧翼片的形式，护罩整体上匹配在其前缘上以及在其相邻的压力侧和吸力侧上的叶片形状。压力和吸力侧翼片相应地在叶片的压力和吸力侧上在这些部分上延伸，并且它们主要用于确保护罩被定位和固定到前缘。
为了改进叶片的气动性能，它们的前缘具有越来越复杂的形状，从而使需要匹配这些形状的护罩的制造更复杂。本领域技术人员目前已知两种方法。在这些方法的第一种中，主要通过锻造制造护罩，从合金条开始，具有起拱、填充和挤压的连续步骤以及最终扭曲的步骤，从而将翼片朝彼此移动并校准最厚部分。将现有技术的第一种方法应用到与通常用于前缘护罩的钛合金一样牢固的材料，然而具有以下主要缺点：锻造工具的高磨损水平以及大量的制造步骤，这在经济上不利，以及获得很小厚度翼片或在翼片和较厚部分之间获得小过渡半径的高难度，这在技术上不方便。
在另一现有技术的方法中，护罩由已被加工的薄板制成，以在成形护罩之前形成较厚区域。然而，该先前加工具有浪费大量昂贵材料，使加工工具受磨损，以及需要很长时间加工的缺点。
发明目的和概述
本发明旨在弥补这些缺陷。特别地，本发明寻求提出一种使制造前缘护罩更便宜的方法。
在至少一个实施方式中，该制造前缘护罩的方法包括从压力侧和吸力侧薄板中在至少一个薄板上实施初始塑性变形，添加增强件到至少一个所述压力和吸力侧薄板，在所述初始塑性变形后以及在添加增强件之后将所述压力和吸力侧薄板在芯体周围闭合，在已经将这些薄板在芯体周围闭合后通过将所述压力和吸力侧薄板挤压在芯体的外表面上实施后续塑性变形，以及抽取该芯体。
特别地由于添加增强件到至少一个所述压力和吸力侧薄板的步骤，可以制造一种前缘护罩，所述前缘护罩具有薄翼片以及具有在该翼片和将小的它们连接在一起的较厚中心部分之间的很小曲率半径，同时避免对形成护罩的材料的很多加工，从而避免该制造成本。
所述增强件可通过添加制造方法直接地形成在压力和/或吸力侧薄板上，所述通过添加制造方法，例如诸如通过激光或电子束的选择性融化或通过等离子体或电子束的沉积。直接在薄板上预成型增强件的添加制造可以完全或几乎完全地避免加工增强件，同时确保了紧密的制造公差和在增强件和薄板之间的牢固结合。由于在将所述压力和吸力侧薄板在芯体周围闭合之前添加增强件，这可以在薄板的内侧表面上实施，即面对芯体的表面。因此，由通过添加制造制备的增强件所导致的增强件的表面粗糙度对护罩的外表面质量没有影响。
可在压力和/或吸力侧薄板的初始塑性变形之前添加所述增强件，特别地当通过添加制造添加了增强件时，薄板和增强件然后形成一种可无需移动增强件而变形的单件单元。然而，在该替代方案中，可在压力和/或吸力侧薄板的初始塑性变形后添加所述增强件，特别地当在被添加到薄板之前预成型增强件时。在其初始塑性变形后薄板的三维形状从而促进了其上预成型增强件的精确定位。
压力和/或吸力侧薄板的初始塑性变形可特别地通过冲压实施。该热塑性变形方法可以获得复杂的三维形状，即使当从特别刚性的薄板开始，并且也可以获得对部件特别有利的物理属性，特别地对于由金属合金制成的部件的很大疲劳强度。
将所述压力和吸力侧薄板在芯体周围闭合可特别地包括在该芯体周围将所述压力和吸力侧薄板的外围焊接在一起的步骤。该外围的焊接首先用于在这两个薄板之间提供至少初始结合，其次它还可用于密封在这两个薄板之间的包含该芯体的空腔。该密封可在薄板的后续塑性变形中特别地有用。
特别地可通过热等静压(也称为HIP)实施所述后续塑性变形。类似于冲压，热等静压可以甚至对于非常刚性材料来说获得很复杂的形状，该方法能够将这两个薄板非常紧密地配合芯体形状。同时，热等静压可巩固在压力侧薄板、吸力侧薄板和增强件之间的结合，同时也降低了孔隙度和添加了这些组件每个的密度，特别地增强件的密度，当其通过添加制造生产时。有利地，外围的上述焊接具有通过在HIP处理中在真空下保持在空腔中而消除内部表面被氧化的任何风险的优点。
该制造方法可还包括在所述后续塑性变形后加工压力和吸力侧薄板的至少一个步骤，以精加工该护罩和/或能够抽取该芯体。
此外，在将所述吸力和压力侧薄板在芯体周围闭合之前，陶瓷基质复合材料的插入件可被放置在所述增强件的凹部中。该插入件用于提高抗前部撞击以及抗叶片前缘上离心力的护罩刚性。
此外，压力侧薄板、吸力侧薄板和/或增强件至少主要由钛制成，该材料提供了对于本申请特别有利的物理属性。术语“至少主要由钛”应该理解为意味着这些组件每个的材料可特别是钛基合金。
本发明也涉及由该方法制成的前缘护罩，包括由复合材料制成的主体和这种前缘护罩的叶片，以及包括一种具有多个这种叶片的任选地涵道式风机的涡扇发动机。
附图说明
可以很好地理解本发明，并且在阅读作为非限制性示例给出的两个实施方式的以下详细描述后，其优点更好地出现。参考附图说明，其中：
·图1是涡扇发动机的图解透视图；
·图2是图1涡扇发动机的风机的旋转叶片的图解透视图；
·图3是图2叶片的前缘护罩的图解透视图；
·图4是示出图3护罩的在平面IV-IV上的剖视图；以及
·图5A到5H示出了在制造图4护罩的第一方法中的连续步骤。
具体实施方式
图1示出了一种涡扇发动机1，包括气体发生器芯体2和风机3。风机3具有多个在中心轴线X周围径向地布置并气动成型的旋转叶片4，以通过旋转推动空气。因此，如图2所示，每个叶片4具有前缘5、后缘6、吸力侧7和压力侧8。
在正常操作中，相对风基本朝每个叶片4的前缘5定向。因此，前缘5特别地受到撞击。特别地当叶片4具有由复合材料制成的主体9时，特别地具有通过纤维增强的聚合物基质，因此保护具有集成在每个叶片中的护罩10的前缘5是适当的。
图3和图4示出了护罩10，其具有压力侧翼片11、吸力侧翼片12以及用于覆盖叶片4前缘和使压力侧和吸力侧翼片11和12互连的较厚中心部分13。压力侧和吸力侧翼片11和12将护罩10定位在叶片4上。护罩整体上可主要由金属制成，并且更特别地由钛基合金制成，诸如TA6V(Ti-6Al-4V)，例如。然而，其它材料，主要地金属，诸如铝及其合金或
Figure GDA0003376918340000041
类型的镍铬基合金可用作替代或除钛基合金之外使用。此外，在所示的示例中，中心部分13可包括纵向插入件14，该纵向插入件14由嵌入在中心部分的质量中的的陶瓷基质复合材料制成。例如，插入件14可包括涂覆有钛或钛合金并以旋转力的方向纵向地延伸的陶瓷纤维。
如图3和4中可以看到，护罩10的形状可非常复杂，并且与通常用于该部件的高性能材料结合，这可以使其制造很昂贵并困难。
如图5A到5H示出了一种能够解决该问题的制造方法。在该方法的第一步骤中，如图5A所示，一种添加制造方法用于在压力侧薄板17和吸力侧薄板18上分别添加增强件15和16。这些薄板17和18可由金属制成并且更特别地由钛基合金制成，诸如TA6V，例如。在适于在第一步骤中使用的添加制造方法中，特别地包括通过激光或电子束的选择性融化以及通过等离子体或电子束沉积。这些方法的每个都适用于被附接到薄板17、18表面的金属增强件15、16的添加制造。增强件的材料也可从上述金属材料中选择，特别地其可与其上附接有相应的增强件15、16的薄板17、18的材料相同。
在第二步骤中，如图5B所示，薄板17和18受到初始塑性变形。在加热每个薄板到温度Tm后，可特别地在通过冲压加热的同时实施该初始塑性变形，该温度Tm，例如对于铝和铝基合金可位于400℃到600℃的范围，对于钛和钛基合金位于800℃到1000℃的范围，对于镍铬基合金位于850℃到1050℃的范围内。
在第三步骤中，如图5C所示，纤维纵向插入件14被放置在凹部19中，该凹部19形成在增强件15、16之一中。此后，在第四步骤中，如图5D所示，薄板17和18与增强件15、16以及插入件14一起在芯体20周围闭合。因此，在其初始塑性变形中形成的薄板17和18的凹面壁形成接收芯体20的空腔，而压力侧薄板17的外围21在芯体20周围与增强件15、16和插入件14一起接触吸力侧薄板18的外围22。芯体20可特别地由与薄板17和18以及增强件15、16相比基本更耐熔的材料制成，并且特别地由镍或镍合金制成。为了避免薄板17、18和增强件15、16粘附到芯体20，芯体可事先进行表面处理，例如在温度To为900℃进行氧化，例如持续时间to至少为两小时。
在未示出的变型中，在增强件的连接平面中，多个凹部可设置有被放置在其中的相应数量的纤维插入件。
在第五步骤中，如图5E所示，薄板17和18的外围21和22一起被焊接在芯体20周围，因此气密地密封空腔，在该空腔中接收有芯体20。可特别地通过电子束在真空下实施该焊接，尽管也可根据所涉及的材料和形状设想其它焊接方法。
在第六步骤中，如图5F所示，薄板17、18和增强件15、16在芯体20的外表面上受到热等静压(HIP)，从而特别地施加后续塑性变形到薄板17和18，并且也强化了由薄板17和18和增强件15、16形成的组件。此外，热等静压用于增加增强件15、16的密度，从而改进其力学性能。可在例如约100兆帕(MPa)的压力ph下，以及例如在对于钛合金温度Th为850℃到950℃范围内下实施热等静压。
在该第六步骤后，可以实施第七步骤，如图5G所示，其中加工薄板17和18以能够抽取芯体20并从而精加工护罩10，特别地通过从薄板17和18消除外围21和22进行。如图5H所示，在抽取芯体20后，这在其最终形状中产生了护罩10。然而，尽管芯体20的加工和抽取在本示例中示出为连续的步骤，也可以设想在已经抽取芯体20后实施一些加工，特别地用于精加工护罩10。在可以设想的加工方法中，可以特别地提及铣削。
尽管参照一种特定实施方式描述了本发明，很明显的是，可对这些实施方式进行各种修改和变化，而不超出由权利要求所限定的本发明的通用范围。特别地，可以设想使用除冲压和热等静压之外的塑性变形的方法。此外，特别的，如果在它们已在芯体周围闭合后，一种除热等静压之外的方法用于这些薄板的后续塑性变形，可以设想省略将芯体周围薄板的外围焊接在一起的步骤。
此外，尽管在所示出的这两个方法中，每个薄板接收相应的增强件并受到初始塑性变形，也可以设想使用仅被添加到薄板中一个的单个增强件，和/或仅使薄板中一个受到初始塑性变形。例如，这两个薄板可受到初始塑性变形而仅其中之一接收增强件。替代地，护罩的压力或吸力侧之一可由初始塑性变形形成并添加一个增强件，而另一个由诸如加工的常规方法形成。因此，增强件可通过添加制造被添加到一个薄板，而在被施加到其它薄板之前实施另一个增强件。因此，应以说明性而非限制性的意义上考虑说明书和附图。

Claims (11)

1.一种制造前缘护罩的制造方法，所述方法包括以下步骤：
对压力侧薄板(17)和吸力侧薄板(18)中在至少一个薄板实施初始塑性变形；
在压力和/或吸力侧薄板(17、18)的初始塑性变形之前通过增材制造添加增强件(15、16)，所述增强件(15、16)直接形成在所述压力和吸力侧薄板(17、18)的至少一个的内表面上；
在所述初始塑性变形后以及在添加增强件(15、16)后，将所述压力和吸力侧薄板(17、18)在芯体(20)周围闭合，所述内表面朝向芯体(20)；
在所述压力和吸力侧薄板(17、18)已在芯体(20)周围闭合后，通过将所述压力和吸力侧薄板(17、18)挤压在芯体(20)的外表面上，实施后续塑性变形；以及
抽取该芯体(20)。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其中，通过冲压实施压力和/或吸力侧薄板(17、18)的初始塑性变形。
3.根据权利要求1所述的制造方法，其中，将所述压力和吸力侧薄板(17、18)在芯体周围闭合包括在芯体(20)周围将所述压力和吸力侧薄板(17、18)的外围焊接在一起的步骤。
4.根据权利要求3所述的制造方法，其中，通过电子束焊接实施所述外围焊接。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其中，通过热等静压实施所述后续塑性变形。
6.根据权利要求1所述的制造方法，包括在所述后续塑性变形后，加工该压力和吸力侧薄板(17、18)的至少一个步骤。
7.根据权利要求1所述的制造方法，其中，在将所述吸力和压力侧薄板(17、18)在芯体(20)周围闭合之前，陶瓷基体复合材料的插入件(14)被放置在所述增强件的凹部(19)中。
8.根据权利要求1所述的制造方法，其中，压力侧薄板(17)、吸力侧薄板(18)和增强件(15、16)中的至少一个由钛或者钛基合金制成。
9.一种前缘护罩，其通过根据权利要求1-8中任意一项所述的制造方法制造。
10.一种叶片(4)，包括由复合材料制成的主体(9)以及根据权利要求9所述的前缘护罩。
11.一种涡扇发动机(1)，包括一种具有多个根据权利要求10所述的叶片(4)的风机(3)。
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