CN108868895A - 一种高强度钛合金航空发动机叶片 - Google Patents

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刘达
王河平
宗国翼
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Abstract

本发明公开了一种高强度钛合金航空发动机叶片，包括叶片主体、密封机构及叶根，密封机构设置于叶片主体的顶端，叶根设置于叶片主体的底端，其中：叶片主体上设有水平设置的加强块，加强块内设有多个竖直排列的加强筋；密封机构从下至上依次包括硬质橡胶层、弹簧层、纤维布层、无纺布层和刷层，硬质橡胶层与叶片主体的叶尖连接；叶根连接叶片主体底端的一侧设有圆柱形凸台，叶片主体底端设有与圆柱形凸台相适配的凹槽；本发明该叶片具有良好的稳定性，强度，耐高温、表面完成性好，延长其使用寿命。

Description

一种高强度钛合金航空发动机叶片
技术领域
本发明涉及一种发动机叶片，具体涉及一种高强度钛合金航空发动机叶片。
背景技术
发动机的种类有很多，如涡轮喷气发动机、涡轮螺桨发动机、涡轮风扇发动机等，其中，燃气涡轮发动机主要有压气机、燃烧和涡轮三大部分以及燃油系统、滑油系统。空气系统、电器系统、边排气边系统及轴承传力系统等组成，三大部件中除燃烧外的压力机遇woldoushi由转子和静子构成，静子由内、外机匣和导向叶片构成，转子由叶片盘、轴及轴承构成，其中叶片数量最多，叶片是航空发动机中热负荷及机械负荷最大的部件，其工作环境恶劣，承受燃烧后高温高压燃气冲击，其制造技术被列为现代航空发动机的关键技术，现有的航空发动机叶片性能较差且使用寿命短，强度不够，使航空的成本不断增加，研发一种克服上述缺陷的发动机叶片成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种高强度钛合金航空发动机叶片，该叶片具有良好的稳定性，强度，耐高温、表面完成性好，延长其使用寿命。
为了解决以上技术问题，本发明提供一种高强度钛合金航空发动机叶片，包括叶片主体、密封机构及叶根，密封机构设置于叶片主体的顶端，叶根设置于叶片主体的底端，其中：
叶片主体上设有水平设置的加强块，加强块内设有多个竖直排列的加强筋；
密封机构从下至上依次包括硬质橡胶层、弹簧层、纤维布层、无纺布层和刷层，硬质橡胶层与叶片主体的叶尖连接；
叶根连接叶片主体底端的一侧设有圆柱形凸台，叶片主体底端设有与圆柱形凸台相适配的凹槽。
本发明进一步限定的技术方案是：
进一步的，前述高强度钛合金航空发动机叶片中，叶片主体为S形结构。
技术效果，S形及散热槽的设置保证叶片的灵活运转的同时加快叶片的热量流失速度，提高发动机的工作质量。
前述高强度钛合金航空发动机叶片中，硬质橡胶层为硬质橡胶块，硬质橡胶块的外表面对称设置有两条导流槽，导流槽向硬质橡胶块边缘处延伸形成导流口，两条导流槽之间通过横向平行设置的第二导流槽连通。
技术效果，硬质橡胶层用于与叶片的固定连接，弹簧层用于缓冲涡轮外环沿径向产生的位移，纤维布层用于吸收一定量的液态燃料，利用液态燃料的张力使得液态燃料在纤维布层的空隙里形成薄膜从而达到密封的效果，无纺布层也能吸收一定液态染料，且强度高，增加密封机构的强度，同时防火性好，刷层用于减少液态燃料在叶片上的附着从而减小叶轮转动消耗的能量；在硬质橡胶块上设置导流槽、第二导流槽，可以将进入硬质橡胶块内的液态燃料或是气化后的燃料蒸汽导出，避免液态燃料或是气化后的燃料蒸汽在硬质橡胶内堆积从而造成对硬质橡胶的腐蚀，从而缩短了密封机构的寿命。
前述高强度钛合金航空发动机叶片中，纤维布层为棉麻纤维布叠合而成，刷层为若干与无纺布层连接的钢丝刷，每个钢丝刷由若干钢丝条相互缠绕形成。
前述高强度钛合金航空发动机叶片中，叶片主体及叶根分别为钛合金材料制作而成。
前述高强度钛合金航空发动机叶片中，该叶片的生产工艺具体如下：
（1）将叶片主体及叶根的原料在钢厂经过冶炼、热轧和冷却制成各自的坯料，用砂轮切割机对坯料进行切割，切割后在曲轴压力机上挤杆、锻头成形，得到叶片主体及叶根各自的成形坯料；
（2）采用精密无余量铸造，锻造时先对锻模进行预热至182-184℃并采用模具润滑剂对锻模进行润滑，采用预热并润滑后的锻模对步骤（1）中的成形坯料进行锻造，预锻温度为400-550℃，终锻温度为811-813℃，得到叶片主体及叶根各自半成品；
（3）对步骤（2）中锻造后的得到的半成品进行热处理，热处理温度控制在400-650℃，并对热处理后的半成品进行机械加工；
（4）对经机械加工后的半成品进行稳定化处理加热到650-700℃，保温15-18分钟，随后冷至室温；
（5）对冷却后的半成品采用磨粒流机床进行磨粒流加工，将叶片主体及叶根各自半成品固定在两个磨粒虹容器之间的通道中，通过虹内活塞队挤压磨料来回流动，工作压力为6mpa；
（6）经步骤（5）处理后的半成品采用水基清洗剂进行除油，并以水膜连续实验方噶检验表面除油效果，然后将其吹干；
（7）将半成品浸泡在溶液中5-7min，溶液为双氧水和盐酸的混合液，按体积比双氧水：盐酸=2:1；浸泡后用流动水冲洗干净，并吹干；
（8）对步骤（7）浸泡后的半成品的表面进行气体氮化处理，将汽半成品放置于气体氮化炉中并向炉中通入NH3，将炉升温至325-327℃，保持20-22小时得到最终的叶片主体及叶根；
（9）将得到的叶片主体及叶根成品经后续理化检验及超声波探伤最后经清洁包装入库。
技术效果，磨粒在压力作用下均匀地半成品进行磨削，不但能够去除余量还能起到去毛刺、倒角、光饰的作用。
前述高强度钛合金航空发动机叶片中，步骤（4）中冷至室温采用采用水冷与空冷结合，先采用水冷以5℃/s的半成品水冷至350-400℃，然后空冷至200-250℃，再采用水冷以3℃/s的冷却速率冷至100-120℃，最后空冷至室温。
本发明的有益效果是：
由于叶片工作区为湿蒸汽区,且含有大量水滴，在很高的轮周速度及离心力下冲蚀叶片,使叶片顶部进气边产生点蚀而失效，叶片抗水蚀能力的高低直接影响到发动机工作效率及安全运行；本发明通过稳定化处理工序配合冷却工序，可使叶片表面产生3-5 mm厚回火马氏体组织，有效提高的其抗水蚀能力；另通过水冷与空冷结合的方法，先以较快的冷却速度水冷，然后进行空冷，最后再通过较慢的水冷冷却至室温，不仅可提高叶片的抗水蚀能力，而且可以使组织更为均匀稳定，极少出现气孔及沙眼，保证了叶片的抗腐蚀性能，起到了意想不到的技术效果。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为图1中密封机构的结构示意图；
图3为图2中硬质橡胶层的示意图；
图中：1-叶片主体，2-密封机构，21-硬质橡胶层，22-弹簧层，23-纤维布层，24-无纺布层，25-刷层，26-导流槽，27-导流口，28-第二导流槽，3-叶根，4-加强块，5-圆柱形凸台。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供一种高强度钛合金航空发动机叶片，结构如图1-3所示，包括叶片主体1、密封机构2及叶根3，密封机构2设置于叶片主体1的顶端，叶根3设置于叶片主体1的底端，叶片主体1为S形结构，其中：
叶片主体1上设有水平设置的加强块4，加强块4内设有多个竖直排列的加强筋；
密封机构2从下至上依次包括硬质橡胶层21、弹簧层22、纤维布层23、无纺布层24和刷层25，硬质橡胶层21与叶片主体1的叶尖连接；
硬质橡胶层21为硬质橡胶块，硬质橡胶块的外表面对称设置有两条导流槽26，导流槽26向硬质橡胶块边缘处延伸形成导流口27，两条导流槽26之间通过横向平行设置的第二导流槽28连通；
叶根3连接叶片主体1底端的一侧设有圆柱形凸台5，叶片主体1底端设有与圆柱形凸台5相适配的凹槽。
在本实施例中，纤维布层23为棉麻纤维布叠合而成，刷层25为若干与无纺布层24连接的钢丝刷，每个钢丝刷由若干钢丝条相互缠绕形成；叶片主体1及叶根3分别为钛合金材料制作而成。
实施例2
本实施例提供实施例1中高强度钛合金航空发动机叶片的生产工艺具体如下：
（1）将叶片主体及叶根的原料在钢厂经过冶炼、热轧和冷却制成各自的坯料，用砂轮切割机对坯料进行切割，切割后在曲轴压力机上挤杆、锻头成形，得到叶片主体及叶根各自的成形坯料；
（2）采用精密无余量铸造，锻造时先对锻模进行预热至182℃并采用模具润滑剂对锻模进行润滑，采用预热并润滑后的锻模对步骤（1）中的成形坯料进行锻造，预锻温度为400℃，终锻温度为811℃，得到叶片主体及叶根各自半成品；
（3）对步骤（2）中锻造后的得到的半成品进行热处理，热处理温度控制在400℃，并对热处理后的半成品进行机械加工；
（4）对经机械加工后的半成品进行稳定化处理加热到650℃，保温15分钟，随后冷至室温；
冷至室温采用采用水冷与空冷结合，先采用水冷以5℃/s的半成品水冷至350℃，然后空冷至200℃，再采用水冷以3℃/s的冷却速率冷至100℃，最后空冷至室温；
（5）对冷却后的半成品采用磨粒流机床进行磨粒流加工，将叶片主体及叶根各自半成品固定在两个磨粒虹容器之间的通道中，通过虹内活塞队挤压磨料来回流动，工作压力为6mpa；
（6）经步骤（5）处理后的半成品采用水基清洗剂进行除油，并以水膜连续实验方噶检验表面除油效果，然后将其吹干；
（7）将半成品浸泡在溶液中5min，溶液为双氧水和盐酸的混合液，按体积比双氧水：盐酸=2:1；浸泡后用流动水冲洗干净，并吹干；
（8）对步骤（7）浸泡后的半成品的表面进行气体氮化处理，将汽半成品放置于气体氮化炉中并向炉中通入NH3，将炉升温至325℃，保持20小时得到最终的叶片主体及叶根；
（9）将得到的叶片主体及叶根成品经后续理化检验及超声波探伤最后经清洁包装入库。
实施例3
本实施例提供实施例1中高强度钛合金航空发动机叶片的生产工艺具体如下：
（1）将叶片主体及叶根的原料在钢厂经过冶炼、热轧和冷却制成各自的坯料，用砂轮切割机对坯料进行切割，切割后在曲轴压力机上挤杆、锻头成形，得到叶片主体及叶根各自的成形坯料；
（2）采用精密无余量铸造，锻造时先对锻模进行预热至184℃并采用模具润滑剂对锻模进行润滑，采用预热并润滑后的锻模对步骤（1）中的成形坯料进行锻造，预锻温度为550℃，终锻温度为813℃，得到叶片主体及叶根各自半成品；
（3）对步骤（2）中锻造后的得到的半成品进行热处理，热处理温度控制在650℃，并对热处理后的半成品进行机械加工；
（4）对经机械加工后的半成品进行稳定化处理加热到700℃，保温18分钟，随后冷至室温；
冷至室温采用采用水冷与空冷结合，先采用水冷以5℃/s的半成品水冷至400℃，然后空冷至250℃，再采用水冷以3℃/s的冷却速率冷至120℃，最后空冷至室温；
（5）对冷却后的半成品采用磨粒流机床进行磨粒流加工，将叶片主体及叶根各自半成品固定在两个磨粒虹容器之间的通道中，通过虹内活塞队挤压磨料来回流动，工作压力为6mpa；
（6）经步骤（5）处理后的半成品采用水基清洗剂进行除油，并以水膜连续实验方噶检验表面除油效果，然后将其吹干；
（7）将半成品浸泡在溶液中7min，溶液为双氧水和盐酸的混合液，按体积比双氧水：盐酸=2:1；浸泡后用流动水冲洗干净，并吹干；
（8）对步骤（7）浸泡后的半成品的表面进行气体氮化处理，将汽半成品放置于气体氮化炉中并向炉中通入NH3，将炉升温至327℃，保持22小时得到最终的叶片主体及叶根；
（9）将得到的叶片主体及叶根成品经后续理化检验及超声波探伤最后经清洁包装入库。
实施例4
本实施例提供实施例1中高强度钛合金航空发动机叶片的生产工艺具体如下：
（1）将叶片主体及叶根的原料在钢厂经过冶炼、热轧和冷却制成各自的坯料，用砂轮切割机对坯料进行切割，切割后在曲轴压力机上挤杆、锻头成形，得到叶片主体及叶根各自的成形坯料；
（2）采用精密无余量铸造，锻造时先对锻模进行预热至183℃并采用模具润滑剂对锻模进行润滑，采用预热并润滑后的锻模对步骤（1）中的成形坯料进行锻造，预锻温度为500℃，终锻温度为812℃，得到叶片主体及叶根各自半成品；
（3）对步骤（2）中锻造后的得到的半成品进行热处理，热处理温度控制在500℃，并对热处理后的半成品进行机械加工；
（4）对经机械加工后的半成品进行稳定化处理加热到680℃，保温17分钟，随后冷至室温；
冷至室温采用采用水冷与空冷结合，先采用水冷以5℃/s的半成品水冷至380℃，然后空冷至220℃，再采用水冷以3℃/s的冷却速率冷至110℃，最后空冷至室温；
（5）对冷却后的半成品采用磨粒流机床进行磨粒流加工，将叶片主体及叶根各自半成品固定在两个磨粒虹容器之间的通道中，通过虹内活塞队挤压磨料来回流动，工作压力为6mpa；
（6）经步骤（5）处理后的半成品采用水基清洗剂进行除油，并以水膜连续实验方噶检验表面除油效果，然后将其吹干；
（7）将半成品浸泡在溶液中6min，溶液为双氧水和盐酸的混合液，按体积比双氧水：盐酸=2:1；浸泡后用流动水冲洗干净，并吹干；
（8）对步骤（7）浸泡后的半成品的表面进行气体氮化处理，将汽半成品放置于气体氮化炉中并向炉中通入NH3，将炉升温至326℃，保持21小时得到最终的叶片主体及叶根；
（9）将得到的叶片主体及叶根成品经后续理化检验及超声波探伤最后经清洁包装入库。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种高强度钛合金航空发动机叶片，其特征在于：包括叶片主体（1）、密封机构（2）及叶根（3），所述密封机构（2）设置于所述叶片主体（1）的顶端，所述叶根（3）设置于所述叶片主体（1）的底端，其中：
所述叶片主体（1）上设有水平设置的加强块（4），所述加强块（4）内设有多个竖直排列的加强筋；
所述密封机构（2）从下至上依次包括硬质橡胶层（21）、弹簧层（22）、纤维布层（23）、无纺布层（24）和刷层（25），所述硬质橡胶层（21）与所述叶片主体（1）的叶尖连接；
所述叶根（3）连接叶片主体（1）底端的一侧设有圆柱形凸台（5），所述叶片主体（1）底端设有与所述圆柱形凸台（5）相适配的凹槽。
2.根据权利要求1所述的高强度钛合金航空发动机叶片，其特征在于：所述叶片主体（1）为S形结构。
3.根据权利要求1所述的高强度钛合金航空发动机叶片，其特征在于：所述硬质橡胶层（21）为硬质橡胶块，硬质橡胶块的外表面对称设置有两条导流槽（26），导流槽（26）向所述硬质橡胶块边缘处延伸形成导流口（27），两条导流槽（26）之间通过横向平行设置的第二导流槽（28）连通。
4.根据权利要求1所述的高强度钛合金航空发动机叶片，其特征在于：所述的纤维布层（23）为棉麻纤维布叠合而成，所述刷层（25）为若干与无纺布层（24）连接的钢丝刷，每个钢丝刷由若干钢丝条相互缠绕形成。
5.根据权利要求1所述的高强度钛合金航空发动机叶片，其特征在于：所述叶片主体（1）及叶根（3）分别为钛合金材料制作而成。
6.根据权利要求1所述的高强度钛合金航空发动机叶片，其特征在于：该叶片的生产工艺具体如下：
（1）将叶片主体及叶根的原料在钢厂经过冶炼、热轧和冷却制成各自的坯料，用砂轮切割机对坯料进行切割，切割后在曲轴压力机上挤杆、锻头成形，得到叶片主体及叶根各自的成形坯料；
（2）采用精密无余量铸造，锻造时先对锻模进行预热至182-184℃并采用模具润滑剂对锻模进行润滑，采用预热并润滑后的锻模对步骤（1）中的成形坯料进行锻造，预锻温度为400-550℃，终锻温度为811-813℃，得到叶片主体及叶根各自半成品；
（3）对步骤（2）中锻造后的得到的半成品进行热处理，热处理温度控制在400-650℃，并对热处理后的半成品进行机械加工；
（4）对经机械加工后的半成品进行稳定化处理加热到650-700℃，保温15-18分钟，随后冷至室温；
（5）对冷却后的半成品采用磨粒流机床进行磨粒流加工，将叶片主体及叶根各自半成品固定在两个磨粒虹容器之间的通道中，通过虹内活塞队挤压磨料来回流动，工作压力为6mpa；
（6）经步骤（5）处理后的半成品采用水基清洗剂进行除油，并以水膜连续实验方噶检验表面除油效果，然后将其吹干；
（7）将半成品浸泡在溶液中5-7min，所述的溶液为双氧水和盐酸的混合液，按体积比双氧水：盐酸=2:1；浸泡后用流动水冲洗干净，并吹干；
（8）对步骤（7）浸泡后的半成品的表面进行气体氮化处理，将汽半成品放置于气体氮化炉中并向炉中通入NH3，将炉升温至325-327℃，保持20-22小时得到最终的叶片主体及叶根；
（9）将得到的叶片主体及叶根成品经后续理化检验及超声波探伤最后经清洁包装入库。
7.根据权利要求1所述的高强度钛合金航空发动机叶片，其特征在于：步骤（4）中冷至室温采用采用水冷与空冷结合，先采用水冷以5℃/s的半成品水冷至350-400℃，然后空冷至200-250℃，再采用水冷以3℃/s的冷却速率冷至100-120℃，最后空冷至室温。
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