CN110769953A - 利用增材制造技术制作飞行器涡轮机叶片的方法 - Google Patents

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Abstract

使用增材制造技术制作至少一个飞行器涡轮机叶片的方法，该方法包括：使用选择性激光熔化技术对粉末床进行所述叶片的增材制造的步骤，该制造在支撑板(180)上执行，使得首先直接在所述支撑板上制造第一周向边缘或第二周向边缘，至少一个临时支撑构件(26)在所述叶片或每个叶片的水平处与所述第一边缘或所述第二边缘同时生产，并且在叶片的前缘或后缘与支撑板之间延伸；以及通过切断所述支撑构件与相关前缘或后缘的连接来移除所述支撑构件的步骤，其特征在于，该移除是通过工具(30)来执行的，该工具的至少一个端部接合在所述支撑构件的至少一个凹部(28)中，并且该工具以在基本上垂直于相关前缘或后缘的平面中枢转的方式而移动。

Description

利用增材制造技术制作飞行器涡轮机叶片的方法
技术领域
本发明涉及用于通过增材制造技术制作飞行器涡轮机叶片的方法，该飞行器涡轮机叶片可以是飞行器涡轮机分配器或整流器扇形部的一部分。
背景技术
现有技术包括文献FR-A1-2 991 613、FR-A1-3 030 323、WO-A1-2012/001324、US-A1-2004/031780以及FR-A1-3 002 167。
涡轮机分配器扇形部包括分别为上壁和下壁的两个周向壁，叶片在这两个周向壁之间延伸，每个叶片包括在壁之间延伸的前缘和后缘。叶片的前缘位于壁的第一周向边缘的一侧，并且可相对于这些周向边缘至少部分地缩回。类似地，叶片的后缘位于壁的第二周向边缘的一侧上，并且可相对于这些周向边缘至少部分地缩回。
如果这种分配器扇形部是通过增材制造技术、通过粉末床的激光熔合来生产的，则该分配器将在支撑板上被生产，使得首先直接在支撑板上生产第一周向边缘或第二周向边缘。在这种情况下，由于上述缩回，在每个叶片的前缘或后缘的全部或部分与支撑板之间将存在间隙。为了避免这种间隙(该间隙可能导致材料在制造期间下沉)，可以使用临时叶片支撑构件。这些构件将在叶片的水平处与第一边缘或第二边缘同时生产，并且将在叶片的前缘或后缘与支撑板之间延伸。
然而，这些支撑构件应当在制造后被去除。这就提出了用最简单的可能的技术去除这些支撑构件而没有损坏叶片和分配器扇形部的任何风险的问题。可存在如下解决方案：使用夹持器来抓紧每个支撑构件，通过来回移动使每个支撑构件与相应的叶片分离，然后用夹持器将每个支撑构件移除。然而，操作者的手动作并不精确，并且由于构件的几何形状和构件的低刚度，因此构件可能在夹持器施加的力的作用下变形，从而使构件更加难以移除。
本发明针对这些问题中的至少一些问题提供了一种简单、有效和经济的解决方案。
发明内容
本发明提出利用增材制造技术来制作飞行器涡轮机的至少一个叶片(即，任何空气动力学轮廓元件)的方法，该叶片包括分别为上壁和下壁的两个周向壁，至少一个叶片在这两个周向壁之间延伸，每个叶片包括前缘和后缘，该前缘和后缘在所述壁之间延伸并且分别相对于所述壁的第一周向边缘和第二周向边缘至少部分地缩回，该方法包括：
-通过对所述叶片的粉末床进行激光熔合实现的增材制造步骤，该制造在支撑板上进行，使得首先直接在所述支撑板上制造所述第一周向边缘或所述第二周向边缘，至少一个临时支撑构件在所述叶片或每个叶片的水平处与所述第一边缘或所述第二边缘同时生产，并且在叶片的所述前缘或所述后缘与所述支撑板之间延伸，和
-通过断开所述支撑构件或每个支撑构件与相关前缘或后缘的连接来移除所述支撑构件或每个支撑构件的步骤，
其特征在于，该移除是通过工具来进行的，该工具的至少一个端部接合在所述支撑构件或每个支撑构件的至少一个凹部中，并且该工具通过在基本上垂直于相关前缘或后缘的平面中枢转而移动。
本发明可适用于单个叶片(即单独的叶片)或适用于形成被称为扇形部的整体式组件的一系列叶片。该扇形部可以是整流器扇形部(用于压缩机)或分配器扇形部(用于涡轮)。
本发明使得能够解决上述问题。本发明既允许使支撑构件变硬，又允许使支撑构件的移除操作变得更容易、更快并且对操作者的约束也更少。其中一个问题是缺乏刚性，因为在夹持器的作用下构件的壁可能会支撑不住。凹部的存在和构型允许简化构件的形状，从而使构件变硬。
根据本发明的过程可包括以下特征或步骤中的一个或多个，这些特征或步骤彼此独立或组合地使用：
-所述工具是螺丝刀，优选地是具有平坦端部或平坦头部的螺丝刀，
-每个构件包括一至三个凹部或更多的凹部。凹部的数量例如取决于支撑构件与叶片之间的接触表面，
-每个构件可包括一主凹部和被布置在该主凹部的两个相对侧上的两个次级凹部，
-所述主凹部由比界定次级凹部的壁更厚的壁界定；这使得在施加移除力时，该构件具有足够的强度，
-该方法适用于属于同一分配器扇形部或整流器扇形部的一系列叶片。
本发明还涉及通过上述方法生产的飞行器涡轮机叶片，所述叶片包括分别为上壁和下壁的两个周向壁，至少一个叶片在这两个周向壁之间延伸，每个叶片包括前缘和后缘，前缘和后缘在所述壁之间延伸并且分别相对于所述壁的第一周向边缘和第二周向边缘至少部分地缩回，至少一个临时支撑构件位于所述叶片或每个叶片的前缘或后缘的水平处，并且在穿过所述第一边缘或所述第二边缘的平面与所述叶片或每个叶片的所述前缘或所述后缘之间延伸，其特征在于，所述支撑构件或每个支撑构件包括至少一个凹部，该至少一个凹部被构造成接纳工具的至少一个端部，以枢转地移除所述构件。
根据本发明的叶片可包括彼此独立采用或彼此组合采用的以下特征或步骤中的一个或多个：
-每个构件包括一至三个凹部或更多的凹部，
-该凹部或每个凹部由横向加强壁界定，
-每个构件的厚度在位于下壁一侧的一个端部与位于上壁一侧的相对端部之间变化，
-每个构件包括至少一个减重腔；这种类型的腔还可以减少增材制造期间的熔化时间和粉末消耗，
-每个减重腔由构件的包括减重凹口的侧壁界定，
-所述减重凹口各自具有大致V形的形状；这种构型可允许在增材制造操作结束时的去粉末操作期间便于从腔中移除粉末；这种构型还可允许减少熔化时间和粉末消耗。
附图说明
当阅读以下通过非限制性示例并参考附图进行的描述时，将更好地理解本发明，并且本发明的其他细节、特征和优点将更加清楚地显现，在附图中：
-图1是用于压缩机整流器扇形部的增材制造的设备的非常示意性视图，
-图2是通过增材制造生产的整流器扇形部的示意性透视图，该整流器适于本发明，
-图3是图2的整流器扇形部的一部分的放大图，
-图4a至图4d是整流器扇形部的透视示意图，并且示出了移除整流器支撑构件的手动步骤，以及
-图5是对应于图3并表示本发明实施例的变型的视图。
具体实施方式
图1示出了用于通过增材制造、特别是通过利用诸如激光束的高能束对粉末床进行选择性熔合来制作整流器扇形部的装置。
该机器包括：供料盘170，该供料盘包含材料(诸如金属合金)的粉末；滚筒130，以将该粉末从该盘170转移并将该粉末的第一层110铺展在结构支撑盘180上。
该机器还包括回收盘140，以在将粉末层铺展在支撑板180上之后回收所使用的粉末(尤其是未熔化或未烧结的粉末)和多余的粉末(主要地)。因此，回收盘中的大部分粉末是新粉末。此外，该回收盘140通常被专业人员称为溢流盘或灰盘。
该机器还包括能量束195(例如激光)的发生器190和控制系统150，该控制系统能够将该束195定向在支撑板180的任何区域上，以扫描粉末层的任何区域。能量束(激光)的成形和能量束在焦平面上的直径的变化分别通过束扩张器152和聚焦系统154来完成，整体构成光学系统。
将类似于直接金属沉积(Direct Metal Deposition，DMD)方法的方法应用于粉末的该机器可以使用任何高能束来代替激光束195，只要该束的能量足以进行熔化(在第一种情况下)或者在粉末颗粒与材料的其上搁置有颗粒的部分之间形成套环或桥接件(在另一种情况下)。
滚筒130可以由另一种合适的分配系统代替，该分配系统例如是与刮板、刀或刷子相关的分配器(或料斗)，该分配系统能够将粉末以层的方式转移和铺展。
控制系统150包括例如至少一个可转向镜155，激光束195在到达粉末层之前在该至少一个可转向镜上被反射，该粉末层的表面的每个点相对于包含在聚焦系统154中的聚焦透镜总是位于同一高度，该镜155的角位置由检流计头控制，使得激光束至少扫描第一粉末层的一区域，从而跟随预先建立的部件轮廓。
该机器按如下方式工作。材料的第一粉末层110在滚筒130的帮助下施加到支撑板180，该粉末在滚筒130向前移动期间从供料盘170转移出来，然后该粉末在滚筒130的一次(或多次)返回移动期间被刮擦，并且可能被轻微压紧。多余的粉末被回收在回收盘140中。用激光束195扫描该第一粉末层110的一区域以使该区域的温度大于该粉末的熔化温度(液相线温度)。根据在用于待制造部件的计算机辅助设计和制造的计算机工具的数据库中包含的信息来控制检流计头。因此，第一层110的该区域的粉末颗粒160被熔化并与支撑板180一体地形成呈一个部件的第一束带层115。在该阶段，也可以用激光束扫描独立于该第一层的多个区域，以在熔化并固化材料之后形成彼此分离的多个第一束带层115。将支撑板180降低一与第一层的已限定的厚度(介于20μm至100μm之间并且通常介于30μm至50μm之间)对应的高度。虽然支撑板180的预编程的位移是除间隙之外不能改变的值，但是由于待熔化或固结的粉末层的厚度高度地取决于粉末床的孔隙率和粉末床的平面度，因此待熔化或固结的粉末层的厚度从一层到另一层保持为可变值。然后，第二粉末层120被施加到第一层110和该第一束带层115，接着，第二层120的部分或全部地位于该第一束带层115上方的区域通过暴露于激光束195而被加热，使得第二层120的该区域的粉末颗粒与第一束带层115的至少一部分一起熔化并形成呈一个部件的或固结的第二束带层125，所有这两个束带层115和125形成呈一个部件的块体。为此目的，当该第二束带层125的一部分结合到第一构件115时，第二束带层125已经有利地被完全结合。应当理解的是，根据待构造的部件的轮廓，特别是在底切表面的情况下，第一层110的上述区域可以不位于、甚至部分地位于第二层120的上述区域下方，使得在这种情况下，第一束带层115和第二束带层125不会形成呈一个部件的块体。然后，通过在已经形成的组件上添加附加的粉末层来继续进行该逐层构建部件的过程。用束195进行扫描允许通过按照待生产的部件的几何形状(例如上述网格状结构)赋予每个层一形状来构造每个层。随着部件的上层的构建，部件的下层被更快地或不那么快地冷却。
为了减少在如上所述的部件的逐层制造期间例如溶解氧、氧化物或其他污染物对部件的污染，该制造必须在具有受控湿度并适于该方法/材料组合的封闭空间中进行，该封闭空间填充有针对所考虑的材料的中性气体(不反应气体)，例如氮气(N2)、氩气(Ar)或氦气(He)，其中添加或不添加少量的以其还原能力见长的氢气(H2)。也可以考虑这些气体中的至少两种气体的混合物。为了防止污染，特别是防止由周围环境中的氧气造成的污染，通常使该封闭空间处于超压下。
因此，选择性熔合或选择性激光烧结允许构建具有良好尺寸精度的轻微污染的部件，该部件的三维几何形状可以是复杂的。
选择性熔合或选择性激光烧结还优选地使用具有球形形态的、清洁的(即未被来自合成物的残余成分污染)并且非常精细(每个颗粒的尺寸介于1μm至100μm之间，优选地介于45μm至90μm之间)的粉末，这允许获得成品部件的优良的表面光洁度。
与大规模铸造、注塑或机械加工的部件相比，选择性熔化或选择性激光烧结还减少了制造所需时间、成本和固定成本。
本发明使用通过粉末床的激光熔合来进行的增材制造，以生产涡轮机整流器扇形部10。图2示出了本发明的实施例。该整流器扇形部10包括分别为上壁12和下壁14的两个周向壁，叶片16在两个周向壁之间延伸，每个叶片具有前缘18和后缘20，前缘18和后缘20在壁12、14之间延伸并且分别相对于这些壁的第一周向边缘22和第二周向边缘24至少部分地缩回。临时支撑构件26位于叶片16的前缘18或后缘20的水平处，并且在穿过第一边缘22或第二边缘24的平面与叶片的前缘18或后缘20之间延伸。如图所示，支撑构件26中的每个支撑构件包括至少一个凹部28，该凹部被构造成接纳工具30的至少一个端部(诸如平头螺丝刀的自由端部)，以枢转地移除该构件26。
在图2至图4d的实施例的示例中，构件26包括一个凹部28，但是构件26可包括多个凹部，例如在图5的实施例变型中包括三个凹部。
每个构件26的形状是细长的，并且每个构件26在壁12、14之间纵向地延伸。在所示的示例中，每个构件26的位于上壁12侧的横向厚度大于每个构件26的位于下壁14侧的下端部的横向厚度。
每个构件26包括细长的底壁26a，该底壁在基本上平行于边缘22、24的平面中延伸，并且连接到基本上垂直于底壁26a的周缘壁26b、26c、26d。上壁26b位于上壁12侧，下壁26d位于下壁14侧，并且侧壁26c在壁12与壁14之间彼此间隔地延伸。
凹部28基本位于构件26的中间，并且一方面由侧壁26c界定，另一方面由两个横向加强壁26e界定。每个凹部28沿着构件的伸长轴线具有细长形状，并且被成形为接纳工具30的尖端。在凹部28与壁26b、26d之间，构件在壁26c之间包括减重腔32。壁26c在这些腔32的水平处包括减重凹口34。这些凹口在此具有大致V形的形状。
与这些壁的其余部分相比，壁26c的界定凹部28的部分过厚。另外，这些壁部分26c包括横向凹口33，该横向凹口被构造成便于去粉，即，在增材制造操作结束时去除位于凹部28中的粉末。壁26e也过厚，特别是与壁26c的上述其余部分相比。
如果在增材制造期间首先形成第一边缘22，例如下游边缘(参考涡轮机中的气体流动)，则应当理解的是，整流器的下游面将是下部面，该下部面将与图1中的支撑板180接触。叶片的后缘将朝向支撑板180定向。
在这种情况下，支撑构件26通过增材制造技术与边缘22同时制成，并确保对叶片16的支撑以避免叶片倒塌。因此，在所示示例中，支撑构件旨在在叶片的后缘与板180之间延伸。支撑构件在此通过壁26b、26c、26d支撑在支撑板180上，并且通过支撑构件的壁26a利用材料的连续性连接到叶片16。
根据本发明，每个支撑构件26的移除是通过工具30来进行的，该工具30的至少一个端部接合在支撑构件26中的每一个支撑构件的凹部中，并且工具30在基本上垂直于相关前缘(或后缘)的平面中枢转。
图4a至图4d示出了用于从整流器扇形部10中移除最后一个构件26的步骤，其他构件已经被移除。工具30的尖端插入到构件26的凹部28中(图4a)，然后工具30在上述平面中枢转，直到材料在叶片的后缘和构件26之间断裂(图4b和图4c)。该构件通过工具枢转并被抬离叶片，并被抬出整流器扇形部的壁12、14之间的空间。
通过本发明，构件26的变形风险受到限制。另外，由于该工具在该构件中的精确定位，该移除操作是快速且可重复的，因此移除操作是便利的。
在图5的变型的特定情况下，构件26包括三个凹部28，这三个凹部在与构件的伸长轴线平行的同一平面中对齐，并且用于移除这种类型的构件的工具可具有三个端部或尖端以分别插入到构件的凹部中。这允许将构件的移除力分布在构件的长度上。
尽管已经参考整流器扇形部对本发明进行了说明，但是本发明也适用于分配器扇形部。在所示示例中，该扇形部包括多个叶片。替代地，该扇形部可以仅包括一个叶片，该单个叶片形成具有壁12、14的叶片。换句话说，本发明适用于单个叶片或扇形部，即适用于包括壁12、14的任何整体式组件，一个或多个叶片16在壁12、14之间延伸。

Claims (10)

1.使用增材制造技术制作至少一个飞行器涡轮机叶片的方法，该叶片包括分别为上壁(12)和下壁(14)的两个周向壁，至少一个叶片(16)在所述两个周向壁之间延伸，每个叶片包括前缘(18)和后缘(20)，所述前缘和所述后缘在所述壁之间延伸并且分别相对于所述壁的第一周向边缘和第二周向边缘至少部分地缩回，所述方法包括：
-通过对所述叶片的粉末床进行激光熔合实现的增材制造步骤，制造在支撑板(180)上进行，使得首先直接在所述支撑板上制造所述第一周向边缘或所述第二周向边缘，至少一个临时支撑构件(26)在所述叶片或每个叶片的水平处与所述第一边缘或所述第二边缘同时生产，并且在所述叶片的所述前缘或所述后缘与所述支撑板之间延伸，以及
-通过断开所述支撑构件或每个支撑构件与相关前缘或后缘的连接来移除所述支撑构件或每个支撑构件的步骤，
其特征在于，所述移除是通过工具(30)来进行的，所述工具的至少一个端部接合在所述支撑构件或每个支撑构件的至少一个凹部(28)中，并且所述工具通过在基本上垂直于相关前缘或后缘的平面中枢转而移动。
2.根据前一项权利要求所述的方法，其中，所述方法适用于属于同一分配器扇形部或整流器扇形部(10)的一系列叶片。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述工具(30)是螺丝刀，优选地是具有平坦端部或平坦头部的螺丝刀。
4.通过根据前述权利要求中任一项所述的方法生产的飞行器涡轮机叶片，所述叶片包括分别为上壁(12)和下壁(14)的两个周向壁，至少一个叶片(16)在所述两个周向壁之间延伸，每个叶片包括前缘(18)和后缘(20)，所述前缘和所述后缘在所述壁之间延伸并且分别相对于所述壁的第一周向边缘和第二周向边缘至少部分地缩回，至少一个临时支撑构件(26)位于所述叶片或每个叶片的所述前缘或所述后缘的水平处，并在穿过所述第一边缘或所述第二边缘的平面与所述叶片或每个叶片的所述前缘或所述后缘之间延伸，其特征在于，所述支撑构件或每个支撑构件包括至少一个凹部(28)，所述至少一个凹部被构造成接纳工具(30)的至少一个端部，以枢转地将所述构件移除。
5.根据前一项权利要求所述的叶片，其中，所述凹部或每个凹部(28)由横向加强壁(26e)界定。
6.根据权利要求4或5所述的叶片，其中，每个构件(26)的厚度在位于所述下壁(14)一侧的端部与位于所述上壁(12)一侧的相对端部之间变化。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的叶片，其中，每个构件(26)包括至少一个减重腔(32)。
8.根据前一项权利要求所述的叶片，其中，每个减重腔(32)由所述构件的包括减重凹口(34)的侧壁(26c)界定。
9.根据前一项权利要求所述的叶片，其中，所述减重凹口(34)各自具有大致V形的形状。
10.分配器扇形部或整流器扇形部(10)，所述分配器扇形部或整流器扇形部包括一系列根据权利要求4至9中任一项所述的叶片，所述扇形部形成整体式组件。
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