CN111790911B - 燃气涡轮发动机涡轮叶片薄壁冷却空气导管制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃气涡轮发动机涡轮叶片薄壁冷却空气导管制造方法，解决了基于冲压成型制造燃气涡轮发动机涡轮叶片薄壁冷却空气导管工艺制造周期长的问题，同时有效避免采用3D打印制造燃气涡轮发动机涡轮叶片薄壁冷却空气导管变形大且气孔、裂纹、夹渣等缺陷较多的技术问题。本发明包括以下步骤：①坯件制作，采用3D打印技术加工厚度大于0.5毫米的导管；②定位支撑，在导管内填充支撑定位材料，通过支撑定位材料将3D打印的基准转换为机加定位基准；③机械加工，采用机械加工技术将较厚的导管加工至目标厚度；④去除导管内的支撑定位材料。本发明不仅工艺方法简单、制造周期短，而且产品尺寸精度高，小批制造成本低于传统模具冲压成型方式。

Description

燃气涡轮发动机涡轮叶片薄壁冷却空气导管制造方法
技术领域
本发明属于燃气涡轮发动机的技术领域，特别是指燃气涡轮发动机涡轮叶片薄壁冷却空气导管制造方法。
背景技术
冷却空气导管应用在是现代燃气涡轮发动机中，是冲击式冷却结构涡轮叶片的重要零件，冲击式冷却是利用一股或者多股的冷却空气射流正对着需冷却的表面，增强局部的换热能力，适用于局部高温区的强化冷却，如用在涡轮叶片前缘，在现代航空航天发动机、燃气轮机等中大量使用。冷却方式改善了涡轮叶片的工作环境，但同时也使得涡轮叶片结构复杂，制造工艺也变得复杂。
现有燃气涡轮发动机涡轮叶片薄壁冷却空气导管制造，主要采取板料冲压成型的方式，其制造过程为：板料下料、冲压成型、真空热处理去除冲压后形成的应力、钳工校正形状、激光焊接或真空钎焊等工艺过程。因此，产品试制周期较长，冲压模具设计制造周期长，价格昂贵；需要多次修整和校验方能满足产品尺寸要求，钳工手工校正导管形状效率低，对工人技能水平要求较高；焊接后零件变形较大，产品一致性较差，需要经过长周期、多次制造过程迭代，才能实现产品质量稳定，生产工艺才能固化。
另外，燃气涡轮发动机涡轮叶片薄壁冷却空气导管因其为薄壁结构，厚度多为0.2-0.3毫米，若使用3D打印制造的技术加工制造，由于3D打印制造的制造工艺特性，当薄壁零件壁厚小于0.5毫米时，打印过程变形较大，气孔、裂纹、夹渣等缺陷较多，无法满足制造要求。
发明内容
针对上述背景技术中的不足，本发明提出燃气涡轮发动机涡轮叶片薄壁冷却空气导管制造方法，解决了基于冲压成型制造燃气涡轮发动机涡轮叶片薄壁冷却空气导管工艺制造周期长的问题，同时有效避免采用3D打印制造燃气涡轮发动机涡轮叶片薄壁冷却空气导管变形大且气孔、裂纹、夹渣等缺陷较多的技术问题。
本发明的技术方案是这样实现的：燃气涡轮发动机涡轮叶片薄壁冷却空气导管制造方法，包括以下步骤：
①坯件制作，采用3D打印技术加工出厚度大于0.5毫米的导管，避免3D打印过程中产生变形较大，特避免了气孔、裂纹、夹渣等较多的缺陷；
②定位支撑，在导管内填充支撑定位材料，保证在进行下一步的机械加工过程中不会发生变形，保证机械加工的精度，并且通过支撑定位材料将3D打印的基准转换为机加定位基准，机械加工的夹具夹装支撑定位材料进行机加工，避免直接夹装工件困难、精度低等弊端；
③机械加工，采用机械加工技术将较厚的导管加工至目标厚度，采用现有的复杂曲面机械加工技术进行即可，不涉及新型加工工艺，工艺实现过程简单；
④去除定位支撑，去除导管内的支撑定位材料，即完成燃气涡轮发动机涡轮叶片薄壁冷却空气导管的制造。
进一步地，所述步骤①中，采用3D打印技术加工出厚度大于0.6毫米的导管，进一步保证3D打印制造质量的可靠性。
进一步地，所述支撑定位材料的体积不随温度变化，保证在进行机械加工时，刀具切削工件产生的温度变化不会影响加工精度。
进一步地，所述支撑定位材料包括热缩冷胀型材料和热胀冷缩型材料，通过热缩冷胀型材料与热胀冷缩型材料的混合作用，能够相互抵消因温度而产生的体积变化，确保支撑定位材料在不同温度下，膨胀或收缩比例为零，确保填充入导管内的的材料不因温度的变化而脱离内型面，或致使零件尺寸和结构变化。
进一步地，所述支撑定位材料在常温下为固态且熔点低，常温条件下为固态且具备一定的硬度，满足机械加工时装夹定位的需求，熔点低是为了满足填充入导管内时的便捷性，将其加热到一定温度便可浇灌至导管内。
进一步地，所述热缩冷胀型材料包括金属铋，其具备热缩冷胀的性能，同时常温下为固态，熔点不高，也可选择其他满足该性能的材料。
进一步地，所述热胀冷缩型材料包括金属锡，其具备热胀冷缩的性能，同时常温下为固态，熔点不高，也可选择其他满足该性能的材料。
进一步地，所述支撑定位材料为锡铋合金，锡铋合金中金属锡与金属铋的比例为6:4，充分保证在温度变化时，整体的胀或收缩比例为零。
进一步地，所述支撑定位材料的外端头凸出导管内型面，所述机加定位基准设置在所述外端头上。
进一步地，通过浇铸模具或方形定位盒或圆形定位盒制作所述外端头。
本发明提供了一种燃气涡轮发动机涡轮叶片薄壁冷却空气导管制造方法，基于目前成熟的3D打印制造和复杂曲面机械加工技术，不涉及新型加工工艺，工艺实现过程简单；尤其针对新研制未设计定型的燃气涡轮发动机研发阶段，大大缩短制造周期，同比冲压工艺大幅降低研制成本。本发明不仅工艺方法简单、制造周期短，而且产品尺寸精度高，小批制造成本低于传统模具冲压成型方式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明工艺流程示意图；
图2为本发明步骤①的示意图；
图3为本发明步骤②中向导管1内填充支撑定位材料的示意图；
图4为本发明步骤②中导管1内填充支撑定位材料后的示意图；
图5为图4的俯视图；
图6为本发明步骤③的示意图；
图7为本发明步骤④的示意图；
图中：1、导管；2、填充支撑定位材料；3、机加定位基准。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1，燃气涡轮发动机涡轮叶片薄壁冷却空气导管制造方法，包括以下步骤：
①坯件制作，采用3D打印技术加工出厚度大于0.5毫米的导管1，避免3D打印过程中产生变形较大，特避免了气孔、裂纹、夹渣等较多的缺陷；
②定位支撑，在导管1内填充支撑定位材料2，保证在进行下一步的机械加工过程中不会发生变形，保证机械加工的精度，并且通过支撑定位材料2将3D打印的基准转换为机加定位基准3，机械加工的夹具夹装支撑定位材料进行机加工，避免直接夹装工件困难、精度低等弊端；
③机械加工，采用机械加工技术将较厚的导管1加工至目标厚度，采用现有的复杂曲面机械加工技术进行即可，不涉及新型加工工艺，工艺实现过程简单；
④去除定位支撑，去除导管1内的支撑定位材料2，即完成燃气涡轮发动机涡轮叶片薄壁冷却空气导管的制造。
进一步地，所述支撑定位材料2的体积不随温度变化，保证在进行机械加工时，刀具切削工件产生的温度变化不会影响加工精度。支撑定位材料2包括热缩冷胀型材料和热胀冷缩型材料，通过热缩冷胀型材料与热胀冷缩型材料的混合作用，能够相互抵消因温度而产生的体积变化，确保支撑定位材料在不同温度下，膨胀或收缩比例为零，确保填充入导管1内的的材料不因温度的变化而脱离内型面，或致使零件尺寸和结构变化。
进一步地，所述支撑定位材料2在常温下为固态且熔点低，常温条件下为固态且具备一定的硬度，满足机械加工时装夹定位的需求，熔点低是为了满足填充入导管1内时的便捷性，将其加热到一定温度便可浇灌至导管1内。
具体地，所述热缩冷胀型材料包括金属铋，其具备热缩冷胀的性能，同时常温下为固态，熔点不高，也可选择其他满足该性能的材料。所述热胀冷缩型材料包括金属锡，其具备热胀冷缩的性能，同时常温下为固态，熔点不高，也可选择其他满足该性能的材料。若选用锡铋合金作为所述支撑定位材料，则锡铋合金中金属锡与金属铋的比例为6:4，充分保证在温度变化时，整体的胀或收缩比例为零。
实施例2，燃气涡轮发动机涡轮叶片薄壁冷却空气导管制造方法，所述支撑定位材料2的外端头凸出导管1内型面，所述机加定位基准3设置在所述外端头上。
进一步地，通过采取辅助工艺装备，如：浇铸模具、方形或圆形简易定位盒等，实现所述外端头一定的外形结构。
本实施例的其他方法步骤与实施例1相同。
本发明未详尽之处均为本领域技术人员所公知的常规技术手段。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.燃气涡轮发动机涡轮叶片薄壁冷却空气导管制造方法，其特征在于包括以下步骤：
①坯件制作，采用3D打印技术加工出厚度大于0.5毫米的导管（1）；
②定位支撑，在导管（1）内填充支撑定位材料（2），通过支撑定位材料（2）将3D打印的基准转换为机加定位基准（3）；
③机械加工，采用机械加工技术将较厚的导管（1）加工至目标厚度；
④去除定位支撑，去除导管（1）内的支撑定位材料（2）；
所述支撑定位材料（2）的体积不随温度变化。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机涡轮叶片薄壁冷却空气导管制造方法，其特征在于：所述步骤①中，采用3D打印技术加工出厚度大于0.6毫米的导管（1）。
3.根据权利要求1或2所述的燃气涡轮发动机涡轮叶片薄壁冷却空气导管制造方法，其特征在于：所述支撑定位材料（2）包括热缩冷胀型材料和热胀冷缩型材料。
4.根据权利要求3所述的燃气涡轮发动机涡轮叶片薄壁冷却空气导管制造方法，其特征在于：所述支撑定位材料（2）在常温下为固态且熔点低。
5.根据权利要求4所述的燃气涡轮发动机涡轮叶片薄壁冷却空气导管制造方法，其特征在于：所述热缩冷胀型材料包括金属铋。
6.根据权利要求4或5所述的燃气涡轮发动机涡轮叶片薄壁冷却空气导管制造方法，其特征在于：所述热胀冷缩型材料包括金属锡。
7.根据权利要求6所述的燃气涡轮发动机涡轮叶片薄壁冷却空气导管制造方法，其特征在于：所述支撑定位材料为锡铋合金，锡铋合金中金属锡与金属铋的比例为6:4。
8.根据权利要求1-2、4-5、7任一项所述的燃气涡轮发动机涡轮叶片薄壁冷却空气导管制造方法，其特征在于：所述支撑定位材料（2）的外端头凸出导管（1）内型面，所述机加定位基准（3）设置在所述外端头上。
9.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机涡轮叶片薄壁冷却空气导管制造方法，其特征在于：通过浇铸模具或方形定位盒或圆形定位盒制作所述外端头。
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