CN111843402B - 一种宽弦叶片的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽弦叶片的加工方法，涉及宽弦叶片技术领域。一种宽弦叶片的加工方法包括：分别在两块待焊板料的焊接面上加工叶片内腔结构，然后将两块待焊板料具有内腔的焊接面盖合组装形成待焊基材；将待焊基材进行真空扩散焊后形成具有真空内腔的叶片坯料。避免了超塑成形过程所带来的很多弊端，特别是在形成真空内腔的同时有效防止了叶片开裂，一定程度上提升了焊缝的机械强度。

Description

一种宽弦叶片的加工方法

技术领域

本发明涉及宽弦叶片技术领域，且特别涉及一种宽弦叶片的加工方法。

背景技术

20世纪60年代以前，航空涡扇发动机的风扇和压气机叶片普遍采用有1～2排凸肩的窄弦设计。这些凸肩造成压力损失、流量限制和气流扰动，增加了发动机的燃油消耗。因此，人们开始进行去掉叶片凸肩的研究，发现需要将叶片弦长增宽40％～45％以保证气动稳定性，并且数量减少1/3，于是在此基础上发明了宽弦叶片。目前，钛合金宽弦风扇叶片仍然主要应用第三、四代战机发动机以及民用航空发动机中。

宽弦叶片是展弦比较小的叶片，其特点有：去掉凸肩，使风扇和压气机空气动力学特性得到改善，流量有所增大，效率明显提高；增宽弦长，使风扇和压气机的长度缩短，抗外物损伤能力、抗疲劳特性和失速裕度得到提高，并且可使风扇和压气机零件数减少，生产与制造费用因此降低。

专利文献CN105436839A中公布了一种钛合金宽弦叶片的制造方法。其制造工艺采用了R.R.公司展示的三层板超塑成形/扩散连接(SPF/DB)工艺，主要应用于三、四代战机发动机上。其制造过程是在三层钛合金板材的部分区域涂覆阻焊剂，随后将其放入模具中加热，加压并通气吹胀，通过扩散焊接，超塑成形工艺一次成形，再进行外形精加工，叶片的结构为三层板空心桁架结构。

上述工艺方法采用超塑成形的方法，通过将工件固定在模具里，在高温下向上下板之间通气体，将板的外形吹胀至模具形状。该工艺主要存在的问题是：如果要形成真空内腔，在成形后需对叶片内腔进行抽真空并采用焊接方法封口，不仅工艺困难，在封口部位的组织难以与其他部位保持一致，增加了开裂的风险。此外，上述工艺方法还存在着如下问题：(1)由于叶片具有一定的外形结构，其内腔桁架在超速过程中各部位所需的变形量不一致，桁架的均匀性与可靠性难以保证；(2)SPF/DB工艺要求一定扩散焊缝长度与壁板厚度，使叶片的极限空心率为40％，无法得到提高；(3)成型过程中涉及的工艺因素很多，控制非常困难复杂，导致零件质量波动性大，精度难以保证。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽弦叶片的加工方法，旨在形成真空内腔的同时，减少叶片的开裂风险，保证了叶片的机械强度。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

本发明提出了一种宽弦叶片的加工方法，包括：分别在两块待焊板料的焊接面上加工叶片内腔结构，然后将两块待焊板料的焊接面盖合组装形成待焊基材；

将待焊基材进行真空扩散焊后形成具有真空内腔的叶片坯料。

本发明实施例提供一种宽弦叶片的加工方法的有益效果是：发明人改变了宽弦叶片的加工路线，采用先在两块待焊板料上加工叶片内腔结构再组装进行扩散焊的方式，避免了超塑成形过程所带来的很多弊端，特别是在形成真空内腔的同时有效防止了叶片开裂，一定程度上提升了焊缝的机械强度。具体地，在成形过程中无需向叶片内腔充氩气吹胀，焊接完成后直接成形真空内腔，无需多一道抽真空封口的工序，减小叶片的开裂风险。

此外，发明实施例还具有以下优点：(1)在成形过程中，叶片内腔无需涂覆阻焊剂，减少后期清理步骤；(2)空心率可以达到60％以上，而现有的SPF/DB工艺通常只有35％，极限情况下达到40％；(3)采用扩散焊方法焊接，焊缝性能能够与母材相当。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明实施例提供的宽弦叶片的加工方法的工艺流程图；

图2为以平板为原材料所形成的内腔与外形结构展平图；

图3为以曲面板材为原材料所形成的叶片内腔结构图；

图4为焊接装配示意图；

图5为叶弦与叶根成形示意图；

图6为叶身中部成形示意图。

图标：10-压头；20-阻焊层；30-叶片。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本发明实施例提供的一种宽弦叶片的加工方法进行具体说明。

本发明实施例提供了一种宽弦叶片的加工方法，请参照图1，具体包括如下步骤：

S1、前处理

在进行叶片内腔加工之前，将待焊板料进行铣削加工至表面粗糙度Ra<0.8μm；待焊板料可以为最具应用价值的钛合金材质，通过铣削以使扩散焊后焊缝的机械强度更高。

需要说明的是，若采用的待焊板料表面本身的粗糙度满足要求则可以不进行铣削加工。

S2、叶片内腔加工

请结合图2-3，分别在两块待焊板料的焊接面上加工叶片内腔结构，具体地，内腔加工可以采用挖空的方式，根据所需的空心率进行加工，并留出适当的焊接变形余量(根据具体叶片设计要求，通常为1～0.1mm)。本发明实施例中的叶片的内型腔结构是对开式结构，由机加工方法实现。其加强筋的位置、宽度、空腔大小等结构的设计上具有更高的自由度，有利于优化叶片的整体性能。

具体地，传统的SPF/DB工艺要求扩散焊连接长度不得低于工艺允许的最小长度，中间芯板的厚度要求在被超塑拉长后仍具有一定的强度，以及叶壁厚度必须能够满足顺利贴模，因此叶片的空心率受限，通常只有35％，极限情况下达到40％。本发明中叶片内腔可以进行自由设计，如图2中叶片的壁厚，空腔大小、加强筋的形式、位置均可以进行设计与调整，最小焊接长度为1mm，即加强筋宽度最小为1mm，叶片边缘实心宽度最小为1mm，可以极大提高叶片的空心率(60％以上)，达到更好的减重效果。

在一些实施例中，如图2所示，两块待焊板料为平面板材分割形成，此种情况下在进行扩散焊之后还需要热压成形，以形成曲面外形。

在一些实施例中，如图3所示，两块待焊板料是由具有叶片三维模型的曲面板材分割形成，此种情况下在进行扩散焊之后不需要热压成形。采用曲面板材为原料，只经过一步扩散焊的热处理过程即能够得到所需叶片的初品，进一步缩短了工艺步骤，有利于进一步提升叶片的机械性能。

S3、表面清洗

在叶片内腔结构加工完成之后进行真空扩散焊之前，去除材料表面的氧化膜。该步骤也是根据材料的种类选择性的进行，通过去除氧化膜进一步提升扩散焊之后的焊缝强度，防止焊缝开裂。

在一些实施例中，可以采用酸洗的方法去除材料表面的氧化膜，如采用稀盐酸、稀硝酸等原料进行浸泡清洗。

S4、真空扩散焊

如图4所示，将两块待焊板料具有内腔的焊接面盖合组装形成待焊基材，将待焊基材进行真空扩散焊后形成具有真空内腔的叶片坯料。图中，压头10用于对叶片30施压，阻焊层20是将叶片30和压头10分割开来，其可以为陶瓷、云母等材质。

需要强调的是，发明人创造性地在采用先加工内腔再进行扩散焊的方式避免了超塑成形过程所带来的很多弊端，特别是在形成真空内腔的同时有效防止了叶片开裂，一定程度上提升了焊缝的机械强度。此外，通过扩散焊工艺进行焊接，焊缝性能能够与母材相当，进一步防止了焊缝开裂。

具体地，真空扩散焊过程是将材料加热至扩散焊温度后在0.5-10MPa的条件下保温60-240min；优选地，待焊板料的材质为钛合金，扩散焊温度为850-950℃，在保温完成之后进行随炉冷却至室温。通过真空扩散焊之后，形成了真空内腔，避免了超塑成形这一步骤，即在成形过程中，叶片内腔无需涂覆阻焊剂，减少后期清理步骤；同时无需向叶片内腔充氩气吹胀，焊接完成后直接成形真空内腔，无需多一道抽真空封口的工序，减小叶片的开裂风险。

为了提升焊缝的质量发明人进一步优化了扩散焊过程的压力控制，真空扩散焊过程中的操作压力为0.5-3MPa；优选为0.5-1MPa。

若两块待焊板料是由具有叶片三维模型的曲面板材分割形成，此种情况下，加工方法还包括对叶片坯料进行数控加工以获得叶片的最终外形，无需进行热压成形。具体地，数控加工过程是整体形状的进一步完善，其为现有技术，在此不做过多赘述。

S5、热压成形

请参照图5-6，两块待焊板料为平面板材分割形成，加工方法还包括将叶片坯料加热至成型温度，对叶片弦边、叶片根部和叶身进行热压成形，钛合金对应的成型温度为900-1000℃。

在一些优选的实施例中，对叶片弦边、叶片根部和叶身进行热压成形的步骤包括：如图5所示，采用第一模具对叶片弦边和叶片根部进行一次热压成形；如图6所示，采用第二模具对叶身进行二次热压成形；其中，第一模具是将叶片坯料的两端进行夹持；第二模具是将叶片坯料的中间部分夹持，以使叶身扭转。第一模具和第二模具是根据叶片最终的形状进行制作的，在此不限定其具体形状，可以根据所需叶片的形状进行调整。

进一步地，一次热压成形和二次热压成形过程中的操作压力为0.1-50MPa，优选为1-10MPa；一次热压成形和二次热压成形过程中的升压速率为0.1-0.5MPa/min。发明人通过进一步优化热压成形的压力控制能够进一步提升加工得到产品的精度，防止压力过大产生空腔压塌的现象。

需要强调的是，发明人创造性地采用分步成形叶片外形的方式，对零件进行整体加热，局部分布式加压的方式，可以使焊缝位置缓慢均匀变形，并且进一步促进焊接界面原子扩散，提高焊接界面的焊合质量，从而保障叶片的整体性能与高成品率。

优选地，热压成形过程在真空条件下或惰性气氛下进行，以防止在高温条件下发生化学反应影响叶片质量。

在一些实施例中，在将叶片坯料加热至成型温度之前，将叶片坯料减薄至接近叶片最终壁厚的厚度，保留余量为0.5-1mm。在二次热压成形之后，采用叶形整体模具，对叶片整体外形进行热压校形，以提升叶片的制作精度。

在一些实施例中，在对叶片整体外形进行热压校形之后，采用数控加工叶片的最终外形。数控加工过程是整体形状的进一步完善，其为现有技术，在此不做过多赘述。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供一种宽弦叶片的加工方法，包括如下步骤：

将钛合金锻料切割成为两块板料，板料尺寸为叶片最终长宽方向每边加20mm余量，厚度方向每边加5mm余量，通过铣削加工使其表面粗糙度Ra<0.8μm。在板料的焊接面上，进行叶片内腔结构加工至空心率为60％，内腔采用支撑筋结构，筋宽大于1mm，空腔形状为叶片随形腔体。采用盐酸对两块加工好的板料进行表面清洗以去除表面氧化膜。

如图4所示，将两块清洗后的板料按照图纸对接装配，随后装入扩散焊炉中，抽真空并加热到钛合金的扩散焊温度850℃左右，然后对工件进行加压至0.5MPa，并保温60min，最后随炉冷却至室温形成具有真空内腔的叶片坯料。

取出叶片坯料，将其两侧加工减薄至接近叶片最终壁厚2～5mm，并保留余量0.5mm左右。在气氛保护或者真空环境下，将减薄后的坯料加热至900℃，如图5所示，采用两对特制的模具，分别对叶片弦边与叶根位置进行热压成形，以0.1MPa/min的升压速率升压至0.1～3MPa，保持10～30min。如图6所示，采用一对特制的模具，对叶身中部位置进行热压成形，以0.1MPa/min的升压速率升压至0.1～3MPa，保持10～30min。采用叶形整体模具，对叶片整体外形进行热压校形；数控加工叶片的最终外形，得到钛合金宽弦空心叶片。

实施例2

本实施例提供一种宽弦叶片的加工方法，包括如下步骤：

将钛合金锻料切割成为两块板料，通过铣削加工使其表面粗糙度Ra<0.8μm。在板料的焊接面上，进行叶片内腔结构加工至空心率为50％。采用盐酸对两块加工好的板料进行表面清洗以去除表面氧化膜。

如图4所示，将两块清洗后的板料按照图纸对接装配，随后装入扩散焊炉中，抽真空并加热到钛合金的扩散焊温度950℃左右，然后对工件进行加压至10MPa，并保温240min，最后随炉冷却至室温形成具有真空内腔的叶片坯料。

取出叶片坯料，将其两侧加工减薄至接近叶片最终壁厚2～5mm，并保留余量1mm左右。在气氛保护或者真空环境下，将减薄后的坯料加热至1000℃，如图5所示，采用两对特制的模具，分别对叶片弦边与叶根位置进行热压成形，以0.5MPa/min的升压速率升压至10～50MPa，保持10～30min。如图6所示，采用一对特制的模具，对叶身中部位置进行热压成形，以0.5MPa/min的升压速率升压至10～50MPa，保持10～30min。采用叶形整体模具，对叶片整体外形进行热压校形；数控加工叶片的最终外形，得到钛合金宽弦空心叶片。

实施例3

本实施例提供一种宽弦叶片的加工方法，与实施例1不同之处仅在于以下步骤的参数控制：

真空扩散焊过程中的操作压力为3MPa，一次热压成形和二次热压成形过程中的操作压力为1MPa。

实施例4

本实施例提供一种宽弦叶片的加工方法，与实施例1不同之处仅在于以下步骤的参数控制：

真空扩散焊过程中的操作压力为1MPa，一次热压成形和二次热压成形过程中的操作压力为10MPa。

对比例1

本对比例提供一种宽弦叶片的加工方法，与实施例3不同之处仅在于：在热压成形时不采用分步热压成形的方式，即直接采用叶片整体外形模型进行热压成形。

对比例2

本对比例提供一种宽弦叶片的加工方法，与实施例3不同之处仅在于：两步热压成形过程均是以1MPa/min的升压速率进行升压。

试验例1

测试实施例1-4和对比例1-2中制备得到叶片焊缝的机械性能，包括焊缝的抗拉强度、延伸率和冲击韧性，测试方法参照GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》、GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，测试结果见表1。

表1焊缝机械性能测试结果

组别	抗拉强度(MPa)	延伸率(％)	冲击韧性(J/cm<sup>2</sup>)
				实施例1	942	11.6	25.2
实施例2	947	10.4	23.0
				实施例3	963	12.7	30.1
实施例4	959	13.1	29.7
				对比例1	937	8.6	20.2
对比例2	945	9.7	22.6

对比实施例3和对比例1可知：本申请中采用分步成形的方式能够进一步提升焊缝的机械性能，如抗压强度、延伸率和冲击韧性；对比实施例3和对比例2可知：两步热压成形过程中的升温速率对于机械性能也产生较大影响，控制在本申请所限定的范围内为宜。

试验例2

测试实施例1-4和对比例1-3中制备得到叶片焊后母材的机械性能，包括母材的抗拉强度、延伸率和冲击韧性，测试方法参照GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》、GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，测试结果见表2。

表2母材机械性能测试结果

组别	抗拉强度(MPa)	延伸率(％)	冲击韧性(J/cm<sup>2</sup>)
				实施例1	963	12.9	31.5
实施例2	954	13.2	30.9
				实施例3	960	12.8	32.1
实施例4	961	11.9	31.6
				对比例1	958	13.2	31.6
对比例2	956	12.6	31.2

综上，本发明提供的一种宽弦叶片的加工方法，发明人改变了宽弦叶片的加工路线，采用先在两块待焊板料上加工叶片内腔结构再组装进行扩散焊的方式，避免了超塑成形过程所带来的很多弊端，特别是在形成真空内腔的同时有效防止了叶片开裂，一定程度上提升了焊缝的机械强度。

以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

Claims (18)

1.一种宽弦叶片的加工方法，其特征在于，包括：分别在两块待焊板料的焊接面上加工叶片内腔结构，然后将两块所述待焊板料的焊接面盖合组装形成待焊基材；

将所述待焊基材进行真空扩散焊后形成具有真空内腔的叶片坯料；

两块所述待焊板料为平面板材分割形成，所述加工方法还包括将所述叶片坯料加热至成型温度，对叶片弦边、叶片根部和叶身进行热压成形；

对叶片弦边、叶片根部和叶身进行热压成形的步骤包括：采用第一模具对叶片弦边和叶片根部进行一次热压成形，采用第二模具对叶身进行二次热压成形；其中，所述第一模具是将所述叶片坯料的两端进行夹持；所述第二模具是将所述叶片坯料的中间部分夹持，以使叶身扭转；所述一次热压成形和所述二次热压成形过程中的操作压力为0.1-50MPa，升压速率为0.1-0.5MPa/min。

2.根据权利要求1所述的宽弦叶片的加工方法，其特征在于，所述真空扩散焊过程是将材料加热至扩散焊温度后在0.5-10MPa的条件下保温60-240min。

3.根据权利要求2所述的宽弦叶片的加工方法，其特征在于，所述待焊板料的材质为钛合金，所述扩散焊温度为850-950℃。

4.根据权利要求2所述的宽弦叶片的加工方法，其特征在于，在保温完成之后，进行随炉冷却至室温。

5.根据权利要求2所述的宽弦叶片的加工方法，其特征在于，所述真空扩散焊过程中的操作压力为0.5-3MPa。

6.根据权利要求5所述的宽弦叶片的加工方法，其特征在于，所述真空扩散焊过程中的操作压力为0.5-1MPa。

7.根据权利要求2所述的宽弦叶片的加工方法，其特征在于，所述成型温度为900-1000℃。

8.根据权利要求7所述的宽弦叶片的加工方法，其特征在于，所述热压成形过程在真空条件下或惰性气氛下进行。

9.根据权利要求7所述的宽弦叶片的加工方法，其特征在于，在将所述叶片坯料加热至成型温度之前，将所述叶片坯料减薄至接近叶片最终壁厚的厚度，保留余量为0.5-1mm。

10.根据权利要求1所述的宽弦叶片的加工方法，其特征在于，所述一次热压成形和所述二次热压成形过程中的操作压力为1-10MPa。

11.根据权利要求10所述的宽弦叶片的加工方法，其特征在于，热压成形时间为15~120min。

12.根据权利要求11所述的宽弦叶片的加工方法，其特征在于，在所述二次热压成形之后，采用叶形整体模具，对叶片整体外形进行热压校形。

13.根据权利要求12所述的宽弦叶片的加工方法，其特征在于，在对叶片整体外形进行热压校形之后，采用数控加工叶片的最终外形。

14.根据权利要求2所述的宽弦叶片的加工方法，其特征在于，两块所述待焊板料是由具有叶片三维模型的曲面板材分割形成。

15.根据权利要求14所述的宽弦叶片的加工方法，其特征在于，所述加工方法还包括对所述叶片坯料进行数控加工以获得叶片的最终外形。

16.根据权利要求1所述的宽弦叶片的加工方法，其特征在于，在进行叶片内腔加工之前，将所述待焊板料进行铣削加工至表面粗糙度Ra<0.8μm。

17.根据权利要求1所述的宽弦叶片的加工方法，其特征在于，在叶片内腔结构加工完成之后进行真空扩散焊之前，去除材料表面的氧化膜。

18.根据权利要求17所述的宽弦叶片的加工方法，其特征在于，采用酸洗的方法去除材料表面的氧化膜。

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