CN113260731A - 制造芯的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造用于生产扇叶前缘的芯(1)的方法。所述方法包括以下步骤：(a)提供由镍基合金制成的初始芯(11)，(b)在所述初始芯上热喷涂钴基合金的层(12)。

Description

制造芯的方法

技术领域

本发明涉及有机基复合材料(OMC)扇叶的前缘的制造领域。

背景技术

回想一下，叶片通常具有前缘和后缘。前缘对应于面向气流并将气流分成压力流和吸入流的翼板前部，后缘对应于翼板后部。在飞机的涡轮机环境中，固体碎片可能被循环在涡轮机中气流所捕获。然后这些碎片会撞击叶片的前缘并可能损坏它。因此，通常的做法是加强叶片的前缘。对于OMC叶片，这项技术规定更为重要。事实上，该复合材料可能无法抵抗穿孔。

例如，从现有技术可知，已有一种带有钛前缘的OMC扇叶

文献FR1051992描述了制造这种叶片的已知方法。该方法如下进行：通过热等静压操作，在耐火合金芯周围成型压力侧和吸力侧的两个成形薄板，该合金芯的几何形状与所需要的前缘的内部几何形状相一致。作为可重复使用的工具，成型后，芯被移除。前缘只在其外表面加工，以获得该部件的最终几何形状。

这种方法可以控制前缘腔的内部形状，前缘腔是将要放置前缘于其上的叶片的复制品，从而避免重新加工前缘内腔。此外，由于内部芯的存在，该技术可以控制和促进最终加工操作，这既增强了组件的刚度，又提供了集成的尺寸参照，从而避免了对于其他技术、复杂加工工具的需要。因此，由于被当作工具并重复使用的芯，这些不同的规定导致成本在制造范围内显著降低。

对于这种所谓的芯成型技术，芯必须具有以下三个主要特征，这些特征与以下事实相关，即成型步骤是通过800～1000℃量级的高温形变循环热处理(high-temperaturethermomechanical cycle)进行的，在此期间，芯与钛前缘部件接触数小时：

芯必须在前缘制造的形变热处理范围内是不可变形，以确保前缘内腔的形状。

芯必须是不能使其材料和前缘材料之间发生任何化学反应。

芯必须是不能使其材料和前缘材料之间有任何粘附或粘合。

与芯的材料的选择相关第一个特征消除了加工前缘内腔的需要。

第二个特征避免或最小化前缘内腔表面的化学净化。

第三个特征是芯的重复利用的调节及由此导致的该技术的经济可行性。

最后两个特征是相互关联的，需要对芯进行特殊处理。事实上，芯选可择的金属合金是镍基或钴基合金，以便具有足够的刚性，不会在高温形变循环期间变形。然而，在高温下，这种类型的合金与钛合金部件接触时，会相互反应并形成固溶体或金属间化合物，这至少会导致钛合金受到污染，最坏会导致镍/钴和钛之间产生完全不可接受的粘合。

因此，必须对芯进行适当的处理以避免污染和粘合。

一种技术解决方案是在相接触的两种金属合金之间插入防扩散屏障，即在经几个小时的高温形变热处理的芯用镍基或钴基合金以及前缘用钛合金之间插入防扩散屏障。

为此，文献FR1653221描述了一种对镍基或钴基的芯渗氮或氮碳共渗的方法。这种处理在芯表面产生了一个富含氮和碳的表面层，表面层为几十微米，确保了防扩散屏障的作用。

然而，对大规模使用这种技术的测试表明，镍基或钴基芯的渗氮或碳氮共渗所产生防扩散屏障的有效性存在不足。在钛前缘的内部区域观察到污染痕迹，且早在第一个压制循环就可以观察到芯的氮化层的退化，这大大损害了芯部多次重复利用性，并因而失去了该技术的经济性。

发明内容

在此背景下，本发明的目的是提供一种制造用于生产扇叶前缘的芯的方法，该方法满足上述三个标准：形变热处理不可变形性、相对于前缘的化学中性，并对前缘没有粘合。

根据第一方面，本发明提出了一种制造用于生产扇叶前缘的芯的方法，其特征在于它包括以下步骤：

(a)提供初始镍基合金芯，

(b)将钴基合金的层热喷涂到初始芯上，该合金包括铬，以及钨和/或钼中的至少一种元素。

特别有利的是，这种耐热摩擦的热喷涂的合金提供了化学惰性，使其可在镍基合金芯和用于制造扇叶的钛片材之间形成防扩散屏障。因此，该方法能够使用确保形变热处理(thermomechanical)稳定性的层覆盖芯，保护芯免受化学污染，并避免叶片部件和芯之间的粘合。

钴基合金可包括碳。

钴基合金可包括26％和32％之间的钼、7％和20％之间的铬、1％和5％之间的硅以及小于1％的碳。

钴基合金可包括25％和35％之间的铬、0％和10％之间的钨、0％和7％之间的钼、0％和4％之间的镍、1％和3％之间的硅以及少于2％的碳。

钴基合金可包括28％和30％之间的铬、1.2％和1.6％之间的碳以及1.2％和1.8％之间的硅。

所述层能具有包括在40和65°HRC之间的硬度。

沉积的层能具有包括在100微米和2毫米之间的厚度，优选500微米。

步骤(b)能使用选自以下的方法进行：超音速火焰喷涂、电弧等离子喷涂或等离子炬沉积。

在热喷涂步骤(b)之后，该方法还能够包括在800和1000℃之间对所述层进行的热处理步骤(c)。

在热喷涂步骤(b)之后，该方法可进一步包括打磨步骤(d)。

在热喷涂步骤(b)之后，该方法可进一步包括在空气中的热处理步骤(e)，包括在包括在300℃和400℃之间的温度下约30分钟的第一阶段，在包括在500℃和700℃之间的温度下约30分钟的第二阶段，在包括在800℃和1000℃之间的温度下约30分钟的第三阶段，以及在环境空气中的冷却，以氧化所述层。

根据第二方面，本发明提出了一种通过根据本发明的方法获得的镍基合金芯，所述芯具有由包括铬、以及钨和/或钼和/或碳和/或硅中的至少一种元素的钴基合金组成的层12，所述层通过热喷涂包括铬、以及钨和/或钼中的至少一种元素的钴基合金获得。

附图说明

本发明的进一步特征、目的和优点将从以下描述中显现，这些描述纯粹是说明性的而非限制性的，并且应当结合附图阅读，其中：

图1是根据本发明的芯表面横截面显微图。

图2是根据本发明的方法的流程图。

在所有附图中，相似的要素具有相同的附图标记。

具体实施方式

制造工艺

根据第一方面，本发明涉及一种制造用于生产扇叶前缘的芯1的方法，该方法主要包括以下步骤：

(a)提供镍基合金的初始芯11，

(b)将包括铬、以及至少钨和/或钼中的元素的钴基合金的层12热喷涂到初始芯11上。

提供初始芯的步骤(a)可以通过加工镍基合金块来进行，以获得初始芯11。

接下来，对初始芯11进行喷砂处理(步骤(a1))以增加其外表面的粗糙度。这种安排有利地促进了在步骤(b)中喷涂的层12的附着。

最后，可以对初始芯11进行清洁和脱脂(步骤(a2))。该步骤确保初始芯11的表面条件对于接下来的喷涂步骤(b)是最佳的。

如上所述，下一步骤(b)在于将包括铬、以及至少钨和/或钼中元素的钴基合金的层12热喷涂到初始芯11上。

具体地，钨、钼和铬可以碳化物的形式存在。

此外，钼可以金属间混合物形式使用。已知金属间混合物是包含至少一种准金属的混合物。准金属是性质介于金属和非金属之间，或者是具有这些性质的组合的化学元素。准金属可为以下元素：硼、硅、锗、砷、锑、碲和砹。在这种情况下，优先与钼结合使用的准金属是硅。

根据具体方式，钴基合金可具有以下重量百分比的组成：26％和32％之间的钼、7％和20％之间的铬、0％和10％之间的钨、1％和10％之间的钨、5％的硅和少于1％的碳。

优选地，根据这种方式，钴基合金可包括28％的铬、5.5％的钼、2.5％的镍、2％的硅和0.25％的碳。

同样优选地，根据相同的技术方式，钴基合金可以包括29.5％的铬、8％的钨、1.5％的硅和1.4％的碳。

根据另一具体方式，钴基合金可包括26％和32％之间的钼、7％和20％之间的铬、1％和5％之间的硅以及小于1％的碳。

优选地，根据该方式，钴基合金可包括29％的钼、8.5％的铬、2.6％的硅和小于0.08％的碳。

还优选，根据该相同的具体方式，钴基合金可包括28％的钼、18％的铬、3.4％的硅和小于0.08％的碳。

因此，特别有利的是，热喷涂这些类型的耐热摩擦合金提供了化学惰性，其在由镍基合金制成的初始芯11和用于制造扇叶的钛片材之间形成了防扩散屏障。

根据第一优选技术方式，热喷涂可以根据称为高速氧燃料(HVOF)喷涂或高速空气燃料喷涂(HVAF)的方法，以超音速火焰法进行。HVOF方法是特别优选的，因为它包括在中等温度下以非常高的速度喷涂钴基合金，这在沉积层12中产生非常小的孔隙率。

根据另一种技术方式，该层可以通过电弧等离子体(blown arc plasma)喷涂。这种方法导致多孔层，但对芯表面上具有良好的机械附着。这种方法在喷涂时，能够可选地考虑抽真空。

根据另一种技术方式，该层可以使用所谓的等离子体转移弧(PTA)法，通过等离子炬来沉积。与之前描述的方法相比，该方法获得的随后将再加工的层12更厚、更致密并且与基底形成冶金结合。

在通过热喷涂沉积层12之后，所述方法可以包括在800℃和1000℃之间对层12进行热处理的步骤(c)。优选地，步骤(c)在850℃和900℃之间进行。该热处理用于缓解在前一步骤中的沉积层12引起的内应力。

接下来，所述方法可以包括打磨步骤(d)以减小层12的厚度。作为该步骤的结果，层12的厚度可以在100和500微米之间。这一步也可以作为对沉积物附着力的实际检查。

在打磨步骤之后，所述方法可以包括在空气中的热处理步骤(e)，包括在300℃和400℃之间的温度下约30分钟的第一阶段，在500℃和700℃之间的温度下约30分钟的第二阶段，在800℃和1000℃之间的温度下约30分钟的第三阶段，并在环境空气中冷却。

优选地，步骤(e)可以包括在350℃的温度下三十分钟的第一阶段，然后在650℃的温度下三十分钟的第二阶段，900℃的温度下三十分钟的第三阶段，随后在环境空气中冷却。

步骤(e)，称为钝化，以对层12表面氧化，这降低了层12和用于制造叶片的材料(最常见的是钛)之间化学相互作用的风险。

作为该制造方法的结果，层12可具有介于35和65°HRC之间的硬度，优选介于45和55°HRC之间的硬度。具体地，硬度是根据所谓的洛氏测试来表示和测量的，使用施加初始载荷的压头，然后再施加附加载荷。通过比较施加初始载荷时和施加附加载荷时压头的压痕深度来测量硬度。在这种情况下，对于HRC标尺，使用由具有0.2毫米球形尖端且具有圆形截面的金刚石锥体组成的压头进行测试。此外，施加的初始载荷为98N，总载荷(对应于初始载荷加上附加载荷)为1471.5N。一个单位的HRC硬度对应于0.002毫米的压入深度。

对于小于400微米的厚度，首选HR15N标尺，因为施加的初始载荷仅为29N，总载荷(对应于初始载荷加上附加载荷)仅为147.1N。

也可以使用维氏(Vickers，HV)方法。该检测使用由带有方形底座的金刚石棱锥组成的压头进行。通过测量压痕的两条对角线来确定硬度。载荷根据层的厚度调整：厚度≤400微米时为5至10公斤，厚度大于400微米时最大为20至30公斤。

在最后两种情况(HR15N和HV)中，所得HRC值是从当前ISO和ASTM标准中表示的转换表中推导出来的。

因此，该方法使得能够用层12覆盖初始芯11，并保证形变热处理的稳定性、防止化学污染和避免可能的叶片部件和芯的粘合。

芯

根据第二方面，本发明涉及通过根据本发明的方法获得的镍基合金芯1。所述芯1具有由包括铬、以及至少钨和/或钼中元素的钴基合金构成的层12，所述层通过热喷涂包括铬、以及至少钨和/或钼中的元素的钴基合金获得。

Claims (11)

1.一种用于生产扇叶前缘的芯(1)的制造工艺，其特征在于包括以下步骤：

(a)提供镍基合金的初始芯(11)，

(b)在所述初始芯上热喷涂钴基合金的层(12)，所述钴基合金包括碳和铬，以及钨和/或钼中的至少一种元素。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述钴基合金包括26％和32％之间的钼、7％和20％之间的铬、1％和5％之间的硅以及小于1％的碳。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述钴基合金包括25％和35％之间的铬、5％和10％之间的钨、0％和7％之间的钼、0％和4％之间的镍、1％和3％的硅，以及少于2％的碳。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述钴基合金包括28％和30％之间的铬、1.2％和1.6％之间的碳以及1.2％和1.8％之间的硅。

5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述层(12)具有包括在40和65°HRC之间的硬度。

6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中沉积的所述层(12)具有包括在100微米和2毫米之间的厚度，优选为500微米。

7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其中使用选自以下的方法进行步骤(b)：超音速火焰喷涂、电弧等离子喷涂或等离子炬沉积。

8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，还包括在热喷涂步骤(b)之后，在800和1000℃之间进行层(12)的热处理的步骤(c)。

9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，还包括在热喷涂步骤(b)之后的打磨步骤(d)。

10.如权利要求1至9中任一项所述的方法，进一步包括，在热喷涂步骤(b)之后，在空气中的热处理步骤(e)，所述步骤(e)包括在包括在300℃和400℃之间的温度下约30分钟的第一阶段，在包括在500℃和700℃之间的温度下约30分钟的第二阶段，在包括在800℃和1000℃之间的温度下约30分钟的第三阶段，和在环境空气中冷却以氧化所述层(12)。

11.一种通过如权利要求1至10中任一项所述的方法获得的镍基合金芯，所述芯具有由包括铬和碳、以及钨和/或钼和/或碳和/或硅中的至少一种元素的钴基合金构成的层(12)，所述层(12)通过热喷涂包括铬、以及钨和/或钼中的至少一种元素的钴基合金获得。

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