CN114173961A - 通过mim成型制造涡轮机部件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过注射成型制造航空部件(5)。在注射制备的混合物以获得两个生坯坯料之后，加热这两个坯料中的至少一个的组装区域(9a，9b)，组装这些坯料，随后执行脱粘，最后进行烧结。

Description

通过MIM成型制造涡轮机部件的方法

技术领域

本发明涉及一种通过注射成型制造飞机或飞机的涡轮机部件的方法。

背景技术

PIM对应于此类成型。粉末注射成型可以应用于当前情况，例如在WO2017006053中所公开的。其它详情可见以下网址：https://www.ecam.fr/materiaux-structures/ressources-scientifiques-techniques/le-pim/generalites-procede-pim/。

如当前情况，该方法将使用混合在原料中的塑料粘合剂和粉末。然后注射这种混合材料以成形部件。然后将零件脱粘(在法语中称为“déliantée”(去除塑料粘合剂))、烧结并且获得所需部件。

此过程对于可注射部件(可以在模具中一次完成，然后从模具中取出)有效。一些部件，例如飞机涡轮机的压缩机整流器或涡轮喷嘴，是较难注射和从模具中移除的复杂部件。为此，它们需要具有许多抽屉的复杂模具，或者它们将无法直接成型。

相反，此类部件的其它区域却是适合MIM和注射的合适部件，例如上述喷嘴或整流器叶片以及其它轮叶。

以上内容特别适用于通过MIM(金属注射成型)技术获得的金属部件，其中粉末是金属的：因此MIM包括通过注射通常称为“原料”的金属粉末和聚合物树脂的混合物(下文称为“塑料粘合剂”，它可以是热塑性的)来制造或多或少的复合金属组分。此混合物减小到粒状形式后注射。

本发明的公开内容

此处所提出的一个问题与在PIM且具体来说尤其在MIM中制造可注射性差的部件有关。

另一个问题与制造过程有关，考虑到待制造的部件可能是结构部件，例如压缩机整流器(的区段)或涡轮喷嘴(的区段)，所以制造过程必须精确、快速并且必须产生具有良好机械特性和耐热性的部件。

本发明的一个解决方案是通过粘合剂在它们的界面处进行局部熔融来实现部件元件的生坯组装。

例如，对于涡轮喷嘴区段，所提出的解决方案是注射待组装的生坯，例如首先是轮叶，其次是外环(或凸缘)和内环(或凸缘)区段，每一个都在环区段中，然后在加热之后仍在生坯状态下组装相应凸缘与叶片之间的界面区域。

一旦界面处的粘合剂冷却，便获得了完整的生坯喷嘴区段。然后可以遵循标准PIM/MIM过程(脱粘(法语为“déliantage”)并在合适的衬底上烧结)来生产所需的金属部件。

发明内容

更精确地且更一般地，本文提出了一种用于制造飞机或飞机的涡轮机部件的方法，通过所述涡轮机部件的至少第一生坯元件和第二生坯元件的注射成型来制造，其中：

a)为第一和第二元件中的每一个制备粉末和聚合粘合剂的混合物，其中聚合粘合剂是液体或熔融的，所述混合物适合于使粉末颗粒能够粘合在一起，

b)将制备的混合物注射到分别适合于第一和第二元件的形状的模具中，以便分别获得第一和第二元件的两个生坯坯料，

c)一旦粘合剂变得粘稠，就将两个生坯坯料从相应模具中移除，

d)加热两个生坯坯料中的至少一个的至少一个组装区域，所述至少一个组装区域必须位于要组装在一起的所述两个生坯坯料之间的界面处，使得熔融粘合剂包含在所述组装区域处，

e)通过所述至少一个组装区域将两个生坯坯料组装在一起，以便获得所述部件的总体生坯坯料，

f)将粘合剂的至少一部分从总体生坯坯料移除，以便获得脱粘的总体生坯坯料，以及

g)在脱粘的总体生坯坯料上执行烧结处理。

以此方式，可以制造出采用当前技术无法注射的复杂部件，同时使用PIM技术来提高其性能。

实际上，粉末注射成型通常是通过金属或陶瓷粉末和聚合粘合剂的混合物来实现部件的注射成型，然后在受控大气下在熔炉中对部件进行脱粘(去除粘合剂)，然后先验在另一个熔炉中通过烧结对其进行固结。如果使用的材料是金属，则称之为金属注射成型(MIM)。此技术的优势在于能够制造具有极佳表面光洁度和精细公差的复杂形状。对于复杂形状更加低本高效，粉末注射成型允许生产中型和大型系列的高性能部件：由于这种技术和粉末技术，可以制造出具有非常好的耐腐蚀性以及其它质量的极其均匀的合金。

步骤d)组装准备的必然问题是加热环境，这难以进行。

因此，提出了在步骤d)期间，加热待组装在一起的生坯坯料中的至少一个的所述组装区域：

-通过在所述组装区域的位置处施加额外量的粘合剂，和/或

-通过在所述组装区域处将热能供应到两个生坯坯料中的至少一个，直到存在所述熔融粘合剂为止。

因此可以顾及到所讨论区域的可接近性、要制造的形状、所讨论的厚度等。

在额外量的粘合剂的情况下，步骤e)的干预和组装步骤可以有利地包含：

-在施加所述额外量的粘合剂之前，熔融所述额外量的粘合剂，

-在所述组装区域的位置处施加所述额外量的熔融粘合剂，且随后

-执行步骤e)的组装步骤。

因此可以顾及到所讨论区域的可接近性、要制造的形状、所讨论的厚度等。

此外，并且同样优选地，在所述组装区域处施加额外量的熔融粘合剂包括在所述组装区域的位置处向两个生坯坯料施加所述额外量的熔融粘合剂。

以此方式，我们将有两个熔融物，它们具有在两个部件上得到更好的先验控制的共享数量和热梯度。

还应注意，良好进行的组装准备步骤d)将至少有利于和确保以下组装步骤e)，使之能够更容易地通过以下方式进行：

-在所述组装区域的位置处将两个生坯坯料相互挤压，然后

-朝向彼此按压两个生坯坯料。

组装准备步骤d)执行得越好，将坯料相互抵靠以及施加的压力的条件就越好。

就此而言，还有利地提议：

-在步骤d)中，可以加热待组装在一起的两个生坯坯料中的至少一个的至少所述组装区域，直到熔融粘合剂+/-5℃处于75℃与85℃之间，和/或-将待组装在一起的两个生坯坯料中的至少一个的所述至少一个组装区域加热2s至15s之间。

以上干预预防措施的全部或部分的实施必会使得，在两个生坯坯料中的至少一个的所述组装区域的位置处，所述或每个生坯坯料能呈现出材料的额外厚度(有利于坚固的组装以及材料之间的良好热分布和牢固互锁)，然而在步骤e)结束时，材料的额外厚度将在所述界面的位置处至少部分消失。

材料的额外厚度(下文中的L)将优选地在施加组装压力的方向上延伸，从而提高机械强度。

鉴于上文，本发明的另一方面涉及制造作为待制造的部件的涡轮机压缩机整流器区段或涡轮机涡轮喷嘴区段的特定情况。

在这种情况下，第一和第二元件的相应的所述两个生坯坯料随后分别是：

-所述整流器区段或喷嘴区段的整流轮叶的至少一部分的生坯坯料，以及

-所述整流器区段或喷嘴区段的外环区段或内环区段的生坯坯料，整流轮叶的所述至少一个部分的一端将在步骤e)中与其组装在一起。

要施加的塑料粘合剂和/或元件之间的生坯界面区域的加热参数的定义必须使粘合剂足够糊状，以便界面良好地粘合，但要足够坚固以保持几何形状。

特别在整流器或喷嘴区段上，所谓的材料的额外厚度在组装期间可能是必需的，优选在界面处在0.5mm与2mm之间，或者甚至在坯料之间朝向彼此施加的在6MPa与15MPa之间的压力必须有利于最终部件尺寸充分符合要求并且部件不会被压碎。

组装的精度确实很重要并且必然影响最终尺寸。

附图说明

[图1]示出在根据本发明制造部件的示例中有用的处于初始状态的元件的图式，

[图2]示出在根据本发明制造部件的后续状态下的[图1]的元件的图式，

[图3]示出在根据本发明制造部件的后续状态下的[图2]的元件的图式，

[图4]示出在根据本发明制造部件的后续状态下的[图3]的元件的图式，

[图5]示出在根据本发明制造部件的后续状态下的[图4]的元件的图式，

[图6]示出可以根据本发明制造的飞机涡轮机械整流器或喷嘴区段的实例的透视图。

具体实施方式

本文目标是制造飞机或飞机的涡轮机部件，例如在图6中标记为50，通过构成所述涡轮机部件的至少第一和第二生坯元件，例如图1中的元件1和3a或1和3b，的注射成型(PIM，例如MIM)来实现。

在图1至5和图6中，元件和部件彼此对应：在图6中，在右边添加零；因此图1至5的部件5对应于图6的部件50；类似地，图1至5的元件1、3a、3b对应于图6的部件50的相应元件10、30a、30b。

如图6中所示，图1至5的元件和部件1、3a、3b和5因此可以分别对应于航空涡轮机的压缩机整流器区段50或此涡轮机的涡轮喷嘴区段的部件10、30a、30b。

在航空涡轮机中，压缩机和涡轮模块包括叶轮，所述叶轮在压缩机的情况下与整流器交替，或在涡轮的情况下与喷嘴交替。常用的压缩机整流器包括附接(例如，通过焊接)到外环的多个整流轮叶，所述外环具有结构功能且界定外侧上的气流路径。在内侧上，气流路径由非结构内部防护罩界定。外环、轮叶和内环通常由金属制成。常规的涡轮喷嘴通常由多个金属区段形成，所述金属区段通过铸造以单件形式获得并且每个金属区段包括限定外侧上的气流路径的外壳区段、限定内侧上的气流路径的内部防护罩区段以及连接外部和内部防护罩区段的轮叶。

应注意，“内”和“外”将相对于涡轮机的纵向轴线X(参见图6)径向地考虑，转子部件，特别是上述叶轮围绕所述纵向轴线旋转。

因此，在图6中，已图解说明整流器或喷嘴的区段50。

区段50包括局部限定外部平台的外部凸缘或环段3a以及局部限定内部平台的内部凸缘或环段3b，用于在有利于驱动的方向上引导气流的轮叶10，例如轴向相邻的叶轮(未示出)在它们之间延伸。轮叶10基本上径向于X轴。

多个此类区段50围绕轴线X周向地组装在一起以形成喷嘴；参见图6中的虚线。

一经组装，片段3a形成整流器或喷嘴的外部环形平台，并且片段3b形成内部环形平台。

本发明可以制造具有复杂形状的此类区段。

所提出的过程如下，在MIM类型的情况下参考图1至5中的一般图式呈现：

a)首先制备金属粉末和液体或熔融聚合粘合剂的混合物以制造第一元件3a和第二元件3b中的每一个，所述混合物适合于使粉末颗粒能够粘合在一起。

因此，此处将粘合剂定义为将金属粉末颗粒粘合在一起以形成具有均匀外观的混合物的一种组分或一组组分。

粘合剂可以包含例如旨在促进金属粉末的分散、悬浮或改进混合物的其它特性的添加剂。

用于粘合剂的术语“液体”包含熔融状态并且对应于可以以其粘度为特征的各种稠度。

选择粘合剂以在需要时呈现稠度。这意味着能够保持与例如液态相反的形状的状态。

通常，可以制备液体或熔融粘合剂与基于镍、钴或铁的超合金的均匀混合物(作为非限制性实例)。

还可以使用如FR3028784中的注射组成物。

一经执行步骤a)并且已获得粉末和粘合剂的混合物，所述过程将跟随着以下步骤：

b)将制备的混合物注射到分别适合于第一元件(例如，元件1)和第二元件(例如，元件3a或3b)的形状的模具中，以便获得两个生坯坯料，这两个生坯坯料分别是第一和第二元件的生坯坯料。

这种PIM类型(如果粉末是金属的，则为MIM)的制造技术是众所周知的并且已经为人掌握。然后：

c)一旦粘合剂变得粘稠，就将两个生坯坯料从相应模具移除。

必要时，一旦生坯部件(或元件)已脱粘，则与褐坯部件(或元件)不同，指定所述生坯部件是从模具提取的其注射状态；参见步骤f)。

必要时，则可以预先定位至少一些模制元件。

这在图2中说明：具有支架7的工具已插入元件3a和3b之间。这些支架7竖立在将存在于元件3a和3b之间的一系列元件1将定位的位置，在内环的外环段或区段3a和3b之间的轮叶10也如此。

具有支架7的工具用于在以下步骤d)和e)期间固持元件1。

在步骤d)中，准备将在步骤e)中执行的组装。

因此，步骤d)确保加热两个生坯坯料1、3a和/或1、3b中的至少一个的至少一个组装区域，例如图3中的区域1a和/或1b，所述至少一个组装区域位于待组装在一起的所述两个生坯坯料之间的界面处；参见图4中的区域9a，9b。

在此实例中只在元件1/3a、3b(即，一系列元件1)中的一个上执行的加热通过加热构件11a、11b获得，所述加热构件可以是电阻或例如蒸汽射流。

每个加热构件11a、11b布置成作用在属于前述界面或组装区域9a，9b的每个元件1的端部或端面1a或1b上，直到熔融粘合剂存在于两个生坯坯料1、3a和/或1、3b中的至少一个的位置处；参见图3。

在图3的此实例中，它因此是随后具有熔融粘合剂13的端部1a和1b中的一个和/或另一个。下文更详细地解释可以呈现此熔融粘合剂13的方式。

在任何情况下，一旦完成，则可以：

e)借助于所述至少一个组装区域9a，9b组装两个生坯坯料1、3a和/或1、3b，以便获得所述部件5的总体生坯坯料；参见图4，然后

f)从部件5的总体生坯坯料去除粘合剂(其可以是热塑性的)的至少一部分，以便获得脱粘的总体生坯坯料(换句话说，根据经常使用的术语，褐坯坯料)，以及

g)在脱粘的总体生坯坯料上执行至少一个烧结处理。

一经移除具有支架7的工具(参见图5，在熔融粘合剂的组装和冷却/固化之后)，就将获得在图5中标记为5至5a的最终褐坯坯料，其可以在准备好使用之前经历一个或多个最终机械加工操作，如在图6中的实例中。

可能已经在组装之后，但在脱粘之前进行了一个或多个中间机械加工操作。

脱粘参数(温度、密闭大气等)不仅取决于粘合剂的性质，而且还取决于粉末(在这种情况下为金属)的性质。

主要脱粘技术是：热降解、溶解在溶剂中，或两者的组合。

在脱粘坯料上，烧结处理将使其能够致密化。

存在熔融粘合剂的界面区域的至少部分加热可以通过添加额外的粘合剂来实现，如图4中通过界面区域之间的标记13a所示。

在这种情况下，对于结晶质量，可以优选：

-在施加所述额外量的粘合剂之前，熔融此额外量的粘合剂13a，

-然后在所述组装区域9b的位置处施加额外量的熔融粘合剂，

-并且然后执行步骤e)的组装步骤。

应注意，粘合剂13a的此类预熔融将优选地在与原料混合的粘合剂上执行。

在图4的实例中，可以提供两个系列的区域13或两个系列的区域13a，而不是每个区域中的一个，尽管图3和4示出在区域13a中，元件1的端部1b已经被加热(类似于1a)，直到每个元件1的此区域已变成糊状(图3)，且同时将所述额外量的粘合剂13a在两个元件1、3b的界面处，即在组装区域(图4)中施加到所述元件。

因此，在这种情况下，已经确保将所述额外量的熔融粘合剂13a在元件间组装区域的位置上施加在两个生坯(坯料)元件1、3b上。

在以此方式熔融一个或多个边缘的情况下，可以安全地且确切地执行步骤e)的组装步骤：

-通过在所述组装区域13和/或13a的位置处将两个生坯坯料相互抵靠，且然后

-通过朝向彼此按压两个生坯坯料，如在图4中通过箭头15所示。

应注意，在步骤d)中，待组装在一起的两个生坯坯料中的至少一个的至少所述组装区域9a和/或9b在实例中已：

-加热，直到熔融粘合剂+/-5℃处于75℃与85℃之间，以及

-此加热已持续2s到15s之间。

在界面处可能需要介于0.5mm与2mm之间(对于整流器区段或喷嘴区段应用，优选地高达1mm)的额外厚度L(图3)，以便在组装期间在施加压力的情况下(压力可能在5MPa与30MPa之间且为约10MPa至上述应用的20％内)，最终部件5到5a的尺寸符合要求且部件未被压碎。

因此，组装的精度很重要并且对最终尺寸具有影响。这就是为什么在压配合组装(步骤e；图4)期间提供具有支架7的工具的一个原因。

在组装期间，在任何情况下必须确保施加足够压力，使得界面区域9和/或9a不只是塑料粘合剂的界面，更在于粘合剂此时与金属粉末混合。

关于可以存在于两个生坯坯料中的至少一个的所述组装区域的位置处的材料的前述额外厚度L，预期具体来说由于施加的组装压力，材料的额外厚度应在步骤e)结束时应至少部分地消失。

实际上，如果存在，则材料的此额外厚度L将在施加组装压力的方向上延伸；图4中的方向P。

具体来说，其可包括所讨论的元件1、3a或3b中的至少一个的额外长度或额外厚度，可能仅为局部的。

上文呈现的MIM成型可能用陶瓷而不是金属粉末制造。对于此类CIM成型，作为非限制性实例，所使用的粉末可以单独地或以混合物形式为硅铝化合物、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、氮化硅、碳化硅中的一种。

Claims (12)

1.一种用于制造飞机或飞机的涡轮机部件(50)的方法，通过所述涡轮机部件的至少第一生坯元件(1)和第二生坯元件(3a、3b)的注射成型来制造，其中：

a)为第一和第二元件中的每一个制备粉末和聚合粘合剂的混合物，其中聚合粘合剂是液体或熔融的，所述混合物适合于使粉末颗粒能够粘合在一起，

b)将所制备的混合物注射到分别适合于第一和第二元件的形状的模具中，以便分别获得第一和第二元件的两个生坯坯料，

c)一旦粘合剂变得粘稠，就将所述两个生坯坯料从相应模具中移除，

d)加热所述两个生坯坯料中的至少一个的至少一个组装区域(9a，9b)，所述至少一个组装区域必须位于待组装在一起的所述两个生坯坯料之间的界面(13，13a)处，使得熔融粘合剂存在于所述组装区域的位置处，

e)通过所述至少一个组装区域将所述两个生坯坯料组装在一起，以便获得所述部件的总体生坯坯料，

f)将所述粘合剂的至少一部分从所述总体生坯坯料移除，以便获得脱粘的总体生坯坯料，以及

g)在脱粘的总体生坯坯料上执行烧结处理，

其特征在于，待制造的部件(50)是涡轮机压缩机整流器区段或涡轮机涡轮喷嘴区段，并且所述第一元件和所述第二元件的相应的所述两个生坯坯料分别是：

-所述整流器区段或喷嘴区段的整流轮叶(10)的至少一部分的生坯坯料，以及

-所述整流器区段或喷嘴区段的外环(30a)区段或内环(30b)区段的生坯坯料，所述整流轮叶的所述至少一个部分的一端将在步骤e)中与其组装在一起。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤d)期间，通过在所述组装区域(9a，9b)的位置处施加额外量的粘合剂来加热待组装在一起的所述生坯坯料中的至少一个的所述组装区域。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述额外量的粘合剂施加到所述组装区域(9a，9b)，并且步骤e)的组装步骤包括：

-在施加所述额外量的粘合剂之前，熔融所述额外量的粘合剂，

-在所述组装区域(9a，9b)的位置处施加所述额外量的熔融粘合剂，且随后

-执行步骤e)的组装步骤。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，往所述组装区域(9a，9b)的位置处施加所述额外量的熔融粘合剂包括将所述额外量的熔融粘合剂施加到所述两个生坯坯料上的所述组装区域。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤d)期间，通过在所述组装区域(9a，9b)的位置处，将热能供应到所述两个生坯坯料中的至少一个来加热待组装在一起的所述两个生坯坯料中的至少一个的所述至少一个组装区域(9a，9b)，直到所述熔融粘合剂存在于其中。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，步骤e)的组装步骤通过以下方式执行：

-在所述组装区域(9a，9b)的位置处将所述两个生坯坯料相互挤压，然后

-朝向彼此按压所述两个生坯坯料。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：

-在步骤d)期间，加热待组装在一起的所述两个生坯坯料中的至少一个的至少所述组装区域，直到熔融粘合剂+/-5℃处于75℃与85℃之间。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，待组装在一起的所述两个生坯坯料中的至少一个的所述至少一个组装区域加热2s到15s之间。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述两个生坯坯料中的至少一个的所述组装区域(9a，9b)的位置处，所述或每个生坯坯料具有材料的额外厚度(L)，所述额外厚度在步骤e)结束时在所述界面的位置处至少部分地消失。

10.根据权利要求6和9所述的方法，其特征在于，材料的额外厚度(L)在施加组装压力的方向上延伸。

11.根据权利要求9或权利要求9和10所述的方法，其特征在于，材料的额外厚度(L)在0.5mm与2mm之间。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤a)中制备的粉末和聚合粘合剂的所述混合物包括金属粉末。

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