CN114700599B - 基于放电等离子扩散焊的叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于放电等离子扩散焊的叶片，包括叶片本体、限位台和工艺台；所述工艺台连接在所述叶片本体的根部，所述限位台连接在所述工艺台远离所述叶片本体的一面内。本发明的基于放电等离子扩散焊的叶片中，限位台用于和焊接零件连接，工艺台主要起到限位的作用。限位台替代叶片本体和焊接零件直接接触，增大了待焊接面积，解决了焊接界面的压力问题，能够避免焊接过程中发生塑性变形，且温度均匀。

Description

基于放电等离子扩散焊的叶片

技术领域

本发明涉及蒙皮加工技术领域，具体涉及一种基于放电等离子扩散焊的叶片。

背景技术

请参照图1和图2，整体叶片100的工艺方法一般包括整体机械加工、熔焊焊接、线性摩擦焊、热压扩散焊等，每种工艺方法都有一定的缺点和局限性，具体如下：

(1)整体机械加工增加了锻件毛坯材料的尺寸和重量，材料利用率低，提高了加工难度大，产品合格率低，生产成本高，只能制造同种材料整体叶片100。

(2)熔焊焊接为铸造组织，容易存在气孔、夹渣、未焊合、组织粗大等缺点，接头性能和组织一致性较差，造成接头可靠性低，产品合格率低等问题。

(3)线性摩擦焊制造整体叶片100具有效率高，可操作性好，可制备同种材料和异种材料的整体叶片100，但是不能制造具有冷却通道的整体叶片100。

(4)热压扩散焊可制备复杂结构的整体叶片100，但是其为整体加热，在制备异质整体叶片100，很难同时兼顾两种材料的匹配的焊接工艺，焊接时间长，基体材料性能损失较大。

放电等离子扩散焊是借鉴放电等离子烧结过程中脉冲大电流促进塑性变形和原子扩散等工艺过程的原理，引入块状材料的固相扩散焊中形成快速扩散焊接的新方法。放电等离子扩散焊主要在于脉冲大电流通过焊接试样，对焊接界面进行加热，在脉冲大电流和压力作用下将等离子活化界面、电场、热压和电阻加热融为一体，促使表面离子快速迁移，促进原子快速扩散，快速形成牢固焊接接头，接头质量高，可将叶片依次焊接在叶片上形成整体叶片100，不增加构件重量，材料利用率高，生产成本低。不同于其它制造方法，放电等离子扩散焊采用脉冲电流加热、通过上下压头的冷却循环水降温，同时整个过程中存在较大的温度梯度，整个过程中存在电流场、温度场，因此需要针对此新方法开展整体叶片100的设计，保证焊接过程接头质量稳定性。

采用放电等离子扩散焊具有显著的优势，但是同时也会引入新的技术问题。

放电等离子扩散焊的焊接方法存在以下问题：

1、如何保证焊接压力满足要求？在整体叶片100的研制过程中，叶片叶身101内部可能存在空心结构或叶片叶身101的形状基本加工到位，因此焊接时不能对叶片叶身101处施加压力，因此加压面为叶片的榫头102处，但是榫头102处的加压面有限，以某型发动机的低压涡轮整体盘为例，榫头102处可施压面积不足总面积的1/2，而焊接面的待焊面积约为榫头102面积的2/3，因此需要解决焊接界面的压力问题。

2、如何保证焊接过程不发生突变的塑性变形？放电等离子扩散焊同常规扩散焊一样，需要在一定的焊接温度下进行长时间保温，材料发生塑性变形，最终实现扩散连接，不同处在于焊接过程为电流加热，同时存在温度梯度，焊接界面处的温度最高，因此实际焊接过程中，当界面处发生塑性变形，两侧金属移动到界面，由于两侧的金属温度低，因此系统将会迅速增加电流，提高温度，整个过程非常迅速，导致界面处可能存在短时的温度过高现象，而焊接温度在固溶温度附近，短时的高温超过材料的固溶温度，导致材料进一步的发生塑性变形，进而重复上述过程，整个焊接过程将会发生大的塑性变形，因此需要解决此问题。

3、如何保证焊接界面处温度最高且均匀？放电等离子扩散焊加热方式为脉冲电流通过材料，由于电阻产生热量，达到焊接温度。因此要求在整体叶片100的设计时，保证焊接界面处的电阻高，同时电流密度大，形成较大的温度梯度，促进扩散焊接。

因此，本发明提供了一种基于放电等离子扩散焊的叶片。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种基于放电等离子扩散焊的叶片，解决了焊接界面压力过大、易发生塑性变形和焊接温度不均匀的技术问题。

(2)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于放电等离子扩散焊的叶片，包括叶片本体、限位台和工艺台；

所述工艺台连接在所述叶片本体的根部，所述限位台连接在所述工艺台远离所述叶片本体的一面内。

可选地，所述限位台为第一锥台形，所述限位台远离所述工艺台一端的横截面小于所述限位台靠近所述工艺台一端的横截面。

可选地，所述限位台的第一倾斜角度为15°～45°。

可选地，所述工艺台为第二锥台形，所述工艺台远离所述叶片本体一端的横截面小于所述工艺台靠近所述叶片本体一端的横截面。

可选地，所述工艺台的第二倾斜角度为15°～45°。

可选地，所述工艺台的长宽比例为1～1.5。

可选地，所述限位台远离所述工艺台的一面为焊接面，所述工艺台靠近所述限位台一面的面积和所述焊接面的面积之比为(2～3)：1。

可选地，所述限位台连接在所述工艺台一面的面积和所述焊接面的面积之比为(1.5～2)：1。

可选地，所述工艺台为第一方形，所述限位台为第二方形。

(3)有益效果

综上，本发明的基于放电等离子扩散焊的叶片中，限位台用于和焊接零件连接，工艺台主要起到限位的作用。限位台替代叶片本体和焊接零件直接接触，增大了待焊接面积，解决了焊接界面的压力问题，能够避免焊接过程中发生塑性变形，且温度均匀。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述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是现有技术中整体叶片的一结构示意图；

图2是现有技术中整体叶片的另一结构示意图；

图3是本发明一实施例中基于放电等离子扩散焊的叶片的一结构示意图；

图4是本发明一实施例中基于放电等离子扩散焊的叶片的另一结构示意图。

图中：100-整体叶片；101-叶片叶身；102-榫头；10-叶片本体；20-限位台；30-工艺台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

请参照图1至图4，本实施例提出的一种基于放电等离子扩散焊的叶片，包括叶片本体10、限位台20和工艺台30；所述工艺台30连接在所述叶片本体10的根部，所述限位台20连接在所述工艺台30远离所述叶片本体10的一面内。

本实施例的基于放电等离子扩散焊的叶片中，限位台20用于和焊接零件连接，工艺台30主要起到限位的作用。限位台20替代叶片本体10和焊接零件直接接触，增大了待焊接面积，解决了焊接界面的压力问题，能够避免焊接过程中发生塑性变形，且温度均匀。

在一实施例中，所述限位台20为第一锥台形，所述限位台20远离所述工艺台30一端的横截面小于所述限位台20靠近所述工艺台30一端的横截面，即限位台20的下端面的面积小于限位台20上端面的面积，焊接过程中，界面压力小于材料本身的屈服强度，限位台20的横截面是渐进变化的，能够实现压力均匀变化。其次，能够保证焊接过程中，不会发生突然的连续变形。当焊接变形发生时，待焊接的面积增大，焊接压力减小，进而保证焊接过程的温度，同时采用此种方法可以实现焊接电流的聚集，保证焊接界面处焊接电流密度最大。

若限位台20的倾斜角度太小，则难以满足要求，若限位台20的倾斜角度太大，焊接界面突变大，导致焊接压力变化大，导致焊接过程只发生微量的变形难以满足焊接要求。故在一实施例中，所述限位台20的第一倾斜角度为15°～45°。

在一实施例中，所述工艺台30为第二锥台形，所述工艺台30远离所述叶片本体10一端的横截面小于所述工艺台30靠近所述叶片本体10一端的横截面。焊接时，假如限位台20被全部消耗完，限位台20融入了工艺台30的下端面，此时，工艺台30可以继续充当限位台20的作用。另一方面，工艺台30具有限位的作用，一旦限位台20被全部消耗掉后，工艺台30充当限位台20的作用时，由于工艺台30的长度和宽度比限位台20的长度和宽度大很多，所以，工艺台30很难继续被消耗。同理，在一实施例中，所述工艺台30的第二倾斜角度为15°～45°。

由于叶片本体10的长宽比较大，采用放电等离子扩散制作整体叶片100为局部加热，待焊零件表面进行辐射散热，因此，叶片本体10的形状易导致温度场分布不均匀，为了避免这一现象，在一实施例中，所述工艺台30的长宽比例为1～1.5，工艺台30的长宽比远小于叶片本体10的长宽比，加热均匀，散热均匀。

在一实施例中，所述限位台20远离所述工艺台30的一面为焊接面，所述工艺台30靠近所述限位台20一面的面积和所述焊接面的面积之比为(2～3)：1，工艺台30靠近所述限位台20一面的面积大于焊接面的面积，能够保证焊接压力要求，同时工艺台30的压力不大于材料的屈服强度，能够防止工艺台30变形。

在一实施例中，所述限位台20连接在所述工艺台30一面的面积和所述焊接面的面积之比为(1.5～2)：1。即限位台20的上端面和限位台20的下端面之比为(1.5～2)：1，当限位台20的倾斜角度确定的情况下，限位台20的上端面和限位台20的下端面之比能够决定限位台20的厚度，由于工艺台30的限位作用，限位台20的厚度决定了焊接时的最大变形量。限位台20的上端面和限位台20的下端面之比为(1.5～2)：1时，能够合理利用材料，焊接效果更好。

在一实施例中，所述工艺台30为第一方形，所述限位台20为第二方形。可以理解的是，工艺台30和限位台20还可以为其他形状。

在一实施例中，叶片的焊接方法包括：

S1、设计上述的基于放电等离子扩散焊的叶片，其中，所述工艺台30靠近所述限位台20一面的面积和所述焊接面的面积之比为2.5:1；工艺台30的长宽比为1.4:1；限位台20的上端面和下端面之比为1.8:1；限位台20的倾斜角度为30°；

S2、用高温合金材料加工成叶片；

S3、用高温合金加工成轮盘；

S4、焊前清洗焊接工装和焊接零件并烘干。

S5、装配叶片和轮盘保证两者的装配精度；

S6、关闭炉门，进行抽真空操作，待真空度达到10^-2Pa以下，执行焊接程序进行放电等离子扩散焊，焊接温度900℃～980℃，焊接压力5MPa～35MPa,保温15～60min。

S7、焊接后，打开炉门，实现一个叶片的精准焊接重新开始步骤S3至S5，依次实现叶片的焊接，实现整体叶片100的制造。

以上仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (4)

1.一种基于放电等离子扩散焊的叶片，其特征在于，包括叶片本体、限位台和工艺台；

所述工艺台连接在所述叶片本体的根部，所述限位台连接在所述工艺台远离所述叶片本体的一面内；

所述限位台为第一锥台形，所述限位台远离所述工艺台一端的横截面小于所述限位台靠近所述工艺台一端的横截面；

所述限位台的第一倾斜角度为15°～45°；

所述工艺台为第二锥台形，所述工艺台远离所述叶片本体一端的横截面小于所述工艺台靠近所述叶片本体一端的横截面；

所述工艺台的第二倾斜角度为15°～45°；

所述工艺台的长宽比例为1～1.5。

2.根据权利要求1所述的基于放电等离子扩散焊的叶片，其特征在于，所述限位台远离所述工艺台的一面为焊接面，所述工艺台靠近所述限位台一面的面积和所述焊接面的面积之比为（2～3）：1。

3.根据权利要求2所述的基于放电等离子扩散焊的叶片，其特征在于，所述限位台连接在所述工艺台一面的面积和所述焊接面的面积之比为（1.5～2）：1。

4.根据权利要求1至3任一项所述的基于放电等离子扩散焊的叶片，其特征在于，所述工艺台为第一方形，所述限位台为第二方形。

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