CN116635177A - 制造用于涡轮发动机的叶片的方法 - Google Patents

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皮埃尔·金·萨洛特
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Saifeng Aerospace Propulsion Co
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Abstract

本发明涉及一种用于制造用于涡轮发动机的叶片(2)的方法，所述涡轮发动机包含连接到在纵向方向上延伸的轮叶(4)的根部(6)，所述方法包括以下步骤：‑提供组合件(10)，所述组合件包括：○第一部分(12)，其既定形成所述叶片(2)的根部(6)；○第二部分(14)，其在所述纵向方向上从所述第一部分(12)突出延伸；‑提供包括第一模腔(50)和第二模腔(52)的模具，所述第一模腔和所述第二模腔一起界定空腔(58)，所述空腔(58)包括第一空间(64)和第二空间(66)；‑将所述第一部分(12)布置于所述空腔(58)的所述第一空间(64)中且将所述第二部分(14)布置于所述空腔(58)的所述第二空间(66)中；‑注入基于铝的合金，此合金形成第三部分(16)。

Description

制造用于涡轮发动机的叶片的方法
技术领域
本发明涉及制造用于涡轮发动机的叶片的方法，所述叶片包含由基于钛的合金制成的根部，所述根部连接到基于铝的轮叶。
背景技术
寻求新颖的涡轮发动机架构以便满足航空要求。此新颖架构需要使用能够承受高旋转速度的压缩机。此架构的改变产生额外的或新的应力，在制造压缩机的转子和定子叶片2时有必要考虑所述应力。
其中，旋转叶片的质量尤其是挑战。常规地，制造包括根部和轮叶的叶片是已知的，所述叶片是用钛生产，以便对组合件提供某一机械强度。然而，由钛合金制成的叶片强加高离心力，特定来说对承载所述叶片的圆盘强加高离心力，从而使得对低密度材料解决方案的搜寻是必要的。
使用例如铝等合金来减小叶片的密度并不是没有后果。如图1中所示，用于将由基于铝的合金制成的轮叶4焊接到由基于钛的合金制成的根部6的当前方法导致仅仅加载所述根部6与轮叶4之间的连接区8。由于所要连接的两种材料的特性，用常规焊接方法实施此焊接是极困难的或甚至是不可能的。这是因为钛和铝的熔点极为不同，且此焊接随后造成连接区8中形成脆弱的金属间相。即使焊接仍是可能的，轮叶4与根部6之间的形成表面-表面界面的含有脆弱金属间相的连接区8存在断裂风险，因为轮叶4与根部6之间的所有力都集中于脆弱的连接区8上。当涡轮发动机的旋转速度高时，此断裂风险都是较大的。
如果利用例如钎焊或铆接等其它组装方法，那么问题仍然类似。这是因为在此类情形下，连接区8中的刺穿会造成机械应力集中于此连接区8中，这可能造成裂缝。
发明内容
本发明涉及一种用于制造用于涡轮发动机的叶片的方法，所述涡轮发动机包含连接到在纵向方向上延伸的轮叶的根部，所述方法包括以下步骤：
-提供组合件，所述组合件包括：
○第一部分，其既定形成所述叶片的根部，此第一部分是由基于钛的合金生产，
○第二部分，其在所述纵向方向上从所述第一部分突出延伸；
-提供包括第一模腔和第二模腔的模具，所述第一模腔和所述第二模腔一起界定其中既定形成所述叶片的空腔，所述空腔包括既定形成所述轮叶的第一空间和既定形成所述根部的第二空间；
-将所述第一部分布置于所述空腔的第一空间中且将所述第二部分布置于所述空腔的第二空间中；
-注入基于铝的合金，此合金形成第三部分，所述第二部分嵌入于所述第三部分中。
以此方式，由注入模具的基于铝的合金制成的叶片的第三部分将嵌入第二部分，这因此确保第三部分在叶片根部上的最佳径向固持。叶片与根部之间的连接因此不再是问题：所述第二部分提供机械组装以及根部与轮叶之间的附接构件。应理解，第二部分和第三部分一起形成轮叶。
第一部分由具有1600℃与1700℃之间的熔点的基于钛的合金制成，且第二部分由具有500℃与600℃之间的熔点的基于铝的合金制成。铝和钛的熔点之间的此差异限制了一方面的第三部分与另一方面的第一部分和第二部分之间的相互作用，且因此限制脆弱相的形成。
所述组合件可用增材制造生产。
第二部分可以包括大体U形状，其包含通过顶部部分连接的第一臂和第二臂。
第二部分通过其形状当轮叶不充分硬时使轮叶变硬。此第二部分因此通过其形状包括用于调整轮叶的硬度的构件。
第一臂和/或第二臂可以包括突起。
所述突起带来大的比表面积，从而提供第一部分与第三部分的有效锚定。
所述突起可以包含横向朝向所述大体U形状的内部延伸的突起和/或横向朝向所述大体U形状的外部延伸的突起。
所述第二部分可以包含能够接收来自叶片外部的热空气的至少一个内部空气循环回路。
第二部分的内部空气循环回路因此加热轮叶且因此避免冰的积聚。
内部空气循环回路可以包括在第三部分的外表面上出现的空气出口。
此内部空气循环回路还改进了轮叶的空气动力学，且去除在第一部分附近和在形成后边缘的第三部分的外表面附近循环的限制层。
附图说明
[图1]示出涡轮发动机叶片的示意图；
[图2]示出：
-在图2A中，根据本发明的包括第一部分和第二部分的组合件的第一实施例的示意图；
-在图2B中，根据本发明的从前方所见的涡轮发动机叶片的第一实施例的示意图；
-在图2C中，根据本发明的从侧面所见的涡轮发动机叶片的第一实施例的示意图；
[图3]示出根据本发明的包含空气循环回路的涡轮发动机叶片的第二实施例的示意图；
[图4]示出根据本发明的包含空气循环回路的涡轮发动机叶片的第三实施例的示意图；
[图5]示出根据本发明的模具的示意图；
具体实施方式
本发明涉及叶片2，其包括由基于钛的合金制成的根部6，所述基于钛的合金与用于承载叶片2的所述根部6的圆盘(或套环)的材料相容。
此相容性使得有可能设想例如通过摩擦焊接在纵向延伸的叶片2与圆盘(或套环)之间进行直接组装。所述叶片2还包含包括铝合金的轮叶4。
图2示出根据本发明的涡轮发动机叶片2的第一实施例的示意图。更确切地，图2A示出包括第一部分12和第二部分14的组合件10的示意图。图2B是从前方所见的涡轮发动机叶片2的示意图，且图2C是从侧面所见的涡轮发动机叶片2的示意图。
如图2中所示，第二部分14包括大体U形状，其适于在纵向方向上在叶片的纵向尺寸的20％与90％之间的纵向尺寸上从第一部分12突出延伸。此第二部分14既定与第三部分16一起形成叶片的轮叶。此第二部分14包含通过顶部部分22彼此连接的第一臂18和第二臂20。第一臂18和第二臂20各自包括在与顶部部分22相对的侧上的末端24a、24b。第一臂18和第二臂20的这些末端24a、24b各自连接到第一部分12。第一臂18和第二臂20中的一个或另一个或这两者包括突起26。这些突起26包括横向延伸到所述大体U形状的内部26a的突起和/或横向朝向所述大体U形状的外部26b延伸的突起。这些突起26形成包括表面状态的附接区，使得与第三部分16的附接得到优化。
第一部分12既定形成叶片2的根部6。第一部分12可以具有初始不同于叶片2的根部6的最终形状的形状。可因此对可形成根部的预成型坯的此第一部分12进行加工，以便匹配于所需的叶片2的根部6的最终形状。
根据图3中所示的第二实施例，以类似于第一实施例的方式，叶片2包含第一部分12、第二部分14和第三部分16。在此实施例中，第二部分14包含内部空气循环回路28。此内部空气循环回路28包含第一区段30，所述第一区段具有在与轮叶4的相对侧上在第一部分12外部出现的末端32。此内部循环回路28还包括在第二部分14内部通过的具有大体U形状的第二区段34，以及连续地连接到第二区段34且在与轮叶相对的侧上在第一部分外部出现的第三区段36。
根据图4所示的第三特定实施例，以类似于第一实施例的方式，叶片2包含第一部分12、第二部分14和第三部分16。在此第三实施例中，内部空气循环回路28以在与顶部部分相对的末端处的第一臂18开始。与顶部部分22相对的此末端包含邻近于第一部分12的第一区38和在叶片2外部出现的第二区40。此第二区40可包括在第三部分的纵向尺寸的0与80％之间的尺寸上在叶片外部出现的单个区或在叶片外部出现的多个区。第二部分14的第二臂20是自由的，即不连接到第一部分12，且包括在第三部分16的外表面上出现的空气出口42。这些空气出口42可以例如数目为三个，但此空气出口数目不是限制性的，且可能存在单个空气出口或多个空气出口。
如图5中所示，使用模具44制造此叶片2。要制造的所述叶片2最终匹配于模具44的几何形状。模具44至少包括第一壳体46和第二壳体48，所述壳体一个抵靠着另一个进行布置而形成所述模具44。第一壳体46包含形成第一模腔50的第一内部面。第二壳体48包含形成第二模腔52的第二内部面。当第一壳体46和第二壳体48一个抵靠着另一个进行组装时，第一模腔50和第二模腔52一起形成其中既定形成叶片的空腔58。
第一模腔50和第二模腔52各自包括第一区60a、60b和第二区62a、62b。第一模腔50的第一区60a与第二模腔52的第一区60b一起界定空腔58的第一空间64，所述第一空间既定形成轮叶。第一模腔50的第二区62a与第二模腔52的第二区62b一起界定空腔58的第二空间66，所述第二空间既定接纳叶片2的第一部分12。空腔58的第一空间64和空腔58的第二空间66一起形成模具44的内部空腔58，所述内部空腔既定接纳叶片2的第二部分14。
第一壳体46包含第一内部通道54，所述第一内部通道的第一末端在空腔58的第一部分64处出现且所述第一内部通道的第二末端在所述模具44外部出现。第二壳体48包含第二内部通道56，所述第二内部通道的第一末端在空腔58的第二部分66处出现且所述第二内部通道的第二末端在所述模具44外部出现。
空腔58的第一空间64界定既定形成叶片的第三部分的液体金属所注入的区。空腔58的第二空间66还能够特定接纳优选地通过增材制造而制造的叶片的根部。
根据本发明，第一部分12布置于空腔58的第二空间66中，且第二部分14布置于空腔58的第一空间64中。注入基于铝的合金以便形成第三部分16且嵌入第二部分14，第二部分随后被第三部分包围。第二部分14和第三部分16因此形成叶片2的轮叶4。
应理解，第二部分14确保了第三部分16在第二部分14上的附接，所述第二部分因此形成了既定形成铝合金轮叶2的部分的所述根部与第三部分16之间的附接构件。这是因为第二部分14的形状，且特定来说所述突起产生大的比表面积，从而提供第二部分14与第三部分16的有效锚定。第二部分的形状提供径向机械固持，且表面状态通过增加比表面积而在横向方向上优化附接。此表面状态还补偿了与所述U形周围的第三部分的固化相关的收缩。
当轮叶不充分硬时，第二部分14通过其形状进一步使轮叶变硬。此第二部分14因此通过其布置和构成而形成用于调整轮叶的硬度的构件。
第二部分的内部空气循环回路28可加热轮叶，且因此避免因轮叶的内部结构中的空气循环带来的冰积聚。此内部空气循环回路28还改进轮叶4的空气动力学，且去除在形成后边缘的第三部分的外表面附近循环的限制层。
第一部分12有利地由具有1600℃与1700℃之间的熔点的基于钛的合金制成，且第二部分由具有500℃与600℃之间的熔点的基于铝的合金制成。铝和钛的熔点之间的此差异限制了一方面的第三部分16与另一方面的第一部分12和第二部分14之间的相互作用，且因此限制脆弱相的形成。
可借助于增材制造方法获得第一部分12和第二部分。以此方式，第二部分14可具有适于在第二部分14上附接第三部分16的任何和形状。

Claims (7)

1.一种用于制造用于涡轮发动机的叶片(2)的方法，所述涡轮发动机包含连接到在纵向方向上延伸的轮叶(4)的根部(6)，所述方法包括以下步骤：
-提供组合件(10)，所述组合件包括：
○第一部分(12)，其既定形成所述叶片(2)的根部(6)，此第一部分(12)是由基于钛的合金生产，
○第二部分(14)，其在所述纵向方向上从所述第一部分(12)突出延伸；
-提供包括第一模腔(50)和第二模腔(52)的模具，所述第一模腔和所述第二模腔一起界定其中既定形成所述叶片的空腔(58)，所述空腔(58)包括既定形成所述轮叶的第一空间(64)和既定形成所述根部(6)的第二空间(66)；
-将所述第一部分(12)布置于所述空腔(58)的所述第一空间(64)
中且将所述第二部分(14)布置于所述空腔(58)的所述第二空间(66)中；
-注入基于铝的合金，此合金形成第三部分(16)，所述第二部分(14)嵌入于所述第三部分中。
2.根据权利要求1所述的用于制造叶片的方法，其特征在于，所述组合件(10)是通过增材制造生产的。
3.根据前述权利要求中任一项所述的用于制造叶片的方法，其特征在于，所述第二部分包括大体U形状，所述大体U形状包含通过顶部部分(22)连接的第一臂(18)和第二臂(20)。
4.根据权利要求3所述的用于制造叶片的方法，其特征在于，所述第一臂(18)和/或所述第二臂(20)包括突起(26)。
5.根据权利要求4所述的用于制造叶片的方法，其特征在于，所述突起(26)包含横向朝向所述大体U形状的内部(26a)延伸的突起和/或横向朝向所述大体U形状的外部(26b)延伸的突起。
6.根据前述权利要求中任一项所述的用于制造叶片的方法，其特征在于，所述第二部分(14)包含能够接收来自所述叶片(2)外部的热空气的至少一个内部空气循环回路(28)。
7.根据权利要求(6)所述的用于制造叶片的方法，其特征在于，所述内部空气循环回路(28)包括在所述第三部分(16)的外表面上出现的空气出口(42)。
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