CN1671498B - 桨叶及其制造方法、包括桨叶的低压压缩机和涡轮喷气发动机风扇 - Google Patents

Abstract

本发明的机械构件(50)具有主方向，沿着主方向扩展形成内芯(52)的中心区域以及形成外壳(54)的外围区域，外壳(54)包围所述内芯(52)，所述内芯(52)和所述外壳(54)相互之间呈现为冶金结合，所述内芯(52)由呈现为至少一个金属基体的第一材料制成，并且所述外壳(54)由呈现为至少一个金属基体的第二材料制成。构件的特征在于第一和第二材料的所述金属基体具有相同基底金属，并且所述第一和第二材料中至少之一由包含分散在所述金属基体内的增强成分的金属基体复合材料制成。构件优选地用作低压压缩机的风扇桨叶。

Description

桨叶及其制造方法、包括桨叶的低压压缩机和涡轮喷气发动机风扇

技术领域

本发明涉及获得一种机械构件，该构件具有一个主方向，沿着主方向扩展形成内芯的中心区域以及扩展形成外壳的外围区域，外壳包围所述内芯，所述内芯和所述外壳相互之间呈现为冶金结合，所述内芯由呈现为至少一个金属基体(matrix)的第一材料制成，并且所述外壳由呈现为至少一个金属基体的第二材料制成。

更精确地，本发明涉及到：

-由两部分制成的机械构件，两部分包括呈现为至少一个金属基体的第一材料制成的内芯和由呈现为至少一个金属基体的第二材料制成外壳或者护套；以及

-可以获得上面指定机械构件的制造方法，通过执行这种方法，可以获得机械构件。

特别地，以非限定性方式，本发明涉及到获得机械构件，该机械构件中第一材料和/或第二材料的金属基体呈现为以铝作基底金属。

在优选的但非限定性应用中，本发明涉及到一种机械构件，该机械构件用于航空领域，特别在压缩机的移动桨叶和静止叶片中，特别在低压压缩机，或者用作涡轮喷气发动机的风扇桨叶。

不过，本发明不限于制作桨叶或者叶片，也不单独用于航空领域：可以设想其他类型机械构件，特别在机床或者在汽车工业，例如外壳、管子、气缸或者刹车的耐磨构件。

背景技术

具体地，不同类型的应用中需要不断地降低重量和呈现良好的机械强度特性以及抵抗高温的能力。

因此，特别在航空领域，更精确地在涡轮喷气发动机中，材料需要具有良好的机械强度特性和抵抗高温的能力，特别在制造静止叶片和/或移动桨叶中。

目前，为了达到这个目的，钛合金得到广泛应用，从而要特别地忍受高原材料成本的缺点，并且有时其重量过大。

寻求使由钛制成的构件中空以减轻结构重量的解决方案也在应用，因此也需要制造技术相对复杂并且昂贵。

可以参考美国专利6218026，该专利提出用两种不同钛合金特别地配制成一种混合机械构件，两种不同钛合金各自布置在构件的内部分和外部分。参照现有技术文档，内部分和外部分通过由热等静压获得的冶金结合连接在一起。

无论如何，目标是获得机械构件，机械构件内部分的弹性模量大于外部分的弹性模量以在不明显改变其密度的情况下提高机械性能。

不过，从机械构件的重量角度以及从原材料成本角度讲，钛合金的应用也是不合乎要求的，假使热等静压技术执行起来是昂贵的。

发明内容

本发明的目的是通过提出一种机械构件以及提出应用容易执行的冶金技术来制造该构件的方法以减少那些现有技术的缺点。

一方面，本发明因此提供一种桨叶，所述桨叶通过初始压缩步骤、以及使桨叶具有准最终形状的随后锻造步骤获得，所述桨叶具有主方向，沿着主方向扩展形成内芯的中心区域以及形成外壳的外围区域，外壳包围所述内芯，所述内芯和所述外壳相互之间呈现为由于所述压缩步骤产生的冶金结合，所述内芯由具有金属基体的第一材料制成，并且所述外壳由具有金属基体的第二材料制成，其中，第一和第二材料的所述金属基体以铝作为基底金属，并且所述第一和第二材料中至少之一由还包含分散在基于铝的金属基体中的增强成分的所述基于铝的金属基体复合材料制成。

这样，可以理解获得呈现为内芯和涂层的构件是可能的，在内芯和涂层之间界面由质量良好的物理-化学结合构成。质量良好是因为都基于相同的基底金属的第一和第二材料的相似性所至。

形成可以参考作为“复合”构件的单一构件的两种材料的界面的特性是非常重要的，特别当至少一种材料是金属基体复合材料时：应用相同的材料作为第一和第二材料复合材料的基体，在获得两者之间形成高机械强度冶金结合的内芯和外壳方面是非常重要的。

此外，因为在所述第一和第二材料中至少之一内存在增强成分，这种安排使需要增强的部分得到增强以提高其机械强度以及抵抗高温的能力成为可能，同时还保持与金属基体相似的整体密度。

附带地，应该注意到，取决于这种机械构件的扩展应用，第一和第二材料(内芯和外壳)之一或者第一和第二材料(内芯和外壳)都由在其内分散有增强成分的金属基体构成。

在第一种情况中，第一材料的复合材料与第二材料的复合材料不同，至少关于增强成分的数量不同。

在独立或者复合中，下列布置优选地采用：

-所述基底金属是铝；

-所述第一和第二材料的金属基体分别由第一合金和第二合金构成，所述第一合金和第二合金从ASTM标准系列2000、5000、6000或7000中的铝基合金中选择。优选地，所述第一合金和第二合金从ASTM标准系列2000、5000、6000或7000中的铝基合金相同系列中选择，特别从2000系列；

-所述增强成分是碳化硅(SiC)、氧化铝(Al₂O₃)、或者金属碳化物例如钨、硼、钛碳化物的微粒；

-所述增强成分的重量不超过所述金属基体复合材料组分重量的50％；优选地，增强成分的重量为所述金属基体构成的复合材料重量的5％到35％，更优选地为10％到20％，最优选地为15％；

-所述第一和第二材料之一由包含分散在所述金属基体内的增强成分的金属基体复合材料制成，第一和第二材料的另外一个仅由所述金属基体制成；

-所述第一材料仅由所述金属基体制成，金属基体以铝作为基底金属，所述第二材料由包含分散在所述金属基体内的增强成分的金属基体复合材料制成，所述金属基体以铝作为基底金属并且所述增强成分由碳化硅微粒制成：这样优选是为了从Al/SiC可以抵抗腐蚀和冲击的良好性能以及其更大的刚度中受益；

-所述第一和第二材料由包含分散在所述金属基体内的增强成分的金属基体复合材料制成，所述增强成分在所述内芯和外壳的金属基体复合材料组分中呈现不同的重量百分比；

-所述增强成分在金属基体复合材料组分中呈现的重量百分比在第一材料和第二材料中从所述内芯的中心到所述外壳的外围逐渐变化；

-对于所述增强成分，所述第一材料具有的所述金属基体复合材料组分的重量百分比大于在第二材料中的百分比；

-对于所述增强成分，所述第二材料具有的所述金属基体复合材料组分的重量百分比大于在第一材料中的百分比。

优选地但非限定性地，应用本发明的金属构件，所述金属构件构成一个桨叶。

这样的桨叶可以属于一个压缩机，特别是低压压缩机，并且可能构成一个静止叶片或者移动桨叶。

相似地，这样的桨叶可以用来制成涡轮喷气发动机的风扇。

另外一方面，本发明提供一种制造所述桨叶的方法，其特征在于，该方法包含如下连续步骤：

a)压缩内芯和外壳以制成包含内芯和外壳的半成品，所述内芯和所述外壳相互之间呈现为由于所述压缩产生的冶金结合，所述内芯由呈现为至少一个基于铝的金属基体的第一材料制成，并且所述外壳由呈现为至少一个基于铝的金属基体的第二材料制成，并且所述第一和第二材料中至少之一由包含分散在所述金属基体内的增强成分的金属基体复合材料制成；

b)锻造包含在先前步骤a)中已经压缩在一起的内芯和外壳的半成品以获得具有桨叶的准最终形状的坯件；并且

c)机加工所述坯件以提供形成所述桨叶的成品。

步骤a)可以以不在本发明范围内的方式执行。

在第一解决方案中，所述步骤a)包括通过粉末冶金技术结合地形成内芯和外壳。在该技术中，在基体内压缩粉末并接着应用“烧结”热处理，获得直接构成半成品的金属构件是可能的。

第一解决方案特别适合于希望获得机械构件，在该机械构件中所述增强成分占所述金属基体复合材料组分的重量百分比在所述第一材料(内芯)和第二材料(外壳)中从所述内芯的中心到所述外壳的外围是变化的，变化可以是从中心开始减少或者从中心开始增加，例如从最小0％到10％，并且最大不能超过重量的50％。

不过，第一解决方案并不限定于上面的情况，并且可以应用于下面提到的两种情况：

-所述第一和第二材料由包含分散在所述金属基体内的增强成分的金属基体复合材料制成，所述增强成分在所述内芯和外壳的金属基体复合材料组分中呈现不同的重量百分比；并且

-所述第一和第二材料之一由包含分散在所述金属基体内的增强成分的金属基体复合材料制成，而第一和第二材料的另外一个单独由所述金属基体制成。

在第二解决方案中，所述步骤a)在于接着实现下列子步骤：

a1)应用所述第一材料制成在纵向扩展的杆，所述杆用于形成放置在机械构件中心的所述内芯；

a2)应用所述第二材料制成在纵向扩展的套管，所述套管用于形成包围所述内芯的机械构件的外壳；

a3)将杆插入套管以形成一个组合件；并且

a4)将所述组合件穿过一个小截面孔以在垂直于所述组合件纵向的方向减小所述组合件的至少一个尺寸，以在所述杆和所述套管之间产生冶金结合。

第二解决方案适合于希望获得机械构件，在该机械构件中所述增强成分仅在所述第一和第二材料之一中呈现，所述第一和第二材料中的另外一个单独由所述金属基体制成的情况。粉末冶金技术于是更特别地应用于制造包含增强成分的内芯(第一材料)和外壳(第二材料)中的一个。

第二解决方案步骤a)的子步骤a4)优选地包括滚轧或者挤压组合件，即当组合件还是热的时候迫使它在更加接近的连续圆柱体对之间通过，或者穿过更小截面的模具。

总之，步骤a)应用执行压缩的技术。在内芯和外壳同步形成的同时(第一解决方案)，或者在它们作为分离件初始形成的同时(第二解决方案)，特别地在内芯和外壳之间应用压缩技术。这样是为在构成内芯和外壳的材料之间产生冶金类型的结合，以产生良好的界面。

必然地，这种冶金类型的结合形成的接触比机械结合更加密切一和第二材料如此接近以至于相互之间原子力开始起作用。这样的界面可使机械构件以令人满意的方式承受不同的压力。

当执行锻造步骤b)时，在本发明范围内的多种解决方案是可能的。

概括地，锻造包括冶金操作，冶金操作用来将升到某一足够使金属可锻的温度的锭坯通过金属变形来转换成具有确定形状的坯件，变形可以通过冲击(锤锻、冲压)或者通过在两个工具之间施加压力(封闭模压力)。

在一优选解决方案中，锻造步骤包括模具冲压。其他锻造技术也可以单独或者与模具冲压组合使用：压力锻造、锤锻……。

特别地，本发明的制造方法应用于单独由基于铝的所述金属基体制成的第一材料和由包含分散在所述金属基体内的增强成分的金属基体复合材料制成的第二材料，金属基体基于铝并且所述增强成分由碳化硅(SiC)微粒制成：这样优选使从铝合金与SiC微粒之间的良好相互作用中受益成为可能，如在美国专利6135193所解释，从而获得一种成本比钛低的材料。

此外，选择铝作为基底金属使从铝良好的延展性中受益成为可能，特别地在锻造步骤中，以及应用第二解决方案步骤a)的穿过更小截面的滚轧或者挤压步骤a4)中，并且也使从其良好的抵抗腐蚀行为中受益成为可能。

通过阅读下列通过示例给出的本发明的机械构件的实施例的描述，本发明的其它特性及其优点将更加清晰并且本发明可以得到更好的理解。

附图说明

描述和附图必然地通过非限定性显示方式给出。

参考附图，其中：

图1是显示有一个风扇和一个加速器的旁路涡轮喷气发动机的纵截面局部视图，通过示例来图解说明本发明的机械构件可能的应用；

图2是在可能的解决方案之一中，能够实现本发明的制造方法的一个步骤安排的纵剖面视图；

图3和4是具有平切的径向外端的桨叶的透视图，图解说明本发明的机械构件可能的应用，并且

图5是可作为本发明机械构件的另外一种桨叶的纵向剖面局部透视图。

具体实施方式

本发明的机械构件的可能应用的一个示例，以旁路涡轮喷气发动机100的形式显示在图1中。

涡轮喷气发动机100包括具有在纵向轴线102周围轴向布置的相互间有流体传送的不同部件的常规结构。特别地显示一个风扇104和一个加速器或助推器106。

必然地，这种发动机还具有这种结构的其它常规部件，特别是高压压缩机、燃烧室、高压涡轮机和低压涡轮机。为了清楚起见，这些不同的部件没有显示出来。

通过转子轴108，低压涡轮机驱动风扇104和加速器106旋转。

风扇104包括安装在环形盘112上的径向伸展的一组桨叶110：在图1中只显示了这些桨叶中的一个。必然地，盘112和桨叶110安装成绕发动机100的轴线102旋转。

发动机100还包含一个风扇外壳114。

加速器106包括多组安装在盘118上而旋转的移动桨叶116，并且在桨叶116之间安装有静叶片组120。

本发明涉及到获得一个特别适合构成风扇104的每个桨叶110的机械构件，和/或适合构成加速器106的每个移动桨叶116和/或每个静叶片120的机械构件。

同样，本发明的机械构件也可以构成这种涡轮喷气发动机的与图1相同或不同的其他部件的静/或移动叶片和/或桨叶，如压缩机，特别是低压压缩机。

如上面所提到的，除了需要制造坚固的机械结构单元的航空领域外，本发明的机械构件也可以用于提供一种相对轻质结构的领域。

适合获得上面提到的桨叶的本发明的制造方法的执行过程将在下面描述。

在这种非限定性的执行过程中，考虑到了制造一种包括由基于铝合金的第一种材料制成的内芯的桨叶，以及由金属基体复合材料构成的第二种材料制成的外壳，在金属基体复合材料中，金属基体是铝基合金，而其增强成分为碳化硅(SiC)微粒。

在这种情况下，铝杆10的初始制造采用传统铝合金制造工艺。

套管20也是用上面提到的形成金属基体复合材料的第二种材料制造，该复合材料可通过粉末冶金技术获得。

下一步骤在于将杆10引进套管20来形成一个组合件30：很明显，在杆10的外表面与套管20管壁的内表面之间存在间隙或均匀的空的空间。

为使组合件30的杆10与套管20固定在一起，并同时在两个部件之间获得一个好的界面，执行图2所示的挤压操作。

在图2中，组合件30看来是被插入模具42的进口40。该进口40是在形成减缩角的顶点具有半角α的截顶锥体。该进口40的上游直径大于套管20外径，而下游直径小于杆10的直径。

从而，当被快速强制通过模具42的进口40时，组合件30通过长度增加而截面减小，在杆10和套管20之间产生界面，这样杆10和套管20就一起在模具40的出口44形成了一个合成半成品32。

必然地，图2所示的挤压步骤可能包括逐次地穿过多个具有更小直径的模具。

在所示的执行过程中，减缩角α等于30°，通常，这个减缩角可在1°到50°的范围内，并且更优选地在5°到35°的范围内。

以这种方式，在组合件30与合成半成品32之间获得一个截面缩减，缩减的范围为10％到70％，并且更优选地为20％到60％。

可以说这种挤压技术，特别是当这种挤压技术是由逐次穿过一组模具实现时，由于施加在摩擦接触的表面上的压力，在构成内芯和外壳的材料之间的良好结合是能够获得的。

应用由2024T4系列铝合金制造的直径为30毫米(mm)的杆10，以及由形成金属基体复合材料的第二种材料制造的外径为70mm和内径为40mm套管20，已经实现了这种执行过程的示例。该金属基体是2024T4系列铝合金，并且其增强成分为占其重量15％的平均尺寸为5μm的碳化硅(SiC)微粒制成。

这种挤压可以在室温下实现，或在高温下实现，特别是在400℃左右的温度下实现。

在挤压之后，在这里详述的执行过程的下一步骤在于模具冲压锻造，以使桨叶具有准最终形状。

模具冲压是在模具中逐步实现的，在材料适合的压力和温度条件下逐渐向桨叶的最终形状发展，以使在内芯与外壳间保持良好的界面和良好的附着力：特别地，采用的温度为大约430℃，压力为大约100兆帕(MPa)。

在模具冲压半成品32的锻造步骤的最后，获得一个坯件(未显示)，然后再对坯件进行机加工以获得形成本发明机械构件的成品，特别是例如图3到5所示的桨叶中的一种桨叶。

在这些图中，具有不同形状的桨叶50包括由最初构成杆10的第一种材料制成的内芯52，而包围内芯52的外壳54由最初形成图2所示的组合件30的套管20的第二种材料制成。

从图3和4中的横截面部分以及图5中的纵截面区域可以看到，桨叶50对第一和第二种材料在内芯52和外壳54之间呈现规则分布。

这种意想不到的非常令人满意的结果，是通过执行起来相对简单的技术获得的，特别是桨叶的金属薄片50a不同部分达到机械性能统一，以及桨叶的金属腹部50a和根部50b之间机械性能的连续性(见图5)。

在该执行过程中，可以理解将铝合金放置在桨叶的中心部分，因此使从铝合金的弯曲性能受益成为可能，其中Al/SiC非金属基体复合材料在其表面，因此提供更大的刚度并提高抵抗冲击和腐蚀的能力。

必然可以理解，根据本发明获得的机械构件的预期应用，特别是构件的需要更大刚度的部分，可能会选择将Al/SiC金属基体复合材料放置在机械构件的内芯，或者放置在它的外壳(在机械构件的表面)。

本发明不限于以碳化硅微粒的形式用作增强成分，应用氧化铝(Al₂O₃)微粒或金属碳化物微粒，例如碳化钨、碳化硼或碳化钛微粒也是可能的。

同样，如介绍中的陈述，本发明也应用于制造一种全部用金属基体复合材料制成的机械构件，这种复合材料中增强成分可能从内芯的中心到外壳的外围逐渐变化。

Claims (23)

1.一种桨叶(50，110)，所述桨叶通过初始压缩步骤、以及使桨叶具有准最终形状的随后锻造步骤获得，所述桨叶具有主方向，沿着主方向扩展形成内芯(52)的中心区域以及形成外壳(54)的外围区域，外壳(54)包围所述内芯(52)，所述内芯(52)和所述外壳(54)相互之间呈现为由于所述压缩步骤产生的冶金结合，所述内芯(54)由具有金属基体的第一材料制成，并且所述外壳(54)由具有金属基体的第二材料制成，其中，第一和第二材料的所述金属基体以铝作为基底金属，并且所述第一和第二材料中至少之一由还包含分散在基于铝的金属基体中的增强成分的所述基于铝的金属基体复合材料制成。

2.如权利要求1所述桨叶(50，110)，其特征在于，第一和第二材料的所述金属基体分别由第一合金和第二合金构成，所述第一合金和第二合金从ASTM标准系列2000、5000、6000或7000中的铝基合金中选择。

3.如权利要求2所述桨叶(50，110)，其特征在于，所述第一合金和第二合金从ASTM标准系列2000、5000、6000或7000中选择的铝基合金的同一系列选择。

4.如权利要求3所述桨叶(50，110)，其特征在于，所述第一合金和第二合金从2000系列选择。

5.如权利要求1到4任一所述桨叶(50，110)，其特征在于，所述增强成分是碳化硅(SiC)、氧化铝(Al₂O₃)、或者金属碳化物的微粒。

6.如权利要求5所述桨叶(50，110)，其特征在于，所述金属碳化物是钨、硼、钛碳化物。

7.如权利要求5所述桨叶(50，110)，其特征在于，所述增强成分不超过所述金属基体复合材料组分重量的50％。

8.如权利要求7所述桨叶(50，110)，其特征在于，所述增强成分为所述金属基体复合材料组分重量的5％到35％。

9.如权利要求8所述桨叶(50，110)，其特征在于，所述增强成分为所述金属基体复合材料组分重量的10％到20％。

10.如权利要求8所述桨叶(50，110)，其特征在于，所述增强成分为所述金属基体复合材料组分重量的15％。

11.如权利要求1到4任一所述桨叶(50，110)，其特征在于，所述第一和第二材料之一由包含分散在所述金属基体内的增强成分的金属基体复合材料制成，所述第一和第二材料中的另一个仅由所述金属基体制成。

12.如权利要求11所述桨叶(50，110)，其特征在于，所述第一材料仅由所述金属基体制成，金属基体以铝作为基底金属；所述第二材料由包含分散在所述金属基体内的增强成分的金属基体复合材料制成，所述金属基体以铝作为基底金属并且所述增强成分由碳化硅微粒制成。

13.如权利要求1到4任一所述桨叶(50，110)，其特征在于，所述第一和第二材料由包含分散在所述金属基体内的增强成分的金属基体复合材料制成，所述增强成分在所述内芯(52)和外壳(54)的金属基体复合材料组分中呈现不同的重量百分比。

14.如权利要求13所述桨叶(50，110)，其特征在于，所述增强成分在金属基体复合材料组分中呈现的重量百分比在所述第一材料和第二材料中从所述内芯(52)的中心向所述外壳(54)的外围逐渐变化。

15.如权利要求13所述桨叶(50，110)，其特征在于，对于所述增强成分，所述第一材料具有的所述金属基体复合材料组分的重量百分比大于所述第二材料具有的所述金属基体复合材料组分的重量百分比。

16.如权利要求13所述桨叶(50，110)，其特征在于，对于所述增强成分，所述第二材料具有的所述金属基体复合材料组分的重量百分比大于所述第一材料具有的所述金属基体复合材料组分的重量百分比。

17.一种包括权利要求1到16任一所述桨叶的低压压缩机。

18.一种包括权利要求1到16任一所述桨叶(110)的涡轮喷气发动机风扇(104)。

19.一种制造权利要求1到16任一所述桨叶(50，110)的方法，其特征在于，该方法包含如下连续步骤：

a)压缩内芯(52)和外壳(54)以制成包含内芯(52)和外壳(54)的半成品，所述内芯(52)和所述外壳(54)相互之间呈现为由于所述压缩产生的冶金结合，所述内芯(52)由呈现为至少一个基于铝的金属基体的第一材料制成，并且所述外壳(54)由呈现为至少一个基于铝的金属基体的第二材料制成，并且所述第一和第二材料中至少之一由包含分散在所述金属基体内的增强成分的金属基体复合材料制成；

b)锻造包含在先前步骤a)中已经压缩在一起的内芯(52)和外壳(54)的半成品以获得具有桨叶的准最终形状的坯件；并且

c)机加工所述坯件以提供形成所述桨叶的成品。

20.如权利要求19所述用于获得如权利要求14所述桨叶的制造方法，其特征在于，所述步骤a)包括通过粉末冶金技术结合地形成内芯(52)和外壳(54)。

21.如权利要求19所述用于获得如权利要求1-13任一所述桨叶的制造方法，其特征在于，所述步骤a)包括依次实现下列子步骤：

a1)应用所述第一材料制成在纵向扩展的杆(10)，所述杆(10)用于形成放置在桨叶中心的所述内芯(52)；

a2)应用所述第二材料制成在纵向扩展的套管(20)，所述套管(20)用于形成包围所述内芯(52)的桨叶的外壳(54)；

a3)将杆(10)插入套管(20)以形成组合件(30)；并且

a4)将所述组合件(30)穿过小截面孔，以在垂直于所述组合件纵向的方向减小所述组合件的至少一个尺寸，以在所述杆(10)和所述套管(20)之间产生冶金结合。

22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述子步骤a4)包括滚轧或者挤压。

23.如权利要求19到22任一所述的方法，其特征在于，所述子步骤b)包括模具冲压。

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