ES2820532T3 - Método de preparación de pala de ventilador hueca - Google Patents

Abstract

Método de fabricación de una pala de ventilador hueca para un motor de turbina de gas que usa soldeo por difusión y conformación superplástica, consistiendo dicha pala en revestimientos de aleación de titanio y un núcleo en forma de nervaduras de refuerzo, en el que el método comprende: ensamblar preformas de los revestimientos (1, 2) y del núcleo (3) en una pila; aplicar de manera preliminar material de separación en un patrón de rejilla predeterminado a zonas en las que superficies de las preformas de revestimiento y de núcleo entran en contacto, pero no están unidas mediante soldeo por difusión, incluyendo una zona de colector; dotar también las preformas de revestimiento de una ranura (9, 10) y la preforma de núcleo de una rendija (11) para montar al menos un tubo; sellar la pila a lo largo de los bordes con la excepción de donde el al menos un tubo va a montarse; montar un tubo (12) y conectarlo a la zona de colector; retirar oxígeno y aglutinante del material de separación de cavidades de la pila; sellar completamente la pila; calentar la pila, y soldar por difusión las preformas en zonas (13, 14) predeterminadas, también a lo largo de un borde de entrada, un borde de salida y un borde periférico, para producir una preforma estructural solidaria; impartir una forma de superficie aerodinámica a la preforma estructural solidaria; llevar a cabo conformación superplástica suministrando fluido de trabajo a cavidades entre las preformas de revestimiento y de núcleo usando también al menos un tubo, dicho método caracterizado porque la zona de colector se dispone en el lado de la pila, que corresponde al borde periférico de la pala; y, para montar uno o más tubos para suministrar el fluido de trabajo por conformación superplástica, la ranura en las preformas de revestimiento y la rendija en la preforma de núcleo se proporcionan a una distancia del límite exterior del borde de entrada o borde de salida menor de L/3, donde L es la longitud de la cuerda de pala a lo largo del borde periférico.

Description

DESCRIPCIÓN

Método de preparación de pala de ventilador hueca

La invención se refiere a la técnica de conformado de metal, y, más particularmente, a métodos de fabricación de una pala de ventilador hueca para un motor de turbina de gas (GTE) usando soldeo por difusión y conformación superplástica.

El presente método puede aplicarse en la producción de motores de aeronaves para fabricar una pala de ventilador de cuerda ancha, para la cual la reducción de peso es esencial y asume hacer la pala hueca.

La pala tiene una forma de superficie aerodinámica compleja descrita en general en [1] que divulga características estructurales que definen características de rendimiento básicas de la pala, comunes a palas tanto de ventilador como de compresor.

La forma de superficie aerodinámica de la sección transversal de la pala se forma mediante líneas de expansión y de presión que abarcan la línea central de la forma de superficie aerodinámica de la pala, doblada desde el ángulo de entrada estructural de la forma de superficie aerodinámica hasta el ángulo estructural de salida de la forma de superficie aerodinámica. La pala tiene un borde de entrada y un borde de salida en la dirección longitudinal según la ubicación de los ángulos de diseño. La pala también tiene un borde periférico. El doblado máximo de la línea central de la forma de superficie aerodinámica se elige de modo que proporcione un aumento suave en el gradiente de presión sobre la superficie de pala.

De acuerdo con la forma de la línea central doblada de la superficie aerodinámica de pala la línea de expansión de una pala y la línea de presión de una pala adyacente forman la configuración de una trayectoria de flujo del canal de pala, que proporciona una deceleración suave de flujo supersónico en el sistema de choques oblicuos débiles y la formación de una onda de choque de salida en la parte de salida del canal de pala. Esto da como resultado una pérdida de presión menor en deceleración de flujo supersónico, y eficiencia y margen de pérdida aumentados del ventilador o compresor.

La línea de expansión y línea de presión se encuentran en las superficies que se denominan un lado de succión y un lado de presión de la pala, respectivamente.

La pala tiene una parte de pie por la que se acopla al buje, y una superficie aerodinámica.

Los métodos para fabricar palas de compresor y ventilador presentan diferencias. Tal como se observó anteriormente, es de vital importancia que una pala de ventilador de flujo axial, que tiene dimensiones globales más grandes que una pala de compresor, cuanto más cuando se trata de una pala de cuerda ancha, se realice de manera hueca. Tradicionalmente, se usa el término “pala hueca”, aunque sólo la superficie aerodinámica de pala es hueca. La superficie aerodinámica consiste en revestimientos, uno de los cuales forma un lado de succión y el otro un lado de presión de la pala, y un núcleo en forma de nervaduras de refuerzo. Los revestimientos y el núcleo se realizan de una aleación de titanio.

Parámetros de nervaduras de refuerzo, incluyendo el ángulo de pendiente de las mismas y la distancia entre ellas, se determinan mediante la posición relativa de juntas de soldeo por difusión entre los revestimientos y el núcleo, y zonas en las que faltan juntas entre ellos. Para este fin, se diseña un patrón de rejilla (predeterminado), según el cual se aplica un material de separación a superficies de contacto de las preformas para impedir la unión de las preformas en soldeo por difusión, y definir de ese modo zonas que van a unirse.

En el procedimiento de conformación superplástica se forma una cavidad entre las preformas de revestimiento y una forma de diseño externa final del lado de succión y el lado de presión de la pala. Al mismo tiempo, en el procedimiento de formar la preforma de núcleo las zonas no sometidas a la unión con las preformas de revestimiento, tras ser estiradas, forman nervaduras de refuerzo, es decir, la estructura interna de la pala. La estructura interna más común se forma mediante nervaduras en pendiente de un marco [2, 3, 4] con una malla triangular en la sección transversal de la pala. Esta estructura se forma según un patrón de rejilla en forma de tiras alternantes depositadas en las superficies de contacto de las preformas de revestimiento y de núcleo. La estructura de pala explicada puede soportar mejor la colisión con diversos objetos, incluyendo pájaros, debido a la capacidad de resorte de las nervaduras de refuerzo en pendiente, y de ese modo absorben y disipan la energía de impacto. Además, esta estructura contribuye mejor a amortiguar las vibraciones que se producen inevitablemente en el funcionamiento del ventilador.

Los métodos de fabricación de una pala hueca se basan, tal como se observó anteriormente, en el uso de dos etapas básicas: soldeo por difusión y conformación superplástica [2, 3, 4]. Los tres métodos son básicamente similares. Las diferencias entre ellos se mencionarán además en una explicación más detallada de los mismos.

El método de fabricación de una pala de ventilador hueca más conocido se divulga en la descripción de la patente [2]. El método comprende las etapas de aplicar un material de separación para impedir la unión de las preformas sobre las superficies de las preformas de revestimiento y/o la preforma de núcleo, que no deben unirse en soldeo por difusión, según un patrón de rejilla predeterminado.

El material de separación falta a lo largo de todo el perímetro de la pala para proporcionar la unión de las preformas en la parte de pie, y los bordes de entrada, de salida y periférico de la pala.

Las preformas de revestimiento y de núcleo se ensamblan en una pila, que se sella a lo largo de bordes, con la excepción de un lugar para montar al menos un tubo. En el lugar de montaje del tubo las preformas de revestimiento están dotadas de una ranura y la preforma de núcleo está dotada de una rendija. Después, se monta un tubo, a través del cual cavidades en la pila se vacían y llenan secuencialmente con un gas inerte para retirar oxígeno. Calentando la pila, se elimina (evapora) el aglutinante del material de separación de las cavidades de pila mediante vaciado continuo de las mismas. Después la pila se sella completamente. Se lleva a cabo soldeo por difusión de las preformas a una temperatura y una presión predeterminadas para producir una preforma estructural solidaria.

Antes de la etapa de conformación superplástica, las cavidades de la preforma estructural solidaria se vacían y llenan de nuevo secuencialmente con un gas inerte para retirar oxígeno.

Para conseguir la conformación superplástica, la preforma estructural solidaria se coloca en una matriz dedicada entre sus mitades de formación y se calientan juntas con la matriz, y se suministra un fluido de trabajo en cavidades entre la preforma de núcleo y preformas de revestimiento para formar nervaduras de refuerzo y forma de superficie aerodinámica final de la pala en régimen de superplasticidad. El fluido de trabajo normalmente es argón.

Se usa un tubo diferente para suministrar argón, que puede montarse en el mismo lugar que el tubo anterior. Este tubo tiene una sección transversal más pequeña debido a que el argón debe suministrarse a través de él bastante lentamente para garantizar la velocidad de deformación de las preformas, que corresponde a las condiciones de superplasticidad.

Para distribuir argón a lo largo de las tiras alternantes en cada lado del núcleo en la etapa de conformación superplástica y en otras etapas tales como la retirada de oxígeno de cavidades de la pila y después la preforma estructural solidaria, se proporciona una zona de colector, a la que se conecta el tubo. La descripción del método [2] no menciona en qué lado de la preforma estructural solidaria se dispone una zona de colector y se montan los tubos, respectivamente. Esta información también falta en los dibujos que explican el método, puesto que la pila de preformas se muestra sin una parte de pie [2, figura 5]. Por tanto, la ubicación de la zona de colector no es esencial para implementar el método [2]. Puede disponerse o bien en el lado de la parte de pie o bien en el lado del borde periférico de la pala.

En la zona de colector, la preforma de núcleo no debe unirse con ninguna de las preformas de revestimiento de modo que se forman dos cavidades como una división; esto es por qué también se aplica un material de separación en la zona de colector en superficies de contacto de las preformas para impedir la unión de las preformas en soldeo por difusión.

La fabricación de la pala también comprende una etapa de impartir una forma de superficie aerodinámica a la pala, que comprende doblar la preforma estructural solidaria para formar el lado de presión y el lado de succión de la pala, y retorcer la superficie aerodinámica de la pala. Esta etapa se logra antes de la conformación superplástica de las preformas.

La fabricación de la pala comprende una etapa de romper la unión adhesiva que aparece entre las preformas y el material de separación en la etapa de soldeo por difusión a una presión sustancialmente alta. La etapa de romper la unión adhesiva puede lograrse después de la etapa de impartir una forma de superficie aerodinámica a la preforma estructural solidaria como en el método [2] o inmediatamente después de la etapa de soldeo por difusión [3]. Esta es la principal diferencia del método [3] con respecto al método [2].

Además, la descripción del método [3] menciona que la zona de colector se forma en el lado de la parte de pie de la pala.

En cálculos de resistencia mecánica y en producción y ensayos de prototipos de la palas se ha encontrado que diversos tubos requeridos para realizar las etapas del método, y la zona de colector, respectivamente, se disponen preferiblemente en el lado del borde periférico de la pala. Esto ayuda a preservar la resistencia mecánica de la raíz de la superficie aerodinámica, que es importante en cuanto a las características de funcionamiento de la pala y del ventilador en su conjunto. La disposición de la zona de colector en el lado de la parte de pie de la pala puede atribuirse a desventajas del método [3].

Una desventaja habitual de los métodos [2, 3] es que incluso después de romper la unión adhesiva las preformas todavía se adhieren estrechamente entre sí en el momento inicial de la conformación superplástica. Dicho de otro modo, esta situación puede definirse como “pegar” las preformas entre sí. El “pegado” posee un determinado problema; en particular, dificulta la penetración de una cantidad suficiente de argón entre las preformas de revestimiento y de núcleo. El problema afecta principalmente a la zona de colector.

Como resultado de penetración dificultada de gas entre las preformas de revestimiento y de núcleo, la preforma de núcleo puede desalinearse en la zona de colector, tal como se menciona en la descripción del método convencional de fabricación de una pala de ventilador hueca [4]. La desalineación de la preforma de núcleo puede empeorar las condiciones para la formación de nervaduras de refuerzo y conduce a defectos en la fabricación de la pala.

Actualmente, se están realizando intentos para proporcionar soluciones técnicas que permiten “despegar” las preformas entre sí en las zonas ubicadas en la zona de colector de la preforma estructural solidaria en el momento inicial de la conformación superplástica, en particular, esto se realiza en el método mencionado anteriormente de fabricación de una pala de ventilador hueca [4].

El método [4], así como los métodos [2, 3], comprende como las etapas principales: soldar por difusión las preformas de un lado de succión, un lado de presión y una preforma de núcleo (membrana) dispuesta entre ellos, y realizar la conformación superplástica de las preformas. El método comprende aplicar material de separación a superficies de contacto de las preformas de revestimiento y de núcleo para impedir la unión de las preformas. El material de separación se aplica en un patrón de rejilla predeterminado. El patrón se forma mediante tiras alternantes, la disposición de las cuales define la configuración de nervaduras de refuerzo.

Para formar una zona de colector, el material de separación se aplica a lo largo del borde periférico para proporcionar la ventaja ya mencionada de preservar la resistencia mecánica de la parte de raíz de la superficie aerodinámica. En el método [4] en una región directamente adyacente al borde periférico se proporciona unión por difusión de una de las preformas de revestimiento y la preforma de núcleo en forma de una tira que se extiende a lo largo de toda la cuerda o al menos a lo largo de parte de la cuerda de la pala. Como resultado, en la zona de colector de la preforma estructural solidaria el tamaño de la unión por difusión en una dirección a lo largo de la envergadura de la pala entre la preforma de lado de presión y la preforma de núcleo es mayor que el tamaño de la unión por difusión entre la preforma de lado de succión y la preforma de núcleo. O viceversa, el tamaño de la unión por difusión en una dirección a lo largo de la envergadura de la pala entre la preforma de lado de succión y la preforma de núcleo es mayor que el tamaño de la unión por difusión entre la preforma de lado de presión y la preforma de núcleo.

Debido a la junta en forma de tira [4, figura 4A] de las preformas de lado de succión y de núcleo, tras suministrar argón, la preforma de núcleo se eleva junto con la preforma de lado de succión sobre la preforma de lado de presión, proporcionando de ese modo un flujo de gas entre las preformas de lado de presión y de núcleo en la zona de colector de la pala.

En otra realización, debido a la junta en forma de tira de las preformas de lado de presión y de núcleo, tras suministrar argón, la preforma de núcleo se separa de la preforma de lado de succión, proporcionando de ese modo un flujo de gas entre las preformas de lado de succión y de núcleo en la zona de colector de la pala.

Se supone que este método expande las capacidades del método descrito en el mismo documento [4], en el que se realizaron intentos para usar un patrón que permite la formación en la zona de colector de juntas entre la preforma de núcleo y una de las preformas de revestimientos en forma de por ejemplo puntos que facilitarían el “despegue” de la preforma de núcleo de la otra preforma de revestimiento. Sin embargo, los puntos no pudieron realizar la función, a medida que gas fluía alrededor de los puntos y continuó acumulándose en el extremo de la preforma estructural solidaria provocando de ese modo una desalineación de la preforma de núcleo [4].

La descripción del método no especifica la anchura de la tira, mientras que con una anchura muy pequeña el procedimiento de “despegue” de las preformas entre sí no progresará. Este hecho se confirma mediante experimentos y la descripción del método [4], en los que para garantizar el “despegue” se recomienda usar un patrón en forma de puntos. Por tanto, la preforma de núcleo se une a una preforma de revestimiento mediante una tira ya la otra preforma de revestimiento mediante puntos [4, figuras 4a, 4b].

La principal desventaja del método [4] se debe a la presencia de juntas realizadas mediante soldeo por difusión en forma de pequeños puntos y una tira estrecha. Tal como se conoce a partir de numerosas referencias, en particular a partir de la descripción de un método de fabricación de artículos mediante soldeo por difusión y conformación superplástica [5], en el soldeo por difusión, inevitablemente surgen defectos en forma de aglomeraciones de microporos, así como en forma de rebajes en extremos de la zona de junta. Las aglomeraciones de microporos generalmente también aparecen en los extremos de la zona de junta. Si toda la zona de junta es proporcional con el tamaño de la región, en la que se concentran los defectos mencionados anteriormente, la junta se torna muy débil.

Además, la presencia de la tira conduce a doblar la preforma de núcleo en la zona de colector y el surgimiento de un concentrador de esfuerzos en el lugar de doblado. La presencia de puntos conduce a un adelgazamiento no uniforme de la preforma de núcleo ya delgada.

En servicio, bajo el efecto de diversos factores externos y debido al acoplamiento en voladizo de la pala al buje y la magnitud de envergadura significativa de la pala, la zona periférica de la pala se somete a la deformación elástica más grande que en principio puede romper las uniones creadas mediante soldeo por difusión, especialmente si estas uniones son débiles.

Dado el hecho de que la zona periférica de la pala es la parte menor cargada de la pala, puede suponerse que la rotura de uniones entre el núcleo y los revestimientos e incluso la ruptura del núcleo de los revestimientos en la zona de colector no dificultarán las características de funcionamiento básicas de la pala. Pero la parte del núcleo, que se desengancha de la junta con los revestimientos y se dobla, contribuirá a una vibración adicional en la estructura y esto puede romper en última instancia las uniones en ubicaciones de nervaduras de refuerzo.

Por esta razón, la presencia de cualesquiera concentradores de esfuerzos en la zona periférica de la pala, además de los concentradores de esfuerzos inevitables que aparecen durante la formación de nervaduras de refuerzo, es altamente indeseable. Como resultado, es indeseable tener juntas adicionales de las preformas de revestimiento y de núcleo en la zona periférica de la pala.

Otra desventaja de las etapas explicadas del método [4] es que añaden complejidad a la ya complicada etapa de aplicar un material de separación a la superficie de las preformas, lo que impide la unión de las preformas en soldeo por difusión.

Por tanto, durante el uso del método [4] el “pegado” entre las preformas en el momento inicial de la conformación superplástica no puede ser superado sin empeorar la calidad de la pala y aumentar la complejidad de su fabricación.

La técnica anterior más relevante es un método de fabricación de una pala de ventilador hueca descrito en la patente [2]. El método es muy parecido al método reivindicado en su esencia técnica puesto que la descripción del método divulga características, etapas y métodos, a base de los cuales se hace posible conseguir el efecto técnico deseado en el método inventivo.

El objeto de la invención es eliminar el riesgo de defectos en la fabricación de la pala sin comprometer las características de rendimiento de la pala y aumentar la complejidad de su fabricación.

El efecto técnico de la invención se proporciona debido al hecho de que en la conformación superplástica el fluido de trabajo se suministra en cavidades entre preformas de revestimiento y de núcleo a través de un tubo montado de modo que pueden usarse factores naturales que surgen en las etapas anteriores a la conformación superplástica para “despegar” las preformas de revestimiento y de núcleo entre sí.

En un método de fabricación de una pala de ventilador hueca para un motor de turbina de gas que usa soldeo por difusión y conformación superplástica, dicha para que consiste en revestimientos de aleación de titanio y un núcleo en forma de nervaduras de refuerzo, las etapas son: ensamblar preformas de los revestimientos y del núcleo en una pila; aplicar de manera preliminar material de separación en un patrón de rejilla predeterminado a zonas en las que superficies de las preformas de revestimiento y de núcleo entran en contacto, pero no deben unirse en soldeo por difusión, incluyendo una zona de colector; dotar también las preformas de revestimiento de una ranura y la preforma de núcleo de una rendija para montar al menos un tubo; sellar la pila a lo largo de bordes con la excepción de donde el al menos un tubo va a montarse; montar un tubo y conectarlo a la zona de colector; retirar oxígeno así como aglutinante del material de separación de cavidades de la pila; sellar completamente la pila; calentar la pila, y soldar por difusión las preformas en zonas predeterminadas, también a lo largo de un borde de entrada, un borde de salida y un borde periférico, para producir una preforma estructural solidaria; impartir una forma de superficie aerodinámica a la preforma estructural solidaria; llevar a cabo la conformación superplástica suministrando fluido de trabajo en cavidades entre las preformas de revestimiento y de núcleo usando también al menos un tubo.

El método difiere del método de la técnica anterior por el hecho de que la zona de colector se dispone en el lado de la pila, que corresponde al borde periférico de la pala; y, para montar uno o más tubos para suministrar el fluido de trabajo en conformación superplástica, la ranura en las preformas de revestimiento y la rendija en la preforma de núcleo se proporcionan a una distancia del límite exterior del borde de entrada o borde de salida menor de L/3, donde L es la longitud de la cuerda de pala a lo largo del borde periférico.

El efecto técnico de la invención también se consigue en los siguientes casos:

- cuando se usa un único tubo para suministrar fluido de trabajo en conformación superplástica, la ranura y la rendija para montar el tubo se proporcionan a una distancia del límite exterior del borde de entrada o borde de salida igual a L/6, donde L es la longitud de la cuerda de pala a lo largo del borde periférico;

- cuando se usan dos tubos para suministrar fluido de trabajo en conformación superplástica, la ranura y la rendija para montar uno de los tubos se proporcionan a una distancia del límite exterior del borde de entrada igual a L/6, donde L es la longitud de la cuerda de pala a lo largo del borde periférico, mientras que para montar el otro tubo la ranura y la rendija se proporcionan a la misma distancia del límite exterior del borde de salida.

Explicación de la esencia de la invención.

Cuando el tubo se monta tal como se describió anteriormente, varios factores naturales, más particularmente dos, trabajan, lo que permite la separación (“despegue”) de la preforma de núcleo de las preformas de revestimiento en la zona de colector en el momento inicial de la conformación superplástica. Estos factores se considerarán ahora.

Tal como se mencionó en la descripción de la técnica anterior más relevante, partículas del material de separación después de retirar el aglutinante del mismo tienden a separarse, de modo que la pila de preformas debe manejarse con un gran cuidado antes del soldeo por difusión. Además, en el método [2] romper la unión adhesiva entre las preformas y el material de separación se consigue después de impartir una forma de superficie aerodinámica a la preforma estructural solidaria, preservando de ese modo la integridad de la preforma estructural solidaria durante esta etapa, que se perderá después de romper la unión adhesiva entre las preformas debido a la dispersión de partículas del material de separación.

Por tanto, después de romper uniones adhesivas, el material de separación en forma de partículas individuales ya no se distribuye de manera uniforme entre superficies de las preformas de revestimiento y de núcleo. Si se consideran espacio entre nervaduras de refuerzo futuras, debido a la tirantez el procedimiento de dispersión de las partículas de material de separación no se pronuncia tan intensamente ahí como en la zona de colector. En la zona de colector casi todas las partículas sueltas del material de separación caen desde la parte intermedia más convexa de la preforma estructural solidaria hacia el borde de entrada o de salida.

Cerca de estos bordes las partículas de material de separación proporcionan una adherencia no estrecha pronunciada de las preformas de revestimiento y de núcleo entre sí, dicho de otro modo, la falta de “pegado”, y esto es suficiente para el paso de argón entre ellas a través de las partículas de material de separación.

La desintegración más intensa de partículas se observa justo en el lado del borde periférico. Esto es debido a la presencia de una cuerda más ancha de la pala en la periferia en comparación con la cuerda de la pala en la raíz de superficie aerodinámica, y también a una ubicación más libre del borde periférico en el espacio en comparación con la raíz de superficie aerodinámica adyacente a la parte de pie maciza. Por esta razón, la característica de montar el tubo o tubos para suministrar un fluido de trabajo en conformación superplástica en el lado del borde periférico es significativa, porque junto con las otras características distintivas, influye en la capacidad de proporcionar un nuevo efecto técnico. Tal como se mencionó anteriormente el efecto conocido reside en preservar la resistencia mecánica de la superficie aerodinámica en la parte de raíz.

Ahora se considera cómo el otro factor, que se produce en la etapa de proporcionar una forma de superficie aerodinámica a la preforma estructural solidaria, influye en el procedimiento de “despegue” de las preformas de revestimiento y de núcleo entre sí.

Después del soldeo por difusión la preforma estructural solidaria forma una placa que consiste en una pluralidad de capas de preformas de lámina, que no se unen en determinadas zonas incluyendo la zona de colector. Por tanto, en la formación de la forma de un lado de presión y un lado de succión mediante doblado, algunas capas de cada preforma de revestimiento experimentarán en estas zonas un esfuerzo de compresión, mientras que las otras experimentarán un esfuerzo de estiramiento. Las capas de la preforma de lado de presión, que están más cerca de la preforma de núcleo, experimentarán un esfuerzo de estiramiento, mientras que las capas de la preforma de lado de succión experimentarán un esfuerzo de compresión. Como resultado, la preforma de núcleo mucho más flexible se agarrará entre preformas de revestimiento relativamente rígidas. La presión de agarre dependerá de la magnitud de doblado de la preforma estructural solidaria y, por consiguiente, será la más pequeña en las zonas más cercanas al borde de entrada y de salida, y la más grande en la parte central. Debido a un tiempo relativamente corto de las etapas de doblado y de retorcido los esfuerzos considerados se someten a una relajación despreciable y permanecen en el cuerpo de las preformas. En el curso de la conformación superplástica, la alta temperatura y la deformación conducen a una retirada completa de esfuerzos residuales. Pero en el momento inicial de conformación el efecto de esfuerzos residuales debe superarse. Por consiguiente, será mucho más fácil separar la preforma de núcleo y las preformas de revestimiento, comenzando el procedimiento desde la zona menos convexa, casi recta, de la preforma estructural solidaria. Este factor, como el principal, también contribuye al logro del efecto técnico de la invención.

Finalmente, se considera la naturaleza de deformación de las preformas de núcleo y de revestimiento en los procedimientos de conformación superplástica, incluyendo la zona de colector.

Tal como ya se mencionó, la preforma de lado de presión permanece casi sin deformar en todas las zonas. La preforma de lado de succión se somete en todas las zonas a una deformación suficientemente intensa como la que se produce en la formación de una carcasa esférica. La preforma de núcleo experimenta doblado y tensión durante la formación de nervaduras de refuerzo en muchas secciones, que se produce por la influencia de sus juntas con las preformas de revestimiento en un patrón predeterminado. La preforma de lado de succión, mientras se eleva, tira de la preforma de núcleo, mientras que la preforma de lado de presión permanece en su lugar. El estiramiento de la preforma de núcleo en las secciones principales de la preforma estructural solidaria es casi uniaxial.

El procedimiento de estiramiento de la preforma de núcleo en la zona de colector, que precede y acompaña además a la formación de nervaduras de refuerzo, también se influye por los lugares de junta de la preforma de núcleo con las preformas de revestimiento en un patrón predeterminado. Pero la deformación de la preforma de núcleo en la zona de colector es de algún modo diferente de su deformación durante la formación de nervaduras de refuerzo en las secciones principales de la preforma estructural solidaria porque el procedimiento de deformación de la preforma de núcleo en la zona de colector todavía está influenciado por la unión de la preforma de núcleo con ambas preformas de revestimiento en el borde periférico. Como resultado, el estiramiento de la preforma de núcleo en la zona de colector se produce en diversos ejes dirigidos de manera diferente en el espacio. En este caso, la deformación de la preforma de núcleo está también detrás de la deformación de la preforma de lado de succión, pero por delante de una deformación virtualmente nula de la preforma de lado de presión. Este hecho en todos los métodos conocidos conduce a la separación de las preformas y la formación de dos cavidades en la zona de colector. Sin embargo, en el “pegado” de las preformas, el procedimiento de separación estará acompañado por la desalineación de la preforma de núcleo. En presencia de factores que proporcionan un comienzo ventajoso del procedimiento de separación de las preformas como en el método inventivo o como en el método [4], la separación se producirá sin desalineación de la preforma de núcleo.

Las reivindicaciones definen la relación más simple para determinar la ubicación de al menos un tubo a través del cual se suministra argón en la conformación superplástica. El tubo o tubos se montan a una distancia del límite exterior del borde de entrada o de salida menor de L/3, donde L es la longitud de la cuerda de pala a lo largo del borde periférico.

Si la dimensión se supera, el tubo se montará en la parte convexa intermedia de la preforma estructural solidaria, desde la que prácticamente todas las partículas del material de separación ya han caído más cerca del límite interno del borde de entrada y de salida, es decir, a esquinas de la zona de colector. En el mismo lugar, la preforma de núcleo se agarra fuertemente antes de la conformación entre preformas de revestimiento. Como resultado, no pueden usarse ambos factores explicados anteriormente para el “despegue” de las preformas de revestimiento y de núcleo.

En el presente método, como en el más relevante, pueden usarse múltiples tubos para conseguir diversas etapas [2].

Cuando se usan múltiples, en particular dos, tubos para suministrar un fluido de trabajo en conformación superplástica todos los tubos se montan a una distancia menor de L/3, donde L es la longitud de la cuerda de pala a lo largo del borde periférico.

Cuando se monta al menos un tubo para suministrar un fluido de trabajo en conformación superplástica en la parte central de la preforma estructural solidaria, se torna posible la desalineación de la preforma de núcleo. En la parte central pueden montarse tubos que van a usarse en otras etapas del método, en particular, en retirar oxígeno de cavidades de la preforma estructural solidaria.

La ranura y la rendija para montar un tubo para suministrar un fluido de trabajo en conformación superplástica se proporcionan lo más preferiblemente a una distancia del límite exterior del borde de entrada o de salida igual a L/6, donde L es la longitud de la cuerda de pala a lo largo del borde periférico, es decir, más cerca de los bordes. Ahí se encuentra el mayor número de partículas caídas del material de separación y el doblado de las preformas de revestimiento tiene el menor impacto.

Cuando se usan dos tubos para suministrar un fluido de trabajo en conformación superplástica se recomienda proporcionar la ranura y la rendija para montar uno de los tubos a una distancia del límite exterior del borde de entrada igual a L/6, donde L es la longitud de la cuerda de pala a lo largo del borde periférico. Se recomienda que el otro tubo se monte a la misma distancia del límite exterior del borde de salida. Esta estrategia permite evitar la provisión de varias rendijas y ranuras en un segmento bastante pequeño de la longitud de cuerda de pala.

El método inventivo de fabricación de una pala de ventilador hueca se ilustra en los dibujos:

la figura 1 es una vista esquemática de una pila de preformas en el procedimiento de su ensamblaje antes de la etapa de soldeo por difusión;

la figura 2 es una sección transversal de una superficie aerodinámica de pala en la zona de colector antes de la etapa de conformación superplástica;

la figura 3 es una sección transversal de una pala terminada;

la figura 4 es una fotografía de una pala terminada.

Una pila (figura 1) incluye preformas 1, 2 de revestimiento y una preforma 3 de núcleo. Superficies de la preforma de núcleo y superficies de las preformas de revestimiento, que están en contacto con la preforma de núcleo, son planas.

La superficie exterior de las preformas 1, 2 de revestimiento comprende salientes 4, 5 para una parte de pie de la pala. Además, la superficie exterior de las preformas de revestimiento en el lado del borde periférico comprende salientes 6, 7 tecnológicos. Los salientes 6, 7 tecnológicos están diseñados para sostener la preforma estructural solidaria que resulta de soldeo por difusión en la etapa de impartir una forma de superficie aerodinámica a la preforma estructural solidaria. Las preformas de revestimiento y de núcleo tienen orificios 8 para ubicar pasadores (no mostrados en la figura 1), que son necesarios para ensamblar la pila. En el lado del borde periférico las preformas de revestimiento tienen ranuras 9, 10. La preforma de núcleo tiene en el mismo lugar una rendija 11 correspondiente a las ranuras. Las ranuras y la rendija se usan para montar un tubo 12 para suministrar argón en primer lugar en cavidades de la pila, y después en cavidades de la preforma estructural solidaria en el curso de diversas etapas asociadas con la retirada de oxígeno de cavidades de la pila y la preforma estructural solidaria. El mismo tubo puede usarse para inyectar argón en cavidades de la preforma estructural solidaria en la etapa de romper la unión adhesiva entre las preformas y el material de separación. Un tubo para suministrar argón en conformación superplástica no se muestra en la figura 1, pero se monta en el mismo lugar que el tubo 12, después de desmontar este último, por tanto, el tubo 12 se monta estrictamente a la distancia elegida según las recomendaciones del método reivindicado del límite exterior del borde de entrada o de salida. Las zonas 13 en la superficie de la preforma 3 de núcleo y las zonas respectivas (no mostradas en la figura 1) en la preforma 1 de revestimiento, y las zonas 14 en la superficie de la preforma 2 de revestimiento y las zonas respectivas en la superficie (no mostradas en la figura 1) de la preforma 3 de núcleo deben unirse mediante soldeo por difusión. Las tres preformas también se unen en el perímetro, incluyendo los salientes 4, 5, 6, 7 y los bordes 15, 16, 17, 18. La anchura de la zona unida a lo largo del perímetro de la pala se calcula de modo que, después de la retirada de los salientes 6, 7 tecnológicos y el mecanizado de holguras, la pala terminada tiene una anchura predeterminada de la parte de pie, bordes de entrada, de salida y periférico. La zona 19 en la preforma 3 de núcleo, que está en contacto con la zona respectiva de la preforma 1 de revestimiento (no mostrada), y la zona 20 en la preforma 2 de revestimiento, que está en contacto con la zona respectiva de la preforma 3 de núcleo (no mostrada), no deben unirse en soldeo por difusión y están destinadas para la formación de la zona 21 de colector.

La figura 2 muestra una sección transversal de la superficie aerodinámica de pala en la zona de colector antes de comenzar la etapa de conformación superplástica; los números de referencia 22, 23, 24, 25 muestran lugares de conglomeración de partículas del material de separación.

La figura 3 muestra una sección transversal de una superficie aerodinámica de pala terminada después del mecanizado.

La figura 4 muestra una fotografía de una pala terminada, que demuestra hasta qué grado la cuerda del borde periférico de la pala es mayor que la cuerda de la raíz de la superficie aerodinámica de pala.

El método se consigue tal como a continuación:

Preformas de revestimiento principales son placas o láminas planas que tienen un grosor suficiente como para formar la parte de pie. La preforma de núcleo principal es una lámina delgada.

Las preformas de revestimiento y de núcleo principales se someten a mecanizado para proporcionar una forma predeterminada de la pala en el plano meridional [1] y el grosor de los revestimientos en la zona de superficie aerodinámica, y salientes 4, 5 para una parte de pie de la pala y salientes 6, 7 tecnológicos, respectivamente. Las superficies de las preformas de revestimiento y de núcleo están preparadas para soldeo por difusión mediante esmerilado y pulido. Se limpian químicamente las superficies de preforma que van a unirse inmediatamente antes de soldar.

Se aplica un material de separación mediante serigrafía a las zonas de contacto de superficies planas de las preformas 1, 2 de revestimiento y la preforma 3 de núcleo, que no deben unirse, para impedir la unión de las zonas en el procedimiento de soldeo por difusión. El material de separación también se aplica a las zonas de contacto de superficies de las preformas 1, 2 de revestimiento y la preforma 3 de núcleo para formar una zona 21 de colector a lo largo del borde periférico. El material de separación puede incluir polvo de itrio distribuido en un aglutinante y un disolvente. Las preformas 1, 2, 3 se ensamblan en una pila y se sujetan entre sí usando pasadores montados en orificios 8. Después, se acopla un tubo 12 a la zona de colector. El tubo 12 se monta en el lado del borde periférico de modo que las zonas de todas las preformas, que no deben unirse, se conectan entre sí. El tubo se monta a una distancia del borde de límite exterior del borde de entrada o de salida de no más de L/3, donde L es la longitud de la cuerda de pala a lo largo del borde periférico.

Tal como se mencionó anteriormente, puede montarse una pluralidad de tubos, si se requiere, de modo que cada tubo conectará zonas, que no deben unirse, en superficies adyacentes de las preformas de cada uno de los revestimientos y el núcleo. En este caso, independientemente del número total de tubos, los tubos que van a usarse para suministrar un fluido de trabajo en conformación superplástica se montan en el extremo de la preforma estructural solidaria en el lado del borde periférico a una distancia del borde de límite exterior del borde de entrada o de salida de no más de L/3, donde L es la longitud de la cuerda de pala a lo largo del borde periférico.

El tubo 12 se monta de modo que sobresale más allá del contorno de la pila, debido a que una se conectará adicionalmente una tubería al extremo sobresaliente del tubo (no mostrado en la figura 1) para conectar el tubo 12 alternativamente con una bomba de vacío y un sistema de suministro de gas inerte. Las tres preformas 1,2, 3 se unen entre sí en el perímetro mediante soldadura eléctrica de arco sumergido en gas argón. El tubo 12 también se sujeta mediante soldadura eléctrica de arco sumergido en gas argón. La unidad de ensamblaje resultante se sella herméticamente, con la excepción de la entrada del tubo 12.

Se vacían cavidades en la pila. Después, se inyecta gas inerte tal como argón en cavidades de pila. Después de la inyección de argón se vacían las cavidades de pila, y se inyecta argón en las cavidades de pila de nuevo. Se inyecta argón en cavidades de pila a una presión que alcanza el nivel de la presión atmosférica. Se recomienda monitorizar el nivel de oxígeno en el argón retirado en el proceso de vaciado. Deben llevarse a cabo múltiples vaciados e inyecciones sucesivos de argón hasta completar la retirada de oxígeno de las cavidades de pila.

Además, la pila se instala en un horno en el que se calienta hasta una temperatura de 250-350°C para evaporar el aglutinante del material de separación con un vaciado continuo de las cavidades de pila. La pila se retira del horno y se enfría a un vaciado continuo. La presencia de residuos del aglutinante se detecta monitorizando su nivel en gas retirado durante el vaciado. Después se sella el tubo 12, y la pila se transfiere a una prensa isostática en caliente. Las preformas se someten a soldeo por difusión.

Después, la preforma estructural solidaria se dobla y su superficie aerodinámica se retuerce mediante un dispositivo dedicado como el descrito en la patente [6]. El doblado y retorcimiento se realizan mediante deformación en caliente. En la etapa final de retorcer la forma de la preforma estructural solidaria doblada se ajusta según una forma predeterminada de la matriz usada para conformación superplástica. Puede usarse una matriz dedicada para la conformación superplástica. Mitades divididas de la matriz entran en contacto con la preforma estructural solidaria en la parte de los bordes, que se retirará adicionalmente. La etapa de impartir una forma de superficie aerodinámica a la preforma estructural solidaria se consigue preferiblemente en un entorno de gas inerte para impedir la rápida oxidación de superficies externas de la estructura.

En la siguiente etapa, se inyecta argón en cavidades de la preforma estructural solidaria a una presión que alcanza el nivel de presión atmosférica a temperatura ambiente con el fin de romper la unión adhesiva entre las preformas y el material de separación. Después del alivio de presión, se vacían y sellan cavidades de la preforma estructural solidaria. Para conseguir la conformación superplástica, la preforma estructural solidaria se coloca entre mitades divididas conformadas apropiadamente de la matriz. La estructura se calienta y se somete a deformación superplástica. Esta etapa también se consigue preferiblemente en un entorno de gas inerte para impedir la rápida oxidación de la superficie externa de la preforma estructural solidaria. La deformación se realiza mediante presión del fluido de trabajo suministrado a cavidades en la preforma estructural solidaria de modo que se proporciona la velocidad de deformación superplástica. El fluido de trabajo normalmente es argón.

Tras la deformación las preformas de revestimiento toman la forma de la cavidad de trabajo de la matriz, y la preforma de núcleo forma nervaduras de refuerzo en pendiente.

Después de la etapa de conformación superplástica la pala semiacabada se somete a mecanizado mecánico para eliminar partes de procedimiento de los bordes y salientes en el lado del borde periférico; finalmente se forman bordes de la superficie aerodinámica de pala y el pie de pala. Además, todos los tubos se desmontan, y se cierran los orificios restantes.

La figura 3 muestra una sección transversal de la superficie aerodinámica de pala después del mecanizado.

La pala de ventilador hueca está compuesta por aleación de titanio. La aleación de titanio más habitual usada para la fabricación de tales productos en Rusia y en el extranjero es la aleación VT6 (Ti-6A1-4V). Sin embargo, esto no excluye el uso de otras aleaciones de titanio para la fabricación de la pala.

Según el método inventivo, se fabricó una pala de ventilador hueca con una forma de superficie aerodinámica compleja, cuya estructura cumplió con la descripción proporcionada en [1]. La pala estaba realizada de aleación BT6. Preformas de revestimiento principales eran placas con el tamaño de grano promedio de 6 |im. La preforma de núcleo principal era una lámina con el grosor de 1 mm y el tamaño de grano promedio de 2 |im. Las superficies de las preformas de revestimientos y de núcleo eran planas a lo largo de todo el área.

Dado el tamaño promedio de granos en las preformas de revestimiento y de núcleo, se eligieron las siguientes condiciones de soldeo por difusión:

temperatura de soldeo de 920°C;

presión isostática aplicada a las preformas de pila de 3 MPa;

tiempo de soldeo de aproximadamente dos horas, con la excepción del tiempo de calentamiento de la pila para soldeo. La etapa de impartir una forma de superficie aerodinámica a la preforma estructural solidaria se llevó a cabo a la temperatura de 800°C. La duración de la etapa, con la excepción del tiempo de calentamiento de la preforma estructural solidaria, fue de aproximadamente 30 min.

La etapa de romper la unión adhesiva entre las preformas de revestimiento y la preforma de núcleo y el material de separación se consiguió a temperatura ambiente, y la presión de argón se eligió tal como se requiere para deformación elástica de las preformas de revestimiento.

Se consiguió conformación superplástica a la temperatura de 920°C; se inyectó argón a presión mediante una programación especial para proporcionar la velocidad de deformación de la preforma de núcleo en régimen de superplasticidad.

La conformación superplástica duró aproximadamente 2-3 horas.

En todas las etapas del método asociadas con suministrar argón a cavidades de la preforma estructural solidaria, se usó un tubo que se montó en el lugar elegido basándose en de la relación dada en la descripción del método, particularmente, a una distancia desde el límite exterior del borde de salida igual a L/3, donde L es la longitud de la cuerda de pala a lo largo del borde periférico.

En la conformación superplástica, se controló la ascensión uniforme de la preforma de lado de succión, especialmente en el tiempo inicial de conformación superplástica.

El lado de succión se elevó de manera uniforme. La pala terminada se sometió a ensayos no destructivos. No se encontró desalineación de la preforma de núcleo en la zona de colector. Ambos de estos hechos confirman la ausencia de “pegado” de preformas de núcleo y de revestimiento en la zona de colector en el momento inicial de conformación superplástica.

La figura 4 muestra una fotografía de una pala acabada después del mecanizado.

La solución técnica inventiva está pensada para usarse en la fabricación de una pala de ventilador hueca en la producción a escala industrial.

Referencias citadas:

1. Patente RU 2354854, CIP F04D 29/32, F04D 29/38, 2009.

2. Patente europea EP 0568201 B1, CIP B21D 53/78, B21D 26/02, B21D 11/14.

3. Patente RU 2477191, CIP B21D 53/78, B21D 26/02, B23K 20/18, B23K 101/02, 2013.

4. Solicitud europea EP 2223767 A1, CIP B23K 20/02, B21D 53/78, F01D 5/14, B23K 20/18, B23P 15/04, 2010.

5. Patente RU 2291019, CIP B21D 53/78, B21D 26/02, 2007.

6. Patente GB 2073631, B21D 11/14, 1980

Puede encontrarse técnica anterior adicional en el documento EP 1188497 A2 que describe un método para fabricar un artículo, por ejemplo, una pala de ventilador, mediante unión por difusión.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES

   Método de fabricación de una pala de ventilador hueca para un motor de turbina de gas que usa soldeo por difusión y conformación superplástica, consistiendo dicha pala en revestimientos de aleación de titanio y un núcleo en forma de nervaduras de refuerzo, en el que el método comprende:

   ensamblar preformas de los revestimientos (1, 2) y del núcleo (3) en una pila;

   aplicar de manera preliminar material de separación en un patrón de rejilla predeterminado a zonas en las que superficies de las preformas de revestimiento y de núcleo entran en contacto, pero no están unidas mediante soldeo por difusión, incluyendo una zona de colector;

   dotar también las preformas de revestimiento de una ranura (9, 10) y la preforma de núcleo de una rendija (11) para montar al menos un tubo;

   sellar la pila a lo largo de los bordes con la excepción de donde el al menos un tubo va a montarse; montar un tubo (12) y conectarlo a la zona de colector;

   retirar oxígeno y aglutinante del material de separación de cavidades de la pila;

   sellar completamente la pila;

   calentar la pila, y soldar por difusión las preformas en zonas (13, 14) predeterminadas, también a lo largo de un borde de entrada, un borde de salida y un borde periférico, para producir una preforma estructural solidaria; impartir una forma de superficie aerodinámica a la preforma estructural solidaria;

   llevar a cabo conformación superplástica suministrando fluido de trabajo a cavidades entre las preformas de revestimiento y de núcleo usando también al menos un tubo, dicho método caracterizado porque la zona de colector se dispone en el lado de la pila, que corresponde al borde periférico de la pala; y,

   para montar uno o más tubos para suministrar el fluido de trabajo por conformación superplástica, la ranura en las preformas de revestimiento y la rendija en la preforma de núcleo se proporcionan a una distancia del límite exterior del borde de entrada o borde de salida menor de L/3, donde L es la longitud de la cuerda de pala a lo largo del borde periférico.

   Método según la reivindicación 1, caracterizado porque

   cuando se usa un único tubo para suministrar el fluido de trabajo en conformación superplástica, la ranura y la rendija para montar el tubo se proporcionan a una distancia del límite exterior del borde de entrada o de salida igual a L/6, donde L es la longitud de la cuerda de pala a lo largo del borde periférico.

   Método según la reivindicación 1, caracterizado porque

   cuando se usan dos tubos para suministrar el fluido de trabajo en conformación superplástica, la ranura y la rendija para montar uno de los tubos se proporcionan a una distancia del límite exterior del borde de entrada igual a L/6, donde L es la longitud de la cuerda de pala a lo largo del borde periférico, mientras que la ranura y la rendija para montar el otro tubo se proporcionan a la misma distancia del límite exterior del borde de salida.