專利名稱：制作金屬嵌入件以保護(hù)復(fù)合材料制成的前緣的方法
制作金屬嵌入件以保護(hù)復(fù)合材料制成的前緣的方法本發(fā)明的領(lǐng)域是制造金屬部件的領(lǐng)域，特別是制造航空用的鈦前緣或鈦后緣的領(lǐng)域，諸如渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)上使用的寬弦風(fēng)扇葉片的前緣，這種葉片采用復(fù)合材料制成。渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片目前因?yàn)橹亓亢统杀镜脑蚨饕捎脧?fù)合材料制成。這些部件因?yàn)槠滢D(zhuǎn)速和其所支撐的氣動(dòng)力載荷而會(huì)受到相當(dāng)大的機(jī)械應(yīng)力，因此，必須承受易于進(jìn)入空氣流的異物的沖擊。為此，這些部件的前緣和/或后緣上都由覆蓋其端部的金屬部件來(lái)予以保護(hù)，所述金屬部件結(jié)合到葉片的復(fù)合材料上。目前，可用于制造復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的鈦前緣的工藝方法都很難實(shí)施，很復(fù)雜，而且因此成本也高。這是因?yàn)檫@些工藝方法都主要基于熱成形，而這些熱成形都需要能夠承受所使用溫度的工具。此外，這些工藝方法還必須涉及到中間部件和制作最后階段的大量機(jī)械加工。因?yàn)橹亓亢蛷?qiáng)度的原因，這些前緣或后緣一般都是采用鈦制成，而且較薄。鑒于該 厚度小，很自然，人們會(huì)想到使用包括采用超塑成形與擴(kuò)散連接(SPFDB)的板材連接制造工藝。本申請(qǐng)者在專利申請(qǐng)EP I 574 270中介紹了這種工藝。然而，這種工藝的缺陷是腔室的內(nèi)部形狀不容易控制，特別是，很難優(yōu)化腔室端部板材之間的連接。具體來(lái)講，如果前緣很牢固時(shí)，在兩個(gè)板材之間形成連接是很重要的，該連接帶有公切線，該公切線橫向于腔室的縱軸，而且，可能的話，該連接具有較大的曲率半徑，而SPFDB工藝是無(wú)法實(shí)現(xiàn)這些的。本發(fā)明的目的是提出一種制造鈦前緣或后緣的方法來(lái)克服上述缺陷，這種方法可以使得前緣和/后緣腔室的制造更加容易，而且，這些前緣和后緣的制造成本也不會(huì)很高。為此，本發(fā)明的目的是提供通過(guò)模鍛板材和擴(kuò)散焊接制造金屬嵌入件的方法，來(lái)保護(hù)航空機(jī)器復(fù)合材料壓氣機(jī)葉片的前緣或后緣，其特征在于，該方法包括如下步驟首先采用模鍛方法成形板材，以便使板材類似于所述嵌入件的吸力面和壓力面的形狀；制造芯，該芯采用將要制作的金屬嵌入件內(nèi)部腔室形式，其中一邊類似于所述嵌入件吸力面的內(nèi)部形狀，另一邊類似于嵌入件壓力面的內(nèi)部形狀，兩個(gè)面在頂部匯合，而該頂部類似于前緣或后緣的內(nèi)部形狀；在所述芯周圍布置所述板材，兩個(gè)板材以平行方式在芯頂部匯合，并牢牢固定組件；將組件置于真空狀態(tài)下，并焊接合攏組件；采用熱等靜壓方法連接所述組件；切割所述組件以提取芯，并分離嵌入件；以及采用最后加工作業(yè)來(lái)制成嵌入件的外部輪廓。與芯一起采用熱等靜壓可獲得金屬嵌入件，該嵌入件的內(nèi)部腔室具有連續(xù)彎度，從而防止應(yīng)力集中于腔室頂部。優(yōu)選地，芯的每個(gè)面的一半的形狀為板材的吸力面，而另一半的形狀則是板材的壓力面，這樣，每次作業(yè)可制造出兩個(gè)嵌入件。
于是，前緣和/或后緣嵌入件的生產(chǎn)速度就可以翻一番，而且提高了工作站的生
產(chǎn)效率。有利的是，所述芯在每個(gè)面上都有縱向中點(diǎn)凹痕，這樣，在熱等靜壓處理后，可以形成清楚可見的刻線，該刻線將兩個(gè)嵌入件分開。采用這種外部可見的凹痕，操作手可以知道在何處切割組件，從而將所制成的兩個(gè)前緣分開。在一個(gè)實(shí)施例中，在板材的最初模鍛時(shí)，在前緣或后緣頂部形成一個(gè)凹槽。該凹槽用來(lái)插入增強(qiáng)件，所述增強(qiáng)件在熱等靜壓期間擴(kuò)散到嵌入件材料中，增加了嵌入件的強(qiáng)度。有利的是，在該實(shí)施例中，當(dāng)板材布置在所述芯周圍時(shí)，復(fù)合材料纖維制成的增強(qiáng) 件置于該凹槽內(nèi)。優(yōu)選地，所述芯采用耐火材料制成。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述芯采用金屬制成，該金屬的膨脹系數(shù)不同于所述板材的膨脹系數(shù)。在該實(shí)施例中，芯有利地采用防擴(kuò)散屏來(lái)覆蓋，后者不會(huì)污染所述板材金屬。優(yōu)選地，該芯的金屬是鈦或鎳合金，而防擴(kuò)散屏為氧化釔。下面參照附圖
，閱讀本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的詳細(xì)解釋性描述，可以更好地理解本發(fā)明，本發(fā)明的其它目的、細(xì)節(jié)、特性和優(yōu)點(diǎn)會(huì)更清楚地顯現(xiàn)出來(lái)，所述實(shí)施例僅以說(shuō)明性而非限定性示例給出。附圖如下圖I為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例制造前緣的方法的板材成型步驟示意圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例制造前緣的方法的板材預(yù)連接步驟示意圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例制造前緣的方法的板材連接步驟示意圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例制造前緣的方法的板材切割步驟示意圖；圖5為采用本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例方法所生產(chǎn)的前緣的示意圖；以及圖6為在本發(fā)明另一種方法的板材成型步驟實(shí)施期間前緣前部的示意圖。圖I分兩個(gè)步驟示出了鈦板材I的熱成型情況，目的是使其內(nèi)部形狀大體上相當(dāng)于耐火芯的外部形狀，所述芯的精確形狀為前緣的內(nèi)部腔室。為此，兩個(gè)板材連續(xù)成型，其中一個(gè)板材可形成前緣的吸力面IE，而另一個(gè)可形成前緣的壓力面II。圖2所示芯3采用耐火材料制成(或金屬合金，諸如IN100，其膨脹系數(shù)與前緣的鈦的膨脹系數(shù)截然不同)，芯的周圍是采用上述方法預(yù)成型的兩個(gè)板材IE和II，以便在其大部分長(zhǎng)度上與芯的形狀相匹配。應(yīng)該看到，兩個(gè)板材并未采用這樣的形狀，即連接后，它們?cè)谇熬夗敳肯嘤霾⒁?80°角度彼此面對(duì)，而是其端部呈大體平行，且與芯的中平面大體對(duì)準(zhǔn)。因此，在前緣頂部，兩個(gè)板材在其將要連接的部位上不會(huì)完全包圍芯。而是留出一個(gè)剩余空間4，該空間在隨后的實(shí)施步驟中將會(huì)被去除。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，板材是通過(guò)TIG焊接法(在惰性氣體下采用不熔化鎢電極的電弧焊接)臨時(shí)點(diǎn)焊在一起(圖中未示)，目的是將板材連接到一起并使其在芯3上處于適當(dāng)位置。圖3示出了通過(guò)電子束(EB)焊接工藝將兩個(gè)板材IE和II圍繞耐火芯連接后的情況。如圖3所示，電子束焊接沿縫5進(jìn)行，縫5與板材的側(cè)邊相平行，而且，在部件的橫向端部(圖中未示)。圖4示出了板材采用熱等靜壓(HIP)工藝連接后而制成的前緣。熱等靜壓工藝使得板材I變形，將其緊緊抵靠在芯3上，板材完全貼合所述芯的形狀。在這個(gè)步驟之后，剩余空間4不再存在。另外，圖4示出了熱等靜壓作業(yè)之后幾個(gè)步驟的實(shí)施情況。首先，應(yīng)該注意的是，每個(gè)板材I都要預(yù)成型，以便板材的一半類似于現(xiàn)前緣的吸力面1E，另一半類似于壓力面II。同樣，芯3的形狀也具有對(duì)稱的縱軸，芯的一半3’為前緣的內(nèi)部形狀，另一半3”也類似于該形狀，只是這次是在芯的另一邊。兩個(gè)內(nèi)部形狀在芯3的橫向中平面兩邊彼此面對(duì)，從而可以同時(shí)制成兩個(gè)前緣。
為此，該圖的右側(cè)部分示出第一前緣，該第一前緣是通過(guò)將位于芯頂部的吸力面半板材TE與位于底面的壓力面半板材I’ I結(jié)合而制成，而左側(cè)部分則示出了采用壓力面半板材I” I和吸力面半板材I”E制成的第二前緣。圖4還示出了沿組件橫向中平面延伸的兩個(gè)刻線6和6’，所述組件由板材I和芯3構(gòu)成。這些刻線可使兩個(gè)前緣在熱等靜壓作業(yè)完成之后彼此分離。最后，圖4示出了兩個(gè)輪廓線7和7’，沿這兩個(gè)線，可從兩個(gè)前緣的側(cè)面去除多余的材料。圖5示出了生產(chǎn)工藝結(jié)束時(shí)的前緣，所示前緣已與其完全相同的另一部分分離，且其輪廓也已經(jīng)過(guò)相應(yīng)機(jī)械加工。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的另一種形式，在這個(gè)實(shí)施方式中，在成型步驟實(shí)施期間，在芯3的每邊，在剩余空間4端部?jī)蓚€(gè)板材之間設(shè)有一個(gè)凹槽8。在熱等靜壓作業(yè)之后，該凹槽則位于前緣的頂部。該凹槽為管狀，如圖所示，但并非必須為管狀，凹槽用來(lái)插入復(fù)合纖維制成的圓柱形增強(qiáng)件。下面介紹根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的方法同時(shí)制造兩個(gè)前緣的方法。根據(jù)該方法，首先采用傳統(tǒng)的模鍛作業(yè)生產(chǎn)出板材，板材形狀類似于前緣所需形狀。然而，在現(xiàn)有技術(shù)中，成型作業(yè)必須很精確，形成的部件尺寸幾乎完全合適，此處，成型作業(yè)僅給出大概合適形狀，從而簡(jiǎn)化了隨后進(jìn)行的熱成型步驟。此外，在現(xiàn)有技術(shù)中，成型后，模鍛會(huì)在板材表面造成起伏，特別是如果要求模鍛制成的部件具有很高程度的扭曲形狀(twisting)時(shí)。采用本發(fā)明時(shí)，不會(huì)再出現(xiàn)這種影響，成型時(shí)的應(yīng)力很輕。模的形狀是這樣的，S卩，其可使板材的一半成為吸力面形狀，而另一半為壓力面形狀。這樣，就形成兩個(gè)板材，一個(gè)置放在芯的上部，而另一個(gè)則置放在其下部，與第一個(gè)相對(duì)。兩個(gè)板材沿板材側(cè)緣通過(guò)TIG臨時(shí)點(diǎn)焊在所述芯周圍連接。然后，將組件置放在真空室內(nèi)，進(jìn)行電子束焊接作業(yè)。沿板材的側(cè)緣和沿其橫向邊緣可產(chǎn)生連續(xù)焊縫5，從而使芯3得以完全被包圍，并對(duì)組件進(jìn)行封閉。于是，在板材I和芯3之間形成真空，特別是，在板材1E、1I和芯3的頂部之間的剩余空間4內(nèi)會(huì)存在真空。應(yīng)該注意的是，根據(jù)電子束焊接作業(yè)的要求，還需要進(jìn)行抽真空步驟，以便進(jìn)行本發(fā)明所述方法的后續(xù)步驟。將這兩個(gè)抽真空操作步驟相結(jié)合，可以簡(jiǎn)化所述方法，從而有助于降低前緣的生產(chǎn)成本。隨后，對(duì)由芯3和兩個(gè)板材IE和II形成的組件進(jìn)行熱等靜壓處理，該項(xiàng)作業(yè)是在大約940°C溫度下進(jìn)行，在所給示例中，葉片采用TA6V鈦合金制成。在這個(gè)溫度下，金屬會(huì)變得較軟，可以在施加給其的大約1000巴壓力作用下流動(dòng)。兩個(gè)板材變形，從而與芯3的形狀完全吻合，并去除剩余空間4。特別是，兩個(gè)板材會(huì)在芯的頂部以180°的角度匯合。與此同時(shí)，在加熱的作用下，兩個(gè)板材擴(kuò)散焊接在一起。將這兩個(gè)作用結(jié)合可以制作出前緣內(nèi)部腔室，該腔室的形狀與芯的形狀完全相同，而且在其頂部，還具有所需要的曲率半徑。在所使用溫度情況下，形成曲率半徑，且不會(huì)在頂部出現(xiàn)應(yīng)力，而后者在現(xiàn)有技術(shù)中是存在的。隨后，沿包圍芯3組件的橫向中平面進(jìn)行兩次切割6和6’，形成兩個(gè)前緣，并對(duì)其分解。為了使得該項(xiàng)作業(yè)簡(jiǎn)單易行，優(yōu)選地，沿刻線部分，芯可具有縱向凹痕，附圖未示出，該凹痕用來(lái)表示刻線的位置。在熱等靜壓作業(yè)期間，板材的金屬會(huì)流動(dòng)并填滿芯3上的凹痕，在板材外側(cè)重建凹痕，該凹痕可從外部看到。操作者于是知道進(jìn)行所述兩次切割6和6’的位置。此外，芯采用所選擇的材料制成，所以，在板材和芯之間不存在粘合。這種材料通常都是耐火材料，在耐火材料內(nèi)，鈦是不會(huì)擴(kuò)散的，或者采用金屬制成，而金屬的膨脹系數(shù)不同于板材的膨脹系數(shù)。在這種情況下，這些膨脹上的差異在熱等靜壓作業(yè)期間可防止板材I粘結(jié)到芯3上。在具體實(shí)施例中，金屬芯還覆蓋有防擴(kuò)散屏，這種屏不會(huì)污染鈦，諸如， 氧化釔，因此，在熱等靜壓作業(yè)期間不會(huì)出現(xiàn)粘結(jié)的風(fēng)險(xiǎn)。不論采用哪種類型的芯，本發(fā)明都可使其得以重新使用，因?yàn)樵趯?shí)施本發(fā)明的方法期間，既不會(huì)出現(xiàn)性能下降，也不會(huì)被消耗。因此，這可使前緣的制造成本得以下降，不會(huì)影響到所制造內(nèi)部腔室的質(zhì)量。所述方法的最后步驟是，通過(guò)沿輪廓線7和V進(jìn)行切割，從沿兩個(gè)前緣側(cè)邊去除多余的材料。最后進(jìn)行的機(jī)械加工可以賦予前緣所需要的外部形狀。 在圖6所示不同方式中，用于板材預(yù)成型的模具的形狀是在剩余空間4的端部處形成凹槽8。在TIG臨時(shí)點(diǎn)焊作業(yè)之前，板材I安裝在芯3上時(shí)，將復(fù)合材料纖維制成的增強(qiáng)件置于該凹槽內(nèi)。置于該凹槽內(nèi)的纖維在熱等靜壓作業(yè)期間會(huì)擴(kuò)散到板材的金屬內(nèi)，在前緣頂部形成纖維增強(qiáng)。這樣，增加了前緣承受腐蝕和沖擊的能力。盡管結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)行了介紹本發(fā)明，但是，很顯然，本發(fā)明包括了所述裝置及其結(jié)合形式的各種同等技術(shù)，如果這些技術(shù)均在本發(fā)明范圍之內(nèi)時(shí)。
權(quán)利要求
1.一種通過(guò)模鍛板材(I)和擴(kuò)散焊接上述板材制造金屬嵌入件的方法，來(lái)保護(hù)航空機(jī)器復(fù)合材料制備的壓氣機(jī)葉片前緣或后緣， 其特征在于，其包括了如下步驟 首先采用模鍛方法成形板材，以便使板材具有類似于所述嵌入件的吸力面(IE)和壓力面(II)的形狀； 制造芯(3)，該芯采用將要制作的金屬嵌入件內(nèi)部腔室形式，其中一邊具有類似于所述嵌入件吸力面的內(nèi)部形狀，另一邊具有類似于上述嵌入件壓力面的內(nèi)部形狀，兩個(gè)面在頂部匯合，而該頂部具有類似于前緣或后緣的內(nèi)部形狀； 在所述芯周圍布置所述板材，兩個(gè)所述板材平以行方式在所述芯頂部匯合，并牢牢固定組件； 將所述組件置于真空狀態(tài)下，并焊接合攏所述組件； 采用熱等靜壓方法連接所述組件； 切割所述組件，提取所述芯(3)，并分離所述嵌入件；以及 采用最后加工作業(yè)來(lái)制成所述嵌入件的外部輪廓。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述芯(3)的每個(gè)面的一半具有所述板材吸力面(Γ E)的形狀，而另一半則具有所述板材壓力面(Γ I)的形狀，從而每次作業(yè)可制造出兩個(gè)所述嵌入件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述芯(3)在每個(gè)面上都有縱向中間點(diǎn)凹痕，這樣，在上述熱等靜壓之后，可形成清楚可見的刻線(6)，該刻線用來(lái)分離兩個(gè)所述嵌入件。
4.根據(jù)權(quán)利要求I到3任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述板材的初始模鍛在所述前緣或所述后緣的頂部形成凹槽(8)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，當(dāng)所述板材⑴圍繞位于所述芯(3)時(shí)，在所述凹槽(8)內(nèi)可置放由復(fù)合材料纖維制成的增強(qiáng)件。
6.根據(jù)權(quán)利要求I到5任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述芯采用耐火材料制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求I到5任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述芯(3)采用膨脹系數(shù)不同于所述板材(I)的膨脹系數(shù)的金屬制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述芯(3)上覆蓋有不會(huì)污染所述板材(I)金屬的防擴(kuò)散屏。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述芯的金屬是鈦合金或鎳合金，而所述防擴(kuò)散屏為氧化釔。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通過(guò)模鍛板材(1)和在所述板材之間擴(kuò)散連接制作金屬嵌入件，以保護(hù)復(fù)合材料制成的航空機(jī)器壓氣機(jī)葉片前緣或后緣的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟通過(guò)模鍛來(lái)首先使板材成形，目的是使所述板材近似于所述嵌入件的吸力面(1E)和壓力面(1I)的形狀；制作芯(3)，其形狀與將要制造的金屬嵌入件的內(nèi)部腔室相似，所述芯的其中一個(gè)面類似于嵌入件的吸力面內(nèi)部形狀，另一個(gè)面類似于嵌入件的壓力面的內(nèi)部形狀；將所述板材置于所述芯的周圍并緊固組件；應(yīng)用真空，通過(guò)連接來(lái)密封組件；通過(guò)熱等靜壓來(lái)連接組件；切割組件以便提取芯(3)，并分離嵌入件；通過(guò)最后機(jī)械加工來(lái)制成嵌入件的外部輪廓。
文檔編號(hào)F01D5/14GK102834220SQ201180014428
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2011年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月19日
發(fā)明者吉恩-米歇爾·帕特里克·莫里斯·弗朗切特, 吉勒斯·查爾斯·卡斯米爾·克萊恩 申請(qǐng)人:斯奈克瑪