一种空心叶片的制备方法与流程

1.本发明属于航空发动机领域，具体涉及一种空心叶片的制备方法。


背景技术：

2.航空发动机风扇出口导向叶片作为中介机匣的承力件，需要具有抗振颤、抗冲击损伤和承受高负载的性能，是现代高涵道比涡扇发动机的重要零件之一。随着航空工业的发展，对航发减重的需求越来越高，目前，空心风扇出口导向叶片是发动机设计制造的发展趋势之一。如英国r-r公司的rb211-535e4发动机中，风扇出口导向叶片采用钛合金空心结构，空腔中填充有减振材料。leap x发动机铝合金风扇出口导向叶片采用粘接或焊接工艺制造，大大减轻了叶片重量。目前，空心叶片多采用铣加工在底板上加工出空心结构，然后通过粘接、扩散焊、搅拌摩擦焊或电子束焊等连接工艺将盖板与底板拼接制成。这些工艺中，粘接强度较低容易在服役过程中发生脱胶；焊接过程中零件变形较大，且无法对内部空腔结构尺寸进行控制；同时，加工步骤繁琐，材料利用率低，制造周期长。
3.近年来热等静压技术发展迅速，在发动机转子叶片制造等领域取得了广泛应用。热等静压工艺制造的零件组织均匀、力学性能好，且具有近净成形的优点，工序简便，适用于复杂结构的加工制造。然而，由于空心叶片结构的特殊性，目前缺少直接利用热等静压工艺制备空心叶片的技术方案。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，提供一种空心叶片的制备方法，通过热等静压工艺以近净成形的方式制备空心叶片，以提高叶片成品质量，简化制造工艺。
5.根据本发明实施例的一个方面，提供一种空心叶片的制备方法，该方法包括以下步骤：
6.a)将空心叶片划分为上部和下部两个部分，为其提供包套和型芯，所述包套包括上部包套和下部包套；
7.b)分别在上部包套和下部包套中填充粉末原料并装入型芯，对所述包套进行焊接封闭；
8.c)分别对所述上部包套和下部包套进行温等静压加工，使所述粉末原料分别结合成为形状固定的上部粉体坯件和下部粉体坯件；
9.d)切除所述上部和下部之间的连接面上的包套并去除所述型芯，沿切割面将所述上部包套和下部包套拼接并焊接在一起成为叶片包套，使所述上部粉体坯件和下部粉体坯件在所述叶片包套内连接成为整体；
10.e)在所述叶片包套的一端钻孔，使所述型芯去除后留下的空腔与外部接通；
11.f)在所述叶片包套上安装加压夹具，沿高度方向从两端对所述叶片包套施加额外压力；
12.g)将所述叶片包套和所述加压夹具一起放入热等静压炉进行热等静压加工，使所
述上部粉体坯件和下部粉体坯件中的金属粉末连接成为整体空心叶片。
13.通过该方法能够以热等静压工艺进行空心叶片的近净成形制造，所得到的成品叶片组织均匀强度好，变形和内部应力小；加工过程所需的设备简单，无需铣削等复杂工艺，材料利用率高。
14.进一步地，装入所述上部包套和下部包套中的型芯分别有两个。两枚型芯能够在叶片内形成两个独立的空腔，在减重基础上提高叶片的强度。
15.进一步地，所述型芯的材质为钢或陶瓷。钢制或陶瓷制型芯易于制造和脱模。
16.进一步地，所述空心叶片上部和下部的划分位置为叶片服役状态下沿高度方向应力最小的位置。将划分位置设置在应力最小的位置能够提高零件长期服役的可靠性。
17.进一步地，所述叶片包套表面设置有沿叶片高度方向的加强结构以增加叶片包套沿叶片高度方向的刚度。加强结构能够使叶片包套在承受额外压力时不易弯折损坏。
18.进一步地，所述步骤f)中所述额外压力在所述上部粉体坯件和下部粉体坯件结合面上的压强≥30mpa。由于钻孔后包套内外气压相同，结合面上的粉体发再结晶并融合所需的压力需要由该额外压力提供，需要足够的压强确保再结晶充分发生。
19.进一步地，所述粉末原料的成分为铝合金或钛合金粉末。铝合金或钛合金均具有轻质高强的优势，适合叶片的制造。
20.进一步地，所述粉末原料中还包括增强颗粒。增强颗粒能够进一步提高叶片的力学性能。
21.进一步地，所述步骤d)中，在进行焊接前还包括步骤d-2)：对所述上部粉体坯件和下部粉体坯件进行表面加热，使表层的粉末原料结合成为致密层。由于钻孔后包套内外压力相同，粉体坯件再结晶所需的外部压力取决于坯件自身表面的气密性，预先对表面加热使表层粉体烧结能够提高粉体坯件的气密性。
22.进一步地，所述步骤d)中的焊接方式为氩弧焊。考虑到包套的结构特点，氩弧焊具有较好的焊接可达性。
附图说明
23.图1为一实施例中上部包套和下部包套的结构示意图；
24.图2为一实施例中填充粉末和型芯后的包套截面示意图；
25.图3为一实施例中叶片包套结构示意图；
26.图4为另一实施例中填充粉末和型芯后的包套截面示意图。
27.图5为另一实施例中叶片包套结构示意图。
28.上述附图的目的在于详细说明本发明的技术方案以便本领域技术人员能够理解本发明的技术构思，而非旨在限制本发明。需要理解，为了直观和简便，上述附图仅示意性地画出了与本发明技术方案相关的部分技术特征，并未严格按照真实比例画出全部细节特征和完整的装置设备。
具体实施方式
29.下面通过实施例结合附图对本发明作出进一步的详细说明。
30.除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与本领域技术人员通常所理解
的含义相同；本文中所采用的术语仅为了描述具体的实施例而非旨在限制本发明；说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”及其同义表述意在覆盖不排他的包含。
31.在本文中提及“实施例”意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书各个位置出现的“实施例”这一表述并不一定均指代同一实施例，也不是与其他实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员应当理解，本文所描述的实施例可以与其他实施例相结合。
32.在本文实施例的描述中，“水平”、“竖直”、“长度”、“高度”、“径向”、“周向”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系，仅是为了便于描述实施例和简化描述的目的，而非指示或限定所指代的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，因而并非对本发明实施例的限制。
33.在本文实施例的描述中，除非另有明确的规定或线性，术语“安装”、“连接”、“相连”等应作广义理解，如可以是固定连接也可以是可拆卸连接或成一体；可以是机械连接也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连。对本领域技术人员而言，应当可以根据具体情况理解上述术语在本文实施例中的具体含义。
34.根据本发明的一个实施例，提供一种空心叶片的制备方法，用于制备涡扇发动机风扇出口导向叶片。方法包括以下步骤：
35.a)将空心叶片沿高度方向划分为上部和下部两个部分，为其提供包套和型芯，如图1所示。作为优选，上部和下部的分解位置设置为叶片服役状态下沿高度方向应力最小的位置。包套包括上部包套1和下部包套2，包套的开口设置在叶片上部和下部的对接位置上，包套的结构依照所要制造的叶片外部结构设计采用碳钢制造，包套内的腔体用于构成叶片的外轮廓，在设计时考虑后续加工所需的预留量。
36.b)分别在上部包套1和下部包套2中振动填充2009铝合金粉末和sic增强颗粒粉末，结合图2，在上包套1和下包套2中分别装入两枚钢制型芯5。完成填装后分别对上包套1和下包套2抽真空并焊接封闭。
37.c)对上包套1和下包套2进行温等静压加工处理，压力80mpa-200mpa，试件≥5min，使包套内的原理粉末结合成为形状固定的上部粉体坯件3和下部粉体坯件4。
38.d-1)切除上部粉体坯件3和下部粉体坯件4连接面6处的包套，使粉体坯件的连接面6及型芯5暴露出来，抽出型芯5。
39.d-2)可选地，利用乙炔喷枪或感应炉对上部粉体坯件3和下部粉体坯件4进行表面加热，使表面的粉末原材料结合成为致密层，以避免后续热等静压过程中粉体坯件的气密性不足。
40.d-3)如图3所示，将上部包套1和下部包套2沿切割面拼接并以氩弧焊沿拼接界面8焊接在一起成为叶片包套10，使上部粉体坯件3和下部粉体坯件4在叶片包套10内连接成为整体。
41.e)在叶片包套10的一端，如外缘板一侧钻出通孔7，使型芯5去除后留下的每一个空腔都与外部连通，以便在进行热等静压加工时叶片内外的气压平衡。
42.f)在叶片包套10上安装加压夹具，如能够通过丝杠结构调节夹头间距的台钳状夹具，从内缘板和外缘板两端沿高度方向对叶片包套10施加向内的压力。作为优选，上部粉体
坯件3和下部粉体坯件4结合面上的压强≥30mpa。
43.g)将叶片包套10和加压夹具一起放入热等静压炉进行热等静压加工，加热温度550℃-600℃，压力≥80mpa，保温时间≥2h，使上部粉体坯件3和下部粉体坯件4内部和连接面6上的粉末发生塑性变形和扩散蠕变，最终连接成为整体空心叶片。
44.h)利用机械处理去除叶盘包套10，并按照sic增强2009铝合金复合材料的热处理制度对整体空心叶片进行热处理，具体参数为：首先进行5h
±
0.5h、510℃
±
5℃的固溶处理，水淬不超过15s后在室温下进行不少于96h的自然时效处理。随后对整体空心叶片进行水浸探伤、尺寸修饰和去应力加工，最终完成空心叶片的成品加工。
45.作为可选，叶片包套10的表面可以设置有沿叶片高度方向的加强结构，如与包套一体成型的加强板或焊接上的加强筋，以便在加压夹具对叶片包套施加额外压力时增强叶盘包套在高度方向的刚度，避免发生弯折变形。
46.作为可选，根据设计要求，原料粉末中的增强颗粒还可以选择tib2、al2o3等。
47.根据本发明的另一个实施例，提供一种空心叶片的制备方法，包括以下步骤：
48.a)将空心叶片沿高度方向划分为上部和下部两个部分，为其提供包套和型芯，如图1所示。作为优选，上部和下部的分解位置设置为叶片服役状态下沿高度方向应力最小的位置。包套包括上部包套1和下部包套2，包套的结构依照所要制造的叶片外部结构设计采用碳钢制造，包套内的腔体用于构成叶片的外轮廓，在设计时考虑后续加工所需的预留量。
49.b)分别在上部包套1和下部包套2中振动填充tc4钛合金粉末，结合图4，在上包套1和下包套2中分别装入一枚陶瓷制型芯5。完成填装后分别对上包套1和下包套2抽真空并焊接封闭。
50.c)对上包套1和下包套2进行温等静压加工处理，使包套内的原理粉末结合成为形状固定的上部粉体坯件3和下部粉体坯件4。
51.d)切除上部粉体坯件3和下部粉体坯件4连接面6处的包套，使粉体坯件的连接面6及型芯5暴露出来，抽出型芯5。如图5所示，将上部包套1和下部包套2沿切割面拼接并以激光焊沿拼接界面8焊接在一起成为叶片包套10，使上部粉体坯件3和下部粉体坯件4在叶片包套10内连接成为整体。
52.e)在叶片包套10的一端，如外缘板一侧或内缘板一侧钻出通孔7，使型芯5去除后留下的空腔与外部连通，以便在进行热等静压加工时叶片内外的气压平衡。
53.f)在叶片包套10上安装加压夹具，如能够通过丝杠结构调节夹头间距的台钳状夹具，从内缘板和外缘板两端沿高度方向对叶片包套10施加向内的压力。作为优选，上部粉体坯件3和下部粉体坯件4结合面上的压强≥40mpa。
54.g)将叶片包套10和加压夹具一起放入热等静压炉进行热等静压加工，加热温度910℃-930℃，压力保持120mpa-200mpa，保温时间2.5h-3.5h，使上部粉体坯件3和下部粉体坯件4内部和连接面6上的粉末发生塑性变形和扩散蠕变，最终连接成为整体空心叶片。
55.h)利用机械处理或酸处理去除叶盘包套10，并按照tc4钛合金复合材料的热处理制度对整体空心叶片进行热处理，具体参数为：进行2h的840℃-860℃均匀化并随炉冷却。随后对整体空心叶片进行水浸探伤、尺寸修饰和去应力加工，最终完成空心叶片的成品加工。
56.需要理解，上述实施例的目的在于结合附图对本发明的技术方案作出详细说明，
而非旨在限制本发明。在本发明权利要求的范围内，对本发明各实施例中所涉及的零件、结构和方法步骤进行优化或等效替换，或在不发生原理和结构冲突的前提下对不同实施例进行结合，均落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种空心叶片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：a)将空心叶片划分为上部和下部两个部分，为其提供包套和型芯，所述包套包括上部包套和下部包套；b)分别在上部包套和下部包套中填充粉末原料并装入型芯，对所述包套进行焊接封闭；c)分别对所述上部包套和下部包套进行温等静压加工，使所述粉末原料分别结合成为形状固定的上部粉体坯件和下部粉体坯件；d)切除所述上部和下部之间的连接面上的包套并去除所述型芯，沿切割面将所述上部包套和下部包套拼接并焊接在一起成为叶片包套，使所述上部粉体坯件和下部粉体坯件在所述叶片包套内连接成为整体；e)在所述叶片包套的一端钻孔，使所述型芯去除后留下的空腔与外部接通；f)在所述叶片包套上安装加压夹具，沿高度方向从两端对所述叶片包套施加额外压力；g)将所述叶片包套和所述加压夹具一起放入热等静压炉进行热等静压加工，使所述上部粉体坯件和下部粉体坯件中的金属粉末连接成为整体空心叶片。2.根据权利要求1所述的空心叶片的制备方法，其特征在于，装入所述上部包套和下部包套中的型芯分别有两个。3.根据权利要求1或2所述的空心叶片的制备方法，其特征在于，所述型芯的材质为钢或陶瓷。4.根据权利要求1所述的空心叶片的制备方法，其特征在于，所述空心叶片上部和下部的划分位置为叶片服役状态下沿高度方向应力最小的位置。5.根据权利要求1所述的空心叶片的制备方法，其特征在于，所述叶片包套表面设置有沿叶片高度方向的加强结构以增加叶片包套沿叶片高度方向的刚度。6.根据权利要求1或5所述的空心叶片的制备方法，其特征在于，所述步骤f)中所述额外压力在所述上部粉体坯件和下部粉体坯件结合面上的压强≥30mpa。7.根据权利要求1所述的空心叶片的制备方法，其特征在于，所述粉末原料的成分为铝合金或钛合金粉末。8.根据权利要求7所述的空心叶片的制备方法，其特征在于，所述粉末原料中还包括增强颗粒。9.根据权利要求1所述的空心叶片的制备方法，其特征在于，所述步骤d)中，在进行焊接前还包括步骤d-2)：对所述上部粉体坯件和下部粉体坯件进行表面加热，使表层的粉末原料结合成为致密层。10.根据权利要求1或9所述的空心叶片的制备方法，其特征在于，所述步骤d)中的焊接方式为氩弧焊。

技术总结
一种空心叶片的制备方法，采用热等静压工艺，包括以下步骤：将叶片分为上下两部分并分别提供包套和型芯，分别在上部包套和下部包套内填充粉末并进行温等静压得到上部粉体坯件和下部粉体坯件；切除连接部位的包套，去除型芯并将上部包套和下部包套焊接在一起成为整体包套，使上部粉体坯件和下部粉体坯件连接在一体；为整体包套安装加压夹具并进行热等静压处理，得到整体空心叶片。该方法能够简化空心叶片制造工艺，提高成品质量。提高成品质量。提高成品质量。


技术研发人员：张国栋 张露 杨超 李继保
受保护的技术使用者：中国航发商用航空发动机有限责任公司
技术研发日：2022.03.18
技术公布日：2023/9/22