制造包括MMC环形部件和具MMC翼型的翼型部件的转子的系统

摘要

提供了一种用于制造包括MMC环形部件和具MMC翼型的翼型部件的转子的系统。该系统包括：环形部件(20)，其中，该环形部件(20)还包括至少一种金属基复合材料(18)和连续的径向向外面对的锥形表面(24)；翼型部件(10)，其中，该翼型部件(10)还包括多个单独的翼型叶片(12)，每个单独的翼型叶片(12)中的至少一部分通过至少一种金属基复合材料(18)进行增强，并且该多个翼型叶片(12)中的每一个还包括径向向内面对的叶片锥形表面(14)；以及惯性焊接装置以便在轴向施加焊接载荷下摩擦接合该环形部件(20)和该翼型部件(10)，从而沿该锥形表面(14，24)在其之间实现惯性焊接。

说明书

技术领域

本发明大体上涉及用于燃气涡轮发动机的整体式叶片转子，更具体地涉及一种用于制备叶环(BLING)转子的方法，该叶环转子将至少一种金属基复合材料结合到转子的环形部件内或者转子的翼型部件(airfoil component)内。

背景技术

转子，例如那些在燃气涡轮发动机中所使用的通常包括基本转子主体和装接在其上的多个转子叶片。转子叶片可紧固在转子体内形成的特定凹部内或者转子叶片可与转子主体本身整体形成。整体式叶片转子如果采用了盘形基本转子主体则称作叶盘(BLISKS)或者如果采用了环形基本转子主体则称作叶环(BLING)。叶环转子较叶盘转子提供了独特的优点，这是因为叶环设计同叶盘设计相比产生了通常较其可能产生的更大的内部空腔。该空腔在发动机内提供了可用于诸如嵌入式发电机和/或热交换器的其它设备的空间。叶环设计还可以提供改进的转子动态阻尼，以及提供与传统的金属盘相比、甚至是同整体式叶盘转子相比较高的E/ρ(达到70％)。叶环设计还使得金属基复合材料(MMC)能够用于基本转子主体。联系到燃气涡轮发动机，高强度、低密度的MMC可提供与整块式金属合金相比更加重要的优点，包括大大降低发动机部件的重量。

用于制造MMC增强的叶环转子的公知方法通常是利用热等静压(HIP)，其包括各种部件的扩散粘结。HIP工艺将金属基复合材料强化成具有较高密度、均匀和细晶粒结构。然而，将MMC环结合到多载荷路径结构中即从转子到叶片，技术上具有挑战性并要求大量的工艺控制以便确保在生成该结构后不会出现内部缺陷。MMC环和用于叶片的整块式材料之间的热膨胀系数的不匹配可沿着粘结表面产生残余压应力。随之产生的内部缺陷通过使用非破坏性检查技术是检测不到的；因此，必须执行严格的工艺控制。因而，通过使用MMC和HIP扩散粘结而生成适当质量的叶环转子的相关费用与传统的锻造加工叶盘转子的成本相比是相当的大。

因此，具有对可靠的、经济合理的用于制造结合了MMC的叶环转子的方法的需求，其中，已完成的转子可进行处理以便消除残余压应力，而且可通过使用传统的、非破坏性的用于检测内部缺陷的方法对粘结表面的整体性进行检测。

发明内容

下文提供了对示范性实施例的概述。该概述并不是广泛的综述也不是试图识别本发明关键或重要的方面或元件或者试图描绘其范围。

根据一个示范性实施例，提供了一种用于制造整体式叶片转子的系统。该系统包括：至少一个环形部件，其中，该至少一个环形部件还包括至少一个金属基复合材料和多个径向向外面对的叶片锥形表面；至少一个翼型部件，该至少一个翼型部件还包括多个单独的翼型叶片；每个单独的翼型叶片中的至少一部分通过至少一种金属基复合材料进行增强；该多个翼型叶片中的每一个还包括径向向内面对的叶片锥形表面；以及惯性焊接装置，其用于在轴向施加焊接载荷下摩擦接合该至少一个环形部件和该至少一个翼型部件以便沿着该锥形表面在其之间实现惯性焊接。

根据另一个示范性实施例，提供了一种整体式叶片转子。该转子包括：至少一个环形部件，其中，该至少一个环形部件还包括：至少一个金属基复合材料和多个径向向外面对的叶片锥形表面；至少一个翼型部件，其中，该至少一个翼型部件还包括多个单独的翼型叶片；每个单独的翼型叶片中的至少一部分还包括径向向内面对的叶片锥形表面；并且该至少一个环形部件和该至少一个翼型部件通过惯性焊接装置沿着该锥形表面相互摩擦接合在一起。

在又一示范性实施例中，提供了一种用于制造整体式叶片转子的方法。该方法包括：提供至少一个环形部件，其中，该环形部件还包括至少一种金属基复合材料和多个径向向外面对的叶片圆锥表面；提供至少一个翼型部件，该至少一个翼型部件还包括多个单独的翼型叶片；每个单独的翼型叶片中的至少一部分通过至少一种金属基复合材料进行增强；并且该多个翼型叶片中的每一个还包括径向向内面对的叶片锥形表面；以及使用惯性焊接装置以便在轴向施加焊接载荷下摩擦接合该至少一个环形部件和该至少一个翼型部件从而沿该锥形表面在其之间实现惯性焊接。该方法还包括使得已装配的整体式叶片转子经受足够热处理的步骤以便消除通过惯性焊接所产生的内应力。

在燃气涡轮发动机中使用叶环转子可提供与其它设计相比更加重要的优点。例如，将翼型部件和转子环结合成单一结构通常改进了强度-重量比和燃气涡轮发动机的性能。对于本领域普通技术人员而言通过阅读和理解下文中示范性实施例的详细说明将会清楚本发明的其它特征和方面。如应当理解的那样，本发明进一步的实施例可能仍未脱离本发明的范围和精神。因此，附图和关联说明应视作说明性的而不是进行实质上的限定。

附图说明

结合到说明书中并形成说明书一部分的附图，示意性地说明了本发明的一个或多个示范性实施例，并结合上文给出的总体说明和下文给出的详细说明用来解释本发明的原理，在附图中：

图1至图5提供了示范性翼型叶片的俯视图、侧视图和正视图，其示出了本发明的翼型叶片的角形预焊接即锥形表面、翼型叶片的通常形状以及翼型叶片的纤维增强的芯部。

图6为示范性翼型部件的正视图，其示出了设置成圆形形式的多个翼型叶片。

图7为本发明在惯性焊接翼型部件和环形部件之前的示范性翼型叶片的截面和MMC增强的转子环的截面。

图8为本发明在惯性焊接翼型部件和环形部件之后的示范性翼型叶片的截面和MMC增强的转子环的截面。

图9为根据本发明的已装配叶片转子的正视图，其示出了惯性焊接后被除去的每一翼型转子区。

元件符号说明

10  翼型部件

12  翼型叶片(MMC增强)

14  翼型叶片锥形表面

16  翼型根部

18  MMC增强的叶片芯部

20  环形部件

22  MMC增强的环芯部

24  环形叶片锥形表面

具体实施方式

现在参照附图对本发明的示范性实施例进行说明。详细说明中所使用的标号用于标识各个元件和结构。在其它实例中，为简化说明以简图的形式表示众所周知的结构和设备。尽管下列详细说明包括了为举例说明目的的多个细节，但本领域的普通技术人员将会清楚对于下列细节的改动和变更仍将落入本发明的范围内。因此，本发明下列实施例的列出不会损伤所要求发明的一般性并且也不会对所要求发明产生制约。

该公开的系统包括：至少一个环形部件，其中，该至少一个环形部件还包括至少一种金属基复合材料和一个连续的、径向向外面对的叶片锥形表面；至少一个翼型部件，该至少一个翼型部件还包括：多个单独的翼型叶片；每个单独的翼型叶片的至少一部分例如芯部，通过至少一种金属基复合材料进行增强，并且多个翼型叶片中的每一个还包括径向向内面对的叶片锥形表面；以及惯性焊接装置，其用于在轴向施加焊接载荷下摩擦接合该至少一个环形部件和该至少一个翼型部件以便沿着该锥形表面在其之间实现惯性焊接。

金属基复合材料(MMC)为一种包括了至少两种成分的复合材料，其中的一种成分为金属。另一种成分可以是不同的金属或其它材料，例如陶瓷、有机体或其它的非金属化合物。当出现至少三种材料时，该复合材料称作混合复合材料。该材料的每一部分作为基体或者是增强体。基体实质上是一种增强体嵌入到其中的“框架”并且可包括诸如铝、镁、钛、镍、钴以及铁的金属以便对增强体提供适应的支承。增强材料被嵌入到基体中。增强体并不总是用作纯粹的结构目的(增强化合物)，而且也可用来影响复合材料的特性，例如耐磨性、摩擦系数、材料阻尼或者导热性。增强可以是连续的或者非连续的。连续的增强使用单丝丝线(monofilament wires)或纤维例如碳纤维或碳化硅。沿一定方向将纤维嵌入到基体中产生了各向同性结构，在该各向同性结构中，材料的对齐影响其强度。非连续的增强使用“金属须(whiskers)”、短纤维或颗粒。该范畴内最常用的增强材料为氧化铝和碳化硅。

与整体金属相比，MMC具有：较高的强度-密度比、较高的刚度-密度比、较好的抗疲劳性、较好的高温性能(较高的强度、较低的蠕变速率)、较低的热膨胀系数、较好的耐磨性以及动态阻尼。MMC增强体可分成五个主要范畴：连续纤维、短纤维、金属须、颗粒以及丝线。除开作为金属的丝线之外，增强体通常包括陶瓷体或非金属化合物。连续纤维可包括硼、石墨(碳)、氧化铝和碳化硅。大量的金属丝线包括已被用于增强金属基体的钨、铍、钛和钼。大量的金属已被用作基体，包括：铝、钛、镁、镍、钴、铁和铜合金以及超级合金。MMC的优越的机械特性促进了它们的应用。然而MMC的一个有趣的特性和一个与其它复合材料共有的特性是通过对基体材料、增强体以及层取向的适当选择，它有可能适应部件的特性以便满足特定设计的需求。例如，在宽度界限内，可能要规定一个方向上的强度和刚度、另一方向上的膨胀系数等。这对于整体材料常常是不可能的。整体金属倾向于各向同性，也就是说，在各个方向上具有相同特性。

惯性焊接(inertia welding)为一种焊接工艺，在该焊接工艺中，用来将材料相互焊接的能量的供给主要是通过用于焊接的机器所储存的旋转动能。作为惯性焊接工艺的一部分，两个工件中的一个通常连接在飞轮上而另一个则受动制约以免旋转。飞轮加速到预定转速，从而储存了一定量的能量。脱开驱动转子并通过摩擦焊接力将工件压合在一起。这导致了相对表面在压力下一起摩擦。旋转飞轮内的能量通过焊接界面的摩擦作为热能散失，从而随着飞轮速度的下降直至焊接使得飞轮停止下来动而将两个表面焊接在一起。由于不存在金属的熔化，通常不会出现诸如气孔、偏析或夹渣的凝固缺陷。接合预加工通常并不重要，已机械加工的、锯痕的甚至是剪切表面常常都是可焊接的。通过经由接触区的完整的对接接合焊接，随之产生的接合具有锻造的质量。没有例如焊剂、填料以及保护气体的消耗品，通常也不会产生焊接飞溅。火星也很小。

参照图1至图9，本发明的示范性实施例提供了一种用于制造叶环转子的系统和方法，该叶环转子包括翼型部件10和环形部件20。翼型部件包括多个单独的翼型叶片2，该翼型叶片的芯部，或者该翼型叶片的其它部分，已通过至少一种金属基复合材料(MMC)18增强。如图2至图4所示，每一翼型叶片的低部包括形成角形表面14的角形焊接区域(即焊接预表面)，在本文中该角形表面14称作“锥形表面”，然而也可能是其它几何结构。表面14可以是凹的、凸的或直的。本实施例中，翼型叶片除开根部区16外机械加工成完成的或差不多完成的形状，在该根部区16处，包括了额外的备料(stock)以便在完成焊接后进行机械加工(见以下说明)。在根部区内，翼型叶片12机械加工成预定形状例如部分梯形的或“梯形畸变(keystone)”的形状(见图2至图4)，以便在装配翼型部件10时，形成完整的360°环(见图9)。如图7至图8所示，环形部件20包括MMC增强的芯部22，该芯部22在转子内提供一区域，通过通常沿转子旋转方向的圆周取向的层或纤维束对该芯部22进行了增强。环形部件20还包括与表面14对应的连续成角的或“锥形”表面24。表面24也可是凹的、凸的或直的。

制造纤维增强(即MMC)的环形部件20，通常包括形成环状结构的步骤，其中，环内至少一种纤维沿转子旋转的方向圆周延伸。圆周取向的纤维可以是单一连续的细丝或材料绞合线(strand)、一组环内径向取向的多个纤维层，或者一个或多个拆开的连续细丝或绞合线束，即纤维束或多个纤维束。纤维可由SCS6或其它陶瓷的或非金属的材料制成，同时在纤维外表面周围具有碳涂层以免在HIP工艺期间在纤维和金属基体之间发生反应(即纤维芯的氧化)。纤维层也可通过至少一种非连续的或一束纳米大小的金属须纤维制成，该金属须纤维以任意方向或圆周方向或者分层设置。已涂敷的纤维可与湿的金属合金浆料(slurry)例如钛合金、镍合金、铝合金或具有粘性粘结剂的粉末金属一起混合，通过等离子喷涂或者通过等离子气相沉积的方法以便将纤维保持在适当位置从而形成金属基复合材料层状体(lamina)。在已涂敷的金属基复合材料层状体以层的形式稳定后，卷绕的涂敷纤维绕着心轴成层以便形成环形结构。金属基复合材料层状体环以碳、TZM或工具钢固定设备通过HIP和/或通过烧结工艺而强化沿着增强纤维环的外部直径通常包括其它材料的区域。该“建成区域”通常高至少为0.5英寸(1.27厘米)并且可通过对粉末状金属的等离子喷涂或通过堆叠金属薄片至所需厚度而生成。该建成区域然后以碳、TZM或工具钢固定设备通过HIP和/或通过烧结工艺而强化。

在示范性实施例中，通过使用惯性或摩擦焊接工艺将翼型部件10焊接到纤维增强环部件20上。如前面所说明的那样，装配时，翼型部件10包括具有多个向内面对的锥形表面14的叶片转子平台，该锥形表面14在转子的中心轴线周围以径向方式取向。每个锥形表面14对应于单独的翼型叶片12。翼型部件10被安装到适当的惯性焊接设备的一端内。在焊接工艺期间，单独的翼型件可安装在工具或其它制约的固定设备内以便维持正确的定位。环形部件20，其包括连续的向外面对的锥形表面24，被安装在惯性焊接设备的另一端内。然后工具保持的环形部件20旋转到预定的接触速度并且使得该环形部件20接触翼型部件10，从而通过使用通常用于惯性焊接的预定参数而在部件之间形成焊接。向内面对的锥形表面因而在轴向施加的焊接载荷下与向外面对的锥形表面摩擦接合，且在该两部件之间的角形表面处发生摩擦焊接。惯性焊接工艺产生的热量通常不会影响MMC纤维或翼型件和焊接表面的通常形状和/或几何结构。通常，每一锥形表面相对于形成于其上的部件的角度相对于转子的旋转中心线大约为15°至75°。其它的角度可能会影响叶环转子部件的接合。

一旦焊接完成后，翼型根部16周围的额外备料通过机械加工或其它方式除去到焊接线的下方，就如同环形部件20周边的额外材料17在惯性焊接工艺期间从部件界面的下方被挤出去一样。从而，除去了翼型部分之间的径向空间内的任何未焊接区，随同焊接工艺期间在该区所生成的任何缺陷一起。如图4所示，该重新机械加工的表面成为内部流动路径，从而将经过每一翼型件的焊接线放置在该内部流动路径的稍微上方。

接着转子部件的惯性焊接，已装配的叶环转子通常会经受足够的热处理以便消除焊接工艺中所产生的内应力并恢复对燃气涡轮发动机的固有机能很重要的材料特性。如熟练技术人员所理解的那样，焊接后热处理的特性类型基于制造转子所使用的材料即合金而改变。翼型部件和/或环形部件内的MMC包含物阻止并降低了与余热和或熔化相关联的检查问题；因此，可以通过使用传统的涡电流、超声波或其它用于检测内部缺陷的非破坏性检查(NDI)方法对粘结表面的完整性进行检查。

尽管本发明已通过其中的示范性实施例的描述进行了说明，并且尽管该实施例已描述了某些细节，但本申请并不是试图制约或以任何方式将所附权利要求限制在该细节内。对本领域技术人员而言，很容易地看出其它优点和改动。因此，以其较宽的方面而言本发明并不局限于特定细节、代表性装置和方法和/或所示和所描述的说明性示例中的任一个。因此，自该细节作出的方案并未脱离本申请通常的创造性构思的精神和范围。