用于摩擦焊接叶片到涡轮发动机转子盘上的方法;相应的一体的叶片盘

摘要

本申请描述了用于摩擦焊接叶片(32)到涡轮发动机转子盘上的方法，所述盘包括在其外周边上的突出的接触件(18)，叶片(32)将要焊接在该突出的接触件(18)上，该方法包括下列步骤：在接触件的前缘和后缘上安装挡块(24)，其中，在摩擦焊接之前，通过焊接将挡块固定于接触件，并且其中在摩擦焊接操作期间，挡块和接触件之间的焊道(28)至少部分地被消除在材料的焊缝(34)中，该材料焊缝在连接叶片和接触件的周围形成，并且接着例如，通过机械加工被移除或切除。

说明书

本发明涉及摩擦焊接翼型到涡轮发动机，诸如飞机涡轮螺旋桨发动机或涡轮喷 气发动机的转子盘上的方法。

用于涡轮发动机的单件叶盘(整体叶盘)是转子盘，该转子盘在它的外周边具 有环形排的基本上径向的叶片，该叶片与盘一体地制造。这种类型的盘可以通过摩 擦焊接翼型到盘上获得，该盘在它的周边具有突出的短柱，每个翼型的径向内端焊 接到盘的短柱上。

这种方法可以用于修复整体叶盘。当盘的至少一个叶片损坏和需要替换时，例 如，通过机械加工移除它，这样短柱材料(对应于已加工叶片的径向内端部)保持 在盘的周边，用于焊接在新翼型上。

以申请人名字的现有专利申请EP-A1-0669183和EP-A1-1516690示例了关于该 主题的现有技术状态。

在修复整体叶盘的上述情况下，在盘的周边保持的短柱具有在其主截面和其前 缘之间(并且也在其主截面和其后缘之间)显著变化的横向尺度。在一个特别的实 施例中，主截面的横向尺度和短柱的前缘的横向尺度之间的比率是19。摩擦焊接后， 发现短柱的横向尺度的这种巨大变化导致在翼型连接盘的区域的微观结构中的异质 性。而且，因为部件的形状，也需要考虑热的方面，因为每个单位面积的高焊接压 力在短柱的前缘和后缘处更大，因此导致受热机械地影响的更大的区域(ZATM)。

为了纠正这些缺陷，已经提出了建议，特别地在申请EP-A1-0850718中，在盘 的上述短柱的前缘和后缘上安装楔块，每个楔块具有凹部，该凹部接收短柱的前缘 或后缘和具有基本上与边缘的形状互补的形状。

每个楔块匹配它被安装在其上的前缘或后缘的形状，并且局部地增加短柱的横 向尺寸和强度，通过这种方式以减少甚或排除上述缺陷。楔块用于使得焊接材料的 横向尺寸更均匀。

在现有技术中，如文献EP-A1-0850718所示，楔块通过固定到装置的元件被保 持在盘的周边处的适当位置，该装置用于通过螺母-和-螺栓类型的装置保持盘。

然而，这种技术并不可靠，因为在楔块和短柱的前缘和后缘之间的组件上可以 存在间隙。而且，在摩擦焊接期间，楔块可以受到高水平的振动和应力，这可以导 致它们相对于盘移动。

本发明的特别的目的是提供对这些问题的一种简单、高效和便宜的解决方案。

为此目的，本发明提供了一种摩擦焊接翼型到涡轮发动机的转子盘上的方法， 该盘在其外周边具有突出的短柱或突出的接触件，翼型将要被焊接在突出的短柱或 突出的接触件上，该方法包括下列步骤：在短柱的前缘和后缘上安装楔块，每个楔 块包括接收短柱的前缘或后缘的凹部，并且凹部的形状基本上与该边缘的形状互补， 该方法的特征在于：在摩擦焊接前，通过焊接将楔块固定到短柱，并且在摩擦焊接 操作期间，至少部分地消除楔块和短柱之间的焊道在翼型和短柱之间连接区域周围 形成和将例如，通过机械加工被移除或排除的材料的焊缝中。

在摩擦焊接翼型到短柱之前，将楔块焊接到短柱，也称为“定位焊”(浅焊)是 特别有利的，因为它能够使楔块相对于短柱保持固定和排除楔块和短柱之间的任何 间隙。举例说明，通过激光焊、电弧焊(TIG，等离子体)、熔焊等可以焊接楔块。 楔块和短柱之间的焊道有利地被消除到摩擦焊接期间所产生的材料的焊缝(也称为 “焊瘤”)中。因此，在连接翼型到短柱的区域的外侧，发现(已经改变翼型后)楔 块的焊接期间熔化的区域(ZF)。因为随后排除材料的焊缝，所以移除了熔化区域， 因此在成品转子盘中不会发现该熔化区域。以甚至更有利的方式，也可以至少部分 地消除焊缝中受焊接楔块操作热影响的区域(ZAT)。该区域不同于部件的其余部分， 特别地在于具有不同的微观结构(不同尺寸的颗粒)和/或降低的硬度。该区域在楔 块的焊道附近盘的短柱中延伸。在熔化区域和热影响的区域两者都被消除到上述焊 缝中的情况下，它们对成品转子盘中材料的坚固性没有影响。

通过线性或轨迹摩擦焊接，可以将翼型焊接到短柱。

在摩擦焊接之前，在每个楔块和短柱的前缘或后缘之间形成焊道。该焊道优选 地沿着楔块中凹部的径向地外周边的边缘连续地延伸。

楔块的焊道优选地具有相对于盘的纵向轴线的深度或径向尺度，其小于或等于 摩擦焊接期间所消耗掉的材料的总厚度或径向尺度的一半。该“总”厚度表示翼型 和短柱两者所消耗掉的材料的联合厚度。焊接的穿透深度可以等于或小于短柱所消 耗掉的材料的量。这可以确保在摩擦焊接后的焊缝中发现楔块的焊接所熔化的至少 部分的，并且有利地全部的区域。

楔块可以由与短柱和/或翼型的材料相同的材料制造，或者具有相同的化学基础 (主要成分)。举例说明，转子盘可以由钛基合金，诸如Ti17制造。

在摩擦焊接之前，在摩擦焊接期间至少部分地要被破坏的可消耗的元件可以应 用于和固定靠着短柱。当修复转子盘时，这个步骤特别有利。具体地，机械加工和 移除损坏的叶片后，盘上保持的短柱已经具有它的最后的尺度，并且特别地它的横 向尺度是翼型已经被摩擦焊接到短柱上之后和在其上已经进行精加工之后，叶片的 径向内端部将要具有的横向尺度。摩擦焊接之前固定到短柱的可消耗的元件用于限 制摩擦焊接期间所消耗掉的短柱材料的量。

为了限制固定到短柱的翼型的材料的消耗，可以超尺度设计径向内端部(或者 在其前缘和后缘以局部方式，或者以全部的方式)，焊接后，该端部被机械加工掉， 以使叶片产生其成品尺度。

当制造转子盘时，在盘的设计中，也可以超尺度设计在盘的周边处提供的突出 的短柱，以避免需要添加上述类型的可消耗的元件。

在摩擦焊接之前，用于保护盘的元件，诸如金属板，可以插入在盘的外周边和 楔块之间。这限制了摩擦焊接期间破坏盘的任何风险，该风险可以导致压毁力经由 楔块被传输到盘。

本发明也涉及上述方法用于制造整体叶盘或用于修复整体叶盘的用途。

本发明也提供了用于涡轮发动机的整体叶盘，其特征在于：通过上述方法制造 它或修复它。

通过阅读下面通过非限制性实施例和参考附图所进行的描述，可以更好地理解 本发明，并且呈现本发明的其它细节、特征和优点，其中：

图1是涡轮发动机整体叶盘的部分立体示意图。

图2是为了替换目的，整体叶盘的叶片已经被机械加工后，图1的整体叶盘的 部分立体示意图。

图3是本发明的方法中所用的楔块的立体示意图。

图4是转子盘短柱和接合在短柱的前缘和后缘上楔块的详细示意图。

图5至图8是相对于盘的纵向轴线和共用盘短柱的详细示意的部分截面图，楔 块安装在短柱上，并且翼型放置在短柱上，表示本发明的方法的步骤；以及

图9是与图5的视图类似的视图，并且表示本发明方法的变化实施方式，其中 保护元件被插入到楔块和转子盘的周边之间。

首先参考图1，其表示用于涡轮发动机的一部分单件叶盘(整体叶盘)10，该 盘10具有相对于盘的纵向轴线基本上径向地延伸的和与盘一体形成的环形排的叶 片12。叶片12在它们的径向内端连接到环形平台14，该环形平台在盘的外周边延 伸。

在叶片14变得损坏的情况下，可以通过为了替换它们的目的的机械加工移除它 们。图1中的附图标记16指明了将要被替换的叶片12的剖面，该剖面基本上平行 于平台14的外环形表面延伸和距离其一段距离。

确定平台14和连接平面16之间的距离，以致于短柱材料(对应于在平台14 和剖面16之间延伸的叶片的径向内部)保持在平台14上，以作为支撑，在该支撑 上通过摩擦焊接可以固定新的叶片翼型。

图2表示转子盘10’，其在它的周边带有上述类型的环形排的短柱18。通过机 械加工和从整体叶盘10移除叶片可以获得该盘10’，为了修复整体叶盘的目的，如 上所述。可替代的方案，例如，通过制造整体叶盘目的的铸造可以直接地获得它。 在这种情况下，在盘的制造期间制造短柱，并且它们中每个都将接收叶片翼型。

如图3中可以看到的，每个短柱具有前缘20和后缘22，这些边缘通过压力侧 和吸力侧连接在一起。

翼型(未示出)通过线性或轨迹摩擦焊接固定到盘的每个短柱18上。为了避免 与短柱18的主截面和前缘20和后缘22之间短柱18的横向尺寸中大量变化相关的 上述问题，已知在每个短柱18的前缘和后缘上安装楔块或安装挡块24(图3和图4)。

楔块24用于使得焊接材料的横向尺寸更均匀。具体地，常常构造它们以限制(从 翼型看出的)材料的横向尺寸的变化，同时短柱的主截面的横向尺寸与短柱的前缘 和后缘处楔块的横向尺寸之间的比率小于或等于2，同时例如，可接受的最大值是3。

楔块24通常由一块材料制造，其具有凹部26，用于接合在短柱的前缘或后缘 的周围。成形该凹部26以精密地适于相应边缘的形状，如图4中可以看到的。在所 示的实施例中，楔块24是基本上U形的和在凹部26的两侧上具有两个侧突出部。 在组装位置，每个楔块接合在短柱的前缘或后缘上和停靠在盘的平台14的径向外表 面上。

本发明的方法用于纠正与这种楔块24的使用相关的现有技术的缺陷，通过在摩 擦焊接翼型在短柱上之前，焊接或“定位焊”楔块到短柱18上。

在如图4中所示的本发明的实施中，在每个楔块24的凹部26的径向外周边的 边缘30和短柱18的前缘或后缘之间连续地形成焊道28。通过激光焊、电弧焊(TIG， 等离子体)或任何其它类型的焊接可以制造该焊道28，并且优选地制造它的深度或 径向尺度比短柱18的径向或横向尺度L要小。优选地，在焊接之前，楔块24与短 柱18的前缘20和后缘22是分离的，间隙不超过1mm。

图5至图8表示本发明的方法的步骤。

在图5中，楔块24接合在短柱18的上述边缘20、22的一个边缘上，它的侧突 出部在短柱的两侧上延伸。焊道28沿着楔块中凹部的外周边的边缘在短柱18和楔 块24之间延伸，如上所述。焊道28具有相对于盘的纵向轴线(图5，A)写作e 的深度或径向尺度。焊道28表示焊接楔块的操作期间熔化的区域(ZF)，并且虚线 27画出了受焊接操作热影响的区域(ZAT)的轮廓。在短柱18由Ti17制造的特别 的情况下，ZAT中短柱的合金的硬度具有300到350数量级的维氏硬度标度(HV) 和在该区域外侧具有370HV到400HV数量级。

图9中所示的变化实施方式不同于图5中的实施方式，其中“牺牲”类型的至 少一个保护金属板30插入在盘的平台14的径向外表面和楔块24之间。该板30避 免焊接楔块24的操作期间和在短柱18上摩擦焊接翼型的操作期间损坏盘。

在图6中，新的翼型32被放置在盘的短柱18上，可以超尺度设计将要被连接 短柱24的该翼型的径向内端，特别地在横向方向上，或者如果不这样，短柱具有修 复后可以机械加工的额外的厚度。

然后以本领域技术人员已知的方式进行线性或轨迹摩擦焊接。

在摩擦焊接步骤结束时，并且如图7中所示，翼型32具有连接短柱18的其径 向内端，同时在焊接操作期间消耗掉了短柱和翼型的一部分材料，因此减小了它们 的径向尺度(相对于轴向A沿着半径的尺度)。

摩擦焊接期间消耗掉的材料厚度的一半写作E，该厚度等于短柱18消耗掉的材 料厚度和翼型32的径向内端消耗掉的材料厚度。当用相同材料制造翼型和盘时(均 质焊接)，短柱消耗掉的材料的数量应与翼型消耗掉的数量相似。相反，当这些项目 由不同材料或具有不同成分的合金制造时(异质焊接)，那么这些项目中一个项目消 耗掉的材料可以大于其它项目消耗掉的材料。

对于钛基合金，当进行均质焊接时，材料的总消耗在约4毫米(mm)到10mm 范围。当由Ti17制造的组装部件时，短柱的材料消耗可以大于或等于2mm。

优选地，焊道28的深度e小于或等于摩擦焊接期间所消耗掉的材料的厚度E 的一半。当深度e小于厚度E一半时，消除整个焊道28(即，被熔化的区域)的材 料的焊瘤或焊缝34，该材料的焊瘤或焊缝34在摩擦焊接期间形成在楔块24的周围。 举例说明，深度e可以小于或等于2.5mm。

有利地，受热影响的上述区域ZAT在摩擦焊接期间也被消除在这些焊缝34中。 在短柱的有用区域中保留的一部分ZAT的情况下，由于摩擦焊接期间的摩擦和锻造 力，它变得被揉捏了。它的颗粒由此可以被制造的更小，并且回到小于或等于基质 材料中颗粒尺寸的尺寸。

摩擦焊接产生了如图7中虚线所画出轮廓的受热机械地影响的区域ZATM。在 上述特别的情况下，其中短柱18由Ti17制造，ZATM中合金的硬度是300HV到 350HV的数量级，并且该区域比短柱的其余区域具有颗粒尺寸的减小。

在摩擦焊接结束时，翼型32通过其径向内端保持到短柱18上和位于短柱的前 缘和后缘的楔块24上。

下面的步骤包括机械加工盘，以移除楔块24、焊缝34和最初提供在翼型32的 径向内部上的材料的额外厚度。图8表示叶片，该机械加工步骤后，其具有用于整 体叶盘的其成品尺度。虚线标记了上述区域ZATM，其受摩擦焊接操作的热机械地 影响。盘可以受到其它另外的处理，诸如喷丸处理、热处理等。