CN101187312A - 制造具有mmc环形构件和整体式翼型构件的转子的*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于制造一体成形的装有叶片的转子的***。该***包括至少一个环形构件(20)，其中环形构件(20)进一步包括至少一个金属基复合物；以及连续的径向向外朝向的叶片锥形表面(24)；翼型构件(10)，其中至少一个翼型构件已经由单片整体材料产生，并且进一步包括多个单独的翼型叶片(12)以及连续的径向向内朝向的叶片锥形表面(14)；以及惯性焊接装置，用于在轴向施加的焊接负载下，将环形构件(20)与翼型构件(10)摩擦地接合起来，以便沿着锥形表面(24)(14)而在两者之间实现惯性焊接。

Description

制造具有MMC环形构件和整体式翼型构件的转子的***
技术领域
本发明总体上涉及用于气体涡轮发动机内的一体成形的装有叶片的转子，尤其涉及一种制备叶片环(BLING)转子的方法，其将至少一种金属基复合物结合到转子的环形构件内或转子的翼型构件内。
背景技术
转子，比如与气体涡轮发动机一起使用的转子典型地包括基本的转子体以及多个附接于其上的转子叶片。转子叶片可固定到形成于转子体内的特定凹槽内，或者转子叶片可以与转子体自身一体成形。如果采用盘形基本转子体，那么一体成形的装有叶片的转子被称为叶片盘(BLISK)，如果采用环形基本转子体，那么一体成形的装有叶片的转子被称为叶片环(BLING)。叶片环转子相对于叶片轮盘转子提供了明显的优点，因为叶片环设计产生比叶片盘设计可能典型地产生的内部腔体更大的内部腔体。该腔体在发动机内提供了空间，该空间可用于额外的装备，比如嵌入式发电机和/或热交换器。与传统的金属盘相比，甚至与一体成形的叶片盘转子相比，叶片环设计也可以提供改善的转子动态阻尼及更高的E/rho(最多可达70％)。叶片环设计也使将金属基复合物用于基本的转子体成为可能。在气体涡轮发动机的情况下，高强度及低密度的金属基复合物(MMC)可以比整体的金属合金提供显著的优点，包括发动机构件重量的显著减小。
已知的用于制造金属基复合物加强的叶片环转子的方法，典型地利用热等静压(HIP)，其包括多种构件的扩散接合。热等静压工艺将金属基复合物整合成具有更高密度、均匀及精细颗粒的结构。然而，将金属基复合物结合到多负载路径结构内，即转子到叶片，具有技术挑战性并且要求大量的工艺控制，以确保在结构形成之后不存在内部缺陷。在金属基复合物环与用于叶片的整体材料之间的热膨胀系数的不匹配可沿着接合表面而产生残余压缩应力区域。作为结果的内部缺陷无法使用无损检测技术检测到。因此，必须执行严格的工艺控制。结果，与传统的锻造机械加工形成的叶片盘转子的成本相比，使用金属基复合物及热等静压扩散连接来形成具有适当质量的叶片环转子所涉及的费用相当可观。
因此，需要一种可靠的、经济合理的用于制造结合有金属基复合物的叶片环转子的方法，其中所完成的转子可被处理以便消除残余压缩应力，并且接合表面的完整性可使用传统的、用于检测内部缺陷的无损方法所检测到。
发明内容
以下提供示例性实施例的概要。概要不是详尽的概括，因此并不意图标示本发明的重要或关键的方面或元件，或并不意图解释其范围。
根据一个示例性实施例，提供一种用于制造一体成形(integrally)的装有叶片的转子的***。***包括至少一个环形构件，其中至少一个环形构件进一步包括：至少一个金属基复合物；以及连续的径向向外朝向的叶片锥形表面；至少一个翼型构件，其中至少一个翼型构件已经由单片材料形成，并且其进一步包括：多个单独的翼型叶片；以及连续的径向向内朝向的叶片锥形表面；以及惯性焊接装置，用于在轴向施加的焊接负载下，将至少一个环形构件及至少一个翼型构件接合起来，以便沿着锥形表面而在两者之间实现惯性焊接。
根据另一个示例性实施例，提供一种一体成型的装有叶片的转子。该转子包括至少一个环形构件，其中至少一个环形构件进一步包括：至少一个金属基复合物；以及连续的径向向外朝向的锥形表面；至少一个翼型构件，其中至少一个翼型构件已经由单片材料形成，并且其进一步包括：多个单独的翼型叶片；以及连续的径向向内朝向的锥形表面；其中该至少一个环形构件及至少一个翼型构件借助惯性焊接装置而沿着锥形表面互相接合起来。
在另一个示例性实施例中，提供一种制造一体成型的装有叶片的转子的方法。该方法包括提供至少一个环形构件，其中该环形构件进一步包括：至少一个金属基复合物；以及连续的径向向外朝向的锥形表面；至少一个翼型构件，其中该至少一个翼型构件已经由单片材料形成，并且其进一步包括：多个单独的由单片材料形成的翼型叶片；以及连续的径向向内朝向的锥形表面；并且使用惯性焊接装置，用于在轴向施加的焊接负载下，将至少一个环形构件及至少一个翼型构件摩擦地接合起来，以便沿着锥形表面而在两者之间实现惯性焊接。该方法也包括让装配后的一体成形的装有叶片的转子经受热处理的步骤，该热处理足以消除由惯性焊接所产生的内部应力。
与其它设计相比，叶片环转子在气体涡轮发动机内的使用可提供显著的优点。比如，将翼型构件及转子环结合成单一结构总体上改善了强度/重量比及气体涡轮发动机的性能。根据对示例性实施例的下列详细描述的阅读及理解，本发明的其它特征及方面将对那些熟悉本领域的普通技术人员所清楚。如将所理解的那样，在没有脱离本发明的范围与本意的情况下，本发明的进一步实施例是可能的。相应地，附图及相关的描述在本质上应当被认为是解释性的而不是限制性的。
附图说明
结合在说明书中并形成说明书的一部分的附图，示意性地展示了本发明的一个或多个示例性实施例，并且与上文给出的总体描述及下文给出的详细描述一起用于解释本发明的原理，其中：
图1-图2为本发明的翼型构件的主视图，同时展示了叶片从单片材料机械加工之前的翼型叶片的大体形状，以及有角度的，即锥形的预焊接表面的大体形状。
图3为在对翼型构件及环形构件惯性焊接(inertia welding)之前的示例性翼型构件及叶片的截面图，并且为本发明的金属基复合物加强的转子环的截面图。
图4为在对翼型构件及环形构件惯性焊接之后的示例性翼型叶片及本发明的金属基复合物加强的转子环的截面图。
具体实施方式
现在参考附图对本发明的示例性实施例进行描述。贯穿于详细描述中的标号指的是多种元件及结构。在其它情况下，众所周知的结构及装置以方框图的形式展示出来，以便简化描述。虽然下列详细描述为解释的目的而包含了许多特例，本领域的普通技术人员将理解：下列细节的许多变型及改变处于本发明的范围之内。相应地，本发明的下列实施例得以阐明，而没有对所要求保护的发明的一般性造成任何损失，并且没有对所要求保护的发明施加任何限制。
所公开的***包括至少一个环形构件，其中该至少一个环形构件进一步包括：至少一个金属基复合物；以及连续的径向向外朝向的锥形表面；至少一个翼型构件，其中该至少一个翼型构件已经由单片整体材料，比如金属形成，并且其进一步包括：多个单独的由整片材料形成的翼型叶片；以及连续的径向向内朝向的锥形表面；以及惯性焊接装置，用于在轴向施加的焊接负载下，将至少一个环形构件及至少一个翼型构件摩擦地接合起来，以便沿着锥形表面而在两者之间实现惯性焊接。
金属基复合物(MMC)为复合材料，其包括至少两种成份，该成份中的一种为金属。另一种成份可以为不同的金属或另一种材料，比如陶瓷、有机物或其它非金属化合物。当存在至少三种材料时，复合物被称为混杂复合物。材料的每部分既可以为基体也可以为加强体。基体基本上为加强体嵌入其内的“框架”，并且可以包括金属比如铝、镁、钛、镍、钴及铁，以便为加强体提供适应性支持。加强体材料嵌入到基体内。加强体并不总是单纯地用于结构用途(对化合物进行加强)，而是也可以用于影响复合物特性比如耐磨性、摩擦系数、材料阻尼或热传导性。加强体既可以为连续的也可以为不连续的。连续的加强体使用单丝线或纤维，比如碳纤维或碳化硅。在一定方向内将纤维嵌入到基体内产生了各向同性的结构，在该结构中，材料的朝向影响其强度。不连续的加强体使用“晶须”、短纤维或颗粒。此类别中的最通常的加强材料为氧化铝及碳化硅。
与整体金属相比，金属基复合物具有：更高的强度/密度比、更高的刚度/密度比、更好的疲劳抵抗性、更好的高温特性(更高的强度，更低的蠕动率)、更低的热膨胀系数、更好的耐磨性及动态阻尼。金属基复合物加强体可分为五种主要的类别：连续的纤维、不连续的纤维、晶须、颗粒及线。除了金属的线的特例之外，加强体一般地包括陶瓷或非金属化合物。连续的纤维可以包括硼、石墨(碳)、氧化铝及碳化硅。多种金属线，包括钨、铍、钛及钼已被用于对金属基体进行加强。多种金属已被用作基体，包括：铝、钛、镁、镍、钴、铁及铜合金与超耐热合金。金属基复合物的优良机械特性促进了它们的使用。然而，金属基复合物的有趣的及与其它复合物共有的特性是：通过适当地对基体材料、加强体及层的朝向进行选择，使构件的特性适应于满足特定设计的需要是可能的。比如，在较宽边限内，在一个方向内指定强度及刚度，而在另一个方向内指定膨胀系数等是可能的。这对于整体材料来说通常是不可能的。整体金属倾向于各向同性，即在所有的方向内具有相同的特性。
惯性焊接是一种焊接工艺，在该工艺中，用于将材料互相焊接起来的能量，主要通过用于焊接的机器的所存储的转动动能来供应。作为惯性焊接工艺的一部分，两个工件中的一个典型地连接到飞轮上，而另一个工件则受到限制而无法转动。飞轮被加速到预定的转动速度，从而存储一定的能量。驱动马达脱离接合，而工件则借助摩擦焊接力而互相推压。这导致互相朝向的表面在压力作用下而互相摩擦。存储在转动的飞轮内的能量，在焊接接触面通过摩擦而以热量的形式散发，从而随着飞轮速度的减小，将两个表面互相焊接起来，飞轮的速度随着焊接对飞轮的阻止而停止。由于没有金属的熔化，凝固缺陷比如气体孔隙、偏析或夹渣典型地没有发生。接缝制备通常并不重要，而机械加工的、锯切割的以及甚至剪切的表面通常最具有可焊接性。作为结果的接缝具有锻造的质量，并具有经过接触区域的完整的对接焊。没有使用消耗品，比如焊剂、填充剂及保护气体，并且典型地没有发生焊接飞溅。同时火花也是最少的。
参考图1-图4，本发明的一个示例性实施例提供一种***及方法，用于制造叶片环转子，该叶片环转子包括翼型构件11以及环形构件20。翼型构件包括多个独立的翼型叶片12，该翼型叶片12已经由单片材料比如铸造的或锻造的360度环所形成(比如机械加工而形成)，从而形成装有叶片的转子的平台。如图1和图2所示，360度环的底部包括有角度的焊接区域(即，预焊表面)，该焊接区域形成了有角度的表面14，该表面14在文中称为“锥形表面”，虽然其它形状也是可能的。表面14可以为凸出状、凹入状或直线状。如图2和图3所示，环形构件20包括金属基复合物加强的芯体22，该芯体22在转子内提供了一个区域，该区域被多层或多束纤维所加强，该多层或多束纤维典型地在转子转动的方向内圆周方向地朝向。环形构件20也包括连续的有角度的或“锥形”表面24，该表面24对应于翼型表面14。表面24也可以为凸出状、凹入状或直线状。
制造纤维加强的(即金属基复合物)环形构件20，典型地包括形成类似环状结构的步骤，其中环内的至少一个纤维在转子转动的方向内圆周方向地延伸。圆周方向地朝向的纤维可以为单一连续丝或材料股，在环内以径向的方式朝向的多个纤维层的堆叠，或一个或多个未捻合的多束连续丝或股，即一个纤维束或多个纤维束。纤维可以由SCS6或其它陶瓷材料或非金属材料制成，并具有围绕纤维外部表面的碳覆层，以防止在热等静压(HIP)工艺过程中，纤维与金属基之间发生反应(例如纤维芯氧化)。纤维层也可以用具有在随机方向或圆周方向或在层内设置的至少一个非连续的纳米尺寸的晶须纤维(whisker fiber)或至少一束纳米尺寸的晶须纤维制成。涂覆后的纤维可以与湿金属合金液，比如钛合金、镍合金、铝合金或其它具有粘接剂的粉末金属，通过等离子喷溅、或通过等离子蒸气积淀的方法而混合起来，从而将纤维固持于适当位置，从而形成金属基复合薄层。在涂覆后的金属基复合物薄层稳定为层状后，缠绕涂覆的纤维围绕着心轴层叠起来，从而形成环形结构。金属基复合薄层环被HIP和/或被烧结工艺而压合在碳制的夹具(fixture)内、钼钛锆金制的夹具内或钢制的夹具内。典型地包含沿着纤维加强环的外部直径的额外材料区域。该“聚集区域”的高度通常为至少0.5英寸(1.27厘米)，并且可以通过对粉末金属进行等离子喷溅而形成，或通过将金属箔片堆叠至所需要的厚度而形成。聚集区域然后被HIP和/或被烧结工艺而压合在碳制的夹具内、钼钛锆金制的夹具内或钢制的夹具内。
在示例性实施例中，翼型构件11借助惯性或摩擦焊接方法而焊接到纤维加强的环形构件20上。如前所述，翼型构件11包括装有叶片的转子平台，其具有连续的向内朝向的锥形表面14，该锥形表面14围绕转子的中心轴线以径向的方式而定向。翼型构件11安装到合适的惯性焊接装备的一个端部内。包括连续的向外朝向的锥形表面24的环形构件20安装到惯性焊接装备的另一个端部内。环形构件20然后被转动成具有预定的接触速度，并与翼型构件10保持接触，从而使用惯性焊接的典型参数而在构件之间形成焊接。向内朝向的锥形表面因此在轴向地施加的焊接负载之下而摩擦地与向外朝向的锥形表面接合起来。两个构件之间，并在有角度的表面上发生摩擦焊接。惯性焊接工艺所产生的热量典型地没有影响金属基复合物纤维或翼型的总体形状和/或几何尺寸及所焊接起来的表面。典型地，每个锥形表面与其上形成有锥形表面的构件之间相对于转动中心线的角度大约为15度-75度。其它角度也是可能的，以便影响叶片环转子构件的接合。
焊接一旦完成，围绕翼型根部16的多余存料通过机械加工或其它装置而被去除至低于焊接线，在环形构件20的周缘处的多余材料也被去除至低于焊接线，该多余材料在惯性焊接工艺中已经从构件接触面之下而被挤出去。如图4所示，再次机械加工的表面变成了内部流动路径26，从而经由稍微地位于内部流动路径上方的每个翼型而放置焊接线28。
在转子构件的惯性焊接之后，装配后的叶片环转子典型地经受充足的热处理，以便消除由焊接工艺所产生的内部应力，并且恢复材料特性，该材料特性对气体涡轮发动机的适当功能是重要的。正如将被那些技术人员所理解：特定类型的焊后热处理将会基于用于形成转子的材料，即合金而变化。将金属基复合物包含于翼型构件内和/或环形构件内，防止或减少了与过剩的热量和/或熔化相关联的检测问题。因此，接合表面的完整性可借助传统的用于检测内部缺陷的漩涡电流、超声波或其它无损检测(NDI)方法而被检测。
虽然本发明已通过对其示例实施例进行描述而被展示，并且虽然实施例已经以一定详细的程度而被描述，申请人并未试图或以任何方式将附加权利要求的范围限制到该详细程度。额外的优点及修改将容易地为那些熟悉本领域的技术人所清楚。因此，本发明在其较宽方面内并未限制于任何特定的细节、代表性的装置及方法和/或所展示并描述的解释性举例。因此，在没有脱离申请人的总体发明概念的实质或范围的情况下，可以从这些细节形成改变。

Claims (7)

1.一种一体成形的装有叶片的转子，其包括：
(a)环形构件(20)，其中所述环形构件(20)进一步包括：
(i)至少一个金属基复合物；以及
(ii)连续及径向向外朝向的锥形表面(24)；
(b)翼型构件(10)，其中所述翼型构件(10)已经由单片材料形成，并且其进一步包括：连续及径向向内朝向的叶片锥形表面(14)；以及
(c)其中所述环形构件(20)及所述翼型构件(10)沿着所述锥形表面(24)(14)借助处于预定运行参数下的惯性焊接装置而已经摩擦地互相接合起来。
2.如权利要求1所述的转子，其特征在于，所述一体成形的装有叶片的转子的所述环形构件(20)相对于所述转子的转动中心而圆周方向地及轴向地延伸，其中至少一个加强纤维(22)包含于所述环(20)内，并且所述加强纤维(22)以所述转子转动的方向圆周方向地延伸。
3.如权利要求2所述的转子，其特征在于，所述圆周方向定向的纤维(22)为单一连续纤维束。
4.如权利要求2所述的转子，其特征在于，所述圆周方向定向的纤维(22)包括在所述环(20)内以径向方式定向的多个纤维层的堆叠。
5.如权利要求4所述的转子，其特征在于，所述纤维层包括纳米尺寸的晶须纤维，所述晶须纤维随机地、圆周地或成层地设置。
6.如权利要求1所述的转子，其特征在于，在将所述翼型构件(10)焊接到所述环形构件(20)之后，围绕每个翼型叶片(12)基部的一定数量的材料被去除。
7.如权利要求1所述的转子，其特征在于，每个锥形表面(24)(14)相对于所述转子的转动中心线的角度大约为15度-75度。
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