CN114829062A - 制造一体式叶片盘的解决方案 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡轮机的一体式叶片盘的制造方法，该方法包括以下步骤：‑(El)：制造多个叶片，所述叶片包括根部和异形部分；其特征在于，该方法包括以下步骤：‑(E2)：用金属粉末对叶片进行快速烧结，所述叶片成角度地分布在环形快速烧结模具的轮廓上，叶片根部嵌入金属粉末中，叶片的异形部分从金属粉末沿径向朝外侧突出。

Description

制造一体式叶片盘的解决方案
技术领域
本发明涉及制造涡轮机的整体形成的叶片盘的通用领域。
本发明在涡轮盘，特别是高压涡轮盘的制造方面具有特别有利的应用。
现有技术
通常一方面通过制造中心轮毂，另一方面通过制造多个叶片来制造涡轮机的涡轮叶片盘，在中心轮毂的***上制造单元，以便将这些单元固定在所述中心轮毂上。
然而，这种解决方案可能遭遇以下困难：
-为了避免在中心轮毂加工单元的过程中出现故障，通过在单元水平处增加材料量来确定中心轮毂的尺寸，这导致增加了盘的质量；
-由于在叶片的根部和中心轮毂单元之间的摩擦(磨损)，可能会出现叶片根部的过早磨损；
-必须找到一种折衷方案，使得叶片盘一方面能够抵抗蠕变，另一方面能够抵抗牵引力；
-必须选择叶片根部的几何形状，以允许***到单元内，从而限制可能的几何形状。
整体形成的叶片盘的制造允许满足其中一些限制，特别是通过消除叶片根部部分。通常通过在大量被锻造原材料中进行机加工，或通过将构成叶片的桨叶焊接在锻造盘上，制造这些整体形成的叶片盘。
然而，这种解决方案可能会遭遇一些困难。
例如，对于大批量加工，通过被选择用于盘的材料决定桨叶的组成材料的选择，从而防止将桨叶的材料适配其特定应力。
在盘/桨叶组件的情况下，装配区域通常定位在关键区域中，这可能导致部件的尺寸过大，以满足热机械应力。这些方法通常也涉及发生材料熔化的步骤，这对材料具有负面影响。
另外，对于大批量加工或对于盘/桨叶组件，禁止使用单晶或定向凝固的桨叶。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种允许制造叶片盘的解决方案，所述解决方案解决了上述问题。
根据第一方面，本发明提出了一种涡轮机的整体形成的叶片盘的制造方法，所述方法包括以下步骤：
-制造多个叶片，所述叶片一方面包括根部，另一方面包括异形部分；
其特征在于，该方法包括以下步骤：
-用金属粉末对叶片进行火花等离子体烧结，所述叶片成角度地分布在环形火花等离子体烧结模具的轮廓上，叶片的根部嵌入金属粉末中，叶片的异形部分从金属粉末径向向外地突出。
根据一种可能的特征，叶片为单晶。
根据一种可能的特征，该方法包括以下步骤：
-将这些叶片放置在包括第一金属粉末的第一火花等离子体烧结模具中；
-用第一金属粉末对这些叶片进行火花等离子体烧结，以形成中间盘；
-将中间盘放置在包括第二金属粉末的第二火花等离子体烧结模具中；
-用第二金属粉末对中间盘进行火花等离子体烧结。
根据一种可能的特征，通过用第一金属粉末对这些叶片进行火花等离子体烧结而形成的中间盘包括介于30％和10％的孔隙率。
根据一种可能的特征，该方法包括以下步骤：
-将这些叶片放置在包括第一金属粉末和第二金属粉末的火花等离子体烧结模具中，叶片的根部嵌入第一金属粉末中，使得第一金属粉末形成待制造的叶片盘的中心轮毂的外部，第二金属粉末由第一金属粉末环绕，使得第二金属粉末形成待制造的叶片盘的中心轮毂的内部；
-用第一金属粉末和第二金属粉末对这些叶片进行火花等离子体烧结。
根据一种可能的特征，第一金属粉末的金属具有与第二金属粉末的金属相比更高的抗蠕变性。
根据一种可能的特征，第二金属粉末的金属具有与第一金属粉末的金属相比更高的抗拉强度。
根据一种可能的特征，该方法包括以下步骤：
-对通过用金属粉末对叶片进行火花等离子体烧结所形成的叶片盘进行热处理。
根据第二方面，本发明提出了一种通过根据前述特征任一项所述的方法获得的整体形成的涡轮机叶片盘。
根据一种可能的特征，所述叶片盘包括诸多单晶叶片以及一个多晶中心轮毂。
根据第三方面，本发明提出了一种涡轮机，其包括根据前述特征任一项所述的整体形成的叶片盘。
附图说明
从下面给出的描述，参考附图，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，附图图示了一种没有任何限制性特征的示例性实施例。
图1示意性地表示涡轮机的叶片盘。
图2示意性地表示涡轮机叶片盘的制造方法的步骤。
图3示意性地表示根据第一可能变型的涡轮机盘的制造方法的步骤。
图4示意性地表示根据第二可能变型的涡轮机盘的制造方法的步骤。
图5示意性地表示用第一金属粉末对多个叶片进行火花等离子体烧结的截面图。
图6示意性地表示用第二金属粉末对中间盘进行火花等离子体烧结的截面图。
具体实施方式
本发明涉及整体形成的涡轮机叶片盘1的制造，特别是整体形成的涡轮叶片盘1。
叶片盘可以是高压涡轮盘，即直接位于燃烧室下游的涡轮，或者低压涡轮盘，即位于高压涡轮下游的涡轮。本发明特别适于制造包括非冷却固体叶片的高压涡轮叶片盘，即这些叶片没有内部冷却通道。
叶片盘1由金属制成。例如，其可以由钛基合金或镍基合金制成，根据叶片盘1的使用条件确定所述合金。特别是，对于高压涡轮盘的情况，镍基合金很有利。
涡轮机是飞行器涡轮机，例如飞机涡轮机，或直升机涡轮机。本发明尤其适于制造直升机发动机的高压涡轮叶片盘。
如图1所示，叶片盘1是具有轴线θ的环形部件，它包括若干个叶片2，所述叶片2成角度地分布在中心轮毂3的轮廓上。叶片盘1整体形成，叶片2和该中心轮毂3制成一体。
如图1和5可以看出，这些叶片2一方面每个都包括具有内弧和外弧的异形部分21，另一方面包括固定到中心轮毂3的根部22，异形部分21和根部22由界定气流路径的平台23分隔。
如图2所示，叶片盘1的制造方法包括以下步骤：
-E1：例如以失蜡铸造方式制造叶片2。根据其最终形状制造叶片2，也就是说，它们包括异形部分21、根部22以及平台23。叶片2为金属叶片。
-E2：然后，根据火花等离子体烧结，在具有待生产的叶片盘1形状的火花等离子体烧结模具中用金属粉末烧结这些叶片2。为了使叶片盘1具有其形状，叶片2成角度地分布在模具的轮廓上，如图5或6所示。叶片2的根部22嵌入金属粉末中，使得叶片2因此固定到中心轮毂3，所述中心轮毂3将在烧结步骤结束时由金属粉末2形成。叶片2的异形部分21本身径向向外地导向，并且定位在金属粉末之外，因此突出。金属粉末例如可以是钛基合金或镍基合金，根据制造叶片盘1所需的特性选择金属粉末的组分。
通过用形成中心轮毂3的金属粉末对叶片2进行火花等离子体烧结来制造叶片盘1这一事实使得可形成一整体形成的叶片盘1，因此避免在叶片2和中心轮毂3之间摩擦引起的磨损。
此外，烧结是火花等离子体烧结这一事实允许避免使用于形成这些叶片2和该中心轮毂3的不同合金的冶金结构不稳定。特别是，当所制造的叶片2为单晶时，使用火花等离子体烧结允许避免叶片2的再结晶。因此，叶片盘1可包括诸多单晶叶片2和一个多晶中心轮毂3，同时为一种整体形成的叶片盘。这尤其是由于很短的火花等离子体烧结致密化周期，例如持续小于15分钟。
另外，叶片2的根部22的形状不再受到***在中心轮毂3中加工的单元中的应力影响，因此可以使用叶片根部22的几何形状，其确保了与中心轮毂3固定在一起的更好刚性。
同样有利地，不需要对中心轮毂3进行机加工以形成旨在接收叶片2的根部22的单元。
通过压实金属粉末和叶片2，以及通过施加流经金属粉末和叶片2的根部22的电流，进行火花等离子体烧结。因此，火花等离子体烧结模具被构造成一方面喷射并允许电流通过，另一方面施加压力。
在用金属粉末对叶片2进行火花等离子体烧结的步骤E2结束时，形成了包括成角度地分布在中心轮毂3周围的叶片2的叶片盘1。
如图1所示，在用金属粉末对叶片2进行火花等离子体烧结后，可对叶片盘1进行热处理。该热处理步骤E3特别地有利，以便使中心轮毂3具有所需的性能。该热处理步骤E3可直接在火花等离子体烧结模具中进行，也可以在单独工具中进行。根据用于制造叶片盘1的合金适配热处理。此外，对于叶片2为单晶的情况，适配热处理以避免所述叶片2的再结晶。
另外，可以在制造方法结束时进行将叶片盘1加工成为成品的步骤，以便例如适配盘的表面条件。特别地可以在热处理步骤E3之后实施该加工步骤。
如图3、4、5和6所示，几种变型可以实现图1所示的制造方法。
根据图3、5和6所示的第一可能变型，在多个火花等离子体烧结步骤中制造中心轮毂3，而根据图4所示的第二变型，在单一火花等离子体烧结步骤中制造中心轮毂3。
根据第一变型，在制造了叶片2之后，该方法包括以下步骤：
-E21：叶片2放置在第一火花等离子体烧结模具51中，第一金属粉末41也定位在所述第一模具51内侧。以与步骤E2类似的方式，叶片2的根部22嵌入第一金属粉末41中，而异形部分21径向地向外突出第一金属粉末之外。第一金属粉末41旨在形成一种定位在叶片2的根部22水平处的中心轮毂3的外部31。
-E22：根据火花等离子体烧结对叶片2和第一金属粉末41进行烧结。中间盘6仅由这些叶片2以及由中心轮毂3的外部31形成，中间盘6因此包括一个在其中心的孔。可适配由第一模具51施加的压力，使得中间盘的致密化仅为局部的。例如，中间盘6的孔隙率可介于30％和10％。孔隙率例如可介于25％和15％。孔隙率在此可以理解为孔隙率的体积除以部件的总体积。这种孔隙率允许在没有破裂风险的情况下处理中间盘。
-E23：中间盘6放置在第二火花等离子体烧结模具52中，第二金属粉末42也布置在所述第二模具42内。第二金属粉末42布置在中间盘6中心形成的孔中，并且旨在形成由外部31环绕的中心轮毂3的内部32。
-E24：根据火花等离子体烧结对中间盘6和第二金属粉末42进行烧结，从而可以获得叶片盘1。
图4所示的第二变型与图3的第一变型的不同之处在于，在同时用第一金属粉末41和第二金属粉末42对叶片2火花等离子体烧结的单一步骤中制造中心轮毂3。根据图4所示的第二变型，该方法包括以下步骤：
-E25：将叶片2放置在火花等离子体烧结模具中，在所述模具内侧布置有第一金属粉末41和第二金属粉末42。第一金属粉末41旨在形成中心轮毂3的外部31，第二金属粉末42旨在形成所述中心轮毂3的内部32。第一金属粉末41布置在模具中，以覆盖叶片2的根部22并形成环绕第二金属粉末42的环。
-E26：根据火花等离子体烧结对叶片2、第一金属粉末41和第二金属粉末42进行烧结。
在先前描述的变型中，第二金属粉末42不同于第一金属粉末41。也就是说，两种金属粉末的组分不同，因此使中心轮毂3成为多材料轮毂。多材料中心轮毂3允许根据遭遇的应力局部地适配中心轮毂3的机械特性。因此，有利地，中心轮毂3的外部31适于更加抗蠕变，而内部32适于更加抗牵引。第一金属粉末41的金属具有与第二金属粉末42的金属相比更高的抗蠕变性。此外，第二金属粉末42的金属具有与第一金属粉末41的金属相比更高的抗拉强度。根据一种可能的示例，第一金属粉末由镍基高温合金N19制成，第二金属粉末由镍基高温合金N18制成。
根据一种可能的变型，中心轮毂3可由单一材料制成，并且在用单一金属粉末对叶片2进行火花等离子体烧结的步骤中制造。
可以使用组分不同的两种以上金属粉末，例如组分不同的三种或四种金属粉末，从而可以对中心轮毂3的机械性能进行其他局部适配。

Claims (10)

1.一种用于制造涡轮机的整体形成的叶片盘(1)的方法，所述方法包括以下步骤：
-(E1)：制造多个叶片(2)，所述叶片(2)一方面包括根部(22)，另一方面包括一异形部分；
其特征在于，该方法包括以下步骤：
-(E2)：用金属粉末(41、42)对所述叶片(2)进行火花等离子体烧结，所述叶片(2)成角度地分布在一环形火花等离子体烧结模具(51、52)的轮廓上，所述叶片(2)的根部(22)嵌入所述金属粉末中，所述叶片(2)的异形部分从所述金属粉末沿径向向外突出；
在火花等离子体烧结步骤之前和之后，所述叶片均是单晶的。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，该方法包括以下步骤：
-(E21)：将所述叶片(2)放置在包含第一金属粉末(41)的第一火花等离子体烧结模具(51)中；
-(E22)：用所述第一金属粉末(41)对所述叶片(2)进行火花等离子体烧结，以形成一中间盘(6)；
-(E23)：将所述中间盘(6)放置在包含第二金属粉末(42)的第二火花等离子体烧结模具(52)中；
-(E24)：用所述第二金属粉末(42)对所述中间盘(6)进行火花等离子体烧结。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，通过用所述第一金属粉末(41)对所述叶片(2)进行火花等离子体烧结而形成的所述中间盘(6)包括介于30％与10％之间的孔隙率。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，该方法包括以下步骤：
-(E25)：将所述叶片(2)放置在包含第一金属粉末(41)和第二金属粉末(42)的火花等离子体烧结模具中，所述叶片(2)的根部(22)嵌入所述第一金属粉末(41)中，使得所述第一金属粉末(41)形成待制造的叶片盘(1)的中心轮毂(3)的外部(31)，所述第一金属粉末(41)围绕所述第二金属粉末(42)，使得所述第二金属粉末(42)形成待制造的叶片盘(1)的中心轮毂(3)的内部(32)；
-(E26)：用所述第一金属粉末(41)和第二金属粉末(42)对所述叶片(2)进行火花等离子体烧结。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其中，所述第一金属粉末(41)的金属具有比所述第二金属粉末(42)的金属更高的抗蠕变性。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的方法，其中，所述第二金属粉末(42)的金属具有比所述第一金属粉末(41)的金属更高的抗拉强度。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，该方法包括以下步骤：
-(E3)：对通过用金属粉末对叶片(2)进行火花等离子体烧结所形成的叶片盘(1)进行热处理。
8.一种整体形成的涡轮机叶片盘(1)，该涡轮机叶片盘(1)通过根据权利要求1至7中任一项所述的方法获得。
9.根据权利要求8所述的叶片盘(1)，其中，所述叶片盘(1)包括单晶叶片(2)和一个多晶中心轮毂(3)。
10.一种涡轮机，包括根据权利要求8或9所述的整体形成的叶片盘(1)。
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