采用擴散粘結(jié)技術(shù)制作渦輪發(fā)動機整體部件的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種采用擴散粘結(jié)制作渦輪發(fā)動機整體部件的方法，所述方法包括繞芯軸(12)制作部件坯件的步驟，所述坯件包括多個同軸且疊加的金屬絲環(huán)形層的獨立環(huán)（10），這些環(huán)圍繞芯軸上下疊置，所述方法還包括將坯件進(jìn)行熱等靜壓處理，以獲得整體部件，并可選擇對部件進(jìn)行機加工。
【專利說明】采用擴散粘結(jié)技術(shù)制作渦輪發(fā)動機整體部件的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及制作渦輪發(fā)動機整體部件的擴散粘結(jié)方法，所述渦輪發(fā)動機諸如飛機渦輪螺旋槳發(fā)動機或渦輪噴氣發(fā)動機，所述部件由諸如渦輪噴氣發(fā)動機主軸和帶動發(fā)動機附件設(shè)備的附件齒輪箱(AGB)之間的動力傳動軸構(gòu)成。
【背景技術(shù)】
[0002]附件齒輪箱軸較細(xì)且長，對于大直徑發(fā)動機，該軸長度大約為一米，通常由兩部分制成，這兩部分因為機械強度和承受振動的原因而采用端對端布置。這兩部分的鄰近端部，通過中間軸承而在旋轉(zhuǎn)時被導(dǎo)向并處于中央位置，中間軸承使振動諧振方式頻率穿過。
[0003]人們已經(jīng)提出，采用擴散粘結(jié)來制作這種整體部件的軸。該方法是圍繞旋轉(zhuǎn)的圓柱形芯軸來形成軸的坯件，即通過卷軸或卷盤上的至少一個金屬絲纏繞在芯軸上，從而形成多個同軸且疊加的環(huán)形金屬絲層，這些金屬絲層環(huán)繞在芯軸周圍，每層都是由多個相接觸的彎折部分構(gòu)成，然后，在合適的工具上，通過熱等靜壓(HIP)對坯件進(jìn)行擴散粘結(jié)處理。最后形成的部件是一個整體部件，如需要，可對其進(jìn)行表面機加工。
[0004]另外，人們已知，采用涂有金屬的陶瓷纖維來對該種部件進(jìn)行增強，即在兩層(分別為內(nèi)層和外層)金屬絲之間的芯軸上纏繞一層或多層所述陶瓷纖維。
[0005]早先，以本申請者名義提出的專利申請FRl 1/50194，F(xiàn)Rl 1/51706和FRl 1/52129介紹了上述類型的方法。
[0006]然而，已有技術(shù)方法并不能制作非圓形截面的部件，因為很難或者說不可能在非圓柱形的芯軸周圍纏繞金屬絲。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的一個具體目的是提供一種針對這個問題的解決方案，該方案簡單，有效，且成本不高。
[0008]為此，本發(fā)明提出了一種采用擴散粘結(jié)技術(shù)制作渦輪發(fā)動機整體部件的方法，所述方法包括如下步驟:
[0009].圍繞芯軸制作部件的坯件，該坯件包括多個同軸且疊加的環(huán)形的金屬絲層；
[0010].對坯件進(jìn)行熱等靜壓處理，以獲得整體部件；以及[0011 ].可選擇對整體部件進(jìn)行機加工；
[0012]所述方法的特征在于，坯件的每層金屬絲都是由接合(engaged)并堆置在芯軸上的獨立的環(huán)組成。
[0013]根據(jù)本發(fā)明，金屬絲構(gòu)成的獨立環(huán)并不是直接來自卷軸或卷盤，也不是纏繞在芯軸上，為此，可以將部分部件做成圓形或非圓形。所述環(huán)可在環(huán)境溫度下堆置在芯軸上。
[0014]圓形截面的部件通過環(huán)來制作，這些環(huán)呈圓狀并接合在圓柱形的芯軸上。非圓形截面部件(例如，多邊形截面:三角形、長方形、正方形等)都可由相應(yīng)的非圓形的環(huán)來制作，這些環(huán)都接合在互補形狀(非圓柱形)的芯軸上。[0015]這些環(huán)通過設(shè)置在芯軸一端而接合在芯軸上，在芯軸的軸線上，該環(huán)然后平行于芯軸縱軸而平移到芯軸上。當(dāng)芯軸垂直指向時，任何一層內(nèi)的環(huán)都可以上下疊加。當(dāng)芯軸水平指向時，任何一層內(nèi)的各環(huán)水平并排布置。
[0016]根據(jù)要制作的部件數(shù)量，可以在等熱壓機或壓熱袋(autoclave bag)內(nèi)進(jìn)行壓制。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的另一個特性，在接合到芯軸上之前，可以對環(huán)進(jìn)行預(yù)成形，為的是呈現(xiàn)出上述圓形或非圓形形狀。對環(huán)進(jìn)行預(yù)成形可使這些環(huán)呈現(xiàn)對應(yīng)于要制作部件截面的任何形狀。例如，當(dāng)制作多邊截面的軸時，內(nèi)層的環(huán)為多邊形，而外層的環(huán)也為多邊形，但橫向尺寸大于內(nèi)層的環(huán)的橫向尺寸。環(huán)的預(yù)成形可以手動進(jìn)行(對于小直徑的金屬絲)，或者通過相應(yīng)的工具來進(jìn)行。
[0018]例如，構(gòu)成環(huán)的金屬絲的直徑可以在大約Imm到6mm的范圍內(nèi)。芯軸的半徑優(yōu)選大于環(huán)的金屬絲的直徑。
[0019]環(huán)可以是閉合的或非開口式的。在這種情況下，環(huán)的內(nèi)外直徑是恒定的，而且，夕卜層的每個環(huán)都圍繞內(nèi)層的環(huán)而延伸，并與內(nèi)層的該環(huán)而橫向?qū)?zhǔn)。內(nèi)層的環(huán)的外徑等于外層的環(huán)的內(nèi)徑，該外層環(huán)繞著該內(nèi)層。閉合環(huán)可以通過環(huán)的制作方法來直接獲得。在另一種方式中，環(huán)可以通過金屬絲成形而獲得，這樣，其自由端就可以彼此相向移動，然后通過一例如一焊接來固定到一起。
[0020]當(dāng)考慮占兩層的四個鄰近環(huán)時，S卩，由兩個環(huán)組成的內(nèi)層和包圍所述內(nèi)層兩個環(huán)的兩個環(huán)組成的外層，這些(相同直徑)的環(huán)的堆置為正方形。具體來講，這些環(huán)的橫截面的半視圖包括四個圓，這些圓的中心都位于該正方形的四個角。根據(jù)本發(fā)明的【具體實施方式】，該堆垛的擴展(expansion)為大約21.5%。
[0021]根據(jù)另一個不同方式，這些環(huán)在沿圓周的一個點上為開放式或開口式。在這種情況下，這些環(huán)可通過其自由端分開或相向移動而變形。這樣，就可以改變環(huán)的內(nèi)外直徑，并可使環(huán)在芯軸上的安裝方式為，外層的每個環(huán)位于內(nèi)層的兩個環(huán)之間。于是，內(nèi)層的環(huán)的外徑大于包圍該內(nèi)層的外層的環(huán)的內(nèi)徑。這些(相同直徑)的環(huán)的堆置為等邊三角形式樣，這些環(huán)的半橫截面圖包括三個圓，圓的中心分別位于等邊三角形的三個角。根據(jù)本發(fā)明的【具體實施方式】，該堆垛的展開大約9.31%。
[0022]接合到芯軸上的每個開口環(huán)的開口優(yōu)選圍繞芯軸縱軸相對于鄰近環(huán)的開口而按一定角度偏置。這樣，可以在芯軸整個軸向尺寸上圍繞芯軸縱軸來分布這些開口，并可避免在坯件上出現(xiàn)來自金屬絲的金屬量不足的區(qū)域，因為金屬量不足會使得要制作部件上出現(xiàn)孔隙。
[0023]例如，要制作的部件是渦輪發(fā)動機的軸，或者是輪盤，或者是整體葉片環(huán)(“葉盤”)。
[0024]有利的是，在兩層金屬絲之間，可布置至少一個環(huán)形層的金屬涂覆陶瓷纖維，例如，所述陶瓷纖維可由織物或纖維薄板構(gòu)成。
[0025]該層纖維用來增加部件強度。每個纖維包括陶瓷材料制成的芯部(諸如碳化硅，SiC),上面涂有(例如采用高速涂覆)金屬涂層(Ti, Al, B等),該金屬優(yōu)選與構(gòu)成上述環(huán)的金屬相同。在擴散粘結(jié)之后，所述部件于是就包括均勻的金屬基體，其作用是粘結(jié)部件和保護纖維，因為這些纖維吸收了部件所承受的各種力。該技術(shù)可以增加部件的剛性，但同時又不會增加其密度。另外，還可以在部件的密度上增加楊氏模數(shù)的比率并可將振動諧振方式移給高頻。對于附件齒輪箱軸，該技術(shù)可以略去上述的中間軸承，因為不再需要。在芯軸周圍可纏繞或堆置其它材料，諸如SiC織物，Ti, Al,或TiAl，或任何其他材料制成的箔材，這些材料都具有可使超塑成形和擴散粘結(jié)技術(shù)得以實施的性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]通過閱讀以非限定性示例并參照附圖給出的如下說明，可以更好地理解本發(fā)明，本發(fā)明的其它特性、細(xì)節(jié)和優(yōu)點會顯現(xiàn)出來，附圖如下:
[0027].圖1為芯軸的軸向剖面圖，芯軸上為通過堆置金屬環(huán)而形成的坯件，以及圖1還示出了本發(fā)明所述方法的一個步驟；
[0028].圖2為本發(fā)明的金屬環(huán)的示意圖，所示金屬環(huán)為閉合式或非開口式；
[0029].圖3為本發(fā)明金屬環(huán)另一個不同實施例的示意圖，所示為開放式或開口式；
[0030].圖4為堆置的閉合環(huán)的軸向剖面圖，以及圖5為堆置的開口環(huán)的軸向剖面圖；
[0031]?圖6為圖4所示正方形堆的重復(fù)圖形，以及圖7為圖5所示等邊三角形堆的重復(fù)圖形；
[0032].圖8為芯軸的軸向剖面圖，其上為采用本發(fā)明所述方法另一個步驟堆置的金屬環(huán)；
[0033].圖9為擴散粘結(jié)部件時所使用工具的軸向截面半視圖，并示出了本發(fā)明所述方法的另一個步驟；以及
[0034]?圖10至圖12示出了本發(fā)明所述方法不同實施方式的非圓形環(huán)。
【具體實施方式】
[0035]圖1、圖8和圖9示出了本發(fā)明所述方法的步驟，所述方法用來制作渦輪發(fā)動機的整體部件，諸如軸，或輪盤，或整體葉片環(huán)。
[0036]在圖1所示第一個步驟中，金屬環(huán)10接合(engage)到芯軸12上并堆置在預(yù)定距離L上，從而圍繞芯軸形成一個或多個同軸且疊加的環(huán)形金屬環(huán)層。某一層的環(huán)10的直徑相同，沿芯軸縱軸A并排布置，該層的厚度等于制作該環(huán)的金屬絲的直徑。
[0037]所示示例中的芯軸12為圓柱形，但，其也可以是某個其它形狀截面，例如，三角形，正方形，長方形，或多邊形，如下更詳細(xì)介紹。芯軸可垂直或水平布置，且其可以是靜止不動的。
[0038]環(huán)10通過在芯軸一端定位而接合到芯軸12上，與芯軸同一軸線，然后平行于軸線A沿芯軸平移。環(huán)形端板14優(yōu)選安裝在芯軸的一端上，并形成圍繞芯軸延伸的每個環(huán)形層第一個環(huán)的支撐裝置。環(huán)10堆置在距離L上，該距離L根據(jù)要制作的部件的長度來定。每層環(huán)的數(shù)量是金屬絲直徑的函數(shù)，該直徑可以是一例如一在大約Imm至6mm范圍內(nèi)。
[0039]所述環(huán)可采用具有熱機械強度且重量輕的TiA6V或--6242鈦合金制成。
[0040]根據(jù)本發(fā)明所述方法的初步步驟(圖中未示)，環(huán)10采用這樣一種方式形成，即呈現(xiàn)的形狀對應(yīng)于要制作部件的形狀，該形狀的截面可以是圓形、正方形、長方形、三角形等。這個預(yù)成形步驟可以通過卷軸或卷盤用金屬絲來實施。
[0041]環(huán)10’，10"是閉合式或非開口式,如圖2所示,或者是開放式或開口式,如圖3所示。在本發(fā)明的這兩個實施方式中，環(huán)是圓形的，安裝在圓柱形芯軸上。[0042]閉環(huán)10’的內(nèi)徑和外徑為恒定的。當(dāng)這些環(huán)采用金屬絲預(yù)成形而獲得時，每個環(huán)10’的對面自由端15相向移動，并通過一例如一焊接而固定在一起。
[0043]圖4和圖6示出了采用閉合環(huán)10’而獲得的堆垛(正方形)的式樣。內(nèi)層環(huán)的內(nèi)徑大體上等于或稍大于芯軸12的外徑，而環(huán)的外徑則大體上等于或稍小于外層環(huán)的內(nèi)徑(圖4)。內(nèi)層的每個環(huán)都被外層的環(huán)所包圍，這兩個環(huán)都位于相對于軸線A而橫向的公共面上。圖6示出了分布在兩層上的四個鄰近環(huán)的半橫截面，即內(nèi)層由兩個環(huán)組成，外層由兩個環(huán)組成，外層的兩個環(huán)包圍著內(nèi)層的兩個環(huán)。該堆垛為正方形式樣，因為金屬絲的半截面(圓形)的中心位于正方形的四個角處。根據(jù)本發(fā)明的【具體實施方式】，該堆垛的展開(expansion)約為 21.5%。
[0044]開口環(huán)10〃的直徑可通過將其自由端16分開或相向移動而修正(圖3)而改變。圖5和圖7示出了采用開口環(huán)10〃而獲得的堆垛的式樣(等邊三角形)。內(nèi)層環(huán)的內(nèi)徑大體上等于或稍大于芯軸12的外徑，這些環(huán)的外徑大于外層的環(huán)的內(nèi)徑，從而使得外層環(huán)的位置位于內(nèi)層兩個環(huán)之間，且在內(nèi)層環(huán)的外部(圖5)。外層的每個環(huán)都位于橫向平面上，大體位于兩個橫向平面之間的中間部位，所述兩個平面分別含有內(nèi)層的兩個鄰近環(huán)。圖7示出了分布在兩層上的三個鄰近環(huán)的半截面圖，即由兩個環(huán)組成的內(nèi)層和位于外部并在內(nèi)層兩個環(huán)之間的外層。該堆垛為等邊三角形式樣，因為金屬絲(圓形)截面中心位于等邊三角形的三個角處。根據(jù)本發(fā)明的【具體實施方式】，該堆垛的展開約為9.31%。
[0045]優(yōu)選地，環(huán)10〃在芯軸上的堆置方式是，環(huán)的開口圍繞軸線A相對于彼此而成一定角度偏置。為此，這些開口有規(guī)律地或無規(guī)律地分布在軸線A周圍，從而可避免出現(xiàn)缺少金屬的區(qū)域，因為在壓制階段期間這些區(qū)域會出現(xiàn)孔隙率。
[0046]如圖1所示，內(nèi)層金屬環(huán)10由復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)包圍，這種結(jié)構(gòu)由金屬涂層的陶瓷纖維18織物或薄板構(gòu)成。纖維18上涂覆的金屬和金屬環(huán)10的金屬優(yōu)選為相同種類(例如，TiA6V或6242)，目的是優(yōu)化本發(fā)明方法的隨后步驟，即熱等靜壓作業(yè)和擴散粘結(jié)。
[0047]纖維18織物或薄板纏繞在第一層金屬環(huán)10上，這樣，纖維的延伸與芯軸12的軸線A平行。可以纏繞多種織物或多個相同織物的薄板，或者纏繞一種或多種其它不同織物的多個薄板，這些不同織物同軸纏繞?？椢锟梢詾椴煌N類，且可以為不同直徑的涂層纖維。復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)的長度小于或等于金屬環(huán)10第一層的長度L。
[0048]按照另一種方式，纖維18可以纏繞在芯軸周圍，并圍繞軸線A而沿圓周方向延伸。
[0049]例如，涂層陶瓷纖維可以是SiC/Ti，SiC/Al, SiC/B等。
[0050]圖8示出的本發(fā)明方法的下一個步驟是將上述纖維結(jié)構(gòu)覆蓋在至少一個其它層金屬環(huán)10上，如上所述，金屬環(huán)堆置在芯軸12的周圍。另外，金屬環(huán)10布置在纖維結(jié)構(gòu)前方或背后，這樣，就可埋藏在要制作的最終部件的金屬的內(nèi)部。
[0051]為此，所述部件的坯件E可以圍繞芯軸而漸進(jìn)制成。該坯件E可以帶有1000多個環(huán)10和多個上述類型的纖維結(jié)構(gòu)，這些纖維結(jié)構(gòu)通過至少一層金屬環(huán)而彼此分開。
[0052]此后，在等熱壓機或壓熱袋(二者之選擇具體取決于要生產(chǎn)的部件數(shù)量)內(nèi)對坯件E進(jìn)行熱等靜壓處理(HIP)。將坯件置放在合適的工具20 (圖9)內(nèi)，以適當(dāng)高溫向坯件施加強壓，從而使得環(huán)的金屬和纖維上的涂層的金屬變軟而蠕變，從而填滿各層環(huán)之間所有空的空間，以便通過擴散粘結(jié)而將各個部分結(jié)合在一起。
[0053]在圖中未示的另一種方式中，將坯件置放在可變形的低碳鋼袋內(nèi)，然后再將該低碳鋼袋放置在壓熱袋內(nèi)。升高壓熱袋的等靜態(tài)壓力至1000巴，溫度940°C (適用于TiA6V)，這樣，由于空氣被抽出而收縮，整個低碳鋼袋變形，向坯件施加均勻壓力，直至金屬蠕變，實現(xiàn)擴散粘結(jié)。
[0054]有利的是，可將多個低碳鋼袋插入壓熱袋內(nèi)，可同時制作多個部件，從而降低制造成本。
[0055]本發(fā)明的方法可以制作截面形狀不是圓形的部件，例如，截面為五角形(圖10)、長方形(圖11)或三角形(圖12)。然后，本發(fā)明方法的預(yù)成形步驟是將環(huán)進(jìn)行預(yù)成形，賦予其所期望的形狀，這些環(huán)接合并堆置在具有互補形狀截面的芯軸上。例如，長方形環(huán)可采用長方形截面塊體形式接合到芯軸上，為的是制作出長方形截面的整體部件，如圖11所示。這些環(huán)可以是閉合式或非開口式，或者是開放式或開口式。
【權(quán)利要求】
1.一種通過擴散粘結(jié)制作渦輪發(fā)動機整體部件的方法，所述方法包括如下步驟: ?繞芯軸(12)制作坯件(E)，該坯件包括多個同軸并疊加的環(huán)形金屬絲層； ?將坯件進(jìn)行熱等靜壓壓制，以獲得整體部件；以及 ?選擇對部件進(jìn)行機加工； 所述方法的特征在于，坯件的每層金屬絲都是由接合到并堆置在芯軸上的獨立環(huán)(10)組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，環(huán)(10)為圓形或非圓形，例如，多邊形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，環(huán)(10)在接合到芯軸上之前可以預(yù)成形為圓形或非圓形。
4.根據(jù)前面任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，芯軸(12)為圓柱形或非圓柱形狀。
5.根據(jù)前面任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，環(huán)(10)為閉合式或非開口式。
6.根據(jù)前面任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，環(huán)(10)在沿其圓周方向的某個點處為開放式或開口式。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，接合到芯軸(12)上的每個環(huán)(10)的開口圍繞芯軸縱軸相對于鄰近環(huán)的開口有角度地偏置。
8.根據(jù)前面任一項權(quán)`利要求所述的方法，其特征在于，整體部件為渦輪發(fā)動機的整體軸，或輪盤，或葉片環(huán)。
9.根據(jù)前面任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，在芯軸上的兩個金屬絲層之間，布置至少一個環(huán)形層金屬涂層陶瓷纖維，例如織物或纖維薄板(18)形式。
10.根據(jù)前面任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，環(huán)(10)通過與芯軸同一軸線在芯軸端部定位和平行于縱軸(A)沿芯軸平移來接合到芯軸(12)上。
【文檔編號】B22F3/00GK103561890SQ201280023293
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2012年5月11日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月18日
【發(fā)明者】蒂里·戈登, 布魯諾·杰克斯·杰拉德·達(dá)姆布瑞恩 申請人:斯奈克瑪