本發(fā)明涉及葉片保護(hù)邊緣和制造該邊緣的方法。所述保護(hù)邊緣具體可為渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的保護(hù)邊緣。

發(fā)明背景

在航空領(lǐng)域，更具體地在飛機(jī)渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，降低渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的組成元件的質(zhì)量始終受到關(guān)注。這種關(guān)注引導(dǎo)開發(fā)了由具有有機(jī)基質(zhì)的復(fù)合材料制成的風(fēng)扇或整流器葉片，這些復(fù)合葉片比金屬葉片更輕。

復(fù)合葉片的前緣在不設(shè)保護(hù)的使用中通常對(duì)腐蝕和可能的沖擊(鳥、礫、冰、砂等)很敏感。因此通常使用保護(hù)邊緣，其由金屬或塑料制成，膠粘在葉片本體上。然后該保護(hù)邊緣限定葉片的前緣。例如，專利WO2013021141公開了該保護(hù)邊緣。

保護(hù)邊緣粘附在葉片本體上是關(guān)鍵方面。為了改善該粘附，根據(jù)一種已知方法，在葉片本體和加強(qiáng)邊緣之間沉積有一定數(shù)量的中間層，例如聚氨酯膜或粘結(jié)劑底料。根據(jù)另一方法，待膠粘的表面經(jīng)機(jī)械制備，例如通過砂紙打磨或刮擦。盡管令人滿意，但這些方法非常耗時(shí)、復(fù)雜和/或制造成本高昂。此外，前述中間層可能包含某些對(duì)環(huán)境有害的物質(zhì)，它們正在經(jīng)歷被國(guó)際組織(例如歐洲的REACH系統(tǒng))停用的過程。

因此需要新型保護(hù)邊緣，其能有效保護(hù)葉片同時(shí)易于固定在葉片本體上。

發(fā)明概述

本發(fā)明涉及制造葉片保護(hù)邊緣的方法，其中保護(hù)邊緣由可陽極化處理的金屬制成，并且保護(hù)邊緣經(jīng)歷微弧氧化電解處理。

微弧氧化電解處理是本身已知的表面處理技術(shù)，其包括在電解浴中浸沒基材并用高電壓陽極化該基材，從而達(dá)到絕緣氧化物層的擊穿電壓，所述絕緣氧化物在處理最初時(shí)在基材表面形成。然后啟動(dòng)微弧并在基材的浸沒表面上移動(dòng)。該技術(shù)一方面允許在具有特定結(jié)構(gòu)和特定物理化學(xué)性質(zhì)的基材表面通過形成氧化層來形成涂層，該氧化層由基材的組成元素組成，另一方面允許在氧化層中納入最初在電解浴中存在的化學(xué)物質(zhì)。處理最后，所獲涂層在核心具有致密硬結(jié)構(gòu)，在表面具有多孔結(jié)構(gòu)。該技術(shù)在文獻(xiàn)中還指“微弧等離子氧化處理”或更簡(jiǎn)單的“微弧氧化處理”。

微弧氧化與傳統(tǒng)陽極化方法非常不同。具體地，微弧氧化在所涉及的大量能量方面與那些方法不同，所述大量能量是達(dá)到氧化層擊穿電壓所必需的。

通過微弧氧化產(chǎn)生表面涂層形成了特異涂層，其具有與傳統(tǒng)陽極化所獲涂層非常不同的特異的微結(jié)構(gòu)。

微弧氧化不需要輸入金屬來形成涂層。所形成的涂層由經(jīng)歷微弧氧化處理的基材表面上存在的金屬(或金屬物質(zhì))的氧化而獲得。

在建議的應(yīng)用中，保護(hù)邊緣用作基材并且微弧氧化處理使保護(hù)邊緣表面形成涂層，所述涂層一方面核心致密且硬，另一方面表面多孔。該涂層的硬度使其有效保護(hù)葉片免于腐蝕或任何沖擊，而涂層的表面多孔性因提供對(duì)所用粘結(jié)劑的良好抓著而便于并改善涂層的固定，尤其是當(dāng)其通過膠粘固定時(shí)。

該保護(hù)邊緣可具體由鈦、鈦合金、鋁或鋁合金制成。當(dāng)保護(hù)邊緣由鈦或鈦合金制成時(shí)，保護(hù)邊緣上形成的涂層主要由氧化鈦組成。

為了確保對(duì)葉片的保護(hù)，所述保護(hù)邊緣設(shè)置為能夠膠粘在葉片本體上，從而形成葉片的前緣或后緣。

在一些實(shí)施方式中，保護(hù)邊緣具有彼此相對(duì)的外表面和內(nèi)表面，所述外表面部分地限定葉片的空氣動(dòng)力學(xué)表面，所述內(nèi)表面設(shè)置為固定在葉片本體上。

在實(shí)施本發(fā)明的方法期間，微弧氧化處理通常施加在保護(hù)邊緣的所有外部表面上，因此施加在外表面和內(nèi)表面上。

然而，對(duì)葉片的保護(hù)邊緣的這兩種表面的表面性質(zhì)的需求則不同。

在外表面上，葉片的保護(hù)邊緣必須優(yōu)選既由于空氣動(dòng)力學(xué)原因而非常平滑，又對(duì)磨損具有較強(qiáng)抗性從而承受空氣中存在的顆粒的影響。

微弧氧化獲得的表面涂層通常具有一定的粗糙度。因此先驗(yàn)地，該涂層似乎一點(diǎn)也不適于用作組成葉片前緣或后緣的表面。

或至少，當(dāng)該涂層具有所需的粗糙度以允許部分膠粘時(shí)，該粗糙度通常會(huì)使涂層不能滿足空氣動(dòng)力學(xué)需求，而這種需求卻要求表面特別平滑。

因此，在一個(gè)實(shí)施方式中，保護(hù)邊緣的外表面優(yōu)選在微弧氧化處理后拋光。然后該拋光允許外表面達(dá)到滿足一定空氣動(dòng)力學(xué)需求水平的粗糙度水平。

具體地，拋光可使得保護(hù)邊緣的外表面的粗糙度水平低于2μm，優(yōu)選低于0.8μm。

此外，拋光后，涂層的致密和硬結(jié)構(gòu)位于表面。優(yōu)選地，涂層的該部分具有特別高的耐磨性。

與此相對(duì)，在保護(hù)邊緣的內(nèi)表面上，微弧氧化形成的涂層的表面層具有表面多孔性和內(nèi)表面粗糙度性質(zhì)，這完全適用于該表面膠粘在葉片上。因此，該表面層可保留從而有利于保護(hù)邊緣在葉片本體上的物理化學(xué)粘附(例如膠粘)。具體地，內(nèi)表面在微弧氧化處理后優(yōu)選不進(jìn)行拋光。還可對(duì)處理期間所用的電解浴的組成進(jìn)行選擇，從而內(nèi)表面的多孔表面納入有利于物理化學(xué)粘附的特定化學(xué)物質(zhì)。

微弧氧化步驟之后(任選再進(jìn)行拋光步驟)，保護(hù)邊緣膠粘在葉片本體上。從而保護(hù)邊緣形成葉片的前緣或后緣。

在一些實(shí)施方式中，微弧氧化電解處理包括下述步驟：

-將保護(hù)邊緣浸入電解浴中，該保護(hù)邊緣形成第一電極，

-將第二電極(也稱為對(duì)電極)浸入該電解浴中，和

-向所述第一和第二電極施加電壓。

優(yōu)選地，該電壓施加時(shí)產(chǎn)生電流。換句話說，微弧氧化操作是受控的，尤其是通過調(diào)節(jié)所產(chǎn)生電流的強(qiáng)度。

優(yōu)選地，施加的強(qiáng)度具有脈沖，尤其是當(dāng)保護(hù)邊緣由鈦或鈦合金形成時(shí)。優(yōu)選地，這些脈沖的頻率低于50赫茲。

第二電極可在電解浴中設(shè)置為面向加強(qiáng)件(reinforcement)的內(nèi)表面，從而有助于該內(nèi)表面的處理，內(nèi)表面的幾何結(jié)構(gòu)相比外表面而言通常不便于處理。通常，加強(qiáng)件的內(nèi)表面內(nèi)凹(即中空)，而外表面則外凸(即弧形)。

加強(qiáng)件可具有基本U型的橫截面，從而放置成跨過葉片本體。該加強(qiáng)件可具有構(gòu)成保護(hù)邊緣最厚部分的基底。該基底的外表面可限定葉片的前緣(或后緣)。該基底可通過分別位于葉片壓力側(cè)和吸氣側(cè)的兩側(cè)側(cè)翼而延伸。這些側(cè)翼的外表面分別部分地限定葉片的壓力側(cè)和吸氣側(cè)。在橫截面中，這些側(cè)翼的型面(profile)可隨著遠(yuǎn)離基底而更薄。保護(hù)邊緣可固定在葉片本體的全部高度或部分高度上。

本發(fā)明還涉及用上述方法制造的保護(hù)邊緣和含該保護(hù)邊緣的葉片。葉片可為渦輪機(jī)葉片，尤其是(例如飛機(jī)渦輪噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的)航空渦輪機(jī)風(fēng)扇葉片。葉片還可為螺旋槳或翼。

葉片可包括有機(jī)基質(zhì)復(fù)合材料制成的本體或中心部分。葉片可例如為通過紡織材料包模成型而獲得的復(fù)合葉片。例如，所用復(fù)合材料可由紡織碳/塑料纖維和樹脂基質(zhì)(例如環(huán)氧樹脂、雙馬來酰亞胺或氰酸酯的基質(zhì))的組裝件所組成，所述組裝件通過例如使用RTM(樹脂轉(zhuǎn)移模制)型的真空樹脂注射方法的模制形成。

保護(hù)邊緣可固定在中心部分(尤其通過膠粘)，并且可限定所述葉片的前緣或后緣。

閱讀本發(fā)明如下實(shí)施方式的詳述后，本發(fā)明的前述特征和優(yōu)點(diǎn)以及其他特征和優(yōu)點(diǎn)而顯見。該詳述參照附圖。

附圖的簡(jiǎn)要說明

附圖為示意圖而非按比例繪制；其主要目的是示例本發(fā)明的原理。

這些圖中，從一個(gè)圖(FIG)至另一圖中，相似元件(或元件的部分)用相同參考標(biāo)記指示。

圖1是含保護(hù)邊緣的葉片的側(cè)視圖。

圖2是圖1葉片的局部視圖，沿著橫截切割平面A-A的剖視圖。

圖3是微弧氧化電解處理裝置的總圖。

圖4是示意圖，顯示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式中施加的強(qiáng)度脈沖。

圖5以剖視圖示意性顯示用微弧氧化電解處理在基材上形成的示例涂層的結(jié)構(gòu)。

發(fā)明詳述

圖1和2顯示渦輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片10。該葉片可為飛機(jī)渦輪噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片。該葉片10將位于流過渦輪噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的流體流中。上游和下游相對(duì)該流體的正常流動(dòng)方向所定義。

葉片的空氣動(dòng)力學(xué)表面12在前緣16和后緣18之間從上游延伸至下游，并且沿著柄部22和頂點(diǎn)24之間的縱向20。葉片10通過其柄部22固定于旋轉(zhuǎn)支持盤上，旋轉(zhuǎn)支持盤上有數(shù)個(gè)葉片。

吸氣面13和壓力面11為連接前緣16至后緣18的葉片空氣動(dòng)力學(xué)表面12的側(cè)面。

葉片10包括本體9，其上通過膠粘固定有保護(hù)邊緣30。該保護(hù)邊緣30沿著縱向20延伸超過葉片10的空氣動(dòng)力學(xué)表面12的整個(gè)高度。保護(hù)邊緣30具有彼此相對(duì)的外表面31和內(nèi)表面32。保護(hù)邊緣30的外表面31限定前緣16以及壓力面11和吸氣面13的部分。吸氣面13和壓力面11的剩余部分以及后緣18由葉片本體9限定。保護(hù)邊緣30的內(nèi)表面32接觸本體9。

保護(hù)邊緣30具有基本U型的截面并且放置為跨過本體9的邊緣。該加強(qiáng)件具有基底39，其為該加強(qiáng)件的最厚區(qū)域并限定前緣16。該基底39通過分別位于葉片10的壓力面?zhèn)群臀鼩饷鎮(zhèn)鹊膬蓚?cè)側(cè)翼35和37而延伸。側(cè)翼35和37的橫截面(參見圖2)的型面在向后緣18的方向上變薄。

圖3示意性顯示微弧氧化電解處理裝置1的示例。該裝置包括含電解浴3或電解液的槽2。例如，該電解浴由堿金屬(如鉀或鈉)氫氧化物和堿金屬含氧酸鹽的水溶液組成。一方面，形成第一電極、由金屬或金屬合金制成并具有半導(dǎo)體性質(zhì)的基材5，和另一方面，稱為“對(duì)電極”的至少一個(gè)第二電極4，浸入電解浴3中。該裝置還包括電流供給源6、電壓發(fā)生器7和控制器件(例如微型計(jì)算機(jī)8)，基于處理工序控制和監(jiān)控可變參數(shù)。控制器件8具體允許調(diào)控流過電解浴的電流的強(qiáng)度I。該裝置允許通過轉(zhuǎn)變構(gòu)成該基材5的金屬來在基材5上形成涂層。本領(lǐng)域已知該裝置的通常操作和控制，本文將不對(duì)它們作進(jìn)一步詳述。

在建議的方法中，基材5通過保護(hù)邊緣30形成。例如，保護(hù)邊緣30由鈦或鈦合金制成。為在該保護(hù)邊緣30上形成涂層，裝置1的使用范圍例如如下所述：

-電流密度：20-400A/dm²；

-電壓：200-1000V，更具體為400-800V；

-強(qiáng)度脈沖頻率：1-500Hz，優(yōu)選10-500Hz；

-電荷比q_p/q_n：0.4-1.8(q_p為轉(zhuǎn)移的正電荷，q_n為轉(zhuǎn)移的負(fù)電荷)；

-處理時(shí)間：10-90分鐘；

-浴溫度：5-40℃，優(yōu)選10-40℃；

-浴pH：6-14；

-浴電導(dǎo)率：100-1000mS/m。

電解浴3可包括去礦化水和各種形式的鉀鹽和/或鈉鹽的混合物，例如氫氧化物、硅酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽、硫代硫酸鹽、鎢酸鹽、硫氰酸鹽或釩酸鹽，所含組成為0.1-50g/l。

為了便于處理保護(hù)邊緣30的內(nèi)表面32，第二電極或?qū)﹄姌O4可放置為面向該內(nèi)表面32，并且具體地可位于保護(hù)邊緣30的側(cè)翼35、37之間，和/或其具有與第一電極5相似的幾何結(jié)構(gòu)。在圖3的示例中，使用兩個(gè)對(duì)電極4并且置于保護(hù)邊緣30的兩側(cè)，與后者非常接近。

進(jìn)行下述測(cè)量以提高微弧氧化處理的效率：

一方面，應(yīng)用處理期間在電解浴3中擴(kuò)散超聲。

另一方面，基材5和電極4之間施加的強(qiáng)度不是直接強(qiáng)度，而是可變的交流強(qiáng)度，其具有在時(shí)間間隔施加的持續(xù)時(shí)間T的周期性脈沖。選擇該持續(xù)時(shí)間T使其大于20ms，例如30ms，從而脈沖頻率低于50Hz。

圖4顯示該變化表示為強(qiáng)度I與時(shí)間t的函數(shù)。

各脈沖為雙極并包括：

-強(qiáng)度爬升斜面，持續(xù)時(shí)間T1，強(qiáng)度從0增升至正平臺(tái)強(qiáng)度I+；

-平臺(tái)，持續(xù)時(shí)間T2，期間強(qiáng)度維持等于I+；

-強(qiáng)度下降斜面，持續(xù)時(shí)間T3，強(qiáng)度從I+降至0；

-平臺(tái)，持續(xù)時(shí)間T4，期間強(qiáng)度維持等于0；

-強(qiáng)度下降斜面，持續(xù)時(shí)間T5，強(qiáng)度從0降至負(fù)平臺(tái)強(qiáng)度I-；

-平臺(tái)，持續(xù)時(shí)間T6，期間強(qiáng)度維持等于I-；

-強(qiáng)度爬升斜面，持續(xù)時(shí)間T7，強(qiáng)度從I-升至0。

當(dāng)一個(gè)脈沖完成時(shí)，施加新的脈沖。

正和負(fù)強(qiáng)度平臺(tái)的強(qiáng)度I+和I-不必然平衡。

正和負(fù)平臺(tái)被短持續(xù)時(shí)間T4分開，期間施加的強(qiáng)度為0。

圖5以剖視圖示意性顯示用微弧氧化電解處理在基材5上形成的示例涂層50的結(jié)構(gòu)。該示例中，涂層50具有多孔表面結(jié)構(gòu)52以及位于該多孔層52和基材5之間的更致密層51。該致密層51比該多孔層52更致密和更堅(jiān)硬。如所示，多孔層52具有相對(duì)高的多孔性和粗糙外表面53。

在電解處理微弧后，保護(hù)邊緣30的外表面31可經(jīng)拋光，具體是通過摩擦精加工(tribofinishing)或通過傳統(tǒng)磨料碳化硅盤手段，所述盤的顆粒尺寸從每平方厘米80顆粒減至每平方厘米4000顆?；虻葍r(jià)。例如，外表面31所需的粗糙度水平可為約0.6微米，其對(duì)應(yīng)于一定水平的空氣動(dòng)力學(xué)需求。在圖4的涂層50的情況中，該拋光步驟達(dá)到消除多孔層52，如虛線D所圖示。因此致密層51位于表面并暴露。

另一方面，保護(hù)邊緣的內(nèi)表面32可保留原始狀態(tài)，即不經(jīng)拋光。在圖4的涂層50的情況中，這達(dá)到保留所示多層結(jié)構(gòu)。

因此，當(dāng)保護(hù)邊緣30具有圖4所示類型的涂層50時(shí)，保護(hù)邊緣30的外表面31由致密層51的外表面限定，其由虛線D限定，而保護(hù)邊緣30的內(nèi)表面32由多孔層52的外表面53限定。

因此保護(hù)層30具有硬且平滑的外表面31，改善了對(duì)葉片10的保護(hù)并且與一定水平的空氣動(dòng)力學(xué)需求相容，而多孔且粗糙的內(nèi)表面32改善了保護(hù)邊緣30在葉片10的本體9上的粘附。

本文所述實(shí)施例或?qū)嵤┓绞絻H作為示例而以非限制方式提供，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)容易對(duì)這些實(shí)施方式或?qū)嵤├M(jìn)行修改或考慮其他實(shí)施方式或?qū)嵤├?，同時(shí)仍在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

此外，這些實(shí)施例或?qū)嵤┓绞降牟煌卣骺蓡为?dú)使用或與另一個(gè)組合使用。當(dāng)組合時(shí)，這些特征可如上所述組合或以不同方式組合，本發(fā)明并不限于本說明書中所述的具體組合。具體地，除非另有說明，與一個(gè)實(shí)施方式或?qū)嵤├P(guān)聯(lián)描述的特征可以同樣的方式用于其他實(shí)施方式或?qū)嵤├?/p>