金屬前緣保護(hù)帶、對(duì)應(yīng)的翼型件及制造方法
【專利摘要】一種金屬前緣保護(hù)帶(12)適于對(duì)渦輪機(jī)的翼型件的前緣提供沖擊保護(hù)。保護(hù)帶(12)由不銹鋼或鎳基合金形成，并且與由鈦基合金形成的相同保護(hù)帶相比，較密實(shí)且提供提高的強(qiáng)度和彈性特性。保護(hù)帶特別適合用于復(fù)合葉片(10)，而且允許有較薄的翼型件，從而改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)效率。還提供了對(duì)應(yīng)的翼型件和制造這種翼型件的方法。
【專利說明】金屬前緣保護(hù)帶、對(duì)應(yīng)的翼型件及制造方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本申請(qǐng)要求2012年7月30日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/677，179的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)的內(nèi)容通過引用而結(jié)合在本文中。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明大體涉及適合復(fù)合翼型件的前緣保護(hù)帶。特別地，本發(fā)明涉及用來保護(hù)翼型件構(gòu)件的金屬前緣(MLE)的金屬和合金。

【背景技術(shù)】
[0003]許多當(dāng)代燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)翼型件構(gòu)件(諸如風(fēng)扇葉片和定子導(dǎo)葉)都由復(fù)合層壓材料或模制纖維構(gòu)成。MLE用來保護(hù)這樣的復(fù)合構(gòu)件的翼型件免受在發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境中經(jīng)常發(fā)生的沖擊和侵蝕損害。在傳統(tǒng)實(shí)踐中，通常用V形保護(hù)金屬帶包裹翼型件的前緣和側(cè)部，以提供這種保護(hù)。
[0004]存在許多用于制造這樣的MLE的工藝，但在這里不詳細(xì)討論。在美國(guó)專利申請(qǐng)US2011/0129600A1和US2011/0097213A1中已經(jīng)公開了有關(guān)新興工藝。另外，其它制造工藝(包括例如傳統(tǒng)機(jī)械加工和蠕變成形)可用來制造MLE。蠕變成形在本領(lǐng)域中已知為在壓力下使用高得足以使部件發(fā)生塑性變形的溫度來對(duì)該部件實(shí)現(xiàn)期望形狀的工藝。在工藝溫度下可同時(shí)進(jìn)行老化處理。至今，許多MLE已經(jīng)主要由鈦或其合金構(gòu)成，因?yàn)橹圃毂憷液椭亓繙p輕。另外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)由鈦或其合金制成的MLE的沖擊強(qiáng)度是令人滿意的。在Parkin等人的美國(guó)專利申請(qǐng)US2011/0194941A1中，公開了一種用于復(fù)合葉片的共同固化包殼。雖然不意于發(fā)起任何特別解釋，但它看來像是公開了一種使用由鈦、鎳、鈦合金或鎳合金制成的包殼使MLE與聚合物基質(zhì)復(fù)合物(PMC)葉片結(jié)構(gòu)共同固化的方法。雖然較薄的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)翼型件會(huì)提高整體葉片效率，從而減少發(fā)動(dòng)機(jī)燃料消耗率(SFC)，但由鈦或其合金制成的MLE的厚度的任何減小都可導(dǎo)致構(gòu)件的沖擊強(qiáng)度降低。
[0005]沖擊狀況在確定翼型件的大小方面起重要作用。不考慮翼型件的厚度，MLE必須能夠經(jīng)受住與翼型件相同或相似的沖擊狀況。因此，為了大大減小發(fā)動(dòng)機(jī)翼型件的厚度，期望有一種能夠經(jīng)受住相同沖擊狀況、厚度較小且因此材料量較少的MLE。使用屈服強(qiáng)度較高的較密實(shí)的材料允許有整體較薄的結(jié)構(gòu)，從而使得系統(tǒng)機(jī)械屬性(諸如例如，彎曲強(qiáng)度和徑向質(zhì)量)幾乎與由鈦或其合金制成的那些相同。航空器發(fā)動(dòng)機(jī)研宄和發(fā)展的一個(gè)特定目標(biāo)是改進(jìn)的SFC，其在例如推力輸出方面描述發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的燃料效率。由于應(yīng)用金屬前緣來保護(hù)下面的復(fù)合葉片，所以厚度減小而不損害機(jī)械屬性的前緣可提高燃料消耗率，同時(shí)對(duì)復(fù)合葉片提供所需的保護(hù)。因而，正在努力開發(fā)能夠改進(jìn)燃料消耗率而不損害MLE的期望機(jī)械屬性的材料。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供一種金屬前緣(MLE)保護(hù)帶，其適合用于在渦輪機(jī)中使用的類型的復(fù)合翼型件上，翼型件包括燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片。本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)一步涉及作為與已知MLE成分相比，提高強(qiáng)度和密度特性的手段的MLE成分。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種金屬前緣保護(hù)帶，其適于對(duì)渦輪機(jī)提供沖擊保護(hù)，金屬前緣保護(hù)帶使用不銹鋼或鎳基合金形成，其與由鈦基合金形成的相同保護(hù)帶相比，較密實(shí)且提供提高的強(qiáng)度和彈性特性。
[0008]本發(fā)明的第二方面是一種使用以下步驟來制造具有保護(hù)帶的翼型件的方法:制造由聚合物基質(zhì)復(fù)合物制成的翼型件；使用蠕變成形工藝或研磨而利用鎳基合金或不銹合金制造保護(hù)帶；使用粘結(jié)劑將保護(hù)帶附連到翼型件；以及使粘結(jié)劑固化，以在保護(hù)帶和翼型件之間形成粘合。
[0009]本發(fā)明的第三方面是一種渦輪機(jī)的翼型件，其具有受金屬前緣保護(hù)帶保護(hù)的前緣，該金屬前緣保護(hù)帶由以下任一制成:鎳基超合金，其成分以重量計(jì)為:50-55%的鎳、17-21% 的鉻、2.8-3.33% 的鉬、4.75-5.5% 的鈮、0-1.0% 的鈷、0.65-1.15 鈦、0.2-0.8% 的鋁、0-0.35%的錳、0-0.3%的銅、0-0.08%的碳、0-0.006%的硼，余量為鐵和附帶雜質(zhì)；或者不銹鋼合金，其成分以重量計(jì)為:14-15%的鉻、3.5-5.5%的鎳、0-0.45%的鈮、2.5-4.5%的銅、高達(dá)0.07%的碳、高達(dá)1.00%的硅、高達(dá)1.00%的錳，余量為鐵和附帶雜質(zhì)。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)效果在于能夠通過減小MLE的重量和/或厚度來實(shí)現(xiàn)燃料消耗率的降低，而基本不損害MLE的機(jī)械屬性。
[0011]本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)效果在于能夠通過引入用以將MLE附連到翼型件上的第二固化步驟來減小殘余應(yīng)力。
[0012]根據(jù)以下詳細(xì)描述，將更好地理解本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1示意性地顯示配備有MLE保護(hù)帶的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片。

【具體實(shí)施方式】
[0014]本文描述的實(shí)施例大體涉及用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的翼型件構(gòu)件的金屬前緣(MLE)保護(hù)帶的成分，以及與某些成分相關(guān)聯(lián)的各種特性和優(yōu)點(diǎn)。
[0015]圖1顯示用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)合風(fēng)扇葉片10。葉片10的類型在本領(lǐng)域是已知的，而且其翼型件被顯示為具有MLE保護(hù)帶12。雖然圖1顯示燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片，但應(yīng)注意的是，本發(fā)明不局限于所顯示的特定風(fēng)扇葉片或燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的翼型件。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面，保護(hù)帶12具有不銹鋼或鎳基成分。與傳統(tǒng)的鈦基保護(hù)帶相比，保護(hù)帶12的優(yōu)選成分會(huì)展現(xiàn)提高的密度、提高的彈性模數(shù)和提高的強(qiáng)度。這三個(gè)特性的改進(jìn)意于幫助在整體上提高保護(hù)帶12經(jīng)受住沖擊狀況的能力。如前面提到的Parkin等人的美國(guó)專利申請(qǐng)US2011/0194941A1中描述的那樣，當(dāng)由于以下原因而采用本發(fā)明的高強(qiáng)度材料時(shí)，使MLE與聚合物基質(zhì)復(fù)合葉片結(jié)構(gòu)共同固化被不認(rèn)為是不合適的。由于MLE的優(yōu)選的高強(qiáng)度材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)比鈦(其具有大約4.5 ppm/°C的CTE)大大約25-60%，所以與聚合物基質(zhì)復(fù)合物層壓材料(具有大約1.0 ppm/°C的CTE )的共同固化操作將提高殘余的粘合應(yīng)力，這在系統(tǒng)的運(yùn)行期間將是難以管理的。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面，使用第二固化操作(之前的聚合物基質(zhì)復(fù)合葉片的固化被稱為第一固化)來將保護(hù)帶12粘合到復(fù)合葉片10上，從而允許在較低的溫度下固化，以及允許在保護(hù)帶12和葉片10的下面的復(fù)合材料之間有較順從的粘結(jié)劑層。例如，保護(hù)帶12可借助于粘結(jié)劑使用合適的材料和工藝來附連到復(fù)合葉片10上，粘結(jié)劑可在大約200-250 0F (大約93-121°C )的較低的溫度下固化。適合形成這個(gè)粘合的粘結(jié)劑包括(但不限于)熱固性環(huán)氧樹脂/基于樹脂的粘結(jié)劑，諸如AF 191，這是3M公司的產(chǎn)品。相比之下，復(fù)合葉片10典型地在較高的溫度下固化，例如大約325 °F (大約163°C)或更高。因而，由于殘余應(yīng)力減小，溫度較低的第二固化工藝是優(yōu)選方面。在粘合工藝期間，葉片10的復(fù)合基本結(jié)構(gòu)和金屬M(fèi)LE保護(hù)帶12兩者都加熱到粘結(jié)劑固化溫度。在粘結(jié)劑固化期間，兩個(gè)工件基于它們的相對(duì)CTE而膨脹。在這個(gè)升高的粘結(jié)劑固化溫度下實(shí)現(xiàn)粘合，在此之后，組件冷卻到室溫，從而保持由于CTE失配而引起的殘余應(yīng)力水平。通過使這個(gè)粘合固化溫度保持盡可能低，CTE失配所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力可最大程度地減小。由于在使用諸如鎳基或不銹鋼合金的高強(qiáng)度材料時(shí)，聚合物基質(zhì)復(fù)合葉片和MLE之間的CTE失配會(huì)增大，所以使這個(gè)粘合固化溫度保持最低(例如在大約200-250 0F (大約93-121°C )的范圍內(nèi))是非常合乎需要的。
[0017]由于上面描述的高強(qiáng)度合金的密度與鈦及其合金相比有提高，所以由這些高強(qiáng)度材料制成的保護(hù)帶12也能夠展現(xiàn)類似于用來形成現(xiàn)有技術(shù)的MLE的較大量傳統(tǒng)鈦基合金的那些機(jī)械屬性的機(jī)械屬性，盡管比由鈦及其合金制成的那些保護(hù)帶更薄。通過把從前緣到葉片10的下面的復(fù)合材料的相同負(fù)載傳遞定為目標(biāo)，在下面的復(fù)合材料中產(chǎn)生的應(yīng)變與使用傳統(tǒng)鈦基MLE的較厚的翼型件產(chǎn)生的那些大致相同。因此，將保護(hù)帶12用于具有比傳統(tǒng)MLE更薄且更輕的翼型件是可行的。預(yù)計(jì)這種翼型件厚度減小在某些情況下提供大約0.26%的風(fēng)扇效率改進(jìn)(作為風(fēng)扇葉片傳遞單位體積空氣所需的能量進(jìn)行測(cè)量)。在考慮由于使用較高密度的MLE的葉片堆的設(shè)計(jì)要求而可能引起的任何效率損失之后，估計(jì)燃料消耗率的整體改進(jìn)為大約0.1%。
[0018]特別適合帶12的成分的示例包括可在名稱Inconel?下在市場(chǎng)上獲得的某些鎳基合金。作為非限制性示例，Inconel 718的報(bào)告成分范圍以重量計(jì)為:50-55%的鎳、17-21%的鉻、2.8-3.33% 的鉬、4.75-5.5% 的鈮、0-1.0% 的鈷、0.65-1.15 鈦、0.2-0.8% 的鋁、0-0.35%的錳、0-0.3%的銅、0-0.08%的碳、0-0.006%的硼，余量為鐵和附帶雜質(zhì)。其它特別適合帶12的合金包括不銹鋼，其非限制性示例是15-5PH不銹鋼。對(duì)于15-5PH不銹鋼，典型的成分范圍以重量計(jì)為:14-15%的鉻、3.5-5.5%的鎳、0-0.45%的鈮、2.5-4.5%的銅、高達(dá)0.07%的碳、高達(dá)1.00%的硅、高達(dá)1.00%的錳，余量為鐵和附帶雜質(zhì)?；诒容^，與傳統(tǒng)鈦基MLE材料相比，前面提到的合金提供大約75%的密度提高。這樣的較高的密度會(huì)協(xié)助提高在旋轉(zhuǎn)場(chǎng)下的葉片預(yù)應(yīng)力狀況，這會(huì)提高葉片10動(dòng)態(tài)地抵抗在沖擊負(fù)載下變形趨勢(shì)的能力。與鈦相比，Inconel 718和15-5PH使屈服強(qiáng)度提高大約15_30%，以及彈性模數(shù)提高大約70%。因此，這些高強(qiáng)度材料抵抗保護(hù)帶12偏轉(zhuǎn)和將應(yīng)變傳遞到下面的復(fù)合葉片10中的趨勢(shì)。這里描述的屬性的組合允許整體較薄的帶12具有與具有鈦基金屬前緣的傳統(tǒng)葉片大致相同或改進(jìn)的能力。
[0019]可像以下工藝中描述的那樣制造本發(fā)明的具有保護(hù)帶12的翼型件。翼型件(諸如葉片10的翼型件)由聚合物基質(zhì)復(fù)合物形成，其在第一固化溫度下經(jīng)歷固化，第一固化溫度的非限制性示例為大約325 °F (大約163°C)。例如使用蠕變成形工藝或研磨，保護(hù)帶12由鎳基合金或不銹鋼合金形成。然后保護(hù)帶12使用熱固性粘結(jié)劑附連到翼型件上，熱固粘結(jié)劑可在第二固化溫度下固化，第二固化溫度低于第一固化溫度，翼型件的聚合物基質(zhì)復(fù)合物在第一固化溫度下固化。例如，這種第二固化溫度的范圍可為大約200-250 °F (大約93-121?)。第二固化操作在翼型件和保護(hù)帶12之間形成粘結(jié)劑粘合。如前面提到的那樣，這個(gè)較低溫度的固化會(huì)在翼型件-保護(hù)帶組件中引起較小的殘余應(yīng)力。
[0020]雖然已經(jīng)按照具體實(shí)施例來描述了本發(fā)明，包括合金的特定成分和屬性和由其制成的金屬前緣，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然可采用其它形式。因此，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不局限于特別公開的實(shí)施例。因此，本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求限制。
【權(quán)利要求】
1.一種適于對(duì)渦輪機(jī)的翼型件的前緣提供沖擊保護(hù)的金屬前緣保護(hù)帶(12)，所述保護(hù)帶由不銹鋼或鎳基合金形成，并且與由鈦基合金形成的相同保護(hù)帶相比，較密實(shí)且提供提高的強(qiáng)度和彈性特性。
2.一種渦輪機(jī)的翼型件，其具有受權(quán)利要求1所述的金屬前緣保護(hù)帶(12)保護(hù)的前緣。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的翼型件，其特征在于，所述翼型件由聚合物基質(zhì)復(fù)合物形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬前緣保護(hù)帶(12)，其特征在于，所述保護(hù)帶(12)由鎳基合金形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的金屬前緣保護(hù)帶(12)，其特征在于，所述鎳基合金以重量計(jì)由下者構(gòu)成:50-55%的鎳、17-21%的鉻、2.8-3.33%的鉬、4.75-5.5%的鈮、0-1.0%的鈷、0.65-1.15 鈦、0.2-0.8% 的鋁、0-0.35% 的錳、0-0.3% 的銅、0-0.08% 的碳、0-0.006% 的硼，余量為鐵和附帶雜質(zhì)。
6.一種渦輪機(jī)的翼型件，其具有受權(quán)利要求4所述的金屬前緣保護(hù)帶(12)保護(hù)的前緣。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的翼型件，其特征在于，所述翼型件由聚合物基質(zhì)復(fù)合物形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬前緣保護(hù)帶(12)，其特征在于，所述保護(hù)帶(12)由不銹鋼合金形成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的金屬前緣保護(hù)帶(12)，其特征在于，所述不銹鋼合金以重量計(jì)由下者構(gòu)成:14-15%的鉻、3.5-5.5%的鎳、0-0.45%的鈮、2.5-4.5%的銅、高達(dá)0.07%的碳、高達(dá)1.00%的硅、高達(dá)1.00%的錳，余量為鐵和附帶雜質(zhì)。
10.一種渦輪機(jī)的翼型件，其具有受權(quán)利要求8所述的金屬前緣保護(hù)帶(12)保護(hù)的前緣。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的翼型件，其特征在于，所述翼型件由聚合物基質(zhì)復(fù)合物形成。
12.一種制造具有保護(hù)帶(12)的翼型件的方法，所述方法包括以下步驟: 制造由在第一溫度下固化的聚合物基質(zhì)復(fù)合物形成的翼型件； 使用蠕變成形工藝或研磨來制造由鎳基合金或不銹鋼合金形成的保護(hù)帶； 使用粘結(jié)劑將所述保護(hù)帶(12)附連到所述翼型件上；以及 使所述粘結(jié)劑在第二溫度下固化，以在所述保護(hù)帶(12)和所述翼型件之間形成粘合，所述第二溫度低于所述第一溫度。
13.一種使用根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法制造的具有保護(hù)帶(12)的翼型件。
14.一種渦輪機(jī)的翼型件，其具有受以下任一制成的金屬前緣保護(hù)帶(12)保護(hù)的前緣:鎳基超合金，其以重量計(jì)由下者構(gòu)成:50-55%的鎳、17-21%的鉻、2.8-3.33%的鉬、4.75-5.5% 的鈮、0-1.0% 的鈷、0.65-1.15 鈦、0.2-0.8% 的鋁、0-0.35% 的錳、0-0.3% 的銅、0-0.08%的碳、0-0.006%的硼，余量為鐵和附帶雜質(zhì)；不銹鋼合金，其以重量計(jì)由下者構(gòu)成:14-15%的鉻、3.5-5.5%的鎳、0-0.45%的鈮、2.5-4.5%的銅、高達(dá)0.07%的碳、高達(dá)1.00%的硅、高達(dá)1.00%的錳，余量為鐵和附帶雜質(zhì)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的翼型件，其特征在于，所述翼型件由聚合物基質(zhì)復(fù)合物形 成。
【文檔編號(hào)】F04D29/32GK104508246SQ201380040825
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2013年6月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月30日
【發(fā)明者】J. 克雷 N., 辛 D., W. 戴維斯 T. 申請(qǐng)人:通用電氣公司