專利名稱：整裝葉片轉(zhuǎn)子總成的制造或修理技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及整體葉片轉(zhuǎn)子的制造和修理領(lǐng)域。本發(fā)明還涉及到超耐熱合金的固態(tài)擴(kuò)散熔合技術(shù)。
燃?xì)廨啓C(jī)是廣泛應(yīng)用的，主要用于航空器動(dòng)力裝置的高度發(fā)展的發(fā)動(dòng)機(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)的工作概況包括在壓氣機(jī)內(nèi)把空氣壓縮到高壓和高溫狀態(tài)，燃料噴射，而后與壓縮空氣一起燃燒，燃燒產(chǎn)物經(jīng)燃?xì)廨啓C(jī)級膨脹，燃?xì)廨啓C(jī)從燃燒產(chǎn)物中獲得相當(dāng)?shù)哪芰?。燃?xì)廨啓C(jī)級供給壓氣機(jī)級動(dòng)力，而在某些情況下，還提供可用的外部機(jī)械能。
在大型燃?xì)廨啓C(jī)中，壓氣機(jī)級和燃?xì)廨啓C(jī)級為軸流式結(jié)構(gòu)，并且每級包括一輪盤，在其輪上裝有眾多的翼型葉片。這些葉片隨輪盤轉(zhuǎn)動(dòng)，輪盤安裝在一轉(zhuǎn)軸上，因此這些輪盤和葉片總成經(jīng)受著極嚴(yán)酷的環(huán)境條件。
在歷史上，葉片和輪盤總成是由獨(dú)立的部件制成的，其中葉片用機(jī)械方法連接在輪盤上。雖然這種結(jié)構(gòu)允許葉片和輪盤用不同的材料是有利的，然而，相對于單一的整體葉片轉(zhuǎn)子總成卻大大地增加了總成的重量。
對燃?xì)廨啓C(jī)，特別是軍用燃?xì)廨啓C(jī)性能要求的提高正在導(dǎo)致引用整體葉片轉(zhuǎn)子，其中葉片是轉(zhuǎn)子的整體部分，并且還和輪盤一起整體制成，或者通過冷金術(shù)熔合到輪盤上。這就減輕了由于現(xiàn)有技術(shù)中機(jī)械連接方案而帶來重量增加的不足。
一輪盤和葉片總成一般可包括單個(gè)輪盤，其上大約裝有100個(gè)葉片。在采用機(jī)械連接工藝的現(xiàn)有技術(shù)裝配方法中，只要卸下?lián)p傷的葉片而代之以同樣的完好葉片，比較方便，并且能迅速運(yùn)送。顯然，在整體葉片轉(zhuǎn)子的新情況下，這種修理遠(yuǎn)非簡單。在燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)級中，按應(yīng)力和溫度，這些葉片和輪盤在它們性能參數(shù)的外極限下工作。這意味著任何修理技術(shù)必須進(jìn)行這樣的修復(fù)，它們具有母體金屬的強(qiáng)度，通常是葉片材料的強(qiáng)度。抗疲勞，抗破壞等其它要求也必須滿足。
在葉片和輪盤的使用中和最初制造中可能出現(xiàn)需要修理。在使用中，顯然破壞可能是由于多種原因而引起的，同樣在制造過程中，即使差異是相當(dāng)小的，在通常裝配到一個(gè)輪盤上的100個(gè)葉片中，一個(gè)或多個(gè)葉片也會有某些缺陷。
也需要一種通過將個(gè)別葉片熔合到一個(gè)輪盤上來最終制造整體葉片轉(zhuǎn)子的方法。因此，本發(fā)明的目的是要敘述一種修理整體葉片轉(zhuǎn)子的方法。本發(fā)明的另一目的是要敘述一種能用于制造整體葉片轉(zhuǎn)子的技術(shù)。
按照本發(fā)明的一個(gè)主要方面，一個(gè)破壞了的葉片用機(jī)加工切下，在輪盤緣上留下一凸臺。準(zhǔn)備好具有必要尺寸的修理葉片總成。該修理葉片總成在靠近要被熔合到所述凸臺上的葉片部分也有一個(gè)圓形凸緣。
所述修理工藝是在高真空條件下進(jìn)行的，該修理葉片靠近所述凸臺定位，并施加一機(jī)械力，迫使該葉片端部和所述凸臺緊密接觸在一起。借助于一工具對葉片施加壓力，它作用于所述凸緣上。當(dāng)壓力施加在該葉片和凸臺之間時(shí)，該熔合處通過電阻、感應(yīng)、幅射和電子束幾種加熱方法中的某一種方法被局部加熱到較高溫度。出于實(shí)用和經(jīng)濟(jì)的理由，電阻加熱是所希望的。熔合溫度和熔合力是可調(diào)控的。以便在該葉片和凸緣之間形成一種冶金術(shù)熔合。在熔合工藝終了時(shí)，所述凸緣作為熔合工藝過程中從熔合處消除的任何材料從該葉片上被切削掉。
這種修理工藝也能用于從頭開始制造整體葉片轉(zhuǎn)子。
根據(jù)下列敘述和附圖，本發(fā)明的前述的和其它的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)會變得更加明顯。


圖1表示帶有一損傷葉片的整體葉片轉(zhuǎn)子。
圖2表示該損傷葉片的放大圖;
圖3表示用于葉片修理的本發(fā)明裝置的部件分解圖;
圖4a和4b是圖示與本發(fā)明工藝技術(shù)有關(guān)的金相組織的顯微照片。
參照具體圖示本發(fā)明的修理實(shí)施例的各圖敘述本發(fā)明。圖1表示帶有一損傷葉片1的整體葉片轉(zhuǎn)子總成。圖2為包括該損傷葉片1的圖1的局部破碎圖。圖2中的虛線10指明要修理熔合的熔合處。該修理熔合的熔合處被選定在遠(yuǎn)離所述損傷區(qū)12，但同時(shí)應(yīng)接近該輪盤表面14，以便形成一凸臺16。一般的剩余高度可為0.1至0.2吋?？梢酝ㄟ^任何傳流的技術(shù)，包括機(jī)械切削，放電加工等技術(shù)來切去葉片的損傷部分。圖3是表示凸臺16和修理葉片18和葉片夾具40的部件分解圖。修理葉片18的顯著特點(diǎn)是其橫截面和損傷葉片1的橫截面相當(dāng)一致。并且該修理葉片18在其周圍有一凸緣30，較靠近熔合處。修理葉片18熔合處其橫截面和凸臺16的橫截面互為鏡影。在生產(chǎn)場合下，無疑會有幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的修理葉片外形，它們被選定來滿足各種修理要求。
凸緣30的形狀和位置有利于均勻地加熱和變形。和匹配的葉片夾具40一起工作的凸緣30(它最好具有直線或平直的特點(diǎn))能允許在工具40和葉片18之間有均勻的電接觸(在電阻加熱的情況下這是必要的)，這是由于對平直的凸緣表面固定要容易，相反，沿有復(fù)針外形的翼型表面要獲得均勻的接觸卻不容易。這就確保了電流沿翼型全寬(前沿和尾沿)均勻流過該熔合區(qū)，不管葉片的厚度變化，促進(jìn)溫度均勻。凸緣30最好和葉片夾具相應(yīng)的凹凸42相配合，由于沿其長度上有良好的電接觸，它能作為一個(gè)靠近熔合區(qū)的有效熱量傳遞部位，有助于高溫區(qū)被限制在局部范圍內(nèi)。所傳遞的熱量從葉片凸緣30擴(kuò)散到葉片夾具40是通過位于和葉片凸緣30相接觸的熔合工具表面上方(或周圍)的處在關(guān)鍵部局的水冷通道44來實(shí)現(xiàn)的，它被設(shè)計(jì)得使葉片熔合工具的結(jié)構(gòu)完整性不受過高溫度而減低。同時(shí)，工具40必須結(jié)實(shí)到足以抵抗熔合期間出現(xiàn)的變形。
水冷系統(tǒng)使新?lián)Q的翼型葉片18的凸緣部分30保持在該合金強(qiáng)度允許變形的該點(diǎn)以下的溫度。這樣，該凸緣在整個(gè)熔合周期內(nèi)保持了尺寸精確和穩(wěn)定。
凸緣30，由于靠近熔合區(qū)，能使熔合所需的力F有效傳遞而不致遠(yuǎn)離熔合區(qū)產(chǎn)生塑性變形，即翼型葉片其余部分的彎曲和扭彎。這是施加力的關(guān)鍵性的特點(diǎn)，因?yàn)樵谠撏咕壱陨系囊硇腿~片部分已是最后的形狀(經(jīng)機(jī)加工)。這也有利于該工藝過程的尺寸精度。
凸緣30能提供一種從復(fù)雜翼型變化厚度(它難于使各部分一一對應(yīng)匹配)到包含一些平直表面(沿軸向和橫向兩者)的簡化了的形狀的過渡，這些平直表面在修理用葉片制造期間易于加工，并且在葉片熔合裝配期間易于定位或頂貼在成復(fù)制狀態(tài)的葉片夾具40內(nèi)。
因此，凸緣30包括精確的定位面42，它們簡化了裝配，并且在新型的整體葉片轉(zhuǎn)子的自動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng)中成為一種理想的特性，其中在一個(gè)真空周期中完成的制造工序內(nèi)各葉片順次被裝入該葉片熔合工具內(nèi)。
熔合準(zhǔn)備包括要熔合的表面的處理以促進(jìn)熔合。這主要包括去除所有外部雜質(zhì)，包括塵土，油脂和潤滑油等以及表面氧化物。這種表面準(zhǔn)備可通過各種表面機(jī)械研磨工步，跟著化學(xué)腐蝕工步的技術(shù)來完成。
熔合一般在溫度和壓力高到足以使金屬產(chǎn)生流動(dòng)的條件下、在某一高真空度下(10-5毫米汞柱)進(jìn)行的。這些條件顯然取決于實(shí)際所含材料而變化。然而，對于一般的超耐熱合金，其溫度將處在1900°F-2100°F的量級，而其壓力處在15千磅/吋2的量級。在長度例如在2至3吋之間的一般尺寸葉片的熔合中，使修理用葉片和凸臺墩粗或縮短0.05吋的數(shù)量級是適合的，以確保在熔合期間金屬充分流動(dòng)而一定出現(xiàn)熔合。根據(jù)在熔合工藝過程內(nèi)熔合連接處面積的增加還可測定或估計(jì)其變形。在此情況下，熔合面積至少增加50%，并且最好至少增加100%，將確保真正的冶金術(shù)熔合事實(shí)上已經(jīng)出現(xiàn)。
在熔合工藝之后，上述部分能從熔合裝置上被去除，凸出的凸緣和從熔合連接處被擠出的任何墩粗的材料能用傳統(tǒng)的切削技術(shù)從葉片上去除。
圖4圖示利用本發(fā)明的工藝可獲得的值得注意的熔合完整性。圖4表示取自按本發(fā)明熔合的修理用葉片的二種金相組織。該材料為IN100(通常是10%鉻，15%鈷，3%鉬，5.5%鋁，4.7%鈦，0.18%碳，0.014%硼，0.06%鋯，1%釩，余量鎳)。圖4a表示在修理用葉片葉光處(遠(yuǎn)離熔合區(qū))的金相組織，而4b表示在熔合區(qū)或熔合界線處的金相組織。圖4b的材料是在1850°F、15千磅/吋2下熔合的，然后在2065°F下熱處理一小時(shí)(固溶退火)，1400°F下一小時(shí)(時(shí)效)，然后緩慢冷卻到室溫。二張圖是用放大1000倍拍攝的顯微照片，其相似性是明顯的的。同樣明顯的，其熔合界線不能從圖4b中分辨。在熔合線處的金相組織的一致性暗示被修復(fù)部分具有和原始部分相同的性質(zhì)，并且機(jī)械性能試驗(yàn)證實(shí)了這一點(diǎn)。
盡管就其詳細(xì)的實(shí)施例已表示和敘述了本發(fā)明，凡精通本技術(shù)的人會明白，在不背離所提出專利申請的本發(fā)明精神和范圍情況下，可以作出其形式上和細(xì)節(jié)上的種種變化。
權(quán)利要求
1.一種在包括一個(gè)具有許多從輪緣處延伸的整體葉片的輪盤的整體葉片轉(zhuǎn)子上更換葉片的方法，包括下列工藝步驟a)去掉一個(gè)原先存在的葉片，留下一凸臺，即所述原先存在的葉片的一部分，從其輪緣上凸出來，所述葉片凸臺具有一個(gè)面，它構(gòu)成更新葉片要被熔合于其上的表面；b)使一個(gè)更新的葉片處在靠近所述凸臺的位置，所述更新葉片在靠近要和所述凸臺的鄰接表面熔合處、圍繞其周圍有一環(huán)形凸緣，所述更新包括一個(gè)預(yù)定的熔合區(qū)；c)在所述凸臺和所述更新葉片之間施加一壓力，所述力經(jīng)所述凸緣施加于更新的葉片上；d)將處于所述凸臺和所述更新葉片之間的所述預(yù)定熔合區(qū)局部加熱到使其軟化，產(chǎn)生金屬流動(dòng)并熔合的溫度；e)經(jīng)切削加工從所述更新葉片上去掉上述凸緣。
2.一種在包括一個(gè)具有許多從輪緣處延伸的整體葉片的輪盤的整體葉片轉(zhuǎn)子上更換葉片的方法，包括如下工藝步驟a)準(zhǔn)備好一個(gè)具有若干凸出的凸臺的輪盤;b)準(zhǔn)備好若干葉片預(yù)成型坯，每一預(yù)成型坯具有一個(gè)圍繞其周圍的環(huán)型凸緣，將所述葉片預(yù)制件定位在靠近某一凸臺處;c)在所述凸臺和所述葉片預(yù)制件之間施加一壓力，所述力經(jīng)所述凸緣施加于該葉片預(yù)制件上;d)將處在所述凸臺和所述葉片預(yù)制件之間的所述預(yù)定熔合區(qū)局部加熱到使其軟化，產(chǎn)生金屬流動(dòng)并熔合的溫度，以達(dá)到熔合，然后允許熔合區(qū)冷卻;e)經(jīng)切削加工自所述葉片上去除所述凸緣;f)重復(fù)步驟“c”、“d”和“e”直到所有的凸臺都熔接上葉片。
3.一種如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于當(dāng)許多葉片熔接于凸臺后，對許多葉片實(shí)施步驟“e”。
全文摘要
開發(fā)了制造和修理整體葉片轉(zhuǎn)子的技術(shù)。新的或更新的葉片被熔接到一個(gè)凸出凸臺上。新葉片有一凸緣，經(jīng)凸緣傳遞熔接力。在借助于熱和壓力熔接處，進(jìn)行最后機(jī)加工和熱處理作業(yè)。
文檔編號B23K20/00GK1043974SQ8910924
公開日1990年7月18日 申請日期1989年12月9日 優(yōu)先權(quán)日1988年12月27日
發(fā)明者雷蒙·邁克爾·沃克, 唐納德·保羅·艾喬爾, 羅伯特·沃爾特·包姆加滕, 拉爾夫·布朗利·博加德 申請人:聯(lián)合工藝公司