專(zhuān)利名稱：整體式葉片的轉(zhuǎn)子的翼面制造和修復(fù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于制造/修復(fù)整體式葉片的轉(zhuǎn)子的方法和一種用于上述方法的新型封裝的局部翼面加熱裝置。
背景技術(shù)：
出于改進(jìn)性能和效率的需要，在大型高性能氣體渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)越來(lái)越多地使用整體式葉片的轉(zhuǎn)子構(gòu)件。在傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子中，旋轉(zhuǎn)翼面通過(guò)圓盤(pán)邊緣拉削制成的鳩尾槽保持。在整體式葉片的轉(zhuǎn)子中，該翼面和圓盤(pán)形成一連續(xù)的金屬件。由整體式葉片的轉(zhuǎn)子提供的質(zhì)量和燃料節(jié)約來(lái)自其以與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子相比用更少的圓盤(pán)質(zhì)量來(lái)保持旋轉(zhuǎn)翼面的能力。此外，該整體式葉片轉(zhuǎn)子圓盤(pán)的降低的圓盤(pán)質(zhì)量允許作用或從該轉(zhuǎn)子得到反應(yīng)的其他部件重量降低，即，軸、轂和軸承。
已往，與在大型氣體渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中使用整體式葉片的轉(zhuǎn)子相關(guān)聯(lián)的主要缺點(diǎn)是缺少可靠的用于修復(fù)已經(jīng)損壞且超出彎曲極限的整體式葉片的轉(zhuǎn)子翼面的方法。由于該翼面與圓盤(pán)成一整體，超過(guò)彎曲極限的翼面損壞需要以相當(dāng)高的成本在檢修時(shí)除去整個(gè)轉(zhuǎn)子并用新的整體式葉片的轉(zhuǎn)子替換。
與整體式葉片的轉(zhuǎn)子相關(guān)聯(lián)的其它問(wèn)題涉及用于生產(chǎn)它們的制造方法。它們可在一單件大的鍛件上機(jī)加工而成；然而，這種方法不是所希望的。大的鍛件例如大的鋼坯，具有較低的性能，并且取決其材料而相當(dāng)昂貴的相當(dāng)大的初始材料被加工掉。同樣，由于在生產(chǎn)中不可避免的加工誤差該零件有成為廢品的危險(xiǎn)。用于生產(chǎn)整體式葉片的轉(zhuǎn)子的另外的方法是通過(guò)一粘接工藝將單獨(dú)鍛制的翼面連接到一轉(zhuǎn)子上。
基本上由6.0％重量比的鋁、2.0％重量比的錫、4.0％重量比的鋯、6.0％重量比的鉬和基本與之平衡的鈦組成的鈦合金由于其高韌性、拉伸和疲勞強(qiáng)度和良好的可焊接性是用于整體式葉片的轉(zhuǎn)子所需的合金。然而，由于該焊接區(qū)域是正交馬氏體的顯微結(jié)構(gòu)，它是一種在焊接后處理困難的合金。首先，OEM摩擦焊接必須焊后熱處理以便穩(wěn)定該顯微結(jié)構(gòu)并釋放應(yīng)力。其次，由于外部部件損壞該整體式葉片的轉(zhuǎn)子能夠經(jīng)受隨后的在使用中的焊接修復(fù)。雖然焊接性能可采用全溶液時(shí)效焊后熱處理被恢復(fù)，由于可能的翼面扭曲和表面污染特別對(duì)于非OEM焊接，實(shí)施這種操作是不切實(shí)際的。當(dāng)前1100°F和2-6小時(shí)焊后熱處理導(dǎo)致與母體金屬相比有低的沖擊強(qiáng)度和不充分的疲勞裂紋擴(kuò)散能力的非常硬的焊接區(qū)域。該焊后熱處理可加熱至1300°F平均溫度最多2小時(shí)以便恢復(fù)可接受的焊接區(qū)域沖擊和韌性；然而，此種處理導(dǎo)致在基線狀態(tài)下4-6％的拉伸強(qiáng)度損失。這種損失對(duì)于許多高強(qiáng)度零件是不可接受的。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種改進(jìn)的用于制造和/或修復(fù)整體式葉片的轉(zhuǎn)子的方法。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種允許使用能保持高拉伸和疲勞強(qiáng)度的高溫焊后熱處理的方法。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種新型封裝的局部翼面加熱裝置以便執(zhí)行所述高溫焊后熱處理。
按照本發(fā)明的第一方面，一種用于產(chǎn)生整體式葉片的轉(zhuǎn)子的方法廣泛地包括提供一最好由鈦基焊接制成的轂部分，并將一同樣最好由鈦基焊接制成的翼面焊接到該轂部分上。在焊接之前，該轂部分和翼面可用溶液處理、油淬火、部分時(shí)效和先于焊接冷卻。該方法還包括在焊接后對(duì)于在該轂部分和該翼面之間的焊接接點(diǎn)施加一高溫焊接平均熱處理。
使用一種新型封裝的局部翼面加熱裝置進(jìn)行該焊后平均熱處理。該裝置廣泛地包括編織在由高溫織物材料制成的外套中的多個(gè)加熱元件。該加熱裝置放置在該翼面和焊接接點(diǎn)的上方以便實(shí)施該焊后熱處理。
一種按照本發(fā)明的用于修復(fù)整體式葉片轉(zhuǎn)子的方法廣泛地包括，加工掉整體式葉片轉(zhuǎn)子翼面的損壞部分并將未損壞的翼面部分焊接到該整體式葉片轉(zhuǎn)子翼面的剩余部分上。其后在該未損壞的翼面和焊接接點(diǎn)的上方放置該封裝的局部翼面加熱裝置并進(jìn)行焊后熱處理以便釋放殘余應(yīng)力并恢復(fù)該焊接接點(diǎn)和連接金屬的顯微結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。
該制造/修復(fù)方法和該封裝的局部翼面加熱裝置的其他細(xì)節(jié)以及其他目的和伴隨的優(yōu)點(diǎn)將在下面描述和附圖中闡明，其中相同的參考標(biāo)號(hào)代表相同的元件。


圖1是具有焊接在轂部分的翼面的整體式葉片轉(zhuǎn)子的示意圖；圖2是按照本發(fā)明的封裝的局部翼面加熱裝置的示意圖；圖3是定位在翼面和焊接接點(diǎn)上方的圖2的加熱裝置的示意圖；以及圖4和5是說(shuō)明使用本發(fā)明的制造/修復(fù)方法所得到的改進(jìn)的圖表。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)參考附圖，圖1表示一具有轂部分12和翼面14的整體式葉片轉(zhuǎn)子10，翼面14沿一焊接接點(diǎn)16焊接在該轂部分上并且翼面部分15沿焊接線16′焊接在未損壞的翼面部分11上。圖1還表示出某種具有需要修復(fù)的損壞尖部19的翼面11。轂部分12、翼面14、和翼面部分15可采用適合的現(xiàn)有方法形成。轂部分12、翼面11、14和17中的每個(gè)和翼面部分15由鈦基焊接制成。適合的鈦基合金包括一由6.0％重量比的鋁、2.0％重量比的錫、4.0％重量比的鋯、6.0％重量比的鉬和基本與之平衡的鈦(TI-6246)組成的鈦基合金；一由6.0％重量比的鋁、2.0％重量比的錫、4.0％重量比的鋯、2.0％重量比的鉬和基本與之平衡的鈦(TI-6242)組成的鈦基合金；和一由6.0％重量比的鋁、4.0％重量比的釩、和基本與之平衡的鈦(TI-64)組成的鈦基合金。在鈦合金優(yōu)選的同時(shí)，上述方法可采用由鎳基合金例如Inco 718制成的轂部分、翼面和翼面部分。轂部分12、翼面11、14和17、和/或翼面部分15可由同樣合金或不同合金制成。
焊接接點(diǎn)16可采用任何現(xiàn)有技術(shù)已知的方法形成。例如，采用一例如OEM摩擦焊接的摩擦焊接方法，將每個(gè)翼面14可焊接在轂部分12上。
在焊接之前，轂部分12和每個(gè)翼面14可經(jīng)過(guò)溶液處理和油淬火。例如，如果轂部分和/或翼面14由TI 6246合金制成，則進(jìn)行溶液處理并且油淬火。該溶液處理和油淬火通過(guò)將轂部分12和翼面14加熱到約1620°F和約1655°F之間的范圍內(nèi)的溫度下并在約1到4小時(shí)之間的范圍內(nèi)的第一加熱實(shí)現(xiàn)。該溶液處理和油淬火可在具有空氣或氬氣的電爐中進(jìn)行。轂部分12和/或翼面14可位于適合的架子或夾具中以最小延遲的實(shí)時(shí)方式傳送到油箱(未示出)。作為選擇，一具有油淬火能力的真空爐可用于進(jìn)行該溶液處理。在該油淬火步驟完成后，轂部分12和翼面14在約1075°F和約1125°F之間的范圍內(nèi)的溫度下并在約2到約8小時(shí)之間的范圍內(nèi)時(shí)效處理。該局部時(shí)效處理可采用具有任何氣體的現(xiàn)有技術(shù)已知的爐子進(jìn)行。在局部時(shí)效后，轂部分12和翼面14以每分鐘40°F到每分鐘100°F的速率冷卻。
如上所述，為制造整體式葉片轉(zhuǎn)子，每個(gè)翼面14都焊接在轂部分12上。在焊接完成后，轂部分12和在翼面14和轂部分之間的焊接接點(diǎn)16進(jìn)行過(guò)時(shí)效焊后熱處理，其間焊接接點(diǎn)16在惰性氣體中加熱到1275°F和1325°F之間的范圍內(nèi)的溫度下并在約1到4小時(shí)之間的范圍內(nèi)。在該焊后熱處理后，翼面14和焊接接點(diǎn)16以每分鐘40°F到每分鐘100°F的速率冷卻。
按照本發(fā)明，該焊后熱處理最好采用新型封裝的局部翼面加熱裝置20進(jìn)行，如圖2所示。加熱裝置20包括一由例如高溫鋁硅酸鹽纖維的陶瓷絕緣材料制成的外套或?yàn)V袋22。外套或?yàn)V袋22有雙重作用。首先，它集中由裝置20在翼面表面產(chǎn)生的熱量，并使得焊接接點(diǎn)16和周?chē)鸁嶙饔脜^(qū)達(dá)到并穩(wěn)定在該預(yù)期的焊后熱處理溫度。其次，外套22阻止相鄰翼面的無(wú)意加熱。
裝置20有多個(gè)編織在外套22的纖維中的輻射電阻加熱元件24。加熱元件24最好包括高功率密度加熱絲。加熱元件24用于將熱直接輻射到翼面表面。加熱元件24可布置在單獨(dú)控制的加熱元件區(qū)域內(nèi)。例如，裝置20可有4個(gè)單獨(dú)控制的加熱元件區(qū)域。
箔型鈦吸氣片26同樣編織在外套22的纖維內(nèi)以便阻止大氣污染并使局部加熱裝置20進(jìn)一步具有溫度控制能力。
裝置20還包括多個(gè)編織在外套22的纖維內(nèi)的非接觸熱電偶絲28。熱電偶絲28用于在焊后熱處理期間對(duì)溫度進(jìn)行精確控制。在每個(gè)加熱區(qū)域中，可變變壓器30連接在加熱元件24上并為該加熱元件供電。在每個(gè)加熱區(qū)域中作為由熱電偶絲28檢測(cè)到的溫度功能，變壓器30用于改變供給加熱元件24的電流。
通過(guò)在翼面14和焊接接點(diǎn)16的上方放置裝置20，如圖3所示使用裝置20。電能供應(yīng)到輻射加熱元件24上使得在所述焊后熱處理的溫度下熱能施加到焊接接點(diǎn)16上。電能在所述焊后熱處理的時(shí)間范圍內(nèi)繼續(xù)保持一段時(shí)間。
用于制造整體式葉片轉(zhuǎn)子的同樣基本的方法可用于修復(fù)損壞的整體式葉片轉(zhuǎn)子。為修復(fù)整體式葉片轉(zhuǎn)子，首先采用任何適合的現(xiàn)有技術(shù)已知的加工方法將轉(zhuǎn)子翼面的損壞的部分19加工掉。此后，將未損壞的部分15焊接到整體式葉片轉(zhuǎn)子的剩余翼面部分11上。任何適合的現(xiàn)有技術(shù)已知的焊接方法例如摩擦焊接方法可用于將翼面部分15焊接到部分11上。未損壞翼面部分15可由任何上述的鈦基合金或鎳基合金制成。
于是，加熱裝置20放置在未損壞的翼面15和焊接接點(diǎn)16′的上方并通電進(jìn)行上述焊后熱處理，其間在惰性氣體的環(huán)境下加熱到1275°F和1325°F之間的范圍內(nèi)的溫度下并在約1到4小時(shí)之間的范圍內(nèi)。在該焊后熱處理后，未損壞的翼面15和焊接接點(diǎn)16′以每分鐘40°F到每分鐘100°F的速率冷卻。
在該焊后熱處理后，加工未損壞的翼面部分15以便獲得所需的幾何形狀。
本發(fā)明的加熱裝置20其優(yōu)點(diǎn)在于提供集中的、局部的加熱，使得相鄰的整體式葉片轉(zhuǎn)子的翼面和圓盤(pán)轂的溫度正好保持在導(dǎo)致強(qiáng)度不足和/或尺寸變形的溫度下。同時(shí)，加熱裝置20提供所需的用于釋放超合金翼面材料的焊后應(yīng)力的溫度和持續(xù)時(shí)間。
現(xiàn)參考圖4和5，圖中表示出本發(fā)明的方法怎樣消除母體金屬(P/M)強(qiáng)度不足并使合金韌性與基線相配。如圖4所示，與進(jìn)行溶液處理、空氣冷卻、1100°F下時(shí)效(合金2)和進(jìn)行溶液處理、空氣冷卻、1300°F下時(shí)效(合金3)的同樣合金相比，一種形成整體式葉片轉(zhuǎn)子并進(jìn)行溶液處理、油淬火、1100°F下的局部時(shí)效和1300°F下的過(guò)時(shí)效處理的Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金的最終拉伸強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度和延長(zhǎng)性能更好。圖5表示出本發(fā)明的方法對(duì)于用于整體式葉片轉(zhuǎn)子圓盤(pán)部分的Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金的夏氏沖擊強(qiáng)度的影響。
在處理由鈦基材料制成的整體式葉片轉(zhuǎn)子的文章中描述了加熱裝置20的同時(shí)，它可用于處理其他材料例如鎳基超合金制成的整體式葉片轉(zhuǎn)子。
顯然按照本發(fā)明提供一種用于修復(fù)單晶鎳基超合金部件的方法，該方法能完全滿足上面提出的目的、措施和優(yōu)點(diǎn)。在文中具體實(shí)施例中描述本發(fā)明的同時(shí)，對(duì)于閱讀上述描述的本領(lǐng)域技術(shù)人員其他的選型、改型和變型將變得顯而易見(jiàn)。因此，認(rèn)為這些選型、改型和變型落入所附權(quán)利要求的廣義的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)整體式葉片轉(zhuǎn)子翼面實(shí)施局部熱處理的裝置，包括一在所述翼面上方放置的外套；以及許多織入所述外套中的加熱元件。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述外套由陶瓷絕緣材料或高溫鋁硅酸鹽基的纖維制成，其中所述加熱元件是高功率密度加熱絲，并且所述外套起集中由所述加熱元件在所述翼面的一個(gè)表面產(chǎn)生的熱量的作用，并使得在所述翼面和轂以及熱影響區(qū)之間的焊接接點(diǎn)達(dá)到并穩(wěn)定在焊后熱處理的溫度。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括阻止相鄰翼面的無(wú)意加熱的材料，該材料編織在所述外套中并且熱電偶絲編織在所述外套中以便在焊后熱處理期間控制所述翼面的加熱。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述材料是鈦吸氣片材料。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括一連接在所述加熱元件上的可變變壓器，用于改變供給所述加熱元件和翼面溫度曲線的電功率。
6.一種用于修復(fù)整體式葉片轉(zhuǎn)子翼面的方法，包括加工掉所述整體式葉片轉(zhuǎn)子翼面的損壞的部分；將未損壞翼面部分焊接到所述整體式葉片轉(zhuǎn)子翼面的剩余部分上；將一封裝的局部翼面加熱裝置放置在所述未損壞翼面和一在所述未損壞翼面和所述剩余部分之間的焊接接點(diǎn)的上方；采用所述加熱裝置加熱處理所述未損壞翼面和所述焊接接點(diǎn)以便降低殘余應(yīng)力并恢復(fù)該焊接接點(diǎn)和相鄰金屬的顯微結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，還包括加工所述未損壞翼面部分的一個(gè)表面以便得到所需的幾何形狀并且所述加熱處理步驟是在惰性氣體下實(shí)施的。
8.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述焊接步驟包括將由鈦基合金制成的未損壞翼面部分焊接在所述整體式葉片轉(zhuǎn)子翼面的剩余部分上。
9.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述加熱處理步驟包括將所述翼面部分在1275°F和1325°F之間的范圍內(nèi)的溫度下并在1到4小時(shí)之間的范圍內(nèi)進(jìn)行時(shí)效，并以每分鐘40°F到每分鐘100°F的速率冷卻該時(shí)效后的翼面部分。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制造整體式葉片轉(zhuǎn)子的方法，包括提供一最好由鈦基合金制成的轂部分并將同樣最好由鈦基合金制成的翼面焊接在該轂部分上。該方法還包括在焊接前部分時(shí)效和冷卻該轂部分，并在焊接后時(shí)效該翼面和在該翼面和該轂部分之間的焊接接點(diǎn)。該焊后時(shí)效步驟最好采用一新型封裝的局部翼面加熱裝置實(shí)施，該裝置具有多個(gè)編織在由高溫織物材料制成的外套中的加熱元件。本發(fā)明的方法還用于修復(fù)整體式葉片轉(zhuǎn)子。
文檔編號(hào)F01D5/00GK1526510SQ20041000334
公開(kāi)日2004年9月8日 申請(qǐng)日期2002年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月17日
發(fā)明者M·P·史密斯, M P 史密斯, J·M·斯坦利, 斯坦利, D·S·穆菲, 穆菲, R·W·鮑姆加藤, 鮑姆加藤, T·德麥克, 罌, S·L·邁爾斯, 邁爾斯 申請(qǐng)人:聯(lián)合工藝公司