中空金屬物體和用于制造其的方法
【專利說明】
【背景技術(shù)】
[0001]本文中描述的技術(shù)大體上涉及用于制造中空金屬物體的方法，并且更具體地涉及用于燃氣渦輪發(fā)動機的用作翼型件的這類物體。
[0002]許多燃氣渦輪發(fā)動機組件包括中空金屬物體，諸如風(fēng)扇葉片形式的翼型件，和/或非旋轉(zhuǎn)固定翼型件，諸如導(dǎo)葉。物體內(nèi)的中空區(qū)域可用于減輕重量和/或給予其它期望的結(jié)構(gòu)性能。
[0003]帶有好的性能和尺寸控制的中空金屬結(jié)構(gòu)常常很難加工，并且由于常規(guī)技術(shù)的處理復(fù)雜及低的產(chǎn)量，這些結(jié)構(gòu)可以是昂貴的。
[0004]現(xiàn)已通過幾種方法制造中空金屬結(jié)構(gòu)。鑄造是花費得起的，但薄壁區(qū)段可能難以控制并且材料性能可能很差?？梢砸远喾N方式來完成制造。零部件可由金屬板材切割和形成、鑄造、研磨和/或“超塑性形成”。結(jié)合可以通過熔焊、固態(tài)焊接、擴散結(jié)合、活化擴散結(jié)合、釬焊、螺栓連接或粘接結(jié)合。焊接生成局部的熱影響區(qū)，其需要后續(xù)的熱處理。由于局部的合金化，釬焊和活化擴散結(jié)合可具有局部的低性能區(qū)域。粘接結(jié)合可缺乏足夠的強度。在高溫長時間處理會降低材料的性能，諸如疲勞性能和延展性。
[0005]存在對用于制造具有成本效率且生產(chǎn)帶有號的物理性能和尺寸控制的結(jié)構(gòu)的中空金屬物體的改善的制造方法的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]在一方面，制造中空金屬構(gòu)件的方法包括以下步驟:提供至少一個芯部，其包括第一側(cè)面和相反側(cè)面;使用第一金屬噴涂工藝以將至少一種金屬或金屬合金施加至芯部的第一側(cè)面，從而產(chǎn)生包括第一側(cè)面和相反側(cè)面的部分形成的結(jié)構(gòu)；以及使用第二金屬噴涂工藝以將至少一種金屬或金屬合金施加至部分形成的結(jié)構(gòu)和芯部的相反側(cè)面，從而產(chǎn)生粗糙結(jié)構(gòu)。
[0007]在另一方面，一種中空金屬構(gòu)件包括具有內(nèi)外表面的第一側(cè)面，具有內(nèi)外表面的相反側(cè)面，第一側(cè)面和相反側(cè)面的內(nèi)表面限定至少一個空腔。構(gòu)件是一體地形成的，且具有包括相對不同材料組分的區(qū)域，區(qū)域在其之間具有材料的逐漸過渡。
【附圖說明】
[0008]圖1是示例性的燃氣渦輪發(fā)動機的立面橫斷面視圖；
[0009]圖2是用于燃氣渦輪發(fā)動機的現(xiàn)有技術(shù)風(fēng)扇葉片形式的示例性中空金屬物體的立面圖；
[0010]圖3是風(fēng)扇葉片形式的現(xiàn)有技術(shù)中空金屬物體的橫斷面圖示；
[0011 ]圖4是圖3的現(xiàn)有技術(shù)風(fēng)扇葉片的擴散結(jié)合區(qū)域的放大橫斷面視圖；以及
[0012]圖5-12是在形成過程中的八個階段處的示例性中空金屬物體的橫斷面圖示。
【具體實施方式】
[0013]圖1是具有縱向軸線11的示例性燃氣渦輪發(fā)動機組件10的橫斷面示意圖。燃氣渦輪發(fā)動機組件10包括風(fēng)扇組件12和核芯燃氣渦輪發(fā)動機13。核芯燃氣渦輪發(fā)動機13包括高壓壓縮機14、燃燒器16和高壓渦輪機18。在示例性的實施例中，燃氣渦輪發(fā)動機組件10還包括低壓壓縮機20、和多級增壓器32，以及基本環(huán)繞增壓器32的分流器34。
[0014]風(fēng)扇組件12包括從轉(zhuǎn)子盤26徑向向外延伸的風(fēng)扇葉片24的陣列，其前部部分通過流線型整流罩25包封。燃氣渦輪發(fā)動機組件10具有進氣側(cè)28和排氣側(cè)30。風(fēng)扇組件12、增壓器32、渦輪機20通過第一轉(zhuǎn)子軸21聯(lián)接在一起，并且壓縮機14和渦輪機18通過第二轉(zhuǎn)子軸22聯(lián)接在一起。
[0015]運行中，空氣流動穿過風(fēng)扇組件12，并且空氣流的第一部分50被引導(dǎo)穿過增壓器32。從增壓器32排出的壓縮空氣被引導(dǎo)穿過壓縮機14，其中在壓縮機141處空氣流被進一步壓縮并輸送至燃燒器16。來自燃燒器16的燃燒熱產(chǎn)物(在圖1中沒有示出)被用于驅(qū)動渦輪18和20，且渦輪20被用于通過軸21的方式驅(qū)動風(fēng)扇組件12和增壓器32。燃氣渦輪發(fā)動機組件1在設(shè)計運行條件和非設(shè)計運行條件之間的運行條件范圍內(nèi)是可運行的。
[0016]從風(fēng)扇組件12排出的空氣流的第二部分52被引導(dǎo)穿過旁通管40以旁通來自風(fēng)扇組件12的空氣流的一部分環(huán)繞核芯燃氣渦輪發(fā)動機13。更特別地，旁通管40在風(fēng)扇殼或罩36和分流器34之間延伸。因此，例如，來自風(fēng)扇組件12的空氣流的第一部分50被引導(dǎo)穿過增壓器32，然后進入到如上所述的壓縮機14，來自風(fēng)扇組件12的空氣流的第二部分52被引導(dǎo)穿過旁通管40來為飛行器提供推力。分流器34將進入的空氣流分別分流為第一和第二部分50和52。燃氣渦輪發(fā)動機組件10還包括風(fēng)扇支架組件60來為風(fēng)扇組件12提供結(jié)構(gòu)支撐并還用于將風(fēng)扇組件12連接至核芯燃氣渦輪發(fā)動機13。
[0017]風(fēng)扇框架組件60包括多個出口導(dǎo)向葉片70，其在徑向外部安裝的凸緣和徑向內(nèi)部安裝的凸緣之間基本徑向地延伸并在旁通管40內(nèi)周向地間隔。風(fēng)扇框架組件60還包括在徑向外部安裝的凸緣和徑向內(nèi)部安裝的凸緣之間聯(lián)接的多個支柱。在一個實施例中，風(fēng)扇框架組件60制成弧形段，其中凸緣聯(lián)接至出口導(dǎo)向葉片70和支柱。在一個實施例中，出口導(dǎo)向葉片和支柱在旁通管40內(nèi)同軸地聯(lián)接?？蛇x地，出口導(dǎo)向葉片70在旁通管40內(nèi)聯(lián)接在支柱的下游。
[0018]風(fēng)扇框架組件60是燃氣渦輪發(fā)動機組件10的各種框架和支撐組件中的一個，其用于有助于維持燃氣渦輪發(fā)動機組件10內(nèi)各種構(gòu)件的定向。更特別地，這種框架和支撐組件與固定構(gòu)件相連接并提供轉(zhuǎn)子軸承支撐。風(fēng)扇框架組件60在旁通管40內(nèi)聯(lián)接在風(fēng)扇組件12的下游使得出口導(dǎo)向葉片70和支柱圍繞風(fēng)扇組件12的出口周向地間隔并延伸橫穿從風(fēng)扇組件12排出的空氣流路徑。
[0019]風(fēng)扇組件的構(gòu)件和風(fēng)扇框架組件(諸如風(fēng)扇葉片、風(fēng)扇葉片的金屬前緣、出口導(dǎo)向葉片，及支柱)常常是基本中空的，以便減輕重量和/或賦予其它期望的結(jié)構(gòu)性能。然而，這種中空構(gòu)件利用常規(guī)的工藝常常加工困難并很昂貴。另外，常規(guī)的工藝可能會導(dǎo)致構(gòu)件具有不期望的特征，諸如薄壁;圍繞結(jié)合、焊縫和釬焊的弱區(qū)域；由于制造限制的厚壁；以及帶有不足的相異的材料性能的構(gòu)件。
[0020]圖2示出了通過常規(guī)制作工藝制造的風(fēng)扇葉片24形式的常規(guī)的中空金屬物體，其中葉片被成形為兩部分，然后兩部分通過擴散結(jié)合連結(jié)在一起以形成內(nèi)部中空空間。圖3是風(fēng)扇葉片24的橫斷面圖，示出了兩部分81、82沿著結(jié)合線83連結(jié)。如圖4示出的放大部分，存在諸如84處所示邊緣缺陷及兩部分結(jié)合的許多接觸表面存在應(yīng)力集中的可能，以及確保完整地和恰當(dāng)?shù)匦纬蓴U散結(jié)合以避免諸如85處所示的不結(jié)合區(qū)域的挑戰(zhàn)。
[0021]如圖2中所示，風(fēng)扇葉片24可具有對性能和/或耐久性或其它考慮期望的不同特性的不同的區(qū)域。例如，在外前緣的區(qū)域A可期望具有高密度和高的模量特性。在外前緣的區(qū)域B和在平臺區(qū)域的D可期望有高的斷裂應(yīng)變特性(如15%的延伸)。在葉片的弦線中點區(qū)域的區(qū)域C可期望具有高的模量和低的密度特性。在葉片的根部附近的區(qū)域E可期望具有最佳的高循環(huán)疲勞比低循環(huán)疲勞(HCF/LCF)特性及用于構(gòu)造的焊接能力，其可焊接至圓盤來結(jié)合以形成整體葉盤。
[0022]常規(guī)地制備的諸如圖2-4的風(fēng)扇葉片24的中空風(fēng)扇葉片利用蜂巢芯并釬焊在一起，通過超塑成形和擴散連結(jié)(SPF-DB)的桁架芯(truss core)，及通過機械加工和擴散結(jié)合或焊接的肋芯(rib core)來制造。帶有多種材料特性的葉片常規(guī)地通過將不同材料結(jié)合在一起形成(MLE到復(fù)合或鋁制的葉片)來制造。
[0023]中空葉片(諸如風(fēng)扇葉片24)使用目前的常規(guī)加工方法典型地是昂貴的。金屬葉片通常在整個葉片上限于一種材料特性。用于復(fù)合或金屬葉片的結(jié)合前緣使用常規(guī)的加工方法加工是昂貴的，且需要二次工藝來附接至機翼。