[發(fā)明專利]一種空心葉片以及其制造方法和應(yīng)用

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711383193.3
• 申請日: 2017-12-20
• 公開（公告）號(hào): CN108223019A
• 公開（公告）日: 2018-06-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張文武;王玉峰
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所;寧波大艾激光科技有限公司
• 主分類號(hào): F01D5/18
• 分類號(hào): F01D5/18
• 代理公司: 北京元周律知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11540
• 代理人: 叢森;李花

本申請公開了一種空心葉片及其制備方法和應(yīng)用，所述空心葉片包括冷卻結(jié)構(gòu)、內(nèi)腔和過渡結(jié)構(gòu)；其中，所述過渡結(jié)構(gòu)位于冷卻結(jié)構(gòu)和內(nèi)腔壁面的交界處。相對當(dāng)前技術(shù)，所述葉片避免了內(nèi)腔氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的尖銳結(jié)構(gòu)，所述加工方法可以保證葉片和氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的形狀精度和一致性，并從工藝路線層面徹底避免背傷問題的發(fā)生，從而保障葉片的質(zhì)量及可靠性。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請涉及一種空心葉片以及其制造方法和應(yīng)用，屬于葉片技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

葉片已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、航天發(fā)動(dòng)機(jī)等眾多動(dòng)力機(jī)構(gòu)中。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提高，渦輪葉片的工作溫度越來越高。為保持高溫條件下葉片的機(jī)械性能和可靠性，業(yè)內(nèi)使用中空葉片，葉片上使用氣膜冷卻結(jié)構(gòu)。如何在中空葉片上加工出高質(zhì)量、高可靠性的氣膜冷卻孔是亟待解決的難題，尤其是隨著小型空心葉片、雙層壁結(jié)構(gòu)葉片的使用，葉片表面層和下一層間的距離越來越小，如小至1mm。這樣的間距，目前的激光打孔、電液束流打孔、電火花打孔等氣膜冷卻孔加工方式均面臨嚴(yán)重的背傷問題。這里的背傷是指表層打穿后，在緊鄰層造成損傷，相對前邊層，稱為背傷。背傷不利于渦輪葉片機(jī)械性能的保持，會(huì)大大降低葉片的可靠性和使用壽命，需要盡可能消除。

此外，為了形成更好的氣膜貼服效應(yīng)，氣膜孔相對于工件表面切線的傾角一般在30度甚至20度以內(nèi)。如此大的傾角，即使打孔沒有背傷，也面臨尖銳形狀應(yīng)力集中的困擾。下表面的尖銳形狀與熱影響結(jié)合，使用中容易引發(fā)微裂紋，是發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片，尤其是新興單晶、CMC葉片失效的主要模式之一。然而，由于中空葉片的幾何封閉性，現(xiàn)有工藝很難對內(nèi)表面的尖銳形狀進(jìn)行修整。

更進(jìn)一步地，為了降低背面損傷，業(yè)內(nèi)普遍使用擊穿閉環(huán)測控技術(shù)，即檢測正面擊穿的物理特征，一旦擊穿，就及時(shí)停止。如電加工中使用擊穿后電壓、電流的變化終結(jié)電極的進(jìn)給，激光打孔則可以根據(jù)擊穿前后聲音或光譜信號(hào)的變化控制激光的停止時(shí)間。但是，這樣的控制手段雖然可以緩解背傷問題，卻很難最優(yōu)地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的幾何形狀，尤其是孔錐度的精確控制。這個(gè)問題在大深度孔加工中尤為突出?？椎腻F度不能按照設(shè)計(jì)嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)和充分檢驗(yàn)，是當(dāng)前中空葉片面臨的又一技術(shù)障礙。孔的錐度失控，則葉片的熱控性能失控，發(fā)動(dòng)機(jī)安全性面臨威脅。

目前，空心葉片大多采用帶型芯的精密鑄造成型，然后需要去除芯模，加工氣膜孔等，成品率有待提高。為高效率、低成本制造空心葉片，專利文獻(xiàn)US5711068、US7251888、US6705383、EP0990481A1、US006162347A、CN100400222C、CN101418811B等提出了分體制造、然后結(jié)合的技術(shù)方案，采用鑄造、鍛壓和機(jī)械加工等方式分別制造葉片的不同部分，最終采用焊接、釬焊、熱擴(kuò)散焊、線性摩擦焊等技術(shù)將制造的不同部分的葉片連接為一體，得到完整的空心葉片，已經(jīng)被應(yīng)用于復(fù)雜型腔或多層壁空心葉片的制造中。

以上專利主要針對于葉片內(nèi)部空心結(jié)構(gòu)的高效加工，未涉及氣膜冷卻孔的精密加工、修整和孔內(nèi)壁表面拋磨強(qiáng)化等內(nèi)容。利用3D打印技術(shù)制造出形狀復(fù)雜的空心葉片，雖然可以實(shí)現(xiàn)渦輪葉片氣膜孔與葉片毛坯的整體打印，但采用3D打印制造的氣膜孔會(huì)出現(xiàn)不同程度的“縮孔”現(xiàn)象，且內(nèi)腔和孔表面粗糙度不易控制。

綜上所述，葉片氣膜孔的幾何形貌和內(nèi)外表面質(zhì)量對航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的冷卻效率和可靠性能具有很大影響，但當(dāng)前技術(shù)對其質(zhì)量控制尚存在明顯不足。

如何高效率、高一致性地制備出沒有安全隱患的空心葉片是目前工業(yè)界面臨的重大挑戰(zhàn)之一。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)本申請的一個(gè)方面，提供了一種空心葉片，相對當(dāng)前技術(shù)，該類葉片避免了內(nèi)腔氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的尖銳結(jié)構(gòu)，揭示的加工方法可以保證葉片和氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的形狀精度和一致性，并從工藝路線層面徹底避免背傷問題的發(fā)生，從而保障葉片的質(zhì)量及可靠性。

本發(fā)明揭示了一種帶新型氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的中空葉片，其特征是，以氣膜冷卻孔為代表的冷卻結(jié)構(gòu)與內(nèi)腔壁面的交界處使用一定弧度的過渡結(jié)構(gòu)，取代傳統(tǒng)的尖銳結(jié)構(gòu)，從而降低內(nèi)腔應(yīng)力集中。