CN110402183A - 制造复杂形状金属合金部件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于获得涡轮机的包括叶身、叶冠和叶根的实心叶片的方法，该方法包括：利用至少两个部件(50、51)制造粗坯的步骤，其中至少一个部件是实心部件，所述至少两个部件通过扩散连接技术组装而无熔融；以及机加工粗坯以制成具有确定型廓的叶片的步骤。

Description

制造复杂形状金属合金部件的方法

技术领域

本发明涉及一种用于制造涡轮机实心叶片的方法。

它有利地用难以加工成复杂形状部件的金属材料例如钛铝合金制成。

它也可以用陶瓷基材料制成。

它特别重要但非排他性地应用在航空领域或能源领域中使用的实心叶片或实心桨片领域中，而无论这些叶片或桨片是固定的还是活动的。

举例来说，涡轮机包括至少一个固定分配叶栅或定子、和至少一个活动叶栅或转子。

定子由保持在内圈和外圈之间或两个半壳之间的固定导向叶片构成。在涡轮机的情况下，定子可以引导和分配转子叶片上的流体流动，这些叶片因此被驱动旋转。

背景技术

传统上，航空叶片或源自铸造坯料或源自锻造坯料，部分或全部经过再机加工。

已经提出了将整流器固定叶片分多个部分制成，以在组装不同部分之前方便进行尤其是钻孔或机加工的操作(EP 3 103 580)。

存在于活动叶片中的应力分布与固定叶片中观察到的应力分布完全不同。

特别地，对于所有包括叶身、叶冠和叶根的叶片，(对于固定叶片和活动叶片嵌入的)叶根处的应力直至大约叶身一半处的应力之间的比值可以为1(固定叶片)至100(活动叶片)。实际上，即便在两种情况下推力基本相同，但活动叶片还受到离心加速。

这就是为什么该解决方案限于固定叶片的原因。这通过机械嵌合实现不同部件组装这一事实得到证实。

还可以引用涉及空心叶片的文献EP 2 772 614和EP 1 481 755。

与实心叶片所经受的应力相比，在空心叶片中，与离心力相关的应力较低。

这是由叶片重心的各自位置和叶片各自质量所导致的。

这是这些文献的教导限于空心叶片的原因。

当坯料的机加工仅为局部的，特别是当无机械再加工完成叶片型廓时，矫直、成形和/或校准操作对于确保功能尺寸则必不可少。

对于小尺寸型涡轮机叶片而言，在制作开发原型的情况下，或者对于实施，又或者对于由易于加工且价格低廉的材料制成的系列叶片，使用所谓的从块件切割的范围(gamme)。

这种解决方案在想要使用钛铝合金(γ-TiAl)的情况下具有缺点，这种材料有良好的耐温性，但在室温下具有显著脆性。

更具体地，这些已知的解决方案尤其引起以下问题。

在利用锻造坯料棒获得一范围的情况下，可以在机加工中使用整个表面，但是这需要复杂机加工范围以便能够适应与应力释放相关的变形，甚至使用自适应范围。此外，使用锻造坯料需要至少三类操作：材料制造、锻造和机加工，并且制造周期相对较长。

在使用铸造坯料获得一范围的情况下，无疑可以在机加工中使用整个表面，但是这时仍然需要复杂机加工范围以便能够适应与应力释放相关的变形，所述方法无论如何都会产生与机加工后出现的铸造缺陷相关的很高废品率。

使用铸造坯料最终需要三到五类操作：材料制造、铸造、可能的热等静压、可能矫直以及最后的机加工，这样制造周期仍然相对较长。

在机加工中所谓的从块件切割的一范围的情况下，这里涉及从(铸造或挤挤压成的)一个坯件开始，通过机加工去除材料多余部分来将简单的几何形状加工为部件的几何形状。

考虑到γ-TiAl的加工难度(再次相当低下的切割条件、严重的刀具磨损、在环境温度下的材料脆性等)以及材料的高成本，这种方式仍然在制造系列叶片方面存在严重缺陷。

已提出过借助文献FR2997885中描述的金属合金涡轮机叶片制造方法来克服这些缺陷。

该方法提供了利用具有简单几何形状和/或轴对称形状的钛铝合金棒，同时地通过棒内水射流切割来制造至少两个彼此嵌套的粗坯，继而分别对这样获得的每个粗坯进行机加工，以便获得具有确定型廓的叶片。

该方法具有在同一根棒中制出多个部件的优点，从而限制了在获得粗坯时损失的材料量。

该方法还可以更大量地回收优质的且另外所有特性都相同的材料以进行再循环利用。这里应该注意的是，只有冒口可以通过铸造的方式回收，内浇口为落料。

发明内容

申请人继续其研究以试图在获得叶片粗坯之后进一步减少待回收利用的材料量，以及进一步降低这些粗坯的成本。

因此，本发明尤其提出一种用于获得涡轮机的实心叶片的方法，实心叶片包括叶身、叶冠和叶根，所述方法包括：

-利用至少两个部件制造粗坯的步骤，其中的至少一个部件是至少一个实心部件，所述至少两个部件通过没有熔融的扩散连接技术组装在一起，以及

-机加工粗坯以制成具有确定型廓的叶片的步骤。

应当注意的是，“实心部件”是指在组装时不是呈粉末形式的部件。

此外，在本发明的框架下，机加工步骤理解为与成品部件质量相比去除至少25％的材料质量的操作。

因此，该方法基于一种获得叶片的设计，该设计与当前制造旋转实心叶片使用的制造方法中采用的设计完全不同。

实际上，所有这些方法允许制造单体式叶片粗坯，而根据本发明的方法在于制造以至少两个组装部件构成的叶片。

这种方法不是本领域技术人员熟知的方法，因为在获得叶片粗坯之前增加操作似乎按经验比一次性制造出该粗坯更加复杂。

此外，组装通常伴随有脆化风险并因此质量劣化风险，这就排除了对经受大应力的活动叶片、尤其是在其固定在叶毂或叶盘上的叶根处以及在应该能够承受冲击的叶身中央部分处经受大应力的活动叶片采用组装。

在本发明的框架下，使用的组装不是包括两个相邻部件彼此嵌套步骤的机械组装，也不是通过粘合实现的组装。

它是扩散组装，即主要靠组装的两个部件之间的化学元素扩散实现的组装，而没有熔融。

因此，扩散组装是通过在固体介质中或者完全地(扩散焊)、或者通过与液相结合(焊接阶段结束时液相消失的扩散钎焊)进行的方法实现的。

在线性摩擦法、放电等离子烧结法和类似方法中，固态扩散不是唯一的操作机制，因为粘塑性相当局限地在界面处发生。

看来这种组装不会导致叶片机械特性劣化，这使得可以将该方法同时用于固定叶片和活动叶片。

实际上，因为可以为它们中的每一个选择最合适的方法，因此简化了叶片的每个组成部件的制造。

也可以选择造成最少材料损失的方法。

此外，可以通过金属合金制成的棒获得每个组成部件，也可以利用其它制造中回收的落料、尤其是通过水射流切割法而得的落料获得每个组成部件。因此，这将是本发明意义上的实心部件。

这种实心部件也可以由陶瓷基材料制成，例如由浸渍有陶瓷的陶瓷纤维基质构成的材料制成。

根据本发明的方法最终能够简化制造、限制使用的材料量和待回收利用的材料量，而不影响所获得部件的牢固性。

在一些有利实施例中，还和/或另外采用以下布置中的一种和/或多种布置：

-至少两个部件是实心部件；

-所述部件中的至少一个部件借助粉末获得，同时直接形成在所述至少一个实心部件上；

-至少一个实心部件是金属合金块体；

-所述实心叶片的叶身利用这样的块体获得：块体在具有实心截面的圆柱形坯料的周缘切割出，以便在制造所述叶身的拱背中利用其曲率半径；

-所述实心叶片的叶身利用这样的块体获得：块体在具有环形截面的圆柱形坯料中切割出，以便在制造所述叶身的拱背和/或拱腹面中利用其曲率半径；

-至少一个实心部件是基于陶瓷的，尤其是由陶瓷基质复合材料制成；

-粉末是金属合金粉末或陶瓷粉末；

-金属合金是钛铝合金(γ-TiAl)；

-所述至少两个部件的组装通过线性摩擦焊接法进行；

-所述至少两个部件的组装通过压力扩散焊接法进行；

-至少一个实心部件在被组装前经过机加工。

本发明还涉及通过根据本发明的方法获得的由钛铝合金和/或陶瓷基材料制成的实心叶片。

本发明还涉及包括至少一个这种叶片的涡轮机。

附图说明

通过阅读参考附图进行的以下描述，将更好地理解本发明并且本发明的其它目的、优点和特征将更清楚地体现出来，附图中：

图1是示出通过根据本发明的方法获得的涡轮机叶片的透视图。

图2A和2B是示出在获得用于制造涡轮机叶片叶身的多个块体之前和之后的环形截面圆柱形坯料的透视图，每个块体适于形成根据本发明一实施例的第一步骤制造的粗坯实心部件。

图2C和2D是示出在获得用于制造涡轮机叶片叶身的多个块体之前和之后的实心截面圆柱形坯料的透视图，块体适于形成根据本发明另一个实施例的粗坯用实心部件。

图3A和3B以透视图和侧视图示出切割成用于制造涡轮机叶片端部的块体的圆柱形坯料，块体适于形成根据本发明另一个实施例的粗坯用实心部件。

图4A和4B示出用于制造涡轮机叶片叶身和叶片端部的块体在实心截面圆柱形坯料中的分布实施例，图4A是坯料顶视图，图4B是对应图4A的分解图。

图5A和5B是透视图，示出坯料(此处为六边形截面，并通过图4A和4B所示的坯料获得)的另一个实施例，该坯料允许获得用于制造涡轮机叶片端部并适于形成可用于本发明的实心部件的块体，图5B是图5A的分解图。

图6A是示出实心截面圆柱形坯料的透视图，该坯料允许获得均用于制造涡轮机叶片叶身和叶根并形成根据本发明可用的实心部件的多个块体。

图6B是实心截面圆柱形坯料的透视图，该坯料允许获得均用于制造叶片叶身、叶根、或叶冠并形成根据本发明可用的实心部件的块体。

图7A-7B示出根据本发明一实施例的叶片粗坯，其由三个实心部件端对端组装而获得，图7A是透视图，图7B是沿A-A的剖面图。

图8A-8B是根据本发明另一实施例的类似于图7A-7B的视图，组装是端对面类型的。

图9A和9B是类似于图7B和8B的剖面图，示出根据本发明的另外两种实施例利用两个实心部件获得的叶片粗坯的两种组装方式。

图10A-10D是示出根据本发明另一实施例获得的叶片的透视图，叶片分别包括借助粉末在实心叶身上制成的叶冠和/或叶根。

图11A至11C示意性地示出在本发明一实施例中可用于将部件彼此固连的粉末致密化方法的三个步骤。

具体实施方式

不同附图共有的元件使用相同的附图标记指示。

首先参考图1，涡轮机叶片通常包括三个区分开的区域：中央叶片或中央叶身1；以及在其每个端部的叶冠3和能够将叶片固定在电机轴上的叶根2。

已知地，叶身具有新月形的截面，叶根2具有大体上为平行六面体的形状，而叶冠3基本为U形。

该图示出涡轮机叶片的三个组成部分具有截然不同的形状。

根据本发明的方法提出利用这些形状差异来最小化制造叶片所需的损耗或应回收利用的材料部分。

因此，根据本发明的方法提出将叶片分解成至少两个部件。在参考图2A-2D、3A-3B、4A-4B和5A-5B描述的实施例中，将叶片分解成三个部件，这种分解是在每个主要的截面变化处进行的。实际上，这相当于将叶身、叶根和叶冠分解开。

然而，本发明不限于该应用，例如叶片可以分解为两个部件，其中的每个部件对应于不同的应力区域，如参考附图6A-6B所描述的。

首先参考图2A-2D和3A-3B进行说明，这些图示出了获得用于形成涡轮机叶片的叶身、叶根和叶冠的块体的示例。

实际上，如将在以下描述中解释的，针对一部件设计的一块体可以用于制造另一种部件的一部分。然而，为了简化说明，将保留术语叶身、叶根和叶冠用于指示从一材料块体获得的这些叶片部分。

因此，图2A示出具有环形截面的圆柱形坯料4。它尤其可以是通过离心铸造技术或通过挤压获得的环。在该坯料4中，用细线表示出八个叶身，以显示它们在坯料4中的体积尺寸和定位。

因此可以理解，坯料4的高度基本上等于希望获得的叶身的长度。如将在以下描述中解释的，这取决于与叶片端部的连接类型和这些端部的性质(实心或粉末基)。

图2A旨在示出如何最佳地使用坯料4的材料以获得这八个叶身。因此，图2A示出：考虑定位叶身1，使得它们的凹面基本上朝向块体4的中心轴线X。换言之，环4和每个叶身的凹面基本上朝向相同的方向。

因此，叶身1的拱背10位于坯料4的外周缘40一侧，而其拱腹面11朝向坯料4的内周缘41一侧。

图2A示出，在这个实施例中，叶身基本上头-尾布置以便更好地使用坯料4的材料，因为叶身的截面在一侧比在另一侧更宽。

图2B示出了根据叶身1的高度在每个表示叶身1的部分之间进行切割后的坯料4。

由于切割平面不是轴向的，因此通过水射流进行切割。

因此，获得八个块体42，并且它们中的每一个中都可以机加工成一个叶身1。

应该注意的是，本发明不限于使用具有环形截面的圆柱形坯料，也可以使用基于具有环形截面的圆锥形坯料。可以选择这样的坯料来制造截面在一侧比在另一侧更宽的叶身。在这两种情况下，坯料也可以沿轴向平面切割。

通常地，已知在金属坯料中，在其中心可能存在孔隙性。因此有必要进行后处理以确保金属坯料在其整个厚度上具有适合质量。

然而，这些后处理非常昂贵。

因此可以理解，可使用环形截面坯料，例如坯料4，而无需进行后处理，坯料的周缘部分的质量总是优于其中心部分的质量。实际上，可能存在缺陷但这些缺陷通常可以接受。

图2C示出具有实心截面的圆柱形坯料7，其中用细线示出七个叶身以显示其体积尺寸和定位。

如同坯料4，坯料7的高度基本上等于所需获得的叶身1的长度。

后处理对于确保其整个厚度上的相同质量必不可少。后处理包括热等静压，特别是用于闭合铸造产生的坯料的固化缺陷。对于通过挤压获得的坯料，这种热等静压不是必需的。此外，在所有情况下通常都需要热处理以获得应用所要求的最低性能。

图2D示出沿与坯料7中心轴线平行的两个系列平面在每个表示叶身的部分之间进行切割后的坯料7，两个系列平面之间形成非零角度，以便在该实施例中确定七个块体71，其中用细线示出每个叶片的定位和体积尺寸。

现在参考图3A和3B进行说明。

图3A以透视图示出实心圆柱形坯料5，其中用细线示出八个叶根2和八个叶冠3，以便标示出其在坯料5中的体积尺寸和定位。

该坯料5和坯料4或坯料7典型地利用不同的坯件获得，它们的材料不一定相同。考虑到坯料5的厚度，应该对其进行了适当的后处理以确保其在整个厚度上的质量相同。此外，由于两种坯料是独立制造的，因此其直径可以小于坯料4的内径，并且其高度小于坯料4或坯料7的高度。因此，坯料5可以例如通过挤压获得，使得以尽量精确的方式确定其尺寸，以便最小化所用材料量。

为了最小化其体积尺寸，叶根2和叶冠3设置为一个在另一个上水平布置。

图3A示出坯料5，该坯料沿着包含坯料5中心轴线X的中间平面以及沿垂直于该中心轴线的若干平面切割，以便分离出八个块体50和八个块体51，它们分别用于形成叶根2或叶冠3。

这些不同的块体50和51也在图3B中示出，图3B是图3A的侧视图。

这种切割在这里用锯实现。通过水射流切割，块体可以具有更接近最终叶片的叶根或叶冠的形状，例如图7A中所示。

现在参考图4A-4B和5A-5B来描述利用同一圆柱形坯料能够获得涡轮机叶片的多个叶身、多个叶根和多个叶冠的其他步骤。

这种坯料或棒6在图4A中以俯视图示出。

该图还用细线示出位于坯料6周缘的六个叶身1的位置和体积尺寸、以及位于坯料6的中心部分中的叶根2和叶冠3。

可以理解，叶身1在坯料6的整个高度上延伸，因此坯料的高度基本上与叶身长度相等。如前关于图2A所述的，坯料6和每个叶身1的凹面都基本朝向相同方向。因此，每个叶身1的拱背10朝向坯料6的外周缘60，而每个叶身1的拱腹面11基本朝向棒的中心轴线X。

当然，在坯料6的中心部分，可以设置多个叶根2和多个叶冠3的体积尺寸，在本情况中，实际上分别是六个，它们沿坯料6的高度叠放。

图4B示出对坯料6的切割，该切割能够分割出六个块体61，在每个块体中可以制造一个叶身1。这些块体在这里沿与轴线X平行的多个平面切割，以便允许或者通过水射流切割或者用锯片切割。在两个块体61之间分离的块体62构成落料。

切割出块体61和62允许分离出在坯料6的整个高度上延伸的一个中央坯料63，允许获得全部基本相同的块体61。

块体61在质量优于中央坯料63并且实际上通常不需要任何后处理的圆柱形块体6的周缘部分中制出。

观察到坯料63的截面为六边形。实际上，根据其高度使用刀片锯来切割块体相对容易，同时形成切割面。如果希望获得圆柱形截面坯料，则情况并非如此。

图5A是块体63的透视图，其中用细线示出六个叶根2和六个叶冠3。

图5A示出水平设置的叶冠3，而叶根2则竖直设置。

可以理解，如果块体63的高度必须基本上等于叶身1的高度，则可以优化叶根2和叶冠3在坯料63中的布置，以减小其直径，从而减小坯料6的直径。

图5B示出坯料63沿包含其中心轴线X的中间平面以及沿与该轴线垂直的若干平面切割，以获得用于形成叶根的六个块体64和用于形成叶冠的六个块体65。

当然，在材料质量允许的范围内，即实际上如果坯料6已经过了适当的后处理，则中心坯料63用于形成叶根和/或叶冠。在这种情况下，六个叶片粗坯有利地通过同一批材料获得。

在相反的情况下，仅使用坯料6的周缘部分来形成叶身(如图2A和2B所示)，块体63予以回收利用。

因此，叶根和叶冠利用一坯料获得，该坯料不属于与坯料6相同的一批材料。

图6A和6B示出根据本发明的方法的两个变型，其中通过两个实心部件而非如前所述的通过三个实心部件来获得一个叶片粗坯。

因此，图6A示出具有实心截面的圆柱形坯料8，其中用细线示出对应于一叶身1和一叶根2的两个部件12，以示出其体积尺寸及定位。

坯料8的高度至少等于希望获得的部件12的长度。

为了更好地使用坯料8的材料，这两个部件12头-尾布置。

图6A还示出如何将坯料8切割成两个块体80和81，而每个块体可以加工成一个部件12。

图6A示出切割平面相对于坯料8的中间纵向平面略微扭曲，以获得该结果。

可以理解，于是可通过块体80、81以及例如如图3A所示的块体50来获得叶片粗坯。

如在以下描述中将看到的，叶冠3也可以利用粉末获得。

图6B示出一种变型，其中，通过具有实心截面的圆柱形坯料9，即类似于块体8但直径更大的坯料，可以同时获得用于形成部件12的块体和用于形成叶片叶冠3的块体。

因此，在坯料9内部用细线表示类似于图6A所示部件并且也是头尾布置的两个部件12、以及两个叶冠3。

图6B示出对于叶冠面对其布置的部件12，在距离叶根2最远的部件12区域中设置两个叶冠3。

图6B还示出如何可以切割坯料9：以获得两个块体90和91，在每个块体中可以机加工出一个部件12；以及以获得两个块体92和93，在每个块体中可以机加工出一个叶冠3。

该变型具有能够在同批材料中制造叶片粗坯的优点。

现在将参考其他附图来说明如何从图2B、3A-3B、4B、5B、6A和6B中所示的块体获得涡轮机叶片的粗坯。

通常地，可以区分两种类型的方法：仅通过实心部件获得叶片粗坯的方法；以及粗坯包括借助粉末获得的至少一个部件的方法。

此外，在这两种类型的方法中，叶片粗坯可以通过两个或三个部件获得。

因此，对于第一类型的方法，叶片的叶身、叶根和叶冠同时都是从图2B、3A-3B、4B、5B或6B中所示的块体获得的。

在第二类型的方法中，可以使用例如在图2B和4B中所示的用于获得叶身的块体，然后借助粉末制造叶片叶冠和叶根、或借助例如在图3A-3B和5B所示的块体制造端部之一并利用粉末制造另一端部，又或借助图6A所示块体制造叶身和叶根以及利用粉末制造叶冠。

然后将关注第一类型方法，其中用于获得叶片粗坯的所有部件都是实心部件。

如前面图中所示，该叶身粗坯还可以通过两个或三个实心部件获得。

将首先关注通过三个实心部件获得一个叶片粗坯。

因此，用于获得叶身的实心部件可以由参照附图2B、2D和4B描述的块体42、71和61组成。

此外，旨在获得叶片叶根或叶冠的实心部件可以由图3A或3B中所示的块体50和51或者图5B中所示的块体64和65组成。

当对应于叶身的块体是图2B和2D中所示的块体42和71的类型时，可以理解最终叶片的一方面叶身、另一方面叶冠和叶根不是通过同一材料坯件获得的。

如关于图4A-4B和5A-5B所解释的，旨在获得叶片粗坯的所有实心部件相反地可以来自于相同的坯料，因此由相同材料组成。

现在将参考图7A-7B和8A-8B描述这些实心部件的不同组装方法。

通常地，可以考虑将块体彼此间组装在一起，然后对所获得的粗坯进行机加工以获得叶片。

还可以考虑机加工每个块体或至少其中的若干块体，以获得其旨在获得的部件或类似该部件的形状。

然而，至少部分地通过块体进行组装是优选的，因为其允许限制机加工操作的次数，并且如将示出的，这给予使用实心部件来获得叶片以更大的自由度。

在图7A-7B和8A-8B所示的实例中，叶身1已经例如利用图2B、2D和4B中所示的块体42、71或61之一获得预先机加工。

相反，旨在获得叶冠或叶根的块体尚未进行机加工。

在图7A所示的示例中，使用的块体50和51是图3A中所示的块体，然后通过机加工进行粗加工。

还应注意，具有图7A中所示几何形状的块体可通过水射流切割来获得。

图7A和7B示出叶身1与块体50和51之间端对端类型的组装。

在这种类型的组装中，彼此组装在一起的块体51的面510和叶身1的面14具有相同的表面。块体50的面500和叶身1的面13也同样如此。

图7B示出利用这种类型的组装，旨在形成叶根和叶冠的块体50和51实际上也参与叶片1在最终粗坯中的形成。

在这种情况下，形成叶身1的块体，例如块体4、7或6，可以具有小于叶身长度的高度。

图8A和8B示出了端对面类型的组装。

在这种类型的组装中，彼此组装在一起的块体51的面510和叶身1的面12不具有相同的表面，叶身1的面13和块体50的面500也是如此。

在所有情况下，组装是通过没有熔融的连接技术进行的。

特别地，它可以是线性摩擦焊接法，例如LFW(英文术语“Linear FrictionWelding”)工艺。

这种LFW工艺在两个部件之间的连接处产生顶锻，因而有必要提供额外的长度。

在这种情况下，形成叶身1的块体可以具有大于叶身长度的高度。

还可以使用放电等离子烧结或称SPS(Spark Plasma Sintering)方法，其避免在两个部件之间的连接处产生的任何显著顶锻(不同于LFW方法)。

此外，三个部件的组装同时或相继进行，这尤其是根据所使用的组装方法的约束条件而定。

作为变型，叶身和叶根可以由同一块体、例如图6A所示的块体80、81或图6B所示的块体90和91来实现。

在这种情况下，将通过这些块体80、81或90、91之一以及对应叶片叶冠的另一块体来获得一个叶片粗坯。

它可以是如图3A所示的块体51，或者是如图5B所示的块体93。

可以理解，在第一种情况下，粗坯将包括来自不同材料坯件的元件。相反，如果粗坯是利用例如块体90和92获得的，则叶身的粗坯将在单一材料中制成。

将不更详细地描述该组装。它可以是端对端或端对面类型的组装，如图9A和9B所示。

这两幅图示出两个实心部件，例如块体90和块体93，块体90已经预先加工以获得最终叶片的叶身1。

图9A示出端对端类型的组装，块体93的面930和块体90的面900具有相同的表面。

作为变型，图9B示出端对面类型的组装，组装在一起的块体93的面930和块体90的面900具有不同的表面。

可以理解，该方法的这种变型可以获得在受到最大应力的区域中以单体式制成的叶片。

在图7A、7B、8A-8B和9A-9B所示的实施例中，块体已经通过机加工事先获得粗加工。

但是本发明不限于该实施例，这些块体之一可以直接使用，或者预先机加工成其最终几何形状，同时为界面区域留下额外的厚度。

现在参考图10A至10D来描述第二类型方法的实施例，其中在制造叶片粗坯中涉及的至少一个部件利用粉末制成。

首先，参考图10A和10B，其是利用通过一实心部件制成的叶身1和采用粉末制成的叶根2和叶冠3所获得的同一叶片的两个视图。

因此，叶身1可以通过参考图2B、2D和4B描述的块体42、71或61之一获得，但其长度大于最终叶片中叶身1的长度，块体在形成叶冠和叶根之前获得预先加工或未获得预先加工。

因此，图10C示出一种通过一实心部件和两个块体102和103获得一个叶片粗坯的方法，其中实心部件是如图2B所示的块体42，允许获得(图10C上用细线标示的)一叶身1，而所述两个块体是利用粉末获得的，允许形成(图10C上在块体102和103内部用细线标示的)一叶根2和一叶冠3。

当然，可以制造叶身的块体还可以是图2D所示的块体71的类型，或图4B所示的块体61的类型，或通过不同方法获得的其他块体，所述不同方法尤其是通过铸造挤压或粉末烧结(放电等离子烧结，金属注射成型)，使几何形状更接近尺寸数字(cote)，甚至导致最终形状。

块体102和103利用通过压力扩散焊接技术例如所谓SPS(英文术语为SparkPlasma Sintering：放电等离子体烧结)致密化的粉末直接形成在块体42的端部上。

为此，首先确保界面的清洁，特别是确保不存在嵌入材料表面中的(由水射流切割产生的)磨料颗粒。

参考图11A-11C示意性地描述了该技术。

其使用的工具包括第一固定部分110，其在一侧由第二固定部分115封闭，在另一侧由第三部分111封闭，这三个部分限定腔体112，其中第二部分111安装成可沿腔体112的纵向轴线X平移活动。

在腔体112内部设置也可沿腔体纵向轴线X平移活动的第三部件113。它由两个半壳制成以允许脱模。该部件113用于保持叶身1或块体，例如块体42，块体中可以制出叶身。

该部件113限定两个子腔体122a和122b，以适当的量将粉末114引入这两个子腔体中。

该粉末可以是金属合金粉末，例如钛铝合金粉末，或陶瓷粉末，例如碳化硅(SiC)。

图11B描绘了该方法的下一步骤，在该下一步骤中，由箭头F标示的压力施加在第二部件111上，该第二部件111如部件113一样在腔体112内平移。

施加该压力使得可以将粉末在腔体122a和122b内压紧，腔体122a和122b的容积在图11A所示的步骤和图11B所示的步骤结束之间减小。

图11B示出叶身1和块体103之间的连接界面远大于叶身截面。叶身截面在端对端组装的情况下会对应于连接界面。

图11C示出该方法的最后步骤，在该最后步骤中，压力仍施加在第二部件111上，此外通过第二部件115施加电流，该电流穿过存在于腔体112内部的各个不同部件。该方法的最后步骤可以使存在于腔体112a和112b中的粉末致密化，并且在图10A所示的实施例中获得块体102和103，块体102和103因此在叶身1上或块体42上同时产生。

图10C示出根据本发明的方法可以获得例如块体102的平行六面体形块体，或者具有特定型廓的块体，例如块体103，该型廓接近于叶冠3的形状。

在这方面，应该注意的是，在图10C所示的实施例中，块体42完全穿过基于粉末获得的块体102和103，因此该配置与图11A至11C中所示的配置不同。

在所有情况下，块体42(或者如果块体获得预先机加工，则为叶片的叶身)至少部分地插入块体102和103中，使得块体42分别和块体102或块体103之间的连接表面比端对端组装的情况下的连接表面要大。

此外，经受最大应力的叶片部分，在这种情况下是叶身，可以在整个叶片中连续不断，这增强了它的强度。

因此，优选地，叶身的长度将选择成叶身完全穿过叶根(并因此在最终叶片上与叶根的外表面齐平)，叶身/叶根连接区域是在活动叶片中受应力最大的区域。

当然，本发明不限于这两个实施例，块体可以具有其他简单的几何形状，例如垫圈或更接近待获得端部的型廓。

图10A和10B示出通过图10C中所示的粗坯获得的叶片。

这两个图旨在示出实心叶身以及利用粉末获得的叶冠和叶根之间的嵌套。

因此，这两个图示出叶身和端部之间的连接是在这些端部中完成的，因此是在叶片的最大应力区域之外完成的。这有助于增强所获得的叶片的机械强度。

此外，如果粉末具有比原材料更高的成本，则应理解，刚刚描述的方法允许制成尺寸非常接近最终叶片的叶冠或叶根的端部件。因此，该方法可减少粗坯机加工步骤以及所使用的材料。

图10D示出图10C所示方法的变型，其中，叶片粗坯利用一实心部件和一块体103获得，该实心部件例如是图6A所示的块体80，其中可以获得整体式的(图10D中的细线所示的)一叶身1和一叶根3，而块体103利用粉末获得，其中可以制造出最终叶身的叶冠3(也用细线显示)。

因此，所获得的叶片将在叶冠3的一侧呈现如图10A所示的实心叶身和叶冠3之间的嵌套。

如图10A和10B中所示的，图10D确认了块体103直接在块体80上制成。

图10A至10D示出粉末供应允许在叶身的至少一端部处制出具有与叶身形状不同的几何形状的、尤其是具有非常不同截面的一部件。换言之，可以观察到叶身和借助粉末供应形成在叶身上的叶根(或叶冠)之间的截面差异很大。

此外，粉末的供应用于制造部件的受到高应力的功能区域。

对于连接到转子内盘的转子叶片的叶根尤其如此。

此外，在定子叶片的情况下，叶片的叶根和叶冠是两个受到最大应力的叶片区域。

最后，(在机加工之前)最初被提供有粉末的材料质量可以对应于最终叶片的总质量。此外，在机加工之后，被提供有粉末的材料质量占最终叶片的质量的显著部分(例如大约为10％)。

该方法的另一变型(图中未示出)在于通过两个实心部件和利用粉末获得的一个部件制造一个叶片粗坯。

举例来说，该粗坯可以通过如图2B、2D或4B所示的一块体42、71或61、和用于形成叶片叶根2的另一实心部件如图3A所示的块体51、以及利用粉末获得的且用于形成叶片叶冠3的一部件获得。实际上，该种情况对应于图7A-7B和8A-8B中所示的方法的一变型。

所描述的所有实施例证实，根据本发明的方法可以最小化所用材料和材料落料，将叶片分成两个或三个部分为材料的使用提供更大的灵活性。

为了说明用根据本发明的方法可获得的材料方面的节省，在下表中标示出在不同假设条件下获得一叶片所使用的材料的总质量(单位：g)(质量/叶片)。

(值为100的)参照物对应于借助文献FR 2 997 885中描述的方法获得的叶片。

此外，一旦获得叶片粗坯，实施机加工以去除额外的厚度并获得如图1、10A和10B所示的最终尺寸叶片。

在环境温度下对不同类型试件进行了两次拉伸测试，以显示通过没有熔融的连接技术在部件上进行组装的结果。

在环境温度下的这些拉伸测试根据标准NF EN ISO 6892-1进行。

以下两个表格中给出了极限抗拉强度(Rm)、屈服应力(Rp02)的典型值。

要求的最小值通常由制造商给出，并且对应于使叶片能够承受所经受应力的叶片尺寸。

因此，在第一测试中，制造了若干试件：

-试件1：通过铸造获得并且是实心的

-试件2：通过SPS技术组装两个实心部件获得

-试件3：通过组装一实心部件和一由粉末形成的部件获得。

表1

表1证实了无熔融的组装技术可以获得机械特性几乎等于或高于功能所要求的机械特性的部件。

在第二测试中，制作了若干试件：

-试件1：通过铸造获得并且是实心的

-试件2：通过SPS技术固结粉末获得

-试件3：通过组装一实心部件和SPS技术固结粉末获得。

表2

表2令人惊讶地表明，用粉末实施的SPS型无熔融技术甚至可以获得其机械特性优于功能所要求的机械特性以及优于对应实心部件的机械特性的部件。

通常地，叶片设计者将根据叶片所受的应力选择最合适的制造方法。

显而易见，如同样从上文所述的，本发明不限于更具体描述的实施例。相反，本发明包括其所有变型，尤其是这样的变型：其中，实心部件，例如叶身，基于陶瓷而非基于金属，尤其是基于由浸渍有陶瓷的编织陶瓷纤维组成的陶瓷基质复合材料，例如碳化硅(SiC)，其端部例如由陶瓷粉末或金属粉末制成。

Claims (14)

1.一种用于获得涡轮机的实心叶片的方法，实心叶片包括叶身(1)、叶冠(3)和叶根(2)，所述方法包括：

-利用至少两个部件(42、61、71、50、51、64、65、80、81、90、91、92、93)制造粗坯的步骤，其中的至少一个部件是至少一个实心部件，所述至少两个部件通过没有熔融的扩散连接技术组装在一起，以及

-机加工粗坯以制成具有确定型廓的叶片的步骤。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，至少两个部件是实心部件。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，至少一个部件(103、104)借助粉末获得，同时直接形成在所述至少一个实心部件上。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个实心部件是金属合金块体。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述实心叶片的叶身(1)利用这样的块体(61)获得：块体在具有实心截面的圆柱形坯料(6)的周缘切割出，以便在制造所述叶身的拱背中利用其曲率半径。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述实心叶片的叶身(1)利用这样的块体(42)获得：块体在具有环形截面的圆柱形坯料(4)中切割出，以便在制造所述叶身的拱背和/或拱腹面中利用其曲率半径。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，至少一个实心部件是基于陶瓷的，尤其是由陶瓷基质复合材料制成。

8.根据权利要求3至7中任一项所述的方法，其特征在于，粉末是金属合金粉末或陶瓷粉末。

9.根据权利要求4至6和8中任一项所述的方法，其特征在于，金属合金是钛铝合金(γ-TiAl)。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少两个部件的组装通过线性摩擦焊接法进行。

11.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少两个部件的组装通过压力扩散焊接法进行。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个实心部件在被组装前经过机加工。

13.一种用于机械的实心叶片，实心叶片采用根据权利要求1至12中任一项所述的方法获得，所述实心叶片由钛铝合金和/或陶瓷基材料制成。

14.一种涡轮机，涡轮机包括至少一个根据权利要求13所述的实心叶片。