为叶片前缘制作保护加强件的方法

为叶片前缘制作保护加强件的方法
【专利摘要】一种制作用于加强叶片（12）的前缘（16）的加强件（30）的方法，其中，所述加强件（30）通过受压热喷涂在所述前缘（16）上沉积金属涂层来制作。一种叶片（12），特别是涡轮机引擎的叶片，直升机的叶片，或者螺旋桨的叶片，在其中前缘（16）受到这样的加强件的保护。
【专利说明】为叶片前缘制作保护加强件的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及为叶片前缘制作保护加强件的方法，且还涉及由这样的加强件保护的叶片。举例来说，叶片可以是涡轮机引擎的叶片，直升机的叶片，或者是螺旋桨的叶片。
【背景技术】
[0002]在航空领域，且更特别地在航空器涡轮喷气发动机领域，持续关注的是减小涡轮喷气发动机的组成元件的重量。此关注已经导致研发的风机叶片或导向叶片是有机基复合材料制成的叶片，这样的复合叶片比金属叶片轻。
[0003]然而，这样的复合叶片的前缘太易于被侵蚀且易于受到潜在的撞击(鸟、砂砾、冰、沙子等等)以致于在没有保护的情况下不适合使用。这就是为什么知道要在下面各项的帮助下来保护这样的前缘:
[0004]粘于该边缘上的金属加强带；
[0005]应用于该边缘的抗侵蚀涂料；
[0006]粘于该边缘上的由金属或塑料材料制成的抗侵蚀膜；或者
[0007]上面提及的保护件的组合。
[0008]无论使用什么保护件，其在前缘上的接合是主要的方面:有必要把保护件足够充分地接合到前缘，使它在不被分开的情况下且不相对于前缘移动的情况下适应撞击，以及满足在正常操作情况下的使用期限要求。
[0009]尽管是令人满意的，但是发现那些已知保护件太复杂和/或太贵以致于不能在实践中使用。此外，它们不能够:修复叶片(即，确保在使用中被磨损或损坏然后修复的叶片遵照要求)，或者恢复叶片(在制造过程中发现有缺陷的叶片且使它达到要求)。
[0010]因此存在对至少部分地没有上面提及的缺点的保护加强件的需求。

【发明内容】

[0011]本发明提供了一种制作用于保护叶片前缘的加强件的方法，其中，该加强件是通过热喷涂沉积在前缘上的金属涂层。该加强件因而由沉积的金属涂层形成。
[0012]术语“金属涂层”用来指示可以由纯金属、金属合金或陶瓷制成的涂层。有利地，对于该涂层而言金属或合金可足够延展以呈现良好撞击阻尼属性，以便在保护前缘方面是有效的。
[0013]有利地，金属涂层通过受压热喷涂来沉积。受压热喷涂技术是已知的技术，其包括使用高速热喷涂方法(例如，“冷喷涂”方法，高速氧燃料(HVOF)方法，高速空气燃料(HVAF)方法，混合方法，等等)在设定喷涂参数时，特别是金属颗粒的喷涂速度时，以适合于确保沉积的涂层处于“受压”。处于受压且已经沉积在平面上的涂层和可变形测试件在该测试件上施加力因此该测试件倾向于在该涂层的旁边变成凸起。
[0014]借助于受压热喷涂，首先能够在叶片上沉积相当可观厚度的金属涂层(S卩加强件)，典型地具有若干毫米的厚度，并且更特别地具有处于范围0.5毫米(mm)至20mm中的厚度。此外，既然该沉积的涂层是受压的，所以它夹到叶片的前缘上面，由此进一步改善了该边缘上加强件的接合。
[0015]在某些实施例中，在热喷涂步骤之前，在前缘任一侧上在叶片中形成至少一个纵向凹槽(即，给定总共至少两个凹槽)，该金属涂层沉积在这些凹槽中。由于所述凹槽在叶片的长度方向上延伸，像前缘一样，所以把它们称为是“纵向的”。当叶片不是笔直的，而是卷曲的时，所述凹槽遵循叶片的曲线的前缘，因此它们本身是曲线的。
[0016]这样的凹槽使得加强件能够嵌入在叶片中。此嵌入特别是还通过提供剪应力的机械保持力改善了加强件在前缘上的保持力。换句话说，凹槽防止了加强件和叶片之间的相对滑动。
[0017]在其它实施例中，在制造了叶片之后，凹槽通过机加工来制造。此机加工操作呈现了执行简单的优点，但是它可能导致叶片机器强度的减小。
[0018]在某些实施例中，在制造叶片期间通过模制来制造凹槽。与机加工相比，此解决方案呈现出导致叶片机械强度减小得更少的优点。
[0019]在某些实施例中，凹槽具有向外张开的轮廓以便更容易在凹槽的底部中沉积金属涂层。
[0020]在某些实施例中，所述金属涂层由N1、Al或Ti制成，或者由基于N1、Co、Al或Ti的合金制成，或者由陶瓷制成。例如，它可能包括:
[0021]NiAl, NiCrAl, NiCrAlY类型的Ni基合金，以及特别是具有Al的重量为5%至20%的Ni基合金，例如Ni5Al, NiCr-6Al ；
[0022]具有Si的重量至多为12%的铝合金；
[0023]具有大含量的附加金属元素的基于Ni或Co的所谓的“强”金属合金，例如CoMoCrSi, CoNiCrAlY ；
[0024]具有大含量(优选大于按重量计12%)的Co, Ni, Cu, Al类型的金属元素或者这些元素的合金的陶瓷，例如WC12Co，WC17Co ;或者
[0025]Ti轻熔合的合金，诸如TA6V。
[0026]这样的金属或合金呈现出机械属性，特别是对于该期望应用有利的延性。
[0027]本发明还提供了具有前缘的叶片，该前缘受到通过受压热喷涂在前缘上沉积金属涂层而形成的加强件的保护。该加强件还可以包括插在前缘和金属涂层之间的接合衬层或箔，如下面所描述的。
[0028]在某些实施例中，叶片由有机基复合材料制成。举例来说，它可以是通过覆盖编织织物所获得的复合叶片。再举例来说，所使用的复合材料可以由具有树脂基质(例如，环氧树脂的基质，双马来酰亚胺的基质，或者氰酸酯的基质)的塑料纤维和/或编织碳的组合构成，该组合通过使用树脂转移模制(RTM)类型的真空树脂喷射方法进行的模制来进行成型。
[0029]在某些实施例中，叶片呈现出两个纵向凹槽，一个在前缘的任一侧上，该凹槽由金属涂层来填充。金属涂层(以及因而加强件)因此覆盖了这些凹槽。
[0030]在某些实施例中，所述金属涂层由N1、Al或Ti制成，或者由基于N1、Co、Al或Ti的合金制成。
[0031]在某些实施例中，加强件的厚度处于范围0.5mm至20mm中。
[0032]在阅读对本发明的示例的下面详细描述时，本发明的上面提及的特性和优点与其他的特性和优点一起显现出来。参考附图进行此详细描述。
【专利附图】

【附图说明】
[0033]附图是图解性质的并且未按比例绘制，而且它们首先设法图示本发明的原理。
[0034]在图中，从一个图至另一个，使用相同的附图标记来表示类似的元件(或者元件的部分)。
[0035]图1是其前缘被保护加强件覆盖的叶片的侧视图。
[0036]图2是图1叶片在横截面A-A上的剖面的不完整视图。
[0037]图3是类似于图2的视图，示出了叶片的另一示例。
[0038]图4是类似于图2的视图，示出了叶片的另一示例。
[0039]图5是类似于图2的视图，示出了叶片的另一示例。
[0040]图6是类似于图2的视图，示出了叶片的另一示例。
[0041]图7是类似于图2的视图，示出了叶片的另一示例。
【具体实施方式】
[0042]图1和2示出了是涡轮机引擎叶片10的叶片12。该叶片是航空器涡轮喷气发动机的风机叶片。
[0043]叶片12要位于经过涡轮喷气发动机的空气流中。上游和下游是相对于此气流的正常流动方向来定义的。
[0044]叶片12具有空气动力学表面且在第一方向14和第二方向20上延伸，该第一方向14在前缘16和后缘18之间是轴向的(相对于叶片10的旋转轴)，该第二方向在根部22和尖部24之间是径向的(对应于叶片12的纵向方向)。叶片10通过其根部22固定至多个叶片共用的旋转承载盘。
[0045]吸力和压力侧面13和11是叶片12的把前缘16连接至后缘18的侧面。
[0046]前缘16覆盖有保护加强件30。加强件30与前缘16的形状紧密贴合，它延伸以便形成该加强件的前缘31。
[0047]该保护加强件30呈现出基本U形的部分并且它跨着前缘16而定位。此加强件具有基部39，基部39是该加强件最厚的区域(即，处于范围IOmm至20mm中)且其限定了该加强件的前缘31。基部39扩展有两个侧法兰35和37，这两个侧法兰35和37分别位于叶片10的压力侧和吸力侧上。在横截面(图2)上，法兰35和37呈现出开始于朝着后缘18的逐渐变细然后朝着法兰的端部变厚的轮廓。
[0048]该保护加强件30通过受压热喷涂把金属涂层32沉积在前缘16上而制成。
[0049]在沉积金属涂层32之前可以在前缘16上沉积接合衬层50 (见图6)。举例来说，此接合衬层50可以由N1、Al、Cu和Co的合金构成，在其中其它元素含量少(按重量计小于15%)。举例来说，此接合衬层通过等离子喷涂或者通过火焰喷涂方式喷涂而成。一旦沉积了接合衬层50，就在此衬层50上热喷涂涂层32。
[0050]可以使用低速参数来执行接合衬层50的热喷涂:火焰喷涂固有地是低速操作，而关于等离子喷涂，把Ar+H2气体的体积选择为小于或等于40公升每分钟(L/min)。此外，对于该衬层的热喷涂而言可以使用下面参数中的一个或多个:[0051]范围0.05mm至0.25mm的衬层厚度；
[0052]被保持尽可能冷的工件(例如，距该表面0.5mm的深度处的前缘的温度低于塑料材料的玻璃化转变点至少10%)；
[0053]低粉物质流率(例如，<40克每分钟(g/min))；
[0054]通过吹动(或者甚至低温吹动)的剧烈冷却；以及
[0055]喷涂枪的快行进速度(例如，60米每分钟(m/min)至120m/min)。
[0056]举例来说，金属涂层32由选自下面的材料制成:镍基合金；合金陶瓷；以及基于镍或钴的强金属合金。金属涂层32通过在HV0F、HVAF或冷喷涂(Cold Spray)喷涂器具的帮助下喷涂所述材料而获得，其中其参数被设定成以便产生受压涂层。
[0057]能够在“Almen”测试件上执行HVOF、HVAF或Cold Spray喷涂的测试以便为金属涂层32选择最佳材料。所使用的材料优选是满足下面三个标准的材料:
[0058]沉积的涂层使“Almen”测试件处于压缩态；
[0059]在没有分离的情况下可以对该涂层进行沉积直到厚度大于1_ ；以及
[0060]在沉积期间测试件后面上放置的热电偶显示出其温度未超过150°C。
[0061]此外，对于规定的涂层厚度，典型地是0.5mm而言，使用所谓的“Almen”测试件(如NFL06832C标准所规定的测试)可以监视该涂层的压缩水平。Almen拱的值优选大于F5N。
[0062]受压金属涂层32的热喷涂可以如下执行。
[0063]举例来说，对于冷喷涂喷涂而言:
[0064]喷涂速度大于马赫(Mach) I ;
[0065]气体温度处于范围200°C至1000°C中；
[0066]粉物质流率处于范围10g/min至80g/min中；以及
[0067]腔压大于40帕。
[0068]例如，对于HVOF喷涂而言:
[0069]气体:煤油/氧气或者氢气/氧气；
[0070]粉物质流率在范围10g/min至80g/min中；
[0071]HVOF HP设备的腔压大于8帕；
[0072]直接在该涂层上进行低温冷却(液态C02或者镍或者"小球状"C02);以及
[0073]把该部件保持在低于150°C的附加吹动。
[0074]例如，对于HVAF喷涂而言:
[0075]气体:煤油/氧气或者氢气/氧气；
[0076]粉物质流率在范围10g/min至80g/min中；
[0077]HVAF HP设备的腔压大于8帕；以及
[0078]直接在该涂层上进行低温冷却(液态C02或者镍或者"小球状"C02)。
[0079]在该涂层32的或者该衬层50的热喷涂之前，可能更可取的是制备叶片12前缘16的表面。举例来说，这在当叶片是由结合碳纤维和喷注塑料粘接剂(通常为环氧树脂)制成时发生。在结合期间，碳纤维变成叠瓦状，留下最小量的空间。在该表面上，此叠瓦状被中断并且喷注的塑料粘接剂使剩余的粗糙部光滑。在这样做时，前缘16完结，其中在该表面上比在其核心中具有更大的塑料/纤维比率。通常涂层32的或者衬层的接合在纤维上比在塑料材料上好，因此该制备可能在于机械地缩小前缘16的表面的比例以便去除多余的塑料。此缩小比例通常不超过0.1mm至0.2mm (假设叶片12已经被正确地模制了)。
[0080]在某些情况下，缩小比例然而是不可能的，例如，因为存在减小部件或者考虑中的区域的机械强度(如应用到在机械方面大量加载的部件或区域)和/或因为考虑中的区域或部件太小以致于不能经受材料损失。在这样的情况下，接合衬层50可以由小厚度的箔60来代替，例如厚度0.02_至0.4mm (见图7)。箔60例如通过粘合剂固定至前缘16。在该部件的模制期间或者在模制之后可以粘合性地接合该箔。然后可以通过微孔对箔60进行打孔以便改善粘合接合。一旦接合了箔60，就在此箔60上热喷涂涂层32。
[0081]衬层50或者箔60可以由金属制成，因此可以在用于喷涂到金属衬垫上的配置中进行涂层32的喷涂。
[0082]如图2中所示，叶片12在前缘16的任一侧上呈现出相应的纵向凹槽41、43 (例如，在前缘的一侧上的第一凹槽和在另一侧上的第二凹槽)。这两个纵向凹槽41、43分别位于压力测11和吸力侧13中。在这些凹槽41、43中沉积金属涂层以便此凹槽由加强件30覆盖。
[0083]法兰35、37在凹槽41、43中呈现出它们的最大厚度，并且它们的最小厚度在凹槽的上游。这些凹槽41、43使得加强件30能够嵌入在叶片12中。
[0084]对于凹槽41、43而言可以设想各种轮廓。图2至5示出了可能轮廓的不同示例。在它们的下游侧(即，朝着后缘18)，凹槽41、43由叶片12侧面中的相应梯阶限定，如果发生撞击对于加强件30而言这些梯阶47形成了桥台并且因而防止加强件30在叶片12上滑动。在它们的上游侧(即，朝着前缘16)，凹槽41、43由叶片12侧面中的相应梯阶限定，如在图2和3的示例中那样，或者相反它们由相应平缓斜坡48限定，如在图4的示例中那样。图5的示例不同于图4的示例之处在于在凹槽41、43的上游侧上在平缓斜坡48中形成了一系列的纵向褶皱。
[0085]在所有这些示例中，凹槽41、43呈现出向外张开的轮廓因此金属涂层能够容易地沉积在凹槽的底部上，即使当热喷涂以不是90°的角度(其对应于相对于该表面正交地进行喷涂)进行时也能如此。典型地，所示出的凹槽轮廓使得能够以处于范围45°至90°的角度执行喷涂。
[0086]本说明书中所描述的示例实施例通过非限制性图示给出，并且在保持在本发明的范围之内根据此描述本领域技术人员能够容易地修改这些实施例或示例或者能够设想其他的实施例或示例。
[0087]此外，这些实施例或示例的各种特性可以被独立地使用或者彼此组合地使用。当对它们进行组合时，可以如上面所描述地或者以其它方式组合这些特性，本发明不限于本说明书中所描述的特定组合。特别地，除非有相反规定，与任一个实施例或示例相关地描述的特性可以采用与其它实施例或示例类似的方式来应用。
【权利要求】
1.一种制作用于保护叶片(12)的前缘(16)的加强件(30)的方法，该方法的特征在于，所述加强件(30 )通过受压热喷涂在所述前缘(16 )上沉积金属涂层(32 )来制作。
2.依据权利要求1所述的方法，其中，在受压热喷涂步骤之前，在所述前缘(16)任一侧上在所述叶片(12)中形成至少一个纵向凹槽(41、43)，其中在这些凹槽(41、43)中沉积所述金属涂层。
3.依据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述金属涂层由N1、A1或Ti制成，或者由基于N1、Co、Al或Ti的合金制成,或者由陶瓷制成。
4.依据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述加强件(30)具有处于范围0.5mm至20mm中的厚度。
5.依据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，在沉积所述金属涂层(32)之前在所述前缘(16 )上沉积接合衬层(50 )。
6.依据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，在沉积所述金属涂层(32)之前在所述前缘(16)上固定金属箔(60)。
7.一种具有前缘的叶片，所述前缘(16)受到通过受压热喷涂把金属涂层沉积在所述前缘(16)上而形成的加强件(30)的保护。
8.依据权利要求7所述的叶片，所述叶片(12)由有机基复合材料制成。
9.依据权利要求8所述的叶片，所述叶片(12)是涡轮机引擎的叶片，直升机的叶片，或者螺旋桨的叶片。
10.依据权利要求8或权利要求9所述的叶片，在所述前缘(16)任一侧上呈现出至少一个纵向凹槽(41、43)，这些凹槽由所述金属涂层填充。
11.依据权利要求7至8中任一项所述的叶片，其中，所述金属涂层(32)由N1、Al或Ti制成,或者由基于N1、Co、Al或Ti的合金制成,或者由陶瓷制成。
12.依据权利要求7至11中任一项所述的叶片，其中，所述加强件(30)具有处于范围0.5mm至20mm中的厚度。
【文档编号】F01D5/14GK103781588SQ201280038957
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2012年8月9日 优先权日:2011年8月10日
【发明者】劳伦特·保罗·都顿, 安东尼·科里米多·阿兰蒂斯 申请人:斯奈克玛