专利名称：整装叶片转子总成的制造或修理技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及整体叶片转子的制造和修理领域。本发明还涉及到超耐热合金的固态扩散熔合技术。
燃气轮机是广泛应用的，主要用于航空器动力装置的高度发展的发动机。燃气轮机的工作概况包括在压气机内把空气压缩到高压和高温状态，燃料喷射，而后与压缩空气一起燃烧，燃烧产物经燃气轮机级膨胀，燃气轮机从燃烧产物中获得相当的能量。燃气轮机级供给压气机级动力，而在某些情况下，还提供可用的外部机械能。
在大型燃气轮机中，压气机级和燃气轮机级为轴流式结构，并且每级包括一轮盘，在其轮上装有众多的翼型叶片。这些叶片随轮盘转动，轮盘安装在一转轴上，因此这些轮盘和叶片总成经受着极严酷的环境条件。
在历史上，叶片和轮盘总成是由独立的部件制成的，其中叶片用机械方法连接在轮盘上。虽然这种结构允许叶片和轮盘用不同的材料是有利的，然而，相对于单一的整体叶片转子总成却大大地增加了总成的重量。
对燃气轮机，特别是军用燃气轮机性能要求的提高正在导致引用整体叶片转子，其中叶片是转子的整体部分，并且还和轮盘一起整体制成，或者通过冷金术熔合到轮盘上。这就减轻了由于现有技术中机械连接方案而带来重量增加的不足。
一轮盘和叶片总成一般可包括单个轮盘，其上大约装有100个叶片。在采用机械连接工艺的现有技术装配方法中，只要卸下损伤的叶片而代之以同样的完好叶片，比较方便，并且能迅速运送。显然，在整体叶片转子的新情况下，这种修理远非简单。在燃气轮机的压气机和燃气轮机级中，按应力和温度，这些叶片和轮盘在它们性能参数的外极限下工作。这意味着任何修理技术必须进行这样的修复，它们具有母体金属的强度，通常是叶片材料的强度。抗疲劳，抗破坏等其它要求也必须满足。
在叶片和轮盘的使用中和最初制造中可能出现需要修理。在使用中，显然破坏可能是由于多种原因而引起的，同样在制造过程中，即使差异是相当小的，在通常装配到一个轮盘上的100个叶片中，一个或多个叶片也会有某些缺陷。
也需要一种通过将个别叶片熔合到一个轮盘上来最终制造整体叶片转子的方法。因此，本发明的目的是要叙述一种修理整体叶片转子的方法。本发明的另一目的是要叙述一种能用于制造整体叶片转子的技术。
按照本发明的一个主要方面，一个破坏了的叶片用机加工切下，在轮盘缘上留下一凸台。准备好具有必要尺寸的修理叶片总成。该修理叶片总成在靠近要被熔合到所述凸台上的叶片部分也有一个圆形凸缘。
所述修理工艺是在高真空条件下进行的，该修理叶片靠近所述凸台定位，并施加一机械力，迫使该叶片端部和所述凸台紧密接触在一起。借助于一工具对叶片施加压力，它作用于所述凸缘上。当压力施加在该叶片和凸台之间时，该熔合处通过电阻、感应、幅射和电子束几种加热方法中的某一种方法被局部加热到较高温度。出于实用和经济的理由，电阻加热是所希望的。熔合温度和熔合力是可调控的。以便在该叶片和凸缘之间形成一种冶金术熔合。在熔合工艺终了时，所述凸缘作为熔合工艺过程中从熔合处消除的任何材料从该叶片上被切削掉。
这种修理工艺也能用于从头开始制造整体叶片转子。
根据下列叙述和附图，本发明的前述的和其它的特点和优点会变得更加明显。
图1表示带有一损伤叶片的整体叶片转子。
图2表示该损伤叶片的放大图;
图3表示用于叶片修理的本发明装置的部件分解图;
图4a和4b是图示与本发明工艺技术有关的金相组织的显微照片。
参照具体图示本发明的修理实施例的各图叙述本发明。图1表示带有一损伤叶片1的整体叶片转子总成。图2为包括该损伤叶片1的图1的局部破碎图。图2中的虚线10指明要修理熔合的熔合处。该修理熔合的熔合处被选定在远离所述损伤区12，但同时应接近该轮盘表面14，以便形成一凸台16。一般的剩余高度可为0.1至0.2吋。可以通过任何传流的技术，包括机械切削，放电加工等技术来切去叶片的损伤部分。图3是表示凸台16和修理叶片18和叶片夹具40的部件分解图。修理叶片18的显著特点是其横截面和损伤叶片1的横截面相当一致。并且该修理叶片18在其周围有一凸缘30，较靠近熔合处。修理叶片18熔合处其横截面和凸台16的横截面互为镜影。在生产场合下，无疑会有几个标准的修理叶片外形，它们被选定来满足各种修理要求。
凸缘30的形状和位置有利于均匀地加热和变形。和匹配的叶片夹具40一起工作的凸缘30(它最好具有直线或平直的特点)能允许在工具40和叶片18之间有均匀的电接触(在电阻加热的情况下这是必要的)，这是由于对平直的凸缘表面固定要容易，相反，沿有复针外形的翼型表面要获得均匀的接触却不容易。这就确保了电流沿翼型全宽(前沿和尾沿)均匀流过该熔合区，不管叶片的厚度变化，促进温度均匀。凸缘30最好和叶片夹具相应的凹凸42相配合，由于沿其长度上有良好的电接触，它能作为一个靠近熔合区的有效热量传递部位，有助于高温区被限制在局部范围内。所传递的热量从叶片凸缘30扩散到叶片夹具40是通过位于和叶片凸缘30相接触的熔合工具表面上方(或周围)的处在关键部局的水冷通道44来实现的，它被设计得使叶片熔合工具的结构完整性不受过高温度而减低。同时，工具40必须结实到足以抵抗熔合期间出现的变形。
水冷系统使新换的翼型叶片18的凸缘部分30保持在该合金强度允许变形的该点以下的温度。这样，该凸缘在整个熔合周期内保持了尺寸精确和稳定。
凸缘30，由于靠近熔合区，能使熔合所需的力F有效传递而不致远离熔合区产生塑性变形，即翼型叶片其余部分的弯曲和扭弯。这是施加力的关键性的特点，因为在该凸缘以上的翼型叶片部分已是最后的形状(经机加工)。这也有利于该工艺过程的尺寸精度。
凸缘30能提供一种从复杂翼型变化厚度(它难于使各部分一一对应匹配)到包含一些平直表面(沿轴向和横向两者)的简化了的形状的过渡，这些平直表面在修理用叶片制造期间易于加工，并且在叶片熔合装配期间易于定位或顶贴在成复制状态的叶片夹具40内。
因此，凸缘30包括精确的定位面42，它们简化了装配，并且在新型的整体叶片转子的自动生产系统中成为一种理想的特性，其中在一个真空周期中完成的制造工序内各叶片顺次被装入该叶片熔合工具内。
熔合准备包括要熔合的表面的处理以促进熔合。这主要包括去除所有外部杂质，包括塵土，油脂和润滑油等以及表面氧化物。这种表面准备可通过各种表面机械研磨工步，跟着化学腐蚀工步的技术来完成。
熔合一般在温度和压力高到足以使金属产生流动的条件下、在某一高真空度下(10-5毫米汞柱)进行的。这些条件显然取决于实际所含材料而变化。然而，对于一般的超耐热合金，其温度将处在1900°F-2100°F的量级，而其压力处在15千磅/吋2的量级。在长度例如在2至3吋之间的一般尺寸叶片的熔合中，使修理用叶片和凸台墩粗或缩短0.05吋的数量级是适合的，以确保在熔合期间金属充分流动而一定出现熔合。根据在熔合工艺过程内熔合连接处面积的增加还可测定或估计其变形。在此情况下，熔合面积至少增加50%，并且最好至少增加100%，将确保真正的冶金术熔合事实上已经出现。
在熔合工艺之后，上述部分能从熔合装置上被去除，凸出的凸缘和从熔合连接处被挤出的任何墩粗的材料能用传统的切削技术从叶片上去除。
图4图示利用本发明的工艺可获得的值得注意的熔合完整性。图4表示取自按本发明熔合的修理用叶片的二种金相组织。该材料为IN100(通常是10%铬，15%钴，3%钼，5.5%铝，4.7%钛，0.18%碳，0.014%硼，0.06%锆，1%钒，余量镍)。图4a表示在修理用叶片叶光处(远离熔合区)的金相组织，而4b表示在熔合区或熔合界线处的金相组织。图4b的材料是在1850°F、15千磅/吋2下熔合的，然后在2065°F下热处理一小时(固溶退火)，1400°F下一小时(时效)，然后缓慢冷却到室温。二张图是用放大1000倍拍摄的显微照片，其相似性是明显的的。同样明显的，其熔合界线不能从图4b中分辨。在熔合线处的金相组织的一致性暗示被修复部分具有和原始部分相同的性质，并且机械性能试验证实了这一点。
尽管就其详细的实施例已表示和叙述了本发明，凡精通本技术的人会明白，在不背离所提出专利申请的本发明精神和范围情况下，可以作出其形式上和细节上的种种变化。
权利要求
1.一种在包括一个具有许多从轮缘处延伸的整体叶片的轮盘的整体叶片转子上更换叶片的方法，包括下列工艺步骤a)去掉一个原先存在的叶片，留下一凸台，即所述原先存在的叶片的一部分，从其轮缘上凸出来，所述叶片凸台具有一个面，它构成更新叶片要被熔合于其上的表面；b)使一个更新的叶片处在靠近所述凸台的位置，所述更新叶片在靠近要和所述凸台的邻接表面熔合处、围绕其周围有一环形凸缘，所述更新包括一个预定的熔合区；c)在所述凸台和所述更新叶片之间施加一压力，所述力经所述凸缘施加于更新的叶片上；d)将处于所述凸台和所述更新叶片之间的所述预定熔合区局部加热到使其软化，产生金属流动并熔合的温度；e)经切削加工从所述更新叶片上去掉上述凸缘。
2.一种在包括一个具有许多从轮缘处延伸的整体叶片的轮盘的整体叶片转子上更换叶片的方法，包括如下工艺步骤a)准备好一个具有若干凸出的凸台的轮盘;b)准备好若干叶片预成型坯，每一预成型坯具有一个围绕其周围的环型凸缘，将所述叶片预制件定位在靠近某一凸台处;c)在所述凸台和所述叶片预制件之间施加一压力，所述力经所述凸缘施加于该叶片预制件上;d)将处在所述凸台和所述叶片预制件之间的所述预定熔合区局部加热到使其软化，产生金属流动并熔合的温度，以达到熔合，然后允许熔合区冷却;e)经切削加工自所述叶片上去除所述凸缘;f)重复步骤“c”、“d”和“e”直到所有的凸台都熔接上叶片。
3.一种如权利要求2所述的方法，其特征在于当许多叶片熔接于凸台后，对许多叶片实施步骤“e”。
全文摘要
开发了制造和修理整体叶片转子的技术。新的或更新的叶片被熔接到一个凸出凸台上。新叶片有一凸缘，经凸缘传递熔接力。在借助于热和压力熔接处，进行最后机加工和热处理作业。
文档编号B23K20/00GK1043974SQ8910924
公开日1990年7月18日 申请日期1989年12月9日 优先权日1988年12月27日
发明者雷蒙·迈克尔·沃克, 唐纳德·保罗·艾乔尔, 罗伯特·沃尔特·包姆加滕, 拉尔夫·布朗利·博加德 申请人:联合工艺公司