叶片保护边缘和制造该边缘的方法与流程

本发明涉及叶片保护边缘和制造该边缘的方法。所述保护边缘具体可为涡轮发动机叶片的保护边缘。

发明背景

在航空领域，更具体地在飞机涡轮喷气发动机领域，降低涡轮喷气发动机的组成元件的质量始终受到关注。这种关注引导开发了由具有有机基质的复合材料制成的风扇或整流器叶片，这些复合叶片比金属叶片更轻。

复合叶片的前缘在不设保护的使用中通常对腐蚀和可能的冲击(鸟、砾、冰、砂等)很敏感。因此通常使用保护边缘，其由金属或塑料制成，胶粘在叶片本体上。然后该保护边缘限定叶片的前缘。例如，专利WO2013021141公开了该保护边缘。

保护边缘粘附在叶片本体上是关键方面。为了改善该粘附，根据一种已知方法，在叶片本体和加强边缘之间沉积有一定数量的中间层，例如聚氨酯膜或粘结剂底料。根据另一方法，待胶粘的表面经机械制备，例如通过砂纸打磨或刮擦。尽管令人满意，但这些方法非常耗时、复杂和/或制造成本高昂。此外，前述中间层可能包含某些对环境有害的物质，它们正在经历被国际组织(例如欧洲的REACH系统)停用的过程。

因此需要新型保护边缘，其能有效保护叶片同时易于固定在叶片本体上。

发明概述

本发明涉及制造叶片保护边缘的方法，其中保护边缘由可阳极化处理的金属制成，并且保护边缘经历微弧氧化电解处理。

微弧氧化电解处理是本身已知的表面处理技术，其包括在电解浴中浸没基材并用高电压阳极化该基材，从而达到绝缘氧化物层的击穿电压，所述绝缘氧化物在处理最初时在基材表面形成。然后启动微弧并在基材的浸没表面上移动。该技术一方面允许在具有特定结构和特定物理化学性质的基材表面通过形成氧化层来形成涂层，该氧化层由基材的组成元素组成，另一方面允许在氧化层中纳入最初在电解浴中存在的化学物质。处理最后，所获涂层在核心具有致密硬结构，在表面具有多孔结构。该技术在文献中还指“微弧等离子氧化处理”或更简单的“微弧氧化处理”。

微弧氧化与传统阳极化方法非常不同。具体地，微弧氧化在所涉及的大量能量方面与那些方法不同，所述大量能量是达到氧化层击穿电压所必需的。

通过微弧氧化产生表面涂层形成了特异涂层，其具有与传统阳极化所获涂层非常不同的特异的微结构。

微弧氧化不需要输入金属来形成涂层。所形成的涂层由经历微弧氧化处理的基材表面上存在的金属(或金属物质)的氧化而获得。

在建议的应用中，保护边缘用作基材并且微弧氧化处理使保护边缘表面形成涂层，所述涂层一方面核心致密且硬，另一方面表面多孔。该涂层的硬度使其有效保护叶片免于腐蚀或任何冲击，而涂层的表面多孔性因提供对所用粘结剂的良好抓着而便于并改善涂层的固定，尤其是当其通过胶粘固定时。

该保护边缘可具体由钛、钛合金、铝或铝合金制成。当保护边缘由钛或钛合金制成时，保护边缘上形成的涂层主要由氧化钛组成。

为了确保对叶片的保护，所述保护边缘设置为能够胶粘在叶片本体上，从而形成叶片的前缘或后缘。

在一些实施方式中，保护边缘具有彼此相对的外表面和内表面，所述外表面部分地限定叶片的空气动力学表面，所述内表面设置为固定在叶片本体上。

在实施本发明的方法期间，微弧氧化处理通常施加在保护边缘的所有外部表面上，因此施加在外表面和内表面上。

然而，对叶片的保护边缘的这两种表面的表面性质的需求则不同。

在外表面上，叶片的保护边缘必须优选既由于空气动力学原因而非常平滑，又对磨损具有较强抗性从而承受空气中存在的颗粒的影响。

微弧氧化获得的表面涂层通常具有一定的粗糙度。因此先验地，该涂层似乎一点也不适于用作组成叶片前缘或后缘的表面。

或至少，当该涂层具有所需的粗糙度以允许部分胶粘时，该粗糙度通常会使涂层不能满足空气动力学需求，而这种需求却要求表面特别平滑。

因此，在一个实施方式中，保护边缘的外表面优选在微弧氧化处理后抛光。然后该抛光允许外表面达到满足一定空气动力学需求水平的粗糙度水平。

具体地，抛光可使得保护边缘的外表面的粗糙度水平低于2μm，优选低于0.8μm。

此外，抛光后，涂层的致密和硬结构位于表面。优选地，涂层的该部分具有特别高的耐磨性。

与此相对，在保护边缘的内表面上，微弧氧化形成的涂层的表面层具有表面多孔性和内表面粗糙度性质，这完全适用于该表面胶粘在叶片上。因此，该表面层可保留从而有利于保护边缘在叶片本体上的物理化学粘附(例如胶粘)。具体地，内表面在微弧氧化处理后优选不进行抛光。还可对处理期间所用的电解浴的组成进行选择，从而内表面的多孔表面纳入有利于物理化学粘附的特定化学物质。

微弧氧化步骤之后(任选再进行抛光步骤)，保护边缘胶粘在叶片本体上。从而保护边缘形成叶片的前缘或后缘。

在一些实施方式中，微弧氧化电解处理包括下述步骤：

-将保护边缘浸入电解浴中，该保护边缘形成第一电极，

-将第二电极(也称为对电极)浸入该电解浴中，和

-向所述第一和第二电极施加电压。

优选地，该电压施加时产生电流。换句话说，微弧氧化操作是受控的，尤其是通过调节所产生电流的强度。

优选地，施加的强度具有脉冲，尤其是当保护边缘由钛或钛合金形成时。优选地，这些脉冲的频率低于50赫兹。

第二电极可在电解浴中设置为面向加强件(reinforcement)的内表面，从而有助于该内表面的处理，内表面的几何结构相比外表面而言通常不便于处理。通常，加强件的内表面内凹(即中空)，而外表面则外凸(即弧形)。

加强件可具有基本U型的横截面，从而放置成跨过叶片本体。该加强件可具有构成保护边缘最厚部分的基底。该基底的外表面可限定叶片的前缘(或后缘)。该基底可通过分别位于叶片压力侧和吸气侧的两侧侧翼而延伸。这些侧翼的外表面分别部分地限定叶片的压力侧和吸气侧。在横截面中，这些侧翼的型面(profile)可随着远离基底而更薄。保护边缘可固定在叶片本体的全部高度或部分高度上。

本发明还涉及用上述方法制造的保护边缘和含该保护边缘的叶片。叶片可为涡轮机叶片，尤其是(例如飞机涡轮喷射发动机的)航空涡轮机风扇叶片。叶片还可为螺旋桨或翼。

叶片可包括有机基质复合材料制成的本体或中心部分。叶片可例如为通过纺织材料包模成型而获得的复合叶片。例如，所用复合材料可由纺织碳/塑料纤维和树脂基质(例如环氧树脂、双马来酰亚胺或氰酸酯的基质)的组装件所组成，所述组装件通过例如使用RTM(树脂转移模制)型的真空树脂注射方法的模制形成。

保护边缘可固定在中心部分(尤其通过胶粘)，并且可限定所述叶片的前缘或后缘。

阅读本发明如下实施方式的详述后，本发明的前述特征和优点以及其他特征和优点而显见。该详述参照附图。

附图的简要说明

附图为示意图而非按比例绘制；其主要目的是示例本发明的原理。

这些图中，从一个图(FIG)至另一图中，相似元件(或元件的部分)用相同参考标记指示。

图1是含保护边缘的叶片的侧视图。

图2是图1叶片的局部视图，沿着横截切割平面A-A的剖视图。

图3是微弧氧化电解处理装置的总图。

图4是示意图，显示本发明一个实施方式中施加的强度脉冲。

图5以剖视图示意性显示用微弧氧化电解处理在基材上形成的示例涂层的结构。

发明详述

图1和2显示涡轮机发动机叶片10。该叶片可为飞机涡轮喷射发动机的风扇叶片。该叶片10将位于流过涡轮喷射发动机的流体流中。上游和下游相对该流体的正常流动方向所定义。

叶片的空气动力学表面12在前缘16和后缘18之间从上游延伸至下游，并且沿着柄部22和顶点24之间的纵向20。叶片10通过其柄部22固定于旋转支持盘上，旋转支持盘上有数个叶片。

吸气面13和压力面11为连接前缘16至后缘18的叶片空气动力学表面12的侧面。

叶片10包括本体9，其上通过胶粘固定有保护边缘30。该保护边缘30沿着纵向20延伸超过叶片10的空气动力学表面12的整个高度。保护边缘30具有彼此相对的外表面31和内表面32。保护边缘30的外表面31限定前缘16以及压力面11和吸气面13的部分。吸气面13和压力面11的剩余部分以及后缘18由叶片本体9限定。保护边缘30的内表面32接触本体9。

保护边缘30具有基本U型的截面并且放置为跨过本体9的边缘。该加强件具有基底39，其为该加强件的最厚区域并限定前缘16。该基底39通过分别位于叶片10的压力面侧和吸气面侧的两侧侧翼35和37而延伸。侧翼35和37的横截面(参见图2)的型面在向后缘18的方向上变薄。

图3示意性显示微弧氧化电解处理装置1的示例。该装置包括含电解浴3或电解液的槽2。例如，该电解浴由碱金属(如钾或钠)氢氧化物和碱金属含氧酸盐的水溶液组成。一方面，形成第一电极、由金属或金属合金制成并具有半导体性质的基材5，和另一方面，称为“对电极”的至少一个第二电极4，浸入电解浴3中。该装置还包括电流供给源6、电压发生器7和控制器件(例如微型计算机8)，基于处理工序控制和监控可变参数。控制器件8具体允许调控流过电解浴的电流的强度I。该装置允许通过转变构成该基材5的金属来在基材5上形成涂层。本领域已知该装置的通常操作和控制，本文将不对它们作进一步详述。

在建议的方法中，基材5通过保护边缘30形成。例如，保护边缘30由钛或钛合金制成。为在该保护边缘30上形成涂层，装置1的使用范围例如如下所述：

-电流密度：20-400A/dm²；

-电压：200-1000V，更具体为400-800V；

-强度脉冲频率：1-500Hz，优选10-500Hz；

-电荷比q_p/q_n：0.4-1.8(q_p为转移的正电荷，q_n为转移的负电荷)；

-处理时间：10-90分钟；

-浴温度：5-40℃，优选10-40℃；

-浴pH：6-14；

-浴电导率：100-1000mS/m。

电解浴3可包括去矿化水和各种形式的钾盐和/或钠盐的混合物，例如氢氧化物、硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硫代硫酸盐、钨酸盐、硫氰酸盐或钒酸盐，所含组成为0.1-50g/l。

为了便于处理保护边缘30的内表面32，第二电极或对电极4可放置为面向该内表面32，并且具体地可位于保护边缘30的侧翼35、37之间，和/或其具有与第一电极5相似的几何结构。在图3的示例中，使用两个对电极4并且置于保护边缘30的两侧，与后者非常接近。

进行下述测量以提高微弧氧化处理的效率：

一方面，应用处理期间在电解浴3中扩散超声。

另一方面，基材5和电极4之间施加的强度不是直接强度，而是可变的交流强度，其具有在时间间隔施加的持续时间T的周期性脉冲。选择该持续时间T使其大于20ms，例如30ms，从而脉冲频率低于50Hz。

图4显示该变化表示为强度I与时间t的函数。

各脉冲为双极并包括：

-强度爬升斜面，持续时间T1，强度从0增升至正平台强度I+；

-平台，持续时间T2，期间强度维持等于I+；

-强度下降斜面，持续时间T3，强度从I+降至0；

-平台，持续时间T4，期间强度维持等于0；

-强度下降斜面，持续时间T5，强度从0降至负平台强度I-；

-平台，持续时间T6，期间强度维持等于I-；

-强度爬升斜面，持续时间T7，强度从I-升至0。

当一个脉冲完成时，施加新的脉冲。

正和负强度平台的强度I+和I-不必然平衡。

正和负平台被短持续时间T4分开，期间施加的强度为0。

图5以剖视图示意性显示用微弧氧化电解处理在基材5上形成的示例涂层50的结构。该示例中，涂层50具有多孔表面结构52以及位于该多孔层52和基材5之间的更致密层51。该致密层51比该多孔层52更致密和更坚硬。如所示，多孔层52具有相对高的多孔性和粗糙外表面53。

在电解处理微弧后，保护边缘30的外表面31可经抛光，具体是通过摩擦精加工(tribofinishing)或通过传统磨料碳化硅盘手段，所述盘的颗粒尺寸从每平方厘米80颗粒减至每平方厘米4000颗粒或等价。例如，外表面31所需的粗糙度水平可为约0.6微米，其对应于一定水平的空气动力学需求。在图4的涂层50的情况中，该抛光步骤达到消除多孔层52，如虚线D所图示。因此致密层51位于表面并暴露。

另一方面，保护边缘的内表面32可保留原始状态，即不经抛光。在图4的涂层50的情况中，这达到保留所示多层结构。

因此，当保护边缘30具有图4所示类型的涂层50时，保护边缘30的外表面31由致密层51的外表面限定，其由虚线D限定，而保护边缘30的内表面32由多孔层52的外表面53限定。

因此保护层30具有硬且平滑的外表面31，改善了对叶片10的保护并且与一定水平的空气动力学需求相容，而多孔且粗糙的内表面32改善了保护边缘30在叶片10的本体9上的粘附。

本文所述实施例或实施方式仅作为示例而以非限制方式提供，本领域技术人员根据本发明的教导容易对这些实施方式或实施例进行修改或考虑其他实施方式或实施例，同时仍在本发明的范围内。

此外，这些实施例或实施方式的不同特征可单独使用或与另一个组合使用。当组合时，这些特征可如上所述组合或以不同方式组合，本发明并不限于本说明书中所述的具体组合。具体地，除非另有说明，与一个实施方式或实施例关联描述的特征可以同样的方式用于其他实施方式或实施例。