用于生产飞行器涡轮机的金属叶片元件的方法与流程

本发明涉及用于生产用于飞行器涡轮发动机的金属叶片元件的一般领域，这些叶片元件可以是定子或转子元件。

背景技术：

涡轮发动机的叶片元件包括一个或多个叶片。例如，诸如涡轮运动轮叶的转子轮叶包括单个叶片，该单个叶片连接到旨在装配在转子圆盘的互补形状的凹部中的根部。涡轮喷嘴例如包括在内平台和外平台之间延伸的多个叶片。

通过失蜡铸造生产叶片元件是航空领域中众所周知的技术。例如在文献fr-a1-2985924中描述了这种技术。作为提醒，失蜡铸造在于通过注入模具中来制作每个所需的叶片元件的蜡模型。这些模型在同样由蜡制成的、本身与蜡金属分配器相连的铸造臂上的组装使得可以形成簇体(grappe)，然后将该簇体浸没在不同的物质中，以围绕该簇体形成厚度基本上均匀的陶瓷外壳。该方法继续包括：使蜡熔化，然后蜡在陶瓷中留下其确切印痕，通过组装在金属分配器上的浇注杯将熔化的金属浇注到该印痕中。在金属冷却后，外壳被破坏，并且金属零件被分离并精加工。该技术具有尺寸精确以及非常好的表面外观的优点。

然而，该技术的困难之一是获得精细的轮廓，尤其是精细的后缘。叶片具有空气动力学轮廓，并且包括在涡轮发动机中气体的前缘和后缘之间延伸的压力侧和吸力侧。理想的是，叶片的后缘尽可能薄，以限制轮叶下游气流的空气动力学干扰。

然而，即使失蜡铸造能够获得具有精确尺寸的叶片元件，该技术也无法获得非常小的尺寸，并因此特别是对于小尺寸的叶片元件而言，无法实行足够精细的后缘。

本发明为该问题提供了一种简单、有效和经济的解决方案。

技术实现要素：

本发明提供了一种用于生产用于飞行器涡轮发动机的金属叶片元件的方法，该叶片元件包括至少一个叶片，该至少一个叶片包括在叶片的前缘和后缘之间延伸的压力侧和吸力侧，后缘必须具有厚度x1，该方法包括以下步骤：

a)通过失蜡铸造生产叶片元件，以及

b)对叶片元件进行精加工，

其特征在于，步骤b)包括至少对该叶片或每个叶片的后缘进行化学铣削，以便获得所述厚度x1，该厚度x1不能通过步骤a)直接获得。

如上所述，失蜡铸造使得可以获得具有精确尺寸的叶片元件。然而，它使得能够具有标记为x2的最小材料厚度尺寸，x2大于x1。目的是生产具有厚度为x1的后缘的叶片元件，即，比可以通过失蜡铸造直接获得的后缘的叶片元件(厚度为x2)薄。根据本发明，这可以通过对后缘进行化学铣削来实现，化学铣削使得可以去除表面上足够量的材料以从x2达到x1。

在本申请中，在“蚀刻”和“化学铣削”之间进行了区分。蚀刻是在材料健康状况检查操作期间在部件上进行。蚀刻会在部件表面上暴露出材料晶粒(通过去除晶粒边界)，然后对该材料晶粒进行检查以确定该部件的材料健康状况。在这种情况下，化学铣削用于从叶片元件的表面去除材料，尤其是去除材料厚度。铣削的目的是去除材料晶粒之间的材料，但也去除晶粒本身，直到获得期望厚度的材料去除为止。因此，化学铣削的参数和条件使得可以去除期望的材料厚度。

根据本发明的方法可以包括以下以彼此独立地方式采用或彼此结合地采用的特征和/或步骤中的一个或多个：

-厚度x1小于1mm，优选小于或等于0.5mm，更优选在0.2mm至0.45mm之间，

-厚度x1是在横向于叶片元件的方向上测量的，

-化学铣削去除表面上厚度为在0.05mm至0.5mm之间，更优选为0.05mm至0.15mm之间的材料，

-材料厚度包括晶粒和材料边界(joints)，

-叶片元件由基于镍、钴或铬的金属合金制成，

-该方法包括选自以下的至少一个后续步骤：检查材料健康状况的步骤、检查最终尺寸的步骤、通过摩擦精加工进行表面处理的步骤，

-化学铣削通过将叶片元件浸没在化学铣削浴液中来进行，

-叶片元件部分地浸没在浴液中，其中叶片元件可包括掩盖区域，以使掩盖区域在与浴液接触时不被铣削，

-叶片元件完全地浸没在浴液中，其中叶片元件可包括掩盖区域，以使掩盖区域在与浴液接触时不被铣削，

-将叶片元件浸没在浴液中10分钟至300分钟，浴液温度为20℃至70℃，

-该浴液是水基的，并包含浓度在25g/l到300g/l之间的hcl，该浴液还可以包含以下组成中的至少另一种：

·浓度在100g/l至500g/l之间的fecl3，

·浓度在10g/l至40g/l之间的hno3，

·浓度在100ml/l到200ml/l之间的h2o2。

-步骤b)包括蚀刻至少一部分叶片元件的在先步骤，

-通过将叶片元件浸没在蚀刻浴液中进行蚀刻，

-蚀刻浴液和化学铣削浴液是相同的，蚀刻和化学铣削至少在叶片元件在浴液中的浸没时间上彼此不同。

附图说明

当阅读以下作为非限制性示例并参照附图作出的描述时，将更好地理解本发明，并且本发明的其他细节、特征和优点将更加清楚地显现，在附图中：

-图1是涡轮发动机的叶片元件的示意性透视图，

-图2是涡轮发动机叶片元件的叶片的示意性横截面图，

-图3是示出了通过失蜡铸造生产叶片元件的方法中的步骤的框图，

-图4是化学铣削浴槽的非常示意性的透视图并且示出了根据本发明的方法的步骤，其中叶片元件被完全浸没在化学铣削浴槽中，

-图5是化学铣削浴槽的非常示意性的透视图并且示出了根据本发明的方法的步骤的替代性实施例，其中叶片元件被部分地浸没在化学铣削浴槽中，

-图6是与图3相似的视图，并且示出了通过化学铣削进行材料去除，以及

-图7是示出了根据本发明的生产方法中的步骤的框图。

具体实施方式

本发明适用于飞行器涡轮发动机的叶片元件，该叶片元件例如是轮叶、整流器、喷嘴、移动轮叶等。

图1示出了涡轮发动机的涡轮喷嘴1，并且更具体地示出了该喷嘴的扇区，该扇区是环形且扇区化的，并且因此包括围绕为涡轮发动机的纵向轴线的轴线周向地首尾相连地布置的多个扇区。

该扇区包括布置在第一端部4和第二端部6之间的多个叶片2。两个端部4、6分别形成外环角扇区和内环角扇区，并且各自包括界定出主气流导管10的平台8。除了附带有空气动力学功能的平台8之外，每个端部还包括使得能够将该叶片元件安装在涡轮发动机模块(在这种情况下为涡轮模块)上的常规结构。

每个叶片2具有在图2中可见的空气动力学轮廓，并且包括在边缘16、18之间延伸的压力侧12和吸力侧14，边缘16、18分别是在导管10中流动的气体的上游或前缘以及该气体的下游或后缘。可以看出，最薄的部分，即具有最小厚度(厚度x)的部分，是位于叶片2的后缘18处并沿着叶片2的后缘18定位的部分。厚度x在横向于叶片的方向上测量。

图2还示出了叶片2在这里是中空的，并且包括在该部件的中央处的空腔22，以便减轻轮叶的质量并因此减轻整个涡轮的质量，和/或允许气体径向朝向发动机内部流动以使该部件冷却。

本发明旨在通过包括失蜡铸造步骤的生产方法来生产喷嘴扇区1，并且更一般地生产任何涡轮发动机叶片元件，该生产方法步骤如图3所示。

失蜡铸造步骤可包括多个子步骤，这多个子步骤包括预备子步骤e0，在该预备子步骤e0期间，将例如由陶瓷制成的芯体定位于树脂注入模具中。该模具具有与要形成的空腔22的形状相对应的形状。在同时制造多个叶片的情况(喷嘴扇区就是这种情况)下，将多个芯体定位于同一模具中以制作该喷嘴。

然后关闭模具，并在子步骤e1中注入蜡，该蜡特别是覆盖芯体，以制作要生产的喷嘴扇区的蜡模型。

在冷却和凝固之后，进行蜡模型的脱模子步骤e2。下一子步骤e3包括围绕蜡模型制作陶瓷外壳模型，在子步骤e4中将熔化的金属倒入该陶瓷外壳模型中。

在铸造熔化金属之前或期间去除蜡，并且用熔化的金属填充在芯体和外壳模型之间形成的凹口以形成喷嘴扇区，而芯体的固体部分在在子步骤e5中去除陶瓷芯体之后成为空腔。这些部分可以通过等轴铸造或定向凝固获得。

根据本发明的方法包括对叶片元件进行精加工的额外步骤，该额外步骤包括至少部分地对叶片元件进行化学铣削。在这里，化学铣削包括使用化学物质通过溶解来机加工材料，即去除给定量的材料。在实践中，可以在合适的条件下通过将叶片元件浸没在化学浴液中来进行化学铣削，以获得所需的结果，即去除表面上的材料并使叶片元件至少局部地变薄。

如上所述，失蜡铸造使得能够制造具有精确尺寸的叶片元件，但不能实现非常薄的厚度，例如小于1mm，更特别地小于或等于0.5mm。可以通过失蜡铸造获得的该下限厚度被标记为x2。

因此，应理解的是，可以通过失蜡铸造获得的叶片的后缘18的最小厚度为x2。厚度x2对应于所考虑的未加工的金属铸造件的厚度。

为了将该厚度减小到标记为x1的期望值，本发明使用化学铣削。因此，对叶片的后缘进行化学铣削，以通过化学去除材料将其厚度从x2减小到x1。x1例如小于1mm，优选小于或等于0.5mm，更优选在0.2mm至0.45mm之间。

图4和图5示出了该化学铣削步骤的实施方式的两个示例，其中，叶片元件被浸没在化学铣削浴液中。

实际上，同时机加工多个部分更为有效。因此，可以提供包含化学铣削浴液并且能够同时容纳多个叶片元件的槽20。诸如喷嘴1之类的叶片元件可以定位于筛网22(即具有多个孔的容器)的底部。筛网22和叶片元件都完全浸没在槽的浴液中，并且浴液通过穿过筛网22中的孔而与叶片元件发生接触。

这使得能够对叶片元件的与浴液接触的所有表面进行化学铣削，并因此特别是与叶片2的压力侧12和吸力侧14以及前缘16和后缘18进行化学铣削。如果仅需要尤其是在前缘进行局部铣削来减小厚度，则可以在叶片元件上使用一个或多个掩模24。这些掩模24旨在保护浴液中的叶片元件的表面，并且因此不使其经受化学铣削。在这里，掩模24由具有虚线和阴影线的矩形示意性地表示。

图5示出了替代性实施例，其中，叶片元件仅部分地浸没在槽的浴液中。在这种情况下，除了保护由于部件的形状而必须浸没的表面以获得期望的局部化学铣削以外，掩模24不是一定需要的。

图6示出了可以设想在叶片元件的叶片的表面上的材料去除δ的示意图。例如，化学铣削去除了在实际发生化学铣削的区域中厚度在0.05mm至0.5mm之间、优选地在0.05mm至0.15mm之间的表面材料。

图7示出了根据本发明的方法的实施例的几个步骤。

第一步a)是通过失蜡铸造来制作叶片元件。在以下步骤中，对叶片元件进行精加工，尤其是对其最终尺寸进行精加工。该精加工步骤b)包括对叶片元件进行化学铣削。在该化学铣削之后或(优选地)之前，该方法可以包括检查材料健康状况的步骤c)。如上所述，该步骤可以包括对材料晶粒的宏观检查、渗透检查、射线照相检查、目视检查等，并且可以包括蚀刻的预备子步骤，在该预备子步骤期间中，通过化学溶解去除晶粒间边界，如上文所述。蚀刻浴液可以类似于化学铣削浴液，但是取决于是否希望仅溶解边界(对于蚀刻)或溶解边界和晶粒(对于化学铣削)，浸没时间通常是不同的。例如，在化学铣削浴液中的浸没时间比在蚀刻浴液中的浸没时间长至少3倍，优选长至少9倍。

进行化学铣削的事实并没有改变叶片元件的常规生产范围。可以将蚀刻和化学铣削相结合，从而优化生产范围、节省时间并因此降低成本。因此，没有像常规铣削那样繁琐的步骤。

化学铣削可以通过电解铣削(步骤d)来补充，以改善叶片元件的表面光洁度。该额外的铣削步骤可以包括将叶片元件完全或部分地浸没在包含例如以下试剂中的一种或多种的电解浴液中：硝酸、乙酸、硫酸和磷酸。

在化学铣削或者甚至电解铣削之后，该方法可以包括用于检查最终尺寸的步骤e)和/或用于通过摩擦精加工进行表面处理的步骤f)。该最后的步骤(如果该方法包括步骤d)，则该最后的步骤不一定是需要的)使得能够改善叶片元件的表面状况，并且使得可以例如获得在1μm至5μm之间、优选在1.6μm至3.5μm之间的粗糙度。

本发明应用于特别是但不限于由基于镍(r125、r77、inco718、单晶、ds200、……)、基于铬或基于钴(marm509、……)的金属合金制成的叶片元件的生产。

下表1至表3示出了用于实施化学铣削步骤的化学浴液组成的示例。在每张表中，左侧一栏列出了几种金属合金示例，随后几栏一方面说明了叶片元件在浴液中的浸没时间(时间以分钟为单位)以及浴液中的温度(temp.)的参数，另一方面示出了该浴液的化学组成。

每个浴液是基于水的并且包含浓度在25g/l至300g/l之间的盐酸(hcl)。此外，浴液可以包含以下组成中的至少一个另一种组成：

-浓度在100g/l至500g/l之间的fecl3(氯化铁)，

-浓度在10g/l至40g/l之间的hno3(硝酸)，

-浓度在100ml/l至200ml/l之间的h2o2(过氧化氢)。

浴液的剩余部分是相当于1l的足够量的水。

更具体地，表1包括其中hcl基本上与fecl3相关联的浴液组成的示例。表2包括其中hcl主要与fecl3和hno3相关联的浴液组成的示例。表3包括其中hcl主要与h2o2相关联的浴液组成的示例。根据其他变型，浴液可以包含hcl和hno3的结合，或者仅包含hf-hno3氟硝酸。

表1

表2

表3

可以看出，在浴液中的浸没时间在10分钟至300分钟之间，并且更具体地，在根据表1的浴液的情况下，浸没时间在10分钟至150分钟之间，在根据表2的浴液的情况下，浸没时间在1分钟至20分钟之间，并且在根据表3的浴液的情况下，浸没时间在10分钟至300分钟之间。

我们观察到浴液的温度在20℃至70℃之间，并且更具体地，在根据表1的浴液的情况下，浴液的温度在30℃至70℃之间，并且在根据表2和表3的浴液的情况下，浴液的温度在20℃至60℃之间。

可以看出，hcl的量根据浴液中其他组成的存在和量以及温度和浸没时间而变化。

材料的去除的特征在于溶解曲线，该溶解曲线取决于例如材料、所使用的化学品、浴液的老化、化学铣削浴液的浓度、浴液的温度、浴液的搅拌、工件在浴液中的位置等。一旦确定了这些参数，材料的去除就可以与浸没次数和在浴液中的处理时间成比例。