[发明专利]一种空心叶片以及其制造方法和应用

说明书

本申请公开了一种空心叶片及其制备方法和应用，所述空心叶片包括冷却结构、内腔和过渡结构；其中，所述过渡结构位于冷却结构和内腔壁面的交界处。相对当前技术，所述叶片避免了内腔气膜冷却结构的尖锐结构，所述加工方法可以保证叶片和气膜冷却结构的形状精度和一致性，并从工艺路线层面彻底避免背伤问题的发生，从而保障叶片的质量及可靠性。

技术领域

本申请涉及一种空心叶片以及其制造方法和应用，属于叶片技术领域。

背景技术

叶片已经被广泛应用于航空发动机、燃气轮机、航天发动机等众多动力机构中。随着发动机性能的不断提高，涡轮叶片的工作温度越来越高。为保持高温条件下叶片的机械性能和可靠性，业内使用中空叶片，叶片上使用气膜冷却结构。如何在中空叶片上加工出高质量、高可靠性的气膜冷却孔是亟待解决的难题，尤其是随着小型空心叶片、双层壁结构叶片的使用，叶片表面层和下一层间的距离越来越小，如小至1mm。这样的间距，目前的激光打孔、电液束流打孔、电火花打孔等气膜冷却孔加工方式均面临严重的背伤问题。这里的背伤是指表层打穿后，在紧邻层造成损伤，相对前边层，称为背伤。背伤不利于涡轮叶片机械性能的保持，会大大降低叶片的可靠性和使用寿命，需要尽可能消除。

此外，为了形成更好的气膜贴服效应，气膜孔相对于工件表面切线的倾角一般在30度甚至20度以内。如此大的倾角，即使打孔没有背伤，也面临尖锐形状应力集中的困扰。下表面的尖锐形状与热影响结合，使用中容易引发微裂纹，是发动机涡轮叶片，尤其是新兴单晶、CMC叶片失效的主要模式之一。然而，由于中空叶片的几何封闭性，现有工艺很难对内表面的尖锐形状进行修整。

更进一步地，为了降低背面损伤，业内普遍使用击穿闭环测控技术，即检测正面击穿的物理特征，一旦击穿，就及时停止。如电加工中使用击穿后电压、电流的变化终结电极的进给，激光打孔则可以根据击穿前后声音或光谱信号的变化控制激光的停止时间。但是，这样的控制手段虽然可以缓解背伤问题，却很难最优地实现设计的几何形状，尤其是孔锥度的精确控制。这个问题在大深度孔加工中尤为突出。孔的锥度不能按照设计严格实现和充分检验，是当前中空叶片面临的又一技术障碍。孔的锥度失控，则叶片的热控性能失控，发动机安全性面临威胁。

目前，空心叶片大多采用带型芯的精密铸造成型，然后需要去除芯模，加工气膜孔等，成品率有待提高。为高效率、低成本制造空心叶片，专利文献US5711068、US7251888、US6705383、EP0990481A1、US006162347A、CN100400222C、CN101418811B等提出了分体制造、然后结合的技术方案，采用铸造、锻压和机械加工等方式分别制造叶片的不同部分，最终采用焊接、钎焊、热扩散焊、线性摩擦焊等技术将制造的不同部分的叶片连接为一体，得到完整的空心叶片，已经被应用于复杂型腔或多层壁空心叶片的制造中。

以上专利主要针对于叶片内部空心结构的高效加工，未涉及气膜冷却孔的精密加工、修整和孔内壁表面抛磨强化等内容。利用3D打印技术制造出形状复杂的空心叶片，虽然可以实现涡轮叶片气膜孔与叶片毛坯的整体打印，但采用3D打印制造的气膜孔会出现不同程度的“缩孔”现象，且内腔和孔表面粗糙度不易控制。

综上所述，叶片气膜孔的几何形貌和内外表面质量对航空发动机叶片的冷却效率和可靠性能具有很大影响，但当前技术对其质量控制尚存在明显不足。

如何高效率、高一致性地制备出没有安全隐患的空心叶片是目前工业界面临的重大挑战之一。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种空心叶片，相对当前技术，该类叶片避免了内腔气膜冷却结构的尖锐结构，揭示的加工方法可以保证叶片和气膜冷却结构的形状精度和一致性，并从工艺路线层面彻底避免背伤问题的发生，从而保障叶片的质量及可靠性。

本发明揭示了一种带新型气膜冷却结构的中空叶片，其特征是，以气膜冷却孔为代表的冷却结构与内腔壁面的交界处使用一定弧度的过渡结构，取代传统的尖锐结构，从而降低内腔应力集中。