類單晶渦扇航空發動機葉片制造方法與設備的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明采用高速離心機、高頻快速熔煉、恒溫金屬模具等技術，設計了以低比重大塊非晶金屬合金為原料，經高頻熔煉為合金液體，在超強離心力場作用下，使合金液體在金屬模具中沿著離心力方向快速冷卻成型的鑄造渦扇航空發動機葉片的方法與設備。這種方法鑄造成型的葉片，雖然從微觀角度上看其內部金屬原子排列呈現無序狀態，但是從宏觀角度上看其內部金屬原子分布均勻、致密、沒有金屬晶體結構、也不存在晶格缺陷，呈現出單晶特有的通體一致性特性。這種類似單晶結構的合金材料制造的葉片與現有合金葉片及單晶葉片相比，具有更佳的剛性、彈性、韌性和耐高溫、耐疲勞性，并且做到一次成型，既簡化了制造工藝，又降低了制造成本。因此，本發明具備新材料制造和新材料應用雙重功能，其技術領域應屬于金屬新材料。
2、
【背景技術】
[0002]非晶金屬又稱為液體金屬、或玻璃金屬。熔融狀態的金屬液體在極速(百萬分之一秒)冷卻狀況下，金屬液體中的原子來不及移動形成有序晶格就以無序狀態凝固成固體。這種固體被稱之為非晶金屬。由于非晶金屬固體內部原子分布具有液體的特征，也稱為玻璃態特征，所以，非晶金屬內部的微觀結構與普通金屬內部原子有序排列構成晶格的微觀結構迥異。這種金屬內部原子分布狀態的改變，直接導致金屬性能發生了令人吃驚的變異。譬如，非晶金屬不存在晶格，也就沒有晶格之間的滑動和晶格缺陷。因而非晶金屬沒有普通金屬的延展性。正因為非晶金屬內部金屬原子的分布處于微觀無序狀態，在宏觀上反而獲得了質地緊密、均勻、無結構性缺陷的玻璃態特性。這一特性決定了非晶金屬具有普通金屬難以媲美的剛性、韌性、彈性和化學穩定性。此外，非晶金屬在受熱融化時，沒有固定的熔點，像玻璃一樣，先軟化，再由稠變稀，經過一個溫度上升區間后，才能完全液化。并且，非晶金屬在液化過程中具有較好的流動性和填充性，經冷卻固化后、因沒有晶體形成，故原子排列狀態仍然與液態時相同，所以，體積保持不變。這種特性使得非晶金屬可以在一定溫度區間內，像玻璃、塑料材料一樣，借助模具一次精確成型。
[0003]由于采用極速冷卻方法獲得的非晶金屬，不但成本高昂且很難獲得大體積的非晶金屬。通常這種方法只能用于制造薄片狀或粉末狀的非晶金屬。
[0004]大體積的彳_晶金屬又稱大塊非晶金屬合金。現有的大塊非晶金屬合金制造技術是利用幾種原子體積相差較大的金屬，按照一定的配比混合，在加熱熔融為液態時，由于金屬原子體積相差較大定向移動困難，所以在凝固時難以組合形成有序晶格，從而獲得大塊非晶金屬合金。因此，通過設計恰當的金屬組分和配比，就可以在非極速冷卻條件下，得到原子呈無序狀態的大塊非晶金屬合金。
[0005]現有渦扇航空發動機葉片主要制造材料有鈦、鎳等金屬，或其合金。由于這些材料以金屬晶體狀態存在，其內部不可避免存在著一定量的晶格缺陷，制約了葉片的力學性能，并產生疲勞、斷裂現象。雖然，單晶金屬葉片消除了晶格缺陷，大幅度提高了葉片的力學性能，成為現有葉片產品中的佼佼者。但是，由于其制造工藝復雜、成本極高，在使用上受到一定的限制。可以認為采用大塊非晶金屬合金材料制造渦扇航空發動機葉片是未來葉片制造領域新的發展方向。
[0006]由大塊非晶金屬合金液體在超強離心力場作用下，冷卻形成的大塊非晶金屬合金材料，在原子分布狀態層面上具有一定的沿著離心力方向的取向性，處于微晶狀態。這與現有大塊非晶金屬合金材料不同，也與單晶金屬材料不同，可以稱之為類單晶合金材料、或微晶合金材料、或準單晶合金。正是由于類單晶合金材料的形成環境與渦扇航空發動機葉片工作狀態所處的力學環境相近，所以采用這種方法即類單晶合金材料制造的葉片，更適應渦扇航空發動機葉片的工作要求。此外，在超強離心力作用下，有利于大塊非晶金屬合金在尚未液化的軟化粘稠階段快速充滿模具固化成型。所以本發明制造的類單晶渦扇航空發動機葉片在使用壽命、制造成本、化學穩定性和抗疲勞等方面具有顯著優勢。
2、

【發明內容】

[0007]為進一步提高渦扇航空發動機葉片力學、化學、熱學性能，大幅度增加發動機功率、延長使用壽命、降低制造成本，本發明提出的制造方法與設備解決方案如下:
[0008]采用以鋁、鈦、鋯、鎳等金屬元素為主要成分的大塊非晶金屬合金材料為原料制造類單晶合金葉片。既可以獲得優異力學性能的類單晶金屬合金材料，又可以降低葉片比重。
[0009]采用高速離心機提供超強離心力場，既使大塊非晶金屬合金材料轉化為類單晶合金材料，又可以使葉片沿著離心力方向成型。
[0010]采用循環熱油調控的導熱性能優良的金屬模具一次成型精密鑄造葉片。既可以省去鍛造、熱處理、機械加工、表面處理等多道復雜工藝，又能提高產品精度、縮短生產周期，降低成本。
[0011]采用高頻爐熔融大塊非晶金屬合金原料，既操作方便，又可以提高液化速度。
[0012]采用密封原料罐，既避免原料高溫氧化，又方便原料填裝。
[0013]采用旋轉閥門保障在離心力達到預定值時，將已經液化的原料從密封原料罐中快速釋放到模具中。有利于液態大塊非晶金屬合金順利轉化為類單晶合金。
[0014]采用高頻爐與金屬恒溫模具一體化設計，利用離心力將液化后的大塊非晶金屬合金直接射入模具中，解決了在模具高速運動狀況下定時定量注入金屬液體的問題，同時也避免金屬液體在空氣中氧化，還簡化了設備結構。
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【附圖說明】
[0015]圖1是生產設備結構圖。生產設備由原料熔融系統、壓鑄系統、離心機系統組成。原料熔融系統包括:高頻電源(I)及由高頻加熱線圈、耐熱陶瓷管組成的熔融爐(35)及密封耐熱陶瓷原料罐(4)構成。熔融爐(35)通過導線(34)與高頻電源(I)連通。壓鑄系統包括:金屬模具(5)、熱油控溫箱(6)、熱油導管(7)、密封耐熱陶瓷原料罐(4)轉動控制器
(36)、耐熱傳動帶(37)構成。離心機系統包括:電動機(19)、變速箱(20)、垂直轉軸(21)、離心機轉臂(18)、轉臂(18)長端軌道(22)、轉臂(18)短端軌道(23)、轉臂(18)長端支柱
(24)、轉臂(18)短端支柱(25)構成。金屬模具(5)通過螺栓(17)與離心機轉臂(18)固定。
[0016]圖2是密封耐熱陶瓷原料罐(4)內部結構圖。密封耐熱陶瓷原料罐(4)由罐體(26)、耐熱陶瓷活塞(27)、大塊非晶合金原料(28)、液態原料(30)通道(29)、及通道出口
(32)構成。密封耐熱陶瓷原料罐(4)在設備工作時插入由高頻加熱線圈(2)、耐熱陶瓷管
(3)組成的熔融爐中。啟動高頻電源，熔融爐升溫使大塊非晶合金原料(28)熔融為液態原料(30)。液態原料(30)在離心力作用下，將活塞(27)推動至熔融爐底部，此時，液態原料
(30)進入通道(29)到達通道出口(32)。通過傳動帶將密封耐熱陶瓷原料罐(4)旋轉90度角，此時液態原料(30)通道出口(32)與金屬模具水道入口(33)重合并連通，使液態原料(30)進入金屬模具。
[0017]圖3是金屬模具(5)內部結構圖。金屬模具(5)包括上模具(8)和下模具(9)，上模具(8)內部置熱油循環孔洞(10)、葉片(31)成型模槽(11)、熔融系統耐熱陶瓷管(3)半圓插入孔(12)。下模具(9)內部置熱油循環孔洞(13)、葉片(31)成型模槽(14)、水道
(15)、水道入口(33)、耐熱陶瓷管(3)半圓插入孔(16)。金屬模具(5)通過螺栓(17)與離心機轉臂固定。
[0018]5、
【具體實施方式