[发明专利]类单晶涡扇航空发动机叶片制造方法与设备

说明书

1、技术领域

本发明采用高速离心机、高频快速熔炼、恒温金属模具等技术，设计了以低比重大块非晶金属合金为原料，经高频熔炼为合金液体，在超强离心力场作用下，使合金液体在金属模具中沿着离心力方向快速冷却成型的铸造涡扇航空发动机叶片的方法与设备。这种方法铸造成型的叶片，虽然从微观角度上看其内部金属原子排列呈现无序状态，但是从宏观角度上看其内部金属原子分布均匀、致密、没有金属晶体结构、也不存在晶格缺陷，呈现出单晶特有的通体一致性特性。这种类似单晶结构的合金材料制造的叶片与现有合金叶片及单晶叶片相比，具有更佳的刚性、弹性、韧性和耐高温、耐疲劳性，并且做到一次成型，既简化了制造工艺，又降低了制造成本。因此，本发明具备新材料制造和新材料应用双重功能，其技术领域应属于金属新材料。

2、背景技术

非晶金属又称为液体金属、或玻璃金属。熔融状态的金属液体在极速(百万分之一秒)冷却状况下，金属液体中的原子来不及移动形成有序晶格就以无序状态凝固成固体。这种固体被称之为非晶金属。由于非晶金属固体内部原子分布具有液体的特征，也称为玻璃态特征，所以，非晶金属内部的微观结构与普通金属内部原子有序排列构成晶格的微观结构迥异。这种金属内部原子分布状态的改变，直接导致金属性能发生了令人吃惊的变异。譬如，非晶金属不存在晶格，也就没有晶格之间的滑动和晶格缺陷。因而非晶金属没有普通金属的延展性。正因为非晶金属内部金属原子的分布处于微观无序状态，在宏观上反而获得了质地紧密、均匀、无结构性缺陷的玻璃态特性。这一特性决定了非晶金属具有普通金属难以媲美的刚性、韧性、弹性和化学稳定性。此外，非晶金属在受热融化时，没有固定的熔点，像玻璃一样，先软化，再由稠变稀，经过一个温度上升区间后，才能完全液化。并且，非晶金属在液化过程中具有较好的流动性和填充性，经冷却固化后、因没有晶体形成，故原子排列状态仍然与液态时相同，所以，体积保持不变。这种特性使得非晶金属可以在一定温度区间内，像玻璃、塑料材料一样，借助模具一次精确成型。

由于采用极速冷却方法获得的非晶金属，不但成本高昂且很难获得大体积的非晶金属。通常这种方法只能用于制造薄片状或粉末状的非晶金属。

大体积的非晶金属又称大块非晶金属合金。现有的大块非晶金属合金制造技术是利用几种原子体积相差较大的金属，按照一定的配比混合，在加热熔融为液态时，由于金属原子体积相差较大定向移动困难，所以在凝固时难以组合形成有序晶格，从而获得大块非晶金属合金。因此，通过设计恰当的金属组分和配比，就可以在非极速冷却条件下，得到原子呈无序状态的大块非晶金属合金。

现有涡扇航空发动机叶片主要制造材料有钛、镍等金属，或其合金。由于这些材料以金属晶体状态存在，其内部不可避免存在着一定量的晶格缺陷，制约了叶片的力学性能，并产生疲劳、断裂现象。虽然，单晶金属叶片消除了晶格缺陷，大幅度提高了叶片的力学性能，成为现有叶片产品中的佼佼者。但是，由于其制造工艺复杂、成本极高，在使用上受到一定的限制。可以认为采用大块非晶金属合金材料制造涡扇航空发动机叶片是未来叶片制造领域新的发展方向。

由大块非晶金属合金液体在超强离心力场作用下，冷却形成的大块非晶金属合金材料，在原子分布状态层面上具有一定的沿着离心力方向的取向性，处于微晶状态。这与现有大块非晶金属合金材料不同，也与单晶金属材料不同，可以称之为类单晶合金材料、或微晶合金材料、或准单晶合金。正是由于类单晶合金材料的形成环境与涡扇航空发动机叶片工作状态所处的力学环境相近，所以采用这种方法即类单晶合金材料制造的叶片，更适应涡扇航空发动机叶片的工作要求。此外，在超强离心力作用下，有利于大块非晶金属合金在尚未液化的软化粘稠阶段快速充满模具固化成型。所以本发明制造的类单晶涡扇航空发动机叶片在使用寿命、制造成本、化学稳定性和抗疲劳等方面具有显著优势。

2、发明内容

为进一步提高涡扇航空发动机叶片力学、化学、热学性能，大幅度增加发动机功率、延长使用寿命、降低制造成本，本发明提出的制造方法与设备解决方案如下：

采用以铝、钛、锆、镍等金属元素为主要成分的大块非晶金属合金材料为原料制造类单晶合金叶片。既可以获得优异力学性能的类单晶金属合金材料，又可以降低叶片比重。

采用高速离心机提供超强离心力场，既使大块非晶金属合金材料转化为类单晶合金材料，又可以使叶片沿着离心力方向成型。

采用循环热油调控的导热性能优良的金属模具一次成型精密铸造叶片。既可以省去锻造、热处理、机械加工、表面处理等多道复杂工艺，又能提高产品精度、缩短生产周期，降低成本。