类单晶涡扇航空发动机叶片制造方法与设备

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。

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。

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。

采用高频炉熔融大块非晶金属合金原料，既操作方便，又可以提高液化速度。

采用密封原料罐，既避免原料高温氧化，又方便原料填装。

采用旋转阀门保障在离心力达到预定值时，将已经液化的原料从密封原料罐中快速释放到模具中。有利于液态大块非晶金属合金顺利转化为类单晶合金。

采用高频炉与金属恒温模具一体化设计，利用离心力将液化后的大块非晶金属合金直接射入模具中，解决了在模具高速运动状况下定时定量注入金属液体的问题，同时也避免金属液体在空气中氧化，还简化了设备结构。

图1是生产设备结构图。生产设备由原料熔融系统、压铸系统、离心机系统组成。原料熔融系统包括：高频电源(1)及由高频加热线圈、耐热陶瓷管组成的熔融炉(35)及密封耐热陶瓷原料罐(4)构成。熔融炉(35)通过导线(34)与高频电源(1)连通。压铸系统包括：金属模具(5)、热油控温箱(6)、热油导管(7)、密封耐热陶瓷原料罐(4)转动控制器(36)、耐热传动带(37)构成。离心机系统包括：电动机(19)、变速箱(20)、垂直转轴(21)、离心机转臂(18)、转臂(18)长端轨道(22)、转臂(18)短端轨道(23)、转臂(18)长端支柱(24)、转臂(18)短端支柱(25)构成。金属模具(5)通过螺栓(17)与离心机转臂(18)固定。

图2是密封耐热陶瓷原料罐(4)内部结构图。密封耐热陶瓷原料罐(4)由罐体(26)、耐热陶瓷活塞(27)、大块非晶合金原料(28)、液态原料(30)通道(29)、及通道出口(32)构成。密封耐热陶瓷原料罐(4)在设备工作时插入由高频加热线圈(2)、耐热陶瓷管(3)组成的熔融炉中。启动高频电源，熔融炉升温使大块非晶合金原料(28)熔融为液态原料(30)。液态原料(30)在离心力作用下，将活塞(27)推动至熔融炉底部，此时，液态原料(30)进入通道(29)到达通道出口(32)。通过传动带将密封耐热陶瓷原料罐(4)旋转90度角，此时液态原料(30)通道出口(32)与金属模具水道入口(33)重合并连通，使液态原料(30)进入金属模具。

图3是金属模具(5)内部结构图。金属模具(5)包括上模具(8)和下模具(9)，上模具(8)内部置热油循环孔洞(10)、叶片(31)成型模槽(11)、熔融系统耐热陶瓷管(3)半圆插入孔(12)。下模具(9)内部置热油循环孔洞(13)、叶片(31)成型模槽(14)、水道(15)、水道入口(33)、耐热陶瓷管(3)半圆插入孔(16)。金属模具(5)通过螺栓(17)与离心机转臂固定。

本发明优选实施方案为：

采用大功率高转速电动机(19)作为超高速离心机动力，利用变速箱(20)控制垂直转轴(21)转速，逐步将离心机转臂(18)加速至产生十倍重力以上的离心力(10g)。转臂(18)长端约5米长，在其末端安装金属模具(5)即通过螺栓(17)与离心机转臂(18)固定。转臂(18)短端长约2米，在其末端安装高频电源(1)和热油控温箱(6)作为配重，使转臂(18)以垂直转轴(21)为支点处于水平面平衡状态。转臂(18)长端下方垂直安装约0.5米长的支柱(24)，支柱(24)末端装有滑轮与铺设在地平面的圆形轨道(22)接触。转臂(18)短端下方垂直安装支柱(25)，其长度与支柱(24)相同，末端装有滑轮与铺设在地平面的圆形轨道(23)接触。支柱(24)与支柱(25)将转臂(18)控制在同一水平面内。

金属模具(5)即上模具(8)和下模具(9)采用导热较好的金属铜制成。其内部置热油循环孔洞(10)、孔洞(13)，叶片(31)成型模槽(11)、叶片(31)成型模槽(14)，半圆插入孔(12)、半圆插入孔(16)，水道(15)、水道入口(33)。热油循环孔洞(10)、孔洞(13)通过热油导管(7)与热油控温箱(6)接通，加热金属模具(5)并控制其保持恒温在摄氏300度左右。大块非晶合金液态原料(30)从水道入口(33)沿着水道(15)进入成型模槽(11)与成型模槽(14)组合而成的空间，快速冷却凝固铸造为叶片(31)。半圆插入孔(12)、与半圆插入孔(16)组合成圆柱形腔体，其内径尺寸恰好与插入的熔融系统耐热陶瓷管(3)对接。耐热陶瓷管(3)外壁缠绕的高频加热线圈(2)通过导线(34)与高频电源(1)连通，构成大块非晶合金原料(28)熔融炉(35)。

将密封耐热陶瓷原料罐(4)插入耐热陶瓷管(3)内。安装在金属模具(5)上方的转动控制器(36)，通过传动带(37)带动密封耐热陶瓷原料罐(4)转动90度角，使大块非晶合金液态原料(30)可以从水道入口(33)进入金属模具(5)。

制造叶片(31)的具体流程为：

按照叶片(31)的型号制作金属模具(5)，使用螺栓(17)将其安装固定在转臂(18)长端；将熔融炉(35)插入金属模具(5)插入孔(12)、插入孔(16)组合成圆柱形腔体中。

＝＝》依据叶片(31)的需要，将相应重量的颗粒状大块非晶合金原料(28)装入密封耐热陶瓷原料罐(4)再装入活塞(27)密封。

＝＝》将装填完毕的密封耐热陶瓷原料罐(4)插入熔融炉(35)耐热陶瓷管(3)腔体内部直达底面，此时密封耐热陶瓷原料罐(4)液态原料(30)通道出口(32)与金属模具(5)水道入口(33)对应在同一垂直平面，但是并未接通，而是相差90度角，密封耐热陶瓷原料罐(4)尾部通过传动带(37)与转动控制器(36)衔接。

＝＝》调整配重至垂直转轴(21)支点距离，使转臂(18)处于水平状态。

＝＝》启动电动机(19)，逐步将离心机转臂(18)加速至产生十倍重量以上的离心力(10g)。

＝＝》启动热油控温箱(6)，加热金属模具(5)并控制其保持恒温。

＝＝》启动高频电源(1)，熔融炉(35)升温至大块非晶合金原料(28)处于熔融状态。

＝＝》继续加速，增加离心力，液态原料(30)将活塞(27)推动至金属模具(5)插入孔(12)、插入孔(16)组合成圆柱形腔体底部，此时，液态原料(30)进入通道(29)到达通道出口(32)。关闭高频电源(1)停止加热。 

＝＝》启动转动控制器(36)，通过传动带(37)将密封耐热陶瓷原料罐(4)旋转90度 角，此时液态原料(30)通道出口(32)与金属模具(5)水道入口(33)重合并连通，液态原料(30)在离心力作用下，瞬间射入水道入口(33)，沿着水道(15)进入并充满成型模槽(11)与成型模槽(14)组合而成的空间，快速冷却凝固铸造为叶片(31)。

＝＝》停止转臂(18)旋转，打开金属模具(5)，顶出叶片(31)。打磨毛刺，质检，包装出货。