CN121241166A

CN121241166A - 用于对叶片的前缘的防护罩的表面进行处理的方法

Info

Publication number: CN121241166A
Application number: CN202380099027.8A
Authority: CN
Inventors: 安东尼·格鲁内瓦尔德; 波林·米奥斯塞
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2023-06-07
Filing date: 2023-06-07
Publication date: 2025-12-30
Also published as: WO2024252073A1

Abstract

本发明涉及一种用于对用于飞行器涡轮发动机（1）的轮叶（11）的前缘（12a）的钢防护罩（14）的表面进行处理的方法，其特征在于，该方法包括以下按时间顺序排列的步骤：（c）在电解质浴（18）中酸洗防护罩（14）；（e）在防护罩（14）上沉积粘附层。

Description

用于对叶片的前缘的防护罩的表面进行处理的方法

技术领域

本发明涉及用于对用于飞行器涡轮发动机的轮叶的前缘的钢防护罩的表面进行处理的方法的领域。

背景技术

飞行器涡轮发动机通常从上游到下游包括风扇、低压压缩机、高压压缩机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮和排气喷嘴。高压压缩机的转子通过高压轴连接到高压涡轮的转子，并且低压压缩机的转子通过低压轴连接到低压涡轮的转子。

风扇、压缩机和涡轮配备有均匀分布在毂部上的轮叶。轮叶通常包括叶片，该叶片可以连接到附接根部以将轮叶附接到毂部。叶片具有包括压力侧和吸力侧的空气动力学形状，压力侧和吸力侧通过前缘和后缘连接。为了减轻轮叶（特别是风扇轮叶）的重量，已经提出了复合材料叶片。例如，复合材料是有机基质复合材料（CMO），该有机基质复合材料通常包括选自例如环氧树脂的聚合物基质和嵌入基质中的增强纤维。

在飞行器的飞行期间，轮叶（特别是轮叶的前缘）可能经受冲击和磨损，这使轮叶的复合材料严重地劣化。因此，为了保护轮叶，提出在轮叶的前缘上安装防护罩。防护罩包括由中心鼻部连接的压力侧翅片和吸力侧翅片。鼻部沿着前缘延伸，而压力侧翅片沿着叶片的压力侧延伸，并且吸力侧翅片沿着叶片的吸力侧延伸。防护罩通常粘合到前缘。防护罩由钛合金制成，该钛合金具有良好的冲击和磨损性能。然而，使用钛合金并不完全令人满意。

在这种情况下，已经提出了用钢防护罩（特别是不锈钢）来代替钛合金防护罩。钢具有比钛合金更便宜且导电性能更好的优点。当实施需要导电材料的除冰系统时，这是特别有利的。钢防护罩还具有比钛合金防护罩更容易形成的优点。

然而，这种钢防护罩包括被动表面层，该被动表面层倾向于降低防护罩与轮叶前缘的粘合性能。

因此，需要提供一种用于飞行器涡轮发动机的轮叶的前缘的防护罩，该防护罩的粘合性能得到改善，同时保持该防护罩的机械性能。

发明内容

为此，本发明提出了一种用于对用于飞行器涡轮发动机的轮叶的前缘的防护罩的表面进行处理的方法，该方法的显著之处在于，该方法包括以下按时间顺序排列的步骤：

（c）在电解质浴中酸洗防护罩，

（e）在防护罩上沉积粘附层。

术语“粘附层”在本发明中是指促进防护罩和轮叶前缘之间的粘附的任何层。

例如，粘附层是胶水层。

根据本发明，在电解质浴中进行酸洗。换句话说，根据本发明的酸洗是电化学酸洗。这种类型的酸洗改善了防护罩的粘合性能。

可以在长时间（特别是超过三分钟）内进行电化学酸洗，这确保了整个防护罩的均匀酸洗，即使在防护罩具有大尺寸时也是如此。这确保了与给定规格相容的表面处理。

还发现，这种电化学酸洗导致在钢的奥氏体晶粒中形成纳米孔，并且通过钢的奥氏体晶粒边界处的铁素体的优先蚀刻而形成微孔表面，这有利于粘合。这种表面和这些纳米孔的组合增加了比表面积，这又改善了防护罩的粘合性能。结果表明，电化学酸洗改善了防护罩的粘合性能。还表明，尽管铁素体受到这种蚀刻，但防护罩中的应力集中是有限的，从而保持了防护罩的机械性能，诸如疲劳强度。

本发明可以包括单独采用或彼此组合采用的以下特征中的一个或多个特征：

-电解质浴包含硝酸，

-硝酸的体积浓度介于10%至50%之间，

-密度介于0.1A/dm²至10A/dm²之间的电流通过电解质浴，

-在超过3分钟的持续时间，优选地介于5分钟至20分钟之间的持续时间内进行步骤（c），

-硝酸的体积浓度为25%，电流的密度为0.5A/dm²，并且步骤（c）的持续时间为15分钟，

-电解质浴的温度介于20℃至100℃之间，优选地介于30℃至70℃之间，

-该方法在步骤（c）之前包括以下步骤（a）：对防护罩进行脱脂，

-该方法在步骤（c）和步骤（e）之间包括以下步骤（d）：对防护罩进行干燥，

-防护罩由不锈钢制成，有利地，该不锈钢是奥氏体类型的，诸如AISI321合金，

-酸洗步骤被构造成蚀刻奥氏体晶粒和奥氏体晶粒边界处的铁素体，以在奥氏体晶粒中产生纳米孔，

-在酸洗步骤结束时，防护罩具有小于4μm的粗糙度Rz，

--防护罩具有细长的二面体形状并且包括第一侧向翅片和第二侧向翅片，该第二侧向翅片通过中心鼻部连接到第一侧向翅片。

本发明还涉及一种用于制造飞行器涡轮发动机的轮叶的方法，包括以下步骤：

-提供具有由压力侧和吸力侧连接的前缘和后缘的叶片，

-提供钢防护罩，

-根据上述特征中的任一个对防护罩进行表面处理，

-将防护罩胶合到叶片，特别是前缘。

附图说明

根据本发明的非限制性实施例的以下描述并且参照附图，其它特征及优点将显现，在附图中：

图1是飞行器涡轮发动机的轴向横截面的示意图；

图2是配备到图1的涡轮发动机上的轮叶的示意性透视图；

图3是附接到图2的轮叶的前缘上的防护罩的横截面视图；

图4是示出根据本发明的一个实施例的方法的框图；

图5是在根据本发明的方法的步骤（c）中实施的电解单元的图；

图6a是通过本发明的方法处理的防护罩的扫描电子显微镜图像（×1000）；

图6b是通过本发明的方法处理的防护罩的另一扫描电子显微镜图像（×1000）；

图6c是在第一条件下经受电化学酸洗的部件的光学显微镜图像；

图6d是在第二条件下经受电化学酸洗的部件的光学显微镜图像。

具体实施方式

例如，图1示出了飞行器涡轮发动机1。涡轮发动机1沿着纵向轴线A延伸。涡轮发动机1沿着纵向轴线A在气体流F的方向上从上游到下游包括风扇2、诸如低压压缩机3和高压压缩机4的至少一个压缩机、燃烧室5、诸如高压涡轮和低压涡轮的至少一个涡轮6、以及喷嘴（未示出）。

低压涡轮的转子通过低压轴7连接到风扇2和低压压缩机3的转子。高压涡轮的转子通过围绕低压轴7同轴布置的高压轴8连接到高压压缩机4的转子。

可选地，涡轮发动机1还包括短舱，该短舱固定到围绕风扇2的风扇壳体9。

涡轮发动机1还包括定子轮叶10。定子轮叶10使上游转子的出口处的流矫直，以在涡轮发动机1的出口处提供最大推力。在图1所示的特定示例中，定子轮叶10位于风扇2的下游。例如，定子轮叶10位于低压压缩机3和高压压缩机4之间且位于风扇壳体9的内侧。

风扇2使得能够吸入分成主流F1和次级流F2的空气流。主流F1穿过涡轮发动机1的主管道，而次级流F2被引导朝向围绕主管道的次级管道。

主流F1在低压压缩机3中被压缩，然后在高压压缩机4中被压缩。然后，压缩后的空气与燃料混合并在燃烧室5中燃烧。燃烧形成的气体穿过高压涡轮和低压涡轮。最后，气体通过喷嘴逸出，该喷嘴的横截面使得这些气体能够加速以产生推进。次级流F2穿过定子轮叶10，该定子轮叶使次级流F2的流通速度加速，以产生推进力。

风扇2和定子轮叶10配备有轮叶11的组件。轮叶11围绕纵向轴线A旋转地移动或固定。风扇2的轮叶11围绕纵向轴线A旋转地移动，而定子轮叶10的轮叶（也称为出口导向轮叶（Outlet Guided Vanes，OGV））围绕纵向轴线A旋转地固定。轮叶11相对于纵向轴线A径向延伸。如图2所示，每个轮叶11包括根据本发明的防护罩14和叶片12。

叶片12沿着伸长轴线X延伸。在轮叶11已经安装在涡轮发动机1上之后，叶片12的伸长轴线X相对于涡轮发动机1的纵向轴线A径向延伸。叶片12具有空气动力学轮廓。因此，叶片12包括由前缘12a和后缘12b连接的吸力侧12e和压力侧12i。因此，叶片12沿着横向轴线Y在前缘12a和后缘12b之间延伸。横向轴线Y垂直于伸长轴线X。叶片12还沿着伸长轴线X在第一端部和与第一端部相对的第二端部之间纵向延伸。

叶片12由复合材料制成。例如，复合材料是有机基质复合材料（CMO）。复合材料包括聚合物基质和嵌入基质中的纤维增强体。例如，基质是热塑性或热固性聚合物基质。例如，热固性材料是环氧聚合物。纤维增强体包括诸如碳纤维或玻璃纤维的纤维。例如，纤维以纤维预制件的形式组成。

轮叶11还包括根部13。特别地，根部13连接到叶片12的第二端部。根部被构造成附接到以涡轮发动机1的纵向轴线A为中心的毂部（未示出）。

防护罩14装配到叶片12上。防护罩14有利地在前缘12a上延伸，甚至更有利地沿着前缘12a的整个长度延伸。防护罩14具有细长的二面体形状。防护罩被构造成保护前缘12a免受外部冲击和磨损。如图3所示，防护罩14具有V形或U形横截面。防护罩14包括第一侧向翅片14a和第二侧向翅片14b，该第二侧向翅片通过中心鼻部14j连接到第一侧向翅片14a。第一侧向翅片14a和第二侧向翅片14b在第一侧向翅片和第二侧向翅片之间限定了腔，前缘12a布置在腔中。第一侧向翅片14a具有第一自由纵向端部，第二侧向翅片14b具有与中心部分14j相对的第二自由纵向端部。纵向端部分别在叶片12的压力侧12i和吸力侧12e上延伸。每个侧向翅片14a、14b具有第一边缘和沿着伸长轴线X与第一边缘相对的第二边缘。边缘相对于纵向端部横向地延伸。有利地，防护罩14的厚度是可变的。例如，中心鼻部14j的厚度大于第一侧向翅片14a和第二侧向翅片14b的厚度。有利地，第一侧向翅片14a和第二侧向翅片14b的厚度朝向叶片12的后缘12b减小。第一侧向翅片14a和第二侧向翅片14b朝向叶片12的后缘12b逐渐变细。

防护罩14由钢制成。优选地，钢是不锈钢。有利地，不锈钢是奥氏体类型的，诸如AISI321合金。防护罩14包括粘附层（未示出），以优化防护罩与前缘12a的附接。例如，粘附层是粘合底漆，诸如环氧树脂。

因此，防护罩14粘合到前缘12a。胶水层15布置在防护罩14和叶片12之间。

为了确保防护罩14的粘合性能，防护罩14经受表面处理。

根据本发明并参考图4，表面处理包括以下按时间顺序排列的步骤：

（a）可选地，对防护罩14进行脱脂，

（r）可选地，冲洗防护罩14，

（b）可选地，预酸洗防护罩14，

（r）可选地，冲洗防护罩14，

（c）在电解质浴18中酸洗防护罩，

（r）可选地，冲洗防护罩14，

（d）可选地，对防护罩14进行干燥，以及

（e）将粘附层施加到防护罩14上。

在说明书的其余部分中，在适用的情况下，浴充满了水，以达到浴槽的体积的100%。

有利地，在步骤（c）中，将防护罩14浸入电解质浴18中。电解质浴18是水浴。电解质浴18包含硝酸。优选地，电解质浴18包含硝酸作为唯一的酸。优选地，电解质浴18不含氢氟酸。有利地，例如，硝酸在水溶液中以68%的质量浓度存在于溶液中，并且具有1.41的比重。电解质浴18中的硝酸或电解质浴18中的溶液的体积浓度介于10%至50%之间。有利地，电解质浴18的温度介于20℃至100℃之间，优选地介于30℃至70℃之间。

有利地，密度介于0.1A/dm²至10A/dm²之间的电流流过电解质浴18。有利地，防护罩14在步骤（c）中被电化学蚀刻超过3分钟的持续时间，优选地介于5分钟至20分钟之间的持续时间。

电化学酸洗使得能够改善防护罩14的粘合性能和机械性能。图6a和图6b是放大倍数为1000的扫描电子显微镜图像。图像显示电化学酸洗步骤导致在奥氏体晶粒140中形成纳米孔142。纳米孔142有助于将防护罩14粘合到前缘12a。在奥氏体晶粒140边界处还存在铁素体的优先蚀刻，从而形成微孔表面141，这也有利于粘合防护罩14。

优选地，酸洗步骤被构造成蚀刻奥氏体晶粒140和奥氏体晶粒边界处的铁素体，以在奥氏体晶粒140中产生纳米孔142。

此外，电化学酸洗步骤（c）的持续时间是特别有利的，因为这使得能够将防护罩14浸入足够的时间，以在整个防护罩14中获得均匀的酸洗，尽管该防护罩的尺寸大。

以特别优选的方式，电解质浴18中硝酸（例如68%）的体积浓度为25%，电流的密度为0.5A/dm²，并且步骤（c）的持续时间为15分钟。

电化学酸洗步骤（c）的这些优选条件使得能够限制应力集中，并实现与由防护罩14的表面缺陷（诸如机加工凹槽和裂纹）产生的应力集中类似的应力集中。这提高了防护罩14的疲劳强度。

优选地，在酸洗步骤结束时，防护罩14具有小于4μm的粗糙度Rz。

有利地，冲洗步骤（r）用软化水进行。

在实施例的第一示例中，使用压缩空气进行干燥步骤（d）。

根据实施例的另一示例，在炉中进行干燥步骤（d）。

根据实施例的第一示例，沉积粘附层的步骤（e）包括沉积粘合底漆的第一子步骤和聚合粘合底漆的子步骤。例如，聚合子步骤在介于100℃至200℃的温度下进行。

根据本发明的方法可以在用于防护罩14的表面处理的设备（未示出）中实施。设备包括电解单元16，该电解单元包括例如在图5中示出并在步骤（c）中实施的电解槽17。电解质槽17包括电解质浴18。电解单元16还包括布置在电解质浴18中的至少一个阴极19和也布置在电解质浴18中的由防护罩14形成的阳极。有利地，至少两个阴极19布置在电解质浴18中。电解单元16还包括连接到阴极和防护罩14的发电机19。有利地，发电机19是直流发电机。

可选地，设备还包括在步骤（d）中实施的干燥单元。在第一示例中，干燥单元包括压缩空气喷射装置，或者在第二示例中包括干燥炉。

设备还包括用于沉积步骤（e）中使用的粘附层的单元。例如，用于沉积粘附层的单元包括用于施加粘合底漆的装置，诸如刷子或喷枪。

现在将描述用于制造轮叶11的方法。方法包括以下步骤：

- 供给叶片12，

- 提供钢防护罩14，

- 如上所述进行防护罩14的表面处理，

- 将防护罩14胶合到前缘12a。

示例

实施例1：显微镜分析

AISI321奥氏体不锈钢试样P1、P2在表1所示的条件下在浴中经受根据本发明的电化学酸洗。

硝酸最初在水溶液中以68%的质量浓度存在，并且具有1.41的比重。

图6c和图6d分别是试样P1和P2在×100放大倍数下的光学显微镜图像。光学显微镜是蔡司（ZEISS）显微镜。

可以看出，钢的晶粒内蚀刻的深度D在试样P1上为4μm，在试样P2上仅为2μm。

因此，可以得出结论，试样P2的电化学酸洗条件使得能够减小晶粒间蚀刻的深度，从而减少钢中的应力集中。因此，在这些条件下，防护罩的疲劳强度得到改善。

[表1]电化学酸洗步骤的条件

Claims

1.一种用于对用于飞行器涡轮发动机（1）的轮叶（11）的前缘（12a）的钢防护罩（14）的表面进行处理的方法，其特征在于，该方法包括以下按时间顺序排列的步骤：

（c）在电解质浴（18）中酸洗所述防护罩（14），

（e）在所述防护罩（14）上沉积粘附层。

2.根据前一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述电解质浴（18）包含硝酸。

3.根据前一项权利要求所述的方法，其特征在于，硝酸的体积浓度介于10%至50%之间。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，密度介于0.1A/dm²至10A/dm²之间的电流通过所述电解质浴（18）。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在超过3分钟的持续时间，优选地介于5分钟至20分钟之间的持续时间内进行步骤（c）。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，硝酸的体积浓度为25%，电流的密度为0.5A/dm²，并且步骤（c）的持续时间为15分钟。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述电解质浴（18）的温度介于20℃至100℃之间，优选地介于30℃至70℃之间。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法在步骤（c）之前包括以下步骤：

（a）对所述防护罩（14）进行脱脂。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法在步骤（c）和步骤（e）之间包括以下步骤：

（d）对所述防护罩（14）进行干燥。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述防护罩（14）由不锈钢制成，有利地，所述不锈钢是奥氏体类型的，诸如AISI321合金。