СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ДЕТАЛИ ПРИ ПОМОЩИ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ И СВЕРХПЛАСТИЧНОГО ФОРМОВАНИЯ Российский патент 2009 года по МПК B23K31/02 B23K101/04 B23P15/04 F01D5/18 

Область техники

Предлагаемое изобретение относится к способу изготовления полой механической детали при помощи диффузионной сварки и сверхпластичного формования.

Предлагаемое изобретение также относится к изготовлению полой лопатки для турбомашины, в частности лопатки ротора вентилятора, в частности лопатки с широкой хордой.

Уровень техники

Здесь следует напомнить, что технология диффузионной сварки состоит в приведении в контакт при высокой температуре под некоторым давлением и на протяжении некоторого времени двух пластин, изготовленных из выбранного материала. При этом сварка двух этих пластин осуществляется в результате диффузии атомов, что обеспечивает преимущество, заключающееся в формировании структуры соединения, эквивалентной структуре основного материала.

В случае диффузионной сварки, сопряженной со сверхпластичным формованием, используют противодиффузионный материал, или так называемый материал "stop-off", для того, чтобы воспрепятствовать диффузионной сварке в тех зонах обращенных друг к другу сторон свариваемых пластин, которые затем будут раздуты для получения полой механической детали.

Таким образом, упомянутый противодиффузионный материал, который образует барьер для диффузии и который также называют "stop-off", наносится в предварительно заданных зонах на по меньшей мере одну из этих обращенных друг к другу сторон пластин из сверхпластичного материала таким образом, чтобы по окончании этапа диффузионной сварки эти пластины не были сварены в упомянутых зонах, покрытых противодиффузионным материалом, который обычно содержит наполнитель из жаростойкого материала, препятствующего диффузии атомов подлежащих сварке пластин.

Узел из пластин, селективно сваренных диффузионной сваркой, затем обычно подвергают сверхпластичному формованию путем нагревания этого узла до температуры, соответствующей сверхпластичному поведению (состоянию) материала пластин, обычно в закрытой форме. Затем в не подвергшиеся сварке зоны данного узла подают под контролируемым давлением инертный газ, таким образом обеспечивая раздувание пластин в соответствии с профилем формы.

Вполне очевидно, что качество сварного соединения, получаемого после завершения этапа диффузионной сварки, зависит от различных рабочих параметров: температуры, давления и времени проведения данного этапа, а также от параметров, связанных с подлежащими соединению элементами: от их металлургической структуры и состояния поверхности (чистота, шероховатость). Вследствие этого первостепенной задачей является устранение любого источника загрязнения с подлежащих соединению поверхностей перед подъемом температуры на этапе диффузионной сварки.

Такую очистку поверхностей обычно осуществляют путем вакуумирования полости, образованной двумя подлежащими сварке поверхностями. Однако в случае диффузионной сварки, сопряженной со сверхпластичным формованием, используют противодиффузионный материал, состоящий из связующего, обычно органического, и порошка противодиффузионного материала, представляющего собой наполнитель из жаростойкого материала типа керамики (например, оксида иттрия, оксида алюминия или же нитрида бора или графита). Этот противодиффузионный материал препятствует диффузии атомов материалов свариваемых пластин.

После нанесения противодиффузионного материала согласно предварительно заданному рисунку, соответствующему тем зонам поверхностей, которые не должны быть связаны между собой диффузионной сваркой, упомянутое связующее обычно разлагается, оставляя только порошок противодиффузионного материала, который обладает противодиффузионными свойствами.

Такое нанесение противодиффузионного материала обычно осуществляют при помощи известной технологии трафаретной печати, в которой используются трафареты (трафаретные сетки), содержащие рамку, охватывающую сетку, сквозь которую проходит подлежащая нанесению текучая среда согласно предварительно заданному рисунку. Эта сетка реализована при помощи натянутого полотна из тканых нитей и имеет уплотненные части, которые блокируют прохождение текучей среды в зоны, которые не должны быть покрыты противодиффузионным материалом.

Согласно патенту США 5896658 для того чтобы уменьшить риск миграции частиц противодиффузионного материала, осажденного по технологии трафаретной печати, после этапа предварительного нагрева противодиффузионного материала для достижения разложения и полного удаления содержащегося в противодиффузионном материале связующего и перед осуществлением диффузионной сварки узла под изостатическим давлением проводят следующие дополнительные этапы:

- вакуумирование внутреннего пространства узла при его одновременном постепенном нагреве со скоростью V до температуры Т, приспособленных для получения остаточной пластической деформации деталей, а затем

- поддержание внутреннего пространства узла вакуумированным при температуре Т при приложении изостатического давления к внешней стороне узла с тем, чтобы достичь уплотнения противодиффузионного материала и предварительной сварки обращенных друг к другу участков, которые не покрыты противодиффузионным материалом.

Технология трафаретной печати обеспечивает разрешающую способность, которая зависит, в частности, от размеров ячеек сетки и диаметра нитей, причем размеры этих ячеек должны быть достаточно большими для того, чтобы обеспечить возможность прохождения подлежащей нанесению текучей среды, но достаточно малыми для того, чтобы уменьшить явления "переходов" (образования зубчатых границ). Кроме того, эта технология трафаретной печати требует использования системы позиционирования рамки по отношению к обрабатываемой детали и выполнения многочисленных регулировок (натяжение полотна, расстояние между полотном и обрабатываемой деталью и т.п.), причем полотно для трафаретной печати подвергается износу с течением времени, который проявляется в деформации, влекущей за собой смещение наносимых на деталь рисунков.

Понятно, что эта технология является относительно сложной для реализации, дает результаты, не являющиеся точно воспроизводимыми с течением времени, и требует строгого контроля вязкости наносимого противодиффузионного материала.

Известна также технология нанесения противодиффузионного материала путем распыления через маску, которая раскрыта в патентной публикации №FR 2739045, в которой описан способ изготовления полой лопатки для турбомашины. Эта технология распыления содержит следующие этапы:

a) наложение маски органического типа на по меньшей мере одну сторону по меньшей мере одной из первичных деталей;

b) разрезание этой маски согласно предварительно заданному рисунку, определяющему границы свариваемых и не свариваемых зон, посредством специального инструмента, управляемого компьютером;

c) отслаивание упомянутой маски с зон, не подлежащих сварке;

d) очистка поверхностей;

e) осаждение противодиффузионного материала на предварительно подготовленные поверхности;

f) отслаивание оставшейся части маски;

g) предварительный отжиг противодиффузионного материала;

h) очистка и контроль подлежащих свариванию поверхностей.

Установлено, что этап с) отслаивания маски с не подлежащих свариванию зон вызывает небольшие локальные отрывы маски, что нарушает точность границ осаждения. Кроме того, отслаивание маски на этапе f) порождает локальные провалы и/или отрывы периферийных зон осажденного покрытия. Таким образом, два эти явления способствуют снижению геометрической точности осажденного покрытия и, следовательно, ухудшению качества подлежащих свариванию поверхностей. Кроме того, в данном случае важно надежно контролировать вязкость противодиффузионного материала с тем, чтобы на этапе е) он надлежащим образом покрывал предварительно подготовленные поверхности.

Таким образом, понятно, что эта технология распыления является достаточно сложной для реализации, требует значительного времени для ее осуществления и приводит в результате к значительным неточностям.

В документе ЕР 0849029 предлагается нанесение противодиффузионного материала прямым осаждением, реализуемым путем выброса струи текучей среды. Эта технология близка к известному способу струйной печати, поскольку здесь используется печатная головка, которая движется над пластиной и траекторией движения которой управляет компьютер, причем текучая среда переносится в виде струй из резервуара на поверхность пластины согласно предварительно заданному рисунку.

Таким образом, эта технология позволяет наносить соответствующий материал непосредственно на данную деталь без использования трафаретной сетки или без предварительного этапа осаждения образующего маску материала, что упрощает операцию осаждения и исключает этап изготовления, технического обслуживания, регулировки и контроля рамок трафаретной печати.

Однако эта технология непосредственного осаждения текучей среды струйным способом требует точной регулировки вязкости текучей среды, образующей противодиффузионный материал, в частности, путем добавления противоосаждающих веществ и антикоагулянтов. Эти добавки обычно делают осаждаемый материал загрязняющим по отношению к основе, в частности, в том случае, когда эта основа выполнена из сплава на основе титана.

Сущность изобретения

Таким образом, техническая задача предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы преодолеть недостатки известных из уровня техники технологий осаждения противодиффузионного материала, в частности, создать такой способ осаждения, в котором нет необходимости в строгом контроле вязкости противодиффузионного материала.

Говоря более конкретно, предлагаемое изобретение направлено на усовершенствование условий, при которых осуществляется этап диффузионной сварки, а в частности, данное изобретение имеет целью содействовать устранению любых источников загрязнения подлежащих соединению поверхностей перед доведением их до температуры диффузионной сварки, в частности устранению любых остатков от разложения органического связующего, присутствующего в противодиффузионном материале.

Цель предлагаемого изобретения также состоит в том, чтобы достаточно простым, надежным и высокоточным способом обеспечить осаждение противодиффузионного материала согласно предварительно заданному рисунку с особенно высокой четкостью (резкостью) вдоль границ этого рисунка.

Согласно известному уровню техники предлагаемое изобретение представляет собой способ изготовления полой механической детали путем диффузионной сварки и сверхпластичного формования, включающий в себя следующие этапы:

a) обеспечение наличия по меньшей мере двух первичных деталей из сверхпластичного материала;

b) осаждение противодиффузионного материала на по меньшей мере одну сторону упомянутых первичных деталей согласно предварительно заданному рисунку;

c) сборка первичных деталей по их периферии за исключением места, образующего проход, причем упомянутые первичные детали образуют пакет и ограничивают между собой полость, при этом упомянутую по меньшей мере одну сторону, на которую на этапе b) был осажден противодиффузионный материал, располагают обращенной к упомянутой полости;

d) диффузионная сварка упомянутого пакета при изостатическом давлении;

e) размещение сваренного узла в форме; и

f) создание в упомянутой форме температуры сверхпластичного формования и подача инертного газа под давлением сверхпластичного формования через упомянутый проход в упомянутую полость, что вызывает раздувание пакета и сверхпластичное формование, позволяющее получить заготовку механической детали.

Для того чтобы обеспечить достижение упомянутых выше целей, этап b) в соответствии с предлагаемым изобретением отличительным образом осуществляют в виде последовательности следующих подэтапов:

b1) нанесение слоя противодиффузионного материала, содержащего порошок, на всю поверхность упомянутой по меньшей мере одной стороны первичных деталей;

b2) локализованное спекание противодиффузионного материала согласно упомянутому предварительно заданному рисунку путем нагревания в результате локализованного воздействия лазерного луча вдоль траектории, образованной по меньшей мере одной зоной, за счет чего в упомянутой по меньшей мере одной зоне создают связи между частицами порошка и обеспечивают явление диффузии между частицами этого порошка и материалом упомянутой по меньшей мере одной стороны первичных деталей; и

b3) удаление противодиффузионного материала из областей, не подвергавшихся воздействию лазерного луча.

Таким образом понятно, что, поскольку осаждение противодиффузионного материала согласно предварительно заданному рисунку осуществляется путем спекания в результате прохождения лазерного луча, можно обойтись без точной регулировки вязкости противодиффузионного материала. Следовательно, использование органического связующего больше не является обязательным, что устраняет все проблемы возможного загрязнения подлежащих сварке поверхностей остатками от разложения этого органического связующего.

Этот способ также является достаточно простым для реализации вследствие того, что он позволяет упростить этап осаждения, поскольку имеется возможность непосредственно осаждать противодиффузионный материал без использования в качестве промежуточного элемента трафаретной сетки или слоя маскирующего материала.

Таким образом, это решение обладает преимуществом по сравнению с обычной технологией трафаретной печати, которое состоит в исключении этапов изготовления, технического обслуживания, контроля и/или регулировки трафаретных рамок. По сравнению с технологией струйного нанесения текучей среды предлагаемое изобретение не представляет опасности закупоривания каналов струйной головки.

В целом, благодаря способу в соответствии с предлагаемым изобретением можно обеспечить удовлетворительное разрешение при задании границ рисунков с очень высокой степенью воспроизводимости геометрических форм осажденных покрытий благодаря высокой разрешающей способности и точности управления лазерным лучом, которое предпочтительным образом является автоматизированным.

Кроме того, следует подчеркнуть, что спекание позволяет реализовать надежное сцепление противодиффузионного материала с одной или несколькими задействованными сторонами одной или нескольких первичных деталей, что полностью исключает опасность миграции частиц противодиффузионного материала в те зоны, которые подлежат соединению диффузионной сваркой.

И наконец, следует отметить, что этап спекания при помощи лазерного луча вызывает нагревание, которое позволяет разложить или удалить связующее, то есть устранить его.

Принцип спекания минерального (неорганического) порошка при помощи лазерного луча представлен в патентном документе FR 2772021 в рамках нанесения маркировки, в частности нанесения декоративного покрытия.

Предпочтительно, упомянутый противодиффузионный материал содержит упомянутый порошок и связующее, причем этот порошок представляет собой противодиффузионный наполнитель, образованный жаростойким материалом, содержащим по меньшей мере один из материалов, выбранных из группы, состоящей из оксида иттрия, оксида алюминия, графита и нитрида бора, или любым другим порошком из материала, совместимого с материалом основы.

Предпочтительно, упомянутый противодиффузионный наполнитель представляет собой порошок оксида иттрия, средний размер частиц которого составляет менее 50 мкм.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления упомянутое связующее не является органическим и имеет водную основу, в частности это связующее представляет собой воду.

Действительно, такое связующее позволяет преодолеть проблемы, связанные с устранением остатков от разложения органических связующих. В самом деле, когда связующим является вода, она удаляется путем испарения в процессе прохождения лазерного луча.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления этап b1) нанесения слоя противодиффузионного материала осуществляют при помощи любого способа, известного специалисту в данной области техники, например при помощи распыления, обмазки, трафаретной печати и т.п.

Этот вариант может быть осуществлен простым образом при помощи сопел распыления, которые распыляют противодиффузионный материал непосредственно по всей поверхности упомянутой по меньшей мере одной стороны первичных деталей, образованных пластинами.

В соответствии с предпочтительным вариантом реализации этап b2) спекания осуществляют в атмосфере воздуха или, предпочтительно, в нейтральной атмосфере (инертного газа), в частности в атмосфере аргона.

Действительно, таким образом исключается всякая опасность загрязнения упомянутой по меньшей мере одной стороны первичных деталей, образующих основу для осаждения противодиффузионного материала. При этом было фактически подтверждено, что действительно отсутствовало загрязнение слоя противодиффузионного материала даже в том случае, когда спекание было выполнено не в нейтральной атмосфере, а, в частности, в случае осуществления этого спекания в атмосфере воздуха.

Предпочтительно, этап b3) удаления неспеченного материала осуществляют при помощи любой неабразивной операции для того, чтобы не повредить поверхности перед осуществлением диффузионной сварки. В частности, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления этот этап b3) удаления неспеченного материала выполняют путем промывки, что представляет собой весьма простое средство. Этот этап b3) удаления неспеченного материала также может быть осуществлен при помощи любого другого действия, в частности механического, но не абразивного действия, например путем очистки щеткой.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления лазерным лучом управляют при помощи системы регулирования (позиционирования), управляемой компьютером, как это известно, например, в области лазерной маркировки.

Также предпочтительным образом предполагается, что для каждой зоны траектории движения лазерного луча упомянутая система управления начинает прохождение соответствующего участка этой траектории внутри этой зоны. Таким образом исключается опасность появления точечных дефектов (которые могут быть связаны с длительным воздействием лазерного луча) на краях зон, покрытых спеченным противодиффузионным материалом, то есть на поверхности раздела свариваемых и не свариваемых зон.

Предлагаемое изобретение касается также способа изготовления определенного выше типа, который отличается тем, что упомянутая механическая деталь представляет собой полую лопатку турбомашины, в частности лопатку ротора вентилятора, а также тем, что на этапе а) обеспечивает наличие трех первичных деталей (в форме пластин), представляющих собой верхнюю первичную деталь, центральный лист и нижнюю первичную деталь.

Краткое описание чертежей

Другие характеристики и преимущества предлагаемого изобретения будут лучше понятны из приведенного ниже описания примера его осуществления, приведенного со ссылками на прилагаемые чертежи, среди которых:

- Фиг.1 представляет собой схематический перспективный вид спереди полой лопатки для турбомашины, полученной с помощью способа ее изготовления по изобретению;

- Фиг.2 представляет собой схематический вид в разрезе по поперечной плоскости лопатки, показанной на фиг.1;

- Фиг.3 представляет собой детальный вид соединения между двумя элементами лопатки, показанной на фиг.1 и 2;

- Фиг.4 представляет собой схематический перспективный вид, иллюстрирующий положение в конце первого подэтапа этапа осаждения противодиффузионного материала, то есть после того, как этот противодиффузионный материал был нанесен и когда он уже покрывает всю поверхность одной первичной детали;

- Фиг.5 иллюстрирует второй подэтап этапа осаждения противодиффузионного материала, соответствующий локализованному воздействию лазерного луча вдоль некоторой траектории, вызывающему локализованный нагрев, и, в результате, локализованное спекание этого противодиффузионного материала согласно упомянутому предварительно заданному рисунку;

- Фиг.6 иллюстрирует третий подэтап этапа осаждения противодиффузионного материала, а именно подэтап удаления этого противодиффузионного материала из тех областей, которые не подвергались воздействию лазерного луча;

- Фиг.7 представляет собой схематический вид в поперечном разрезе первичной детали в положении, показанном на фиг.5; и

- Фиг.8 представляет собой принципиальную схему устройства, обеспечивающего реализацию этапа осаждения противодиффузионного материала согласно предварительно заданному рисунку.

Подробное описание изобретения

На фиг.1 и 2 показана полая лопатка 10 для турбомашины, в частности лопатка вентилятора с широкой хордой, предназначенная, например, для двухконтурного турбореактивного двигателя.

Как это можно более полно видеть на поперечном сечении, представленном на фиг.2, лопатка 10 образована нижней оболочкой 12 (корытом лопатки), верхней оболочкой 14 (спинкой лопатки) и центральным элементом 16, образующим поперечные перемычки.

Как это можно видеть на упомянутых фигурах, оболочки 12 и 14 лопатки отстоят друг от друга, образуя внутреннюю полость 18, в которой располагается центральный элемент 16, образующий множество элементов жесткости, связывающих между собой нижнюю оболочку 12 и верхнюю оболочку 14.

Этот центральный элемент 16 перед этапом диффузионной сварки находится в форме центрального листа 16′, схематически представленного штрихпунктирной линией на фиг.2.

Лопатка 10 является результатом осуществления усовершенствованного способа изготовления, представляющего собой объект предлагаемого изобретения, причем в этой лопатке нижняя оболочка 12 и верхняя оболочка 14 приварены друг к другу при помощи диффузионной сварки вдоль их периферии с формированием передней кромки 20 лопатки (слева на фиг.2) и задней кромки 22 лопатки (справа на фиг.2). Внутренняя полость 18 этой лопатки 10 имеет радиус закругления 24 со стороны ее передней кромки 20 и радиус закругления 26 со стороны ее задней кромки 22.

Как это можно более подробно видеть на фиг.3, центральный элемент 16, образующий поперечные перемычки, имеет поверхности, приваренные к нижней оболочке 12, и поверхности, приваренные к верхней оболочке 14, что приводит к реализации соединений между образующими элементы жесткости участками этого центрального элемента 16 и оболочками 12 и 14 с радиусами закругления 28 или 29.

На первом этапе а) способ изготовления по изобретению лопатка 10, которую можно видеть на фиг.1 и 2, состоит из трех первичных деталей (верхней первичной детали, центрального листа 16' и нижней первичной детали), которые изготавливают путем ковки, штамповки на прессе и последующей отделочной механической обработки.

На последующем этапе b) осуществляют осаждение диффузионных барьеров согласно предварительно заданному рисунку, соответствующих тем зонам поверхностей нижней и верхней первичных деталей, которые обращены к полости 18 и которые не будут соединены с образующим поперечные перемычки элементом 16.

Более детальным образом этот этап b) распадается на следующие подэтапы:

b1) нанесение на одну из упомянутых выше первичных деталей 30 слоя противодиффузионного материала 32, содержащего порошок, а именно на всю соответствующую поверхность этой первичной детали 30, в результате чего получается положение, которое можно видеть на фиг.4;

b2) локализованное спекание порошка, содержащегося в слое противодиффузионного материала 32, согласно предварительно заданному рисунку 34, содержащему зоны 34а, 34b, 34c, 34d, 34e, 34f, 34g и 34h (то есть зоны, соответствующие тем областям поверхностей верхней и нижней первичных деталей, которые обращены к полости 18 и которые не будут связаны с образующим поперечные перемычки элементом 16), причем это локализованное спекание осуществляют вдоль траектории 36 при помощи лазерного луча 38 (см. фиг.5, на которой зоны 34а-34h имеют форму, выбранную в качестве иллюстративного примера, но не соответствующую форме, которая позволяла бы обеспечить специфическое соединение между верхней и нижней первичными деталями лопатки и образующим поперечные перемычки элементом 16); и

b3) удаление слоя противодиффузионного материала 32 из тех зон, которые не подвергались воздействию лазерного луча 38, при помощи неабразивных средств 40 очистки (см. фиг.6).

Этап осаждения противодиффузионного материала, только что описанный со ссылками на фиг.4-6 и включающий в себя последовательность подэтапов b1)-b3), в случае способа изготовления лопатки 10, проиллюстрированной на фиг.1-3, реализуется на по меньшей мере двух сторонах упомянутых первичных деталей.

Точнее говоря, по меньшей мере одна сторона из внутренней стороны нижней первичной детали (которая будет образовывать нижнюю оболочку 12) и обращенной к ней стороны центрального листа 16′, а также по меньшей мере одна сторона из внутренней стороны верхней первичной детали (которая будет образовывать верхнюю оболочку 14) и обращенной к ней стороны центрального листа 16′ подвергаются этапу b) осаждения.

Разумеется, здесь речь идет о создании соединений между центральным листом 16′ и, с одной стороны, внутренней стороной нижней первичной детали и, с другой стороны, внутренней стороной верхней первичной детали, причем эти внутренние стороны обращены в сторону полости 18.

В данном случае, упомянутые первичные детали изготовлены из сплава на основе титана, а противодиффузионный материал состоит из связующего, в данном случае представляющего собой воду, и противодиффузионного наполнителя в виде порошка на основе оксида иттрия.

Как можно видеть на фиг.4, нанесение противодиффузионного материала 32 на первичную деталь 30 предпочтительным образом осуществляют путем распыления, причем также возможно использование других технологий нанесения, таких как обмазка при помощи валика, кисти или нанесение окунанием, если только приходят к системе, которой можно манипулировать соответствующим образом, однако степень сцепления противодиффузионного материала 32 с поверхностью основы ограничивается для того, чтобы этот материал можно было удалить с поверхности первичной детали, на которую этот материал нанесен, путем простого промывания.

После спекания желательно получить слой спеченного противодиффузионного материала 32′, имеющий толщину, составляющую по меньшей мере 5 мкм, причем порошок оксида иттрия состоит из частиц, имеющих средний размер примерно 5 мкм (этот средний размер частиц имеет величину в диапазоне от 3 до 7 мкм, предпочтительно - в диапазоне от 4 до 6 мкм, а еще более предпочтительно - по существу равный 5 мкм).

Лазерный луч 38 регулируется таким образом, чтобы он передавал энергию, достаточную для того, чтобы обеспечить в слое противодиффузионного материала 32 спекание частиц порошка, образующего противодиффузионный наполнитель, но без реализации плавления этого порошка, создавая тем самым явление связывания между спеченным противодиффузионным материалом 32 и материалом, составляющим ту поверхность первичной детали 30, на которую был нанесен слой противодиффузионного материала 32.

Также в процессе прохождения лазерного луча 38 за счет испарения удаляется вода, которая образует в данном случае связующее противодиффузионного материала. Однако если используется другое связующее, в частности органическое связующее, то нагревание, связанное с прохождением лазерного луча, является достаточным для разложения этого связующего.

Понятно, что регулировка лазерного луча 38 позволяет также исключить возможность повреждения и/или разрушения материала самой первичной детали 30.

Для того чтобы надежно, с высокой точностью и высокой прямолинейностью, разграничить предварительно заданный рисунок 34, в основном вдоль контуров зон 34a-34h, предпочтительным образом предусматривается, чтобы лазерный луч 38 осуществлял свое движение по траектории 36, которая позволяет ему проходить через все точки в зонах 34a-34h, начиная для каждой из этих зон свое движение с соответствующего участка траектории 36 внутри этой зоны, а не вдоль ее края.

Таким образом, исключают возможность появления точечных дефектов вдоль контуров зон 34a-34h, тем самым обеспечивая высокую четкость и высокую точность локализации спеченного противодиффузионного материала 32′.

После того как совокупность зон 34a-34h получила достаточное количество энергии от лазерного луча 38 для спекания противодиффузионного материала согласно предварительно заданному рисунку 34, приступают к удалению неспеченного остатка слоя противодиффузионного материала 32 из соответствующих областей, то есть за пределами рисунка 34 с помощью средств 40 очистки, которые перемещаются по всей поверхности первичной детали 30 (как это показано стрелкой 42 на фиг.6).

Предусматривается реализация такой очистки посредством промывки при помощи струй воды, но понятно, что можно также осуществить эту очистку путем погружения в растворитель, путем механического воздействия (протирание, обработка щеткой и т.п.) или путем погружения в жидкость, подвергающуюся воздействию потока ультразвуковых колебаний.

Понятно, что в данном случае выбирают неабразивные средства 40 очистки для того, чтобы не нарушить контуры спеченного противодиффузионного материала 32′.

На фиг.7 более определенным образом представлено явление спекания при помощи лазерного луча 38, который подает энергию в область 46 спекания слоя 32 для осуществления спекания частиц порошка в этом слое 32 и обеспечения связывания этой области 46 с поверхностной областью 48 связывания первичной детали 30. Это связывание между областями 46 и 48 позволяет надежным образом зафиксировать частицы порошка спеченной области 46 на первичной детали 30, тем самым получив прочное покрытие из противодиффузионного материала.

Для этого лазерный луч 38 перемещается так, чтобы обеспечить позиционирование точки фокусирования лазерного излучения в такой области 50 фокусирования, в которой находится свободная поверхность слоя 32 противодиффузионного материала.

На фиг.8 схематически проиллюстрировано устройство 52, позволяющее осуществить этап осаждения по изобретению.

Перемещение лазерного луча 38 осуществляют при помощи механических средств 54, управляемых при помощи компьютерного интерфейса 56.

Первичная деталь 30 закреплена на рабочем столе 58, причем этот рабочий стол 58 выполнен с возможностью соответствующего позиционирования при помощи средств привода, управляемых с помощью компьютерного интерфейса 56, для постоянного поддержания поверхности первичной детали 30 в области 50 фокусирования лазерного луча 38 с тем, чтобы обеспечить возможность выполнения операции осаждения противодиффузионного материала также и на поверхности, не являющиеся плоскими.

Рабочий стол 58 способен перемещаться в направлении 60 вперед-назад для того, чтобы последовательно оказываться под установкой 62 распыления, обеспечивающей нанесение слоя противодиффузионного материала 32, под лазерным лучом 38 в ходе второй операции этапа b) осаждения, а затем под средствами 40 очистки, представляющими собой установку, испускающую водяные струи.

Необходимо также реализовать сушку противодиффузионного материала 32 после его распыления и перед его спеканием. Такая сушка (не показанная на прилагаемых фигурах) осуществляется при температуре менее 100°С посредством одного или нескольких вентиляторов или с использованием печи.

Вариант реализации, не показанный на прилагаемых фигурах, состоит в размещении устройства 52, показанного на фиг.8, в камере, заполненной инертным газом типа аргона для того, чтобы исключить всякое загрязнение первичной детали 30.

Последующие этапы способа изготовления полой лопатки 10 (не представлены на прилагаемых фигурах) осуществляют известным образом:

c) собирают первичные детали (нижнюю первичную деталь, центральный лист 16′ и верхнюю первичную деталь), предварительно сложенные в пакет, по их периферии за исключением места, образующего проход;

d) осуществляют сварку упомянутого пакета способом диффузионной сварки в камере изостатического сжатия таким образом, чтобы обеспечить прочное соединение (связь) между образующими лопатку первичными деталями кроме места упомянутого прохода и зон, покрытых слоем спеченного противодиффузионного материала 32′;

e) размещают сваренный таким образом узел в форме; и

f) осуществляют формование образующих лопатку 10 первичных деталей в сверхпластичных условиях, подавая во внутреннюю полость 18 давление раздувания (предпочтительно при помощи инертного газа) таким образом, чтобы получить требуемый профиль, проиллюстрированный на фиг.2.

Благодаря реализации осаждения противодиффузионного материала в соответствии с предлагаемым изобретением посредством спекания под действием лазерного луча, обеспечивается использование стабильного противодиффузионного материала 32′, который не будет ни смещаться, ни повреждаться, в частности в процессе приложения давления на этапе диффузионной сварки.

Понятно, что приведенное здесь описание было выполнено по отношению к изготовлению лопатки 10, полученной из трех исходных первичных деталей в форме пластин или листов, однако этот способ также может быть применен как для большего числа исходных первичных деталей, так и для всего лишь двух таких деталей.

Аналогичным образом с использованием способа изготовления в соответствии с предлагаемым изобретением также могут быть изготовлены другие полые механические детали, в частности крылья, камеры, капоты, обтекатели, небольшие балки или любые другие полые механические детали, в случае необходимости структурированные.

В качестве примера для изготовления описанной выше полой лопатки были использованы следующие условия:

- сплав, из которого изготовлена основа, то есть первичная деталь 30 (верхняя и нижняя оболочки лопатки): титановый сплав марки TA6V;

- противодиффузионный материал 32: смесь оксида иттрия и воды в пропорции 50/50;

- нанесение слоя противодиффузионного материала 32 выполнялось путем распыления;

- характерная плотность слоя противодиффузионного материала 32 после его осаждения и сушки: от 5 до 10 мг/см².

Операция спекания при помощи лазерного луча была осуществлена в следующих рабочих условиях:

- длина волны: область короткого инфракрасного излучения,

- средняя мощность излучения: от 5 до 100 Вт,

- скорость сканирования: от 50 до 3000 мм/с,

- частота: от 2 до 50 Гц,

- диаметр лазерного луча (в точке фокусирования): от 10 до 200 мкм, и

- толщина слоя противодиффузионного материала после спекания: от 10 до 25 мкм.

Способ может быть использован при изготовлении лопатки турбомашины, в частности лопатки ротора вентилятора, например лопатки с широкой хордой. Противодиффузионный материал, содержащий порошок и связующее, наносят на поверхность, по меньшей мере, одной из пары первичных деталей, обращенных друг к другу. Производят его локализованное спекание согласно предварительно заданному рисунку путем нагревания за счет локализованного воздействия лазерного луча. В результате нагрева в зоне спекания создаются связи между частицами упомянутого порошка и имеет место явление диффузии между частицами этого порошка и материалом первичных деталей. Осуществляют удаление противодиффузионного материала из областей, не подвергавшихся воздействию лазерного луча. После сборки деталей в пакет проводят диффузионную сварку при изостатическом давлении и сверхпластичное формование детали с помощью инертного газа. Способ обеспечивает высокую четкость границ рисунка нанесенного противодиффузионного материала, позволяет исключить контроль его вязкости и устранить перед сваркой любые загрязнения, в частности остатки от разложения органического связующего противодиффузионного материала. 9 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ изготовления полой механической детали (10) путем диффузионной сварки и сверхпластичного формования, включающий в себя следующие этапы:
a) обеспечение наличия по меньшей мере двух первичных деталей (16′, 30) из сверхпластичного материала, имеющих две стороны;
b) осаждение противодиффузионного материала (32) на. по меньшей мере одной стороне из каждой пары тех сторон упомянутых первичных деталей (16′, 30), которые предназначены быть обращенными друг к другу, с получением предварительно заданного рисунка (34);
c) сборка упомянутых первичных деталей (16′, 30) по их периферии, за исключением места, образующего проход, с образованием пакета, имеющего полость (18), причем упомянутая по меньшей мере одна сторона с осажденным на нее противодиффузионным материалом (32) обращена к упомянутой полости (18);
d) диффузионная сварка упомянутого пакета первичных деталей при изостатическом давлении;
e) размещение сваренного таким образом узла в форме;
f) создание в упомянутой форме температуры сверхпластичного формования и подача инертного газа под давлением через упомянутый проход в упомянутую полость (18) для раздувания пакета с обеспечением сверхпластичного формования и получением механической детали (10),
отличающийся тем, что этап b) осуществляют с помощью подэтапов b1) нанесения слоя противодиффузионного материала (32), содержащего порошок, на всю поверхность упомянутой по меньшей мере одной стороны первичных деталей (16′, 30), b2) локализованного спекания противодиффузионного материала (32) в соответствии с предварительно заданным рисунком (34) путем нагревания за счет локализованного воздействия лазерного луча (38) при прохождении его вдоль траектории (36), образованной по меньшей мере одной зоной (34a-34h), для создания связей между частицами порошка и обеспечения диффузии между частицами этого порошка и материалом упомянутой по меньшей мере одной стороны первичных деталей, и после этого b3) удаления противодиффузионного материала (32) из областей, не подвергавшихся воздействию лазерного луча (38).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутый противодиффузионный материал (32) дополнительно содержит связующее, а упомянутый порошок выполнен из жаростойкого материала, совместимого с материалом основы, в частности, содержащего по меньшей мере один из материалов, выбранных из группы, состоящей из оксида иттрия, оксида алюминия, графита и нитрида бора.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве жаростойкого материала используют порошок оксида иттрия, средний размер частиц которого составляет менее 50 мкм.

4. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что в качестве связующего используют воду.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что подэтап b1) нанесения слоя противодиффузионного материала осуществляют при помощи распыления.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что подэтап b2) спекания осуществляют в атмосфере инертного газа, предпочтительно в атмосфере аргона.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что подэтап b3) удаления противодиффузионного материала осуществляют путем промывки или механического действия, в частности очистки щеткой или протирания.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что лазерным лучом (38) управляют при помощи системы регулирования, управляемой компьютером.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что для каждой зоны (34a-34h) упомянутая система регулирования обеспечивает начало прохождения лазерного луча вдоль соответствующего участка траектории (36) внутри упомянутой зоны (34a-34h).

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутая механическая деталь представляет собой полую лопатку (10) турбомашины, в частности лопатку ротора вентилятора, при этом на этапе а) обеспечивают наличие трех первичных деталей, представляющих собой верхнюю первичную деталь, центральный лист (16′) и нижнюю первичную деталь.