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Fraunhofer IPT研究TiAl叶片加工工艺

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Fraunhofer IPT研究TiAl叶片加工工艺
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Fraunhofer IPT的Angela Niedermeyer,Thomas Vollmer,Robert Schmitt博士和Access eV的MatthiasBünck博士研究了制造TiAl涡轮叶片的新工艺路线,以实现材料高效的批量生产。

基于钛和铝(TiAl)的高性能金属间化合物近段时间一直引起飞机发动机制造商的兴趣。毕竟,在飞机制造中,轻质材料一直非常重要。

在Access eV加工TiAl铸造涡轮叶片

今天,这个问题变得更加重要,尤其是在“飞行路径2050”设定的环境目标方面,即减少75%的二氧化碳排放和90%的氮氧化物排放。在这方面,减少飞机推重比是可取的,这可以通过使用轻质材料来实现。铝合金具有相对较低的密度,同时具有较高的机械强度和良好的耐腐蚀性能。因此,它有资格作为涡轮或压气机叶片的替代材料,这些叶片传统上是由镍基合金制成的,而镍基合金的密度几乎是钛铝合金的两倍。

通用电气(General electric)和MTU (MTU)等制造商已推出了TiAl涡轮叶片。然而,目前的缺点是TiAl合金可加工性差。铸件和机加工以及对产品质量在飞机零部件上的要求尤为苛刻。因此,制造费时费料。每一个工艺步骤都会造成相当大的材料损失,因此导致高买飞比。高成本和低吞吐量是流程效率低下的结果。随着对铝钛合金零件需求的不断增加,企业和科研机构都在努力实现系列化或规模化生产,以提高材料效率,降低成本。

在联邦经济事务和能源部(BMWi)资助的研究项目IDEAL中,Fraunhofer IPT和研究中心以及铸造专家Access eV开发了一种新的连续流涡轮叶片制造路线。在整个项目期间,实现了技术改进以及流程优化和质量保证方面的改进。

精加工余量和加工

在Access eV制造的TiAl铸造涡轮叶片

TiAl合金的非凡材料特性使材料对航空航天应用如此有意义,从而导致制造上的困难。可加工性差是由于其脆性,低断裂应变和低导热性。因此,制造商通常使用铸件的大型精加工余量,甚至在整个材料块中加工以保证安全。相比之下,Access eV开发了一种使用近净形熔模铸造制造涡轮叶片的工艺,实现了低于1mm的精加工余量。然而,涡轮叶片和铸态几何形状的高度复杂的几何形状仍然需要通过机加工一定但显着减少的量和迭代精加工。一方面可以通过磨削来实现加工,这可能是耗时的,因为去除率很小,或者另一方面是铣削,这会带来更高的去除率,但会导致表面质量下降。因此,Access eV和Fraunhofer IPT开发了一种节省时间,自动化和集成的精加工策略,从而缩短了处理时间。通过优化铸造和加工工艺的结合,项目合作伙伴开发了具有成本效益的批量生产。

批量生产

由于该工艺以低成本和大批量生产涡轮叶片的能力是必不可少的,因此将重点放在开发有效的连续流动制造系统上。为此,各个过程阶段的自动化和协调以及生产线平衡,投资和布局规划都是优化的主题。这项工作的结果得到了验证,特别关注过程稳定性,并在Access eV开发和实现的技术准备水平6生产环境中实现了部件质量。总的来说,实现了处理时间的显着缩短,同时满足飞机工业要求的高质量部件的产量显着增加。

由于组件是安全的 关键 ,航空航天制造业受到高度监管,安全要求非常高,这是欧盟或联邦航空管理局(FAA)等OEM和国际法规所要求的。存在满足这些要求的几种方法,例如跟踪批次以减少故障并提高质量或标准化文档。为了确保符合最新的安全法规,欧盟标准EN 9100已经实施,该标准涵盖了航空航天业质量管理体系的基本原则。

直到今天,这种实施对供应商来说既困难又耗时,因为标准清单很广泛。因此,在联合项目的范围内,该标准不仅在Access eV上实施,现已通过EN 9100认证,用于生产TiAl铸造涡轮叶片,但是已经通过并行开发了一种系统的和通用的方法。 Fraunhofer IPT不仅支持Access eV,而且支持其他公司的必不可少的认证流程。具体指导方针指导公司为每个相关测试或生产程序确定合适的建议和核心方面,并支持将这些建议转移到每个程序的精确和有形的现场指示,以确保产品与人无关且可重复的结果质量。所开发的方法通过六个步骤全面协助公司:现状分析,与期望状态的比较,行动建议的制定,这些步骤的优先次序,文件和审计。

由TiAl铸造涡轮叶片组成的涡轮叶轮

虽然最终评估仍在进行中,但该项目的成功已经体现在无可挑剔的质量的涡轮叶片产量增加。不仅提高了吞吐量,而且还降低了购买率。所开发的工艺能够实现TiAl涡轮叶片的材料和时间效率的生产,并且肯定可以转移到其他TiAl组件的制造中,由于这种高性能材料的复杂几何形状和差的可加工性,这些组件同样具有挑战性。总体而言,为了满足OEM厂商对低成本TiAl涡轮叶片不断增长的需求,已经取​​得了显着的进步,同时最终总生产成本将决定采用该技术。因此,随后的BMWi资助的研究项目NEXT专门针对该过程的经济效率。为此,工业4.0环境,特别是解决流程数字化和数据分析,将根据飞机制造业的特殊要求进行定制。

该项目由联邦经济事务和能源部(20T1509C)资助。

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