Способ обработки прутков из жаропрочных сплавов для получения лопаток компрессора газотурбинного двигателя

Способ обработки прутков из жаропрочных сплавов для получения лопаток компрессора газотурбинного двигателя

Реферат

Изобретение относится к обработке металлов давлением, а именно к изготовлению заготовок, например, для узлов ГТД, и может быть использовано в авиадвигателестроении и машиностроении.

Известен способ штамповки заготовок, включающий нагрев заготовки, ее штамповку и охлаждение за несколько переходов (см. авторское свидетельство СССР №660770, МКИ В 21 К 3/04, опубл. 05.05.79 г.) - аналог.

Однако данный способ не позволяет получить необходимую макро- и микроструктуру заготовки, что отрицательно сказывается на качестве получаемых изделий.

Известен способ обработки давлением жаропрочных сплавов, включающий нагрев заготовки и ее деформацию за несколько переходов (см. патент РФ №2134308, С 22 F 1/18, опубл. 10.08.1999 г.) - прототип.

Недостатками данного решения являются нестабильность физико-механических свойств изделия и высокая трудоемкость процесса обработки.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения таких характеристик изделия, как надежность и усталость, путем оптимизации структуры и механических свойств заготовки, при одновременном снижение трудоемкости процесса.

Поставленная задача решается тем, что в способе обработки прутков из жаропрочных сплавов для получения лопаток компрессора газотурбинного двигателя, включающем нагрев прутка и его деформацию за несколько переходов, по меньшей мере, один переход выполняют при температуре, превышающей температуру начала растворения упрочняющей интерметаллидной фазы сплава, после чего выполняют штамповку в интервале температур от температуры начала рекристаллизации до температуры конца рекристаллизации.

Для жаропрочных, например никелевых и титановых, сплавов температуры начала растворения упрочняющих интерметаллидных фаз Ti₃ (Al, Sn), Ni₃ (Al, Ti), как правило, расположены в интервале от 1040° С до 1200° С. Нагрев заготовки перед операцией деформации до температуры растворения упрочняющей интерметаллидной фазы обеспечивает достижение однородности химического состава и структуры по объему заготовки, повышает технологические свойства сплава при последующей механической обработке.

Выполнение, по меньшей мере, одного перехода в интервале температур от температуры начала рекристаллизации до температуры конца рекристаллизации позволяет получить достаточно однородную мелкозернистую структуру, обеспечивающую высокий уровень общих физико-механических свойств заготовки, а следовательно, и изделия в целом.

Температура начала рекристаллизации жаропрочных сплавов, как правило, выше 900° С, причем конкретные значения температур выбирают в зависимости от заданной техническими условиями величины зерна, которое необходимо получить в готовом изделии.

Проведение операций обработки давлением при заявленных температурах со скоростью деформации (10^-2 - 10^-3) с^-1 позволяет обеспечить достижение эффекта сверхпластичности в сплаве и минимальных усилий при деформации, например при штамповке, что позволит использовать менее мощное оборудование.

Например, для сплава ВТ3-1 температура начала рекристаллизации составляет 880° С, а температура окончания рекристаллизации 930° С. При нагревании его до температуры 910-930° С и проведении изотермической штамповки при малых скоростях деформации, например 10^-3 с^-1, эти температуры соответствуют интервалу сверхпластичности сплава (δ ≈ 350%, σ s ≈ 4 кг/мм²). При данных параметрах деформирования имеет место хорошее заполнение штампов при изготовлении деталей сложной формы, с одновременным формированием оптимальной макроструктуры детали.

Пример 1

Рассмотрим процесс обработки никелевых сплавов, предназначенных для изготовления лопаток компрессора газотурбинного двигателя из сплава ЭП 718 ИД, для которого (по диаграмме):

температура начала растворения упрочняющей интерметаллидной фазы по диаграмме равна 1080° С,

температура начала рекристаллизации равна 880° С,

температура конца рекристаллизации 950° С.

Пруток разрезали на мерные заготовки диаметром 15 мм и длиной 20 мм и помещали их в электрическую печь для нагрева до температуры 1150° С, после чего осуществляли выдавливание заготовок на прессе с предварительным формированием пера и замка лопатки.

После этого вновь нагревали заготовку до температуры 1160° С и осуществляли штамповку. После чего производили обрезку облоя, зачищали, контролировали заготовку и производили ее нагрев до температуры 900° С, после чего осуществляли штамповку лопатки до заданных размеров.

В результате были получены лопатки со следующими механическими свойствами:

σ_β =126,5 (кг/мм²), σ_0,2=78,5 (кг/мм²), δ =26%, ψ =47,3%, КСU=12,2 (кг× м/см²);

при требовании технических условий:

σ_β =115,0 (кг/мм²), σ_0,2=70,0 (кг/мм²), δ =12%, ψ =14,0%, KCU=3,5 (кг× м/см²).

Пример 2

Рассмотрим процесс изготовления лопатки компрессора низкого давления газотурбинного двигателя из сплава ВТ3-1, для которого температура начала растворения упрочняющей интерметаллидной фазы сплава - 1080° С,

температура начала рекристаллизации сплава - 880° С,

температура конца рекристаллизации сплава - 930° С.

Штамповку осуществляют за три операции: высадка, штамповка при температуре, превышающей температуру начала растворения упрочняющей интерметаллидной фазы сплава, и штамповка в интервале температур от температуры начала рекристаллизации до температуры конца рекристаллизации сплава.

Сначала производили высадку круглой заготовки диаметром 13 мм и длиной 200 мм с двух противоположных сторон с набором металла под два хвостовика лопатки. Местный нагрев заготовки под высадку осуществляли методом электрического сопротивления до температуры 950-980° С. После нагрева и кантовки высадили две заготовки диаметром 30 мм и высотой 20 мм. При этом центральную часть прутка не нагревали, поэтому после высадки полученная заготовка по всему объему имеет разнозернистую структуру.

Для выравнивания последней и полного растворения упрочняющей интерметаллидной фазы Ti₃ (Al) нагрев заготовки под переходы штамповки, осуществляемые при температуре, превышающей температуру начала растворения упрочняющей интерметаллидной фазы, производили до температуры 1100° С.

После чего осуществляли переходы штамповки в изотермических условиях, при этом нагрев заготовки осуществляли до температуры в интервале температур от Тн.р. до Тк.р. для данного сплава, а именно до температуры 920° С.

В результате были получены следующие результаты:

σ_β = 105,2 (кг/мм²), δ = 21,2%, ψ = 55,3%, KCU = 5,7 (кг× м/см²);

при требовании технических условий:

σ_β = 100,0-120,0 (кг/мм²), δ ≥ 12%, ψ ≥ 3,5%, KCU≥ 3,0 (кг× м/см²).

Способ обработки прутков из жаропрочных сплавов для получения лопаток компрессора газотурбинного двигателя, включающий нагрев прутка из жаропрочного сплава и его деформацию за несколько переходов, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один переход осуществляют при температуре, превышающей температуру начала растворения упрочняющей интерметаллидной фазы сплава, после чего осуществляют штамповку в интервале температур от температуры начала рекристаллизации до температуры конца рекристаллизации.