RU191479U1 - Заготовка диска газотурбинного двигателя из жаропрочного сплава - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к обработке металлов давлением, а именно к заготовкам дисков газотурбинного двигателя (ГТД) из жаропрочных никелевых сплавов. Заготовка диска газотурбинного двигателя выполнена из жаропрочного сплава, волокна которого образованы ветвями дендритов первого порядка, а оси волокон ориентированы в тангенциальном направлении относительно оси заготовки. При этом оси волокон имеют вид концентрических окружностей разного радиуса. Достигается улучшение механических и усталостных характеристик дисков ГТД, действующих в местах с наиболее максимальными растягивающими напряжениями. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.,1 табл.

Description

Полезная модель относится к обработке металлов давлением, а именно к заготовкам дисков газотурбинного двигателя (ГТД) из жаропрочных никелевых сплавов и может быть использована в авиационной и энергетической промышленности.

Из уровня техники известна заготовка шестерни, выбранная в качестве аналога (авторское свидетельство СССР №50717, 31.09.1937), в которой волокно расположено в радиальном направлении.

Недостатком аналога является то, что расположение волокна только в радиальном направлении диска ГТД приводит к низкой прочности сплава в тангенциальном направлении - главном направлении действия максимальных растягивающих напряжений при работе ГТД.

Из уровня техники известна заготовка диска ГТД из высоколегированного жаропрочного сплава, выбранная в качестве аналога (авторское свидетельство СССР №867519, 30.09.1981). Заготовка диска ГТД получена из слитка вакуумно-дугового переплава, путем протяжки слитка с уковом и последующей осадки - штамповки в торец мерной заготовки.

Недостатком аналога является низкий уровень пластических и вязких свойств сплава по всем направлениям в диске ГТД.

Из уровня техники известна заготовка диска ГТД из жаропрочных никелевых сплавов, выбранная в качестве аналога (патент РФ 2583564, 10.05.2016). Заготовка диска ГТД получена из гранул сплава с последующим газостатическим прессованием гранул в капсуле и последующей деформацией гранульной заготовки в торец.

Недостатком аналога является высокая себестоимость ее изготовления, равнопрочность сплава по всем направлениям действия рабочих напряжений в диске, низкие пластические характеристики сплава.

Из уровня техники известна заготовка с расположением волокон вдоль контура изделия, выбранная в качестве аналога (Гуляев А.П. Металловедение. Учебник для вузов. М.: Металлургия, 1986, с. 49, рис. 37).

Недостатком аналога является то, что волокно изделия является запутанным и поэтому механические свойства этой заготовки равнопрочны по всем направлениям детали. Кроме того, волокно обнаруживается при макроконтроле по серному отпечатку, а так как содержание серы в жаропрочных сплавах не превышает 0,01%, то обнаружить расположение волокна в заготовке диска ГТД становится проблематичным.

Из уровня техники известна заготовка стакана для изготовления диска ГТД, путем раздачи и разворачивания стенки стакана в плоское кольцо (патент РФ №2374028, 27.11.2009), выбранная в качестве наиболее близкого аналога (прототипа). Изготовление диска ГТД осуществляют из исходной заготовки, в которой оси дендритов первого порядка расположены в тангенциальном направлении относительно оси исходной заготовки.

Недостатком прототипа является то, что тангенциальное ориентирование осей волокон дендритов в структуре материала недостаточно для улучшения механических и усталостных характеристик диска ГТД.

Техническая проблема, решаемая заявленной полезной моделью, заключается в недостаточности механических и усталостных характеристик дисков ГТД, возникающих в местах с наиболее максимальными растягивающими напряжениями (на полотне и ободе диска).

Технический результат заявленной полезной модели заключается в улучшении механических и усталостных характеристик дисков ГТД, действующих в местах с наиболее максимальными растягивающими напряжениями.

Технический результат заявленной полезной модели достигается тем, что заготовка диска газотурбинного двигателя выполнена из жаропрочного сплава, волокна которого образованы ветвями дендритов первого порядка, а оси волокон ориентированы в тангенциальном направлении относительно оси заготовки. При этом оси волокон имеют вид концентрических окружностей разного радиуса.

Технический результат достигается также тем, что волокна расположены равномерно и распределены по всей толщине диска.

Технический результат достигается также тем, что волокна расположены по контуру диска.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фиг. 1, на которой изображен диск ГТД в разрезе с расположением волокон. Жирными линиями обозначены контуры ступицы, полотна и обода заготовки диска ГТД, а тонкими линиями обозначены волокна, образованные ветвями дендритов I порядка слитка, при этом оси волокон имеют вид концентрической окружности (окружно-тангенциальный вид).

Из многочисленных исследований по исследованию механических свойств заготовок из различных сталей установлено, что комплекс максимальных механических свойств в заготовках из качественных легированных сталей, в том числе на роторах турбин и генераторов тепловых и атомных станций достигают в продольном направлении волокна материала заготовки. При этом наибольшая разница свойств вдоль и поперек волокна имеет место в характеристиках пластичности и вязкости, а также усталостной прочности.

Достаточно полно результаты этих исследований изложены в монографиях: Корнеев Н.И., Скугарев И.Г. Основы физико-химической теории обработки давлением. - М.: Машгиз, 1960. - 316 с. и Онищенко А.К., Беклемишев Н.Н. Теория промышленной ковки стали и сплавов. М.: Издательство «Спутник+», 2011. - 245 с.

В таблице 1 приведены данные по механическим свойствам заготовки ротора с диаметром бочки 1800 мм в продольном (вдоль волокна) и тангенциальном направлении (поперек волокна), изготовленной из слитка массой 235 тн.

На основе разработанной Онищенко А.К. теории мегапластической деформации рекомендован новый подход к проектированию технологических процессов ковки с учетом трансформации исходной макроструктуры слитка и достижения максимума физико-механических свойств в направлении действия максимальных рабочих напряжений в детали. На сверхчистых сталях для реакторов АЭС было показано, что волокно заготовки - это ветви дендритов I порядка слитка, наиболее крупные и прочные, в том числе в результате их образования на основе тугоплавких жаропрочных элементов - Cr, V, Mo, W, Nb, Со, Та и др. при начальной кристаллизации слитка. Поэтому эти особенности дендритной кристаллизации промышленных сплавов важно учитывать и применительно к заготовкам дисков ГТД, выплавку слитков для которых производят исключительно на сверхчистых шихтовых материалах. Кроме того, для дисков ГТД применяют тройной переплав исходных заготовок (индукционная плавка в вакууме и двойной вакуумно-дуговой переплав (ВДП). В результате таких переплавов и низкой теплопроводности жаропрочных никелевых сплавов крупные ветви I порядка дендритов слитка ВДП кристаллизуются в радиально-осевом направлении. Поэтому задачей последующей ковки-штамповки является их переориентация в тангенциальном-осевом направлении диска. Применение известных технологий ковки/штамповки в торец мерных цилиндрических заготовок, нарезаемых из предварительно полученной протяжкой (прокаткой или прессованием) из слитка поковки, приводит к получению в заготовке диска перепутанного волокна, обеспечивающего достижение однородных механических свойств в заготовке диска ГТД. При этом уровень этих свойств не максимален. Особенно с точки зрения усталостной и длительной прочности сплава, что крайне важно для дисков ГТД.

Кроме того, применяемые в настоящее время жаропрочные суперсплавы, с точки зрения теории легирования, являются «перелегированными» тугоплавкими и редкоземельными элементами. Что приводит к существенному снижению их пластических, вязких и усталостных характеристик. Поэтому для этих сплавов важно нахождение технологических приемов повышения этих свойств.

В качестве примера использования предлагаемой заготовки диска может служить заготовка диска ротора турбины перспективного авиационного двигателя, изготовленная из жаропрочного суперсплава Rene 41.

Заготовка диска с припусками на механическую обработку имеет следующие размеры: внешний диаметр диска - D_H=450 мм, диаметр ступицы диска - d₀=150 мм и толщина диска - h=100 мм. Масса заготовки диска - 135 кг.

С учетом особенностей технологии ковки масса слитка ВДП составит 154 кг, а размеры поковки - ∅215×500 мм.

Слиток ВДП диаметром 450 мм после нагрева до температуры 1170°С был передан на гидравлический пресс 2000 тс и протянут в вырезных бойках шириной 400 мм на диаметр 215 мм. После чего горячей резкой от кованой штанги были удалены прибыльная и донная часть слитка и проведена резка годной части штанги на мерные заготовки длиной 500 мм.

После повторного нагрева в печи до 1170°С мерные заготовки сначала обжали на плоских бойках пресса по диагонали высоты, сбили углы, осадили поперечной осадкой с 215 мм до 120 мм. Полученную пластину обкатали на диаметр 400 мм и выровняли по торцам.

Затем провели третий нагрев поковки до 1170°С, передали к прессу, провели прошивку отверстия 140 мм и осадку до высоты 105 мм. Скруглили на диаметр 460 мм и выровняли по торцам.

Готовую поковку передали в термический цех на отжиг.

Затем поковка была обработана предварительно механической обработкой и прошла полный цикл термической обработки (закалка+старение).

Испытания механических свойств у поставщика из технологических проб на двух заготовках дисков ГТД при температуре испытаний 20°С показали следующие данные по механическим свойствам; соответственно, вдоль (тангенциальное направление) и поперек (радиальное направление) волокна: предел прочности 1252 МПа и 1145 МПа; предел текучести 875Мпа и 873 МПа; относительное удлинение 30,0% и 16,0%; относительное сужение 32,8% и 18,2%. То есть при повышенных прочностных показателях вдоль волокна на этих заготовках дисков в тангенциальном направлении (направление действия максимальных растягивающих напряжений) были получены пластические характеристики в 2 раза большие, чем направлении радиальном.

Таким образом, предлагаемая полезная модель обеспечивает достижение максимального комплекса механических свойств жаропрочных сплавов в направлении действия наиболее опасных растягивающих напряжений в диске и позволяет технологическими приемами горячей обработки слитков повысить качественные характеристики жаропрочных сплавов для ГТД. Это особенно важно, ввиду высокой стоимости этих сплавов.

Claims (3)

1. Заготовка диска газотурбинного двигателя, выполненная из жаропрочного сплава, структура которого содержит волокна, образованные ветвями дендритов первого порядка, при этом оси волокон ориентированы в тангенциальном направлении относительно оси заготовки, отличающаяся тем, что оси волокон расположены по концентрическим окружностям.

2. Заготовка по п. 1, отличающаяся тем, что волокна расположены равномерно и распределены по всей толщине диска.

3. Заготовка по п. 2, отличающаяся тем, что волокна расположены по контуру диска.

Images