RU209367U1

RU209367U1 - MONOBLOCK BLANK BLISK

Info

Publication number: RU209367U1
Application number: RU2021103850U
Authority: RU
Inventors: Анатолий Кондратьевич Онищенко; Дмитрий Михайлович Забельян; Юрий Рашидович Нуртдинов
Original assignee: Акционерное общество "Объединенная двигателестроительная корпорация " (АО "ОДК")
Priority date: 2021-02-16
Filing date: 2021-02-16
Publication date: 2022-03-15

Abstract

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к производству роторов газотурбинных двигателей (ГТД) в моноблоке дисков с лопатками - блиск из жаропрочных сплавов, и может быть использована в авиационной и энергетической промышленности.Моноблочная заготовка блиска из жаропрочных сплавов, имеющая дисковую и лопаточную зоны, лопаточная зона заготовки выполнена из более жаропрочного сплава в виде кольца с толщиной стенки не менее ширины лопаточной зоны блиска, сваренной с его дисковой частью посредством вакуумно-дугового переплава в кольце электрода из менее жаропрочного сплава. Волокно ее лопаточной зоны ориентировано в радиальном направлении. 2 ил.The utility model relates to mechanical engineering, namely the production of rotors of gas turbine engines (GTE) in a monoblock of disks with blades - a blisk of heat-resistant alloys, and can be used in the aviation and energy industries. the blade zone of the workpiece is made of a more heat-resistant alloy in the form of a ring with a wall thickness not less than the width of the blade zone of the blisk, welded to its disk part by vacuum-arc remelting in the electrode ring of a less heat-resistant alloy. The fiber of its scapular zone is oriented in the radial direction. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к производству роторов газотурбинных двигателей (ГТД) в моноблоке дисков с лопатками - блиск из жаропрочных сплавов, и может быть использована в авиационной и энергетической промышленности.The utility model relates to mechanical engineering, namely to the production of rotors of gas turbine engines (GTE) in a monoblock of disks with blades - blisk from heat-resistant alloys, and can be used in the aviation and energy industries.

Известны заготовки блисков из жаропрочных сплавов, имеющие лопаточную и дисковую зоны полученные выдавливанием лопаточной зоны в специальных керамических штампах, приваркой лопаток к дисковой зоне блиска, сваркой лопаточной и дисковой зон газостатическим изотермическим прессованием (патент РФ 2467177 МПК F01D 5/34, опубл. 20.11.2012. Бюл. №32).Blisk blanks made of heat-resistant alloys are known, having blade and disk zones obtained by extruding the blade zone in special ceramic dies, welding the blades to the blisk disk zone, welding the blade and disk zones by gas-static isothermal pressing (RF patent 2467177 IPC F01D 5/34, publ. 20.11. 2012. Bull. No. 32).

Недостатком этих заготовок является высокая трудоемкость изготовления и наличие сварных соединений лопаток с диском.The disadvantage of these blanks is the high complexity of manufacturing and the presence of welded joints between the blades and the disk.

Известна литая заготовка блиска из жаропрочного сплава (патент 6632299 США, опубл. 14.10.2003).Known cast blank blisk of heat-resistant alloy (US patent 6632299, publ. 14.10.2003).

Недостатком литой заготовки блиска является ее пористость, особенно при литье никелевых жаропрочных сплавов, низкая вязкость разрушения и сопротивление усталостному разрушению.The disadvantages of the blisk cast billet are its porosity, especially when casting nickel superalloys, low fracture toughness, and resistance to fatigue fracture.

Наиболее близким аналогом является моноблочная заготовка блиска из жаропрочного титанового сплава, имеющая лопаточную и дисковую зоны, полученная обработкой исходной заготовки деформацией в β области при температуре Т_пп+10-30°С, охлаждением, деформацией лопаточной зоны в α+β области в закрытом штампе с деформацией не менее 45% и термической обработкой изделия (патент РФ 2465367 МПК C22F 1/18, опубл. 27.10.12. Бюл. №30).The closest analogue is a monoblock billet blisk made of heat-resistant titanium alloy, having a blade and disk zones, obtained by processing the original billet by deformation in the β region at a temperature of T _pp +10-30 ° C, cooling, deformation of the blade zone in the α + β region in a closed die with a deformation of at least 45% and heat treatment of the product (RF patent 2465367 IPC C22F 1/18, publ. 27.10.12. Bull. No. 30).

Недостатком указанной заготовки является высокая трудоемкость изготовления, необходимость изготовления и использования при штамповке специальных штампов, стойкость которых при штамповке жаропрочных титановых сплавов в α+β области низкая. Что приводит не только к необходимости частого восстановления лопаточной зоны штампа, но и к изменению размеров лопаток в блисках одной партии.The disadvantage of this blank is the high complexity of manufacturing, the need to manufacture and use special stamps for stamping, the durability of which is low when stamping heat-resistant titanium alloys in the α + β region. This leads not only to the need for frequent restoration of the blade area of the stamp, but also to a change in the size of the blades in the blisks of one batch.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является устранение этих недостатков.The technical result of the proposed utility model is the elimination of these shortcomings.

Изготовление предлагаемой моноблочной заготовки блиска не требует наличия специальных закрытых штампов для формовки лопаточной зоны диска с обязательным соблюдением термомеханических режимов деформации сплава в α+β области, что приводит к быстрому износу штампов и необходимости их замены новыми; так как именно в α+β области жаропрочные титановые сплавы обладают максимальным сопротивлением горячей деформации. Кроме того, в прототипе заготовка после штамповки обязательно подвергается механической обработке до чистовых размеров, как в лопаточной, так и дисковой зоне.The manufacture of the proposed monoblock blank blisk does not require the presence of special closed dies for forming the blade zone of the disk with the obligatory observance of thermomechanical modes of deformation of the alloy in the α + β region, which leads to rapid wear of the dies and the need to replace them with new ones; since it is in the α + β region that heat-resistant titanium alloys have the maximum resistance to hot deformation. In addition, in the prototype blank after stamping necessarily subjected to machining to finish dimensions, both in the blade and disc area.

Все указанные выше недостатки в предлагаемой полезной модели отсутствуют.All of the above disadvantages in the proposed utility model are absent.

Указанный технический результат достигается тем, что моноблочная заготовка блиска из жаропрочных сплавов, имеющая дисковую и лопаточную зоны, лопаточная зона заготовки выполнена из более жаропрочного сплава в виде кольца с толщиной стенки не менее ширины лопаточной зоны блиска, сваренной с его дисковой частью посредством вакуумно-дугового переплава (ВДП) в кольце электрода из менее жаропрочного сплава. При этом волокно лопаточной зоны заготовки ориентировано в радиальном направлении.This technical result is achieved by the fact that the monoblock blisk billet is made of heat-resistant alloys, having disk and blade zones, the blade zone of the billet is made of a more heat-resistant alloy in the form of a ring with a wall thickness not less than the width of the blade zone of the blisk, welded to its disc part by means of a vacuum-arc remelting (VRP) in the electrode ring of a less heat-resistant alloy. In this case, the fiber of the blade zone of the workpiece is oriented in the radial direction.

Выполнение лопаточной зоны блиска из более жаропрочного сплава необходимо потому, что зона лопаток в роторе ГТД является не только наиболее напряженной, но и подвергается нагреву до максимальных рабочих температур двигателя, как в компрессоре, так и турбине. Сварка кольцевой лопаточной зоны блиска с дисковой зоной при ВДП обеспечивает не только получение качественной моноблочной заготовки блиска, но за счет смешения химических составов сплавов лопаточной и дисковой зон, обеспечивается плавный переход одного состава в другой и соответственно такое же изменение структуры и механических свойств от одной зоны к другой.The implementation of the blisk blade zone from a more heat-resistant alloy is necessary because the blade zone in the GTE rotor is not only the most stressed, but is also heated to the maximum operating temperatures of the engine, both in the compressor and in the turbine. Welding of the annular blade zone of the blisk with the disk zone at VFR provides not only obtaining a high-quality monoblock blisk billet, but due to the mixing of the chemical compositions of the alloys of the blade and disk zones, a smooth transition from one composition to another is ensured and, accordingly, the same change in structure and mechanical properties from one zone to another.

Ориентировка волокна лопаточной зоны блиска в радиальном направлении обеспечивается в момент переплава в кольце электрода при вакуумно - дуговом переплаве и осадке исходной заготовки при ковке. Что обеспечивает максимальный уровень свойств лопаток вдоль пера.Orientation of the fiber of the blade zone of the blisk in the radial direction is provided at the time of remelting in the electrode ring during vacuum-arc remelting and upsetting of the original billet during forging. That provides the maximum level of properties of the blades along the pen.

Преимущество предлагаемой полезной модели по сравнению с другими доказано указанными выше фундаментальными исследованиями Лунева А.Н. и Курылева Д.В., которые показали, что на современном этапе развития технологии машиностроения наиболее экономически эффективным процессом изготовления блисков ГТД является процесс механической обработки моноблочных заготовок металлургического производства на станках с программным управлением.The advantage of the proposed utility model in comparison with others has been proved by the above-mentioned fundamental research by Lunev A.N. and Kuryleva D.V., who showed that at the present stage of development of mechanical engineering technology, the most cost-effective process for manufacturing GTE blisks is the process of machining monoblock blanks of metallurgical production on machine tools with program control.

Сущность предлагаемой полезной модели представлена на чертеже фиг. 1 где: указаны лопаточная и дисковая зоны заготовки и стрелками направление волокна в ее лопаточной зоне.The essence of the proposed utility model is shown in Fig. 1 where: the blade and disk zones of the workpiece are indicated and the direction of the fiber in its blade zone is indicated by arrows.

В качестве примера использования предлагаемой заготовки блиска может служить заготовка моноколеса компрессора низкого давления перспективного ГТД со следующими размерами:As an example of the use of the proposed blisk blank, the blank of a unicycle of a low-pressure compressor of a promising GTE with the following dimensions can serve:

Наружный диаметр заготовки 600 мм, внутренний диаметр 250 мм. При этом диаметр дисковой зоны 400 мм, высота заготовки блиска 100 мм. Ширина лопаточной зоны такой заготовки составит 100 мм.The outer diameter of the workpiece is 600 mm, the inner diameter is 250 mm. In this case, the diameter of the disk zone is 400 mm, the height of the blisk blank is 100 mm. The width of the blade zone of such a blank will be 100 mm.

По применяемой технологии такую заготовку блиска изготавливают из сплава ВТ8 штамповкой в торец предварительно прокованных мерных цилиндрических поковок в специальных штампах на уникальном гидравлическим прессе 750 МН. А после окончательной механической обработки блиска его лопаточная зона подвергается поверхностному пластическому деформированию с целью повышения усталостной прочности лопаток. Однако, в связи с тем, что жаропрочный титановый сплав ВТ8 (ВТ8-1) обладает высокой прочностью 930-1230 МПа, при относительном удлинении 7-9% и относительном сужении 19-30%, такое упрочнение может привести не только к снижению этих невысоких характеристик пластичности, но и к образованию микротрещин в поверхностном слое лопаток, что грозит усталостным разрушением лопаток по трещинообразованию (Петухов А.Н. Роль поверхностного слоя в формировании несущей способности и ресурса основных деталей ГТД и ЭУ // Авиационно - космическая техника и технология, 2009. №9(66) с. 68-72).According to the technology used, such a blisk billet is made from VT8 alloy by stamping into the end face of pre-forged measured cylindrical forgings in special dies using a unique 750 MN hydraulic press. And after the final machining of a blisk, its blade zone is subjected to surface plastic deformation in order to increase the fatigue strength of the blades. However, due to the fact that the high-temperature titanium alloy VT8 (VT8-1) has a high strength of 930-1230 MPa, with a relative elongation of 7-9% and a relative narrowing of 19-30%, such hardening can lead not only to a decrease in these low characteristics of plasticity, but also to the formation of microcracks in the surface layer of the blades, which threatens with fatigue failure of the blades through cracking (Petukhov A.N. The role of the surface layer in the formation of the bearing capacity and resource of the main parts of the gas turbine engine and power plant // Aerospace Technique and Technology, 2009 No. 9(66) pp. 68-72).

По предлагаемой полезной модели заготовки блиска, применительно к роторам компрессоров ГТД, лопаточную зону блиска изготавливают из сплава ВТ25У (рабочая температура 550°С), а дисковую - из сплава ВТ8 (рабочая температура 450°С) или ВТ6 (рабочая температура 350°С). У такого биметаллического блиска отпадает необходимость поверхностного пластического деформирования лопаток, так как его лопаточная зона изготовлена из более жаропрочного сплава с повышенными характеристиками длительной и усталостной прочности.According to the proposed utility model of the blisk blank, as applied to the rotors of gas turbine engine compressors, the blisk blade zone is made of VT25U alloy (operating temperature 550°C), and the disk zone is made of VT8 alloy (operating temperature 450°C) or VT6 (operating temperature 350°C) . Such a bimetallic blisk eliminates the need for surface plastic deformation of the blades, since its blade zone is made of a more heat-resistant alloy with improved long-term and fatigue strength characteristics.

В нашем примере блиска компрессора низкого давления его дисковую зону изготавливали из сплава ВТ8, а лопаточную - ВТ25У.In our example of a low-pressure compressor blisk, its disk zone was made of VT8 alloy, and the blade zone was made of VT25U.

Металлургическая технология изготовления таких заготовок включает следующие операции:The metallurgical technology for manufacturing such blanks includes the following operations:

- выплавку полого слитка ВДП в виде трубной заготовки, из сплава В Т2 5 У (лопаточная зона).- smelting of a hollow VAR ingot in the form of a tubular billet, from an alloy V T2 5 U (blade zone).

- выплавку слитка ВДП и ковку из него электрода из сплава ВТ8;- smelting of the VDP ingot and forging an electrode from it from the VT8 alloy;

- механическую обработку трубной заготовки и электрода;- machining of tubular billet and electrode;

- переплав электрода из сплава ВТ8 в трубной заготовке из сплава ВТ25У в печи ВДП с получением биметаллического слитка фиг. 2.- remelting of the electrode from the VT8 alloy in the tubular billet from the VT25U alloy in the VDP furnace to obtain a bimetallic ingot, FIG. 2.

После получения указанного слитка его передел в поковки блисков производят по технологии металлургического завода поставщика с чередованием операций нагрева и ковки, включающего операции протяжки слитка в кованую штангу, резку штанги на мерные заготовки, осадку мерных заготовок до высоты поковки, отжиг поковок и их механическую обработку до размеров заготовки блиска. Отбор технологических проб и испытание механических свойств сплавов лопаточной и дисковой зон поковки. Радиальное направление волокна в лопаточной зоне блиска обеспечивается особенностями кристаллизации сплава трубной заготовки при ВДП и технологическими переходами при последующей ковке биметаллического слитка (Онищенко А.К., Беклемишев Н.Н. Теория промышленной ковки стали и сплавов. М.: Издательство «Спутник +», 2011. - 245 с.).After receiving the specified ingot, its processing into blisk forgings is carried out according to the technology of the supplier's metallurgical plant with alternating heating and forging operations, including the operations of drawing the ingot into a forged rod, cutting the rod into dimensional blanks, upsetting the dimensional blanks to the height of the forging, annealing the forgings and their machining to blisk workpiece dimensions. Selection of technological samples and testing of the mechanical properties of alloys of the blade and disk zones of the forging. The radial direction of the fiber in the blade zone of the blisk is ensured by the peculiarities of crystallization of the alloy of the pipe billet during VFR and technological transitions during the subsequent forging of a bimetallic ingot (Onishchenko A.K., Beklemishev N.N. Theory of industrial forging of steel and alloys. M .: Publishing house "Sputnik +" , 2011. - 245 p.).

Таким образом, предлагаемая полезная модель обеспечивает достижение в блисках ГТД из жаропрочных сплавов не только моноблочности изготовления их дисковой и лопаточной зон, но и изготовление лопаток блиска из более жаропрочного сплава с повышенными характеристиками длительной и усталостной прочности. Тем самым увеличивает их ресурс работы в двигателе.Thus, the proposed utility model ensures that in blisks of gas turbine engines made of heat-resistant alloys, not only the monoblock manufacturing of their disk and blade zones, but also the manufacture of blisk blades from a more heat-resistant alloy with increased long-term and fatigue strength characteristics is achieved. This increases their service life in the engine.

Claims

1. A monoblock blank of a blisk made of heat-resistant alloys, having disk and blade zones, characterized in that the blade zone of the blank is made of a more heat-resistant alloy in the form of a ring with a wall thickness not less than the width of the blade zone of the blisk, welded to its disk part by vacuum-arc remelting in the electrode ring of a less heat-resistant alloy.

2. Monoblock blank according to claim 1, characterized in that the fiber of its blade zone is oriented in the radial direction.