RU2291019C2 - Способ изготовления изделия путем сверхпластической формовки и диффузионной сварки - Google Patents

Способ изготовления изделия путем сверхпластической формовки и диффузионной сварки Download PDF

Info

Publication number
RU2291019C2
RU2291019C2 RU2005109282/02A RU2005109282A RU2291019C2 RU 2291019 C2 RU2291019 C2 RU 2291019C2 RU 2005109282/02 A RU2005109282/02 A RU 2005109282/02A RU 2005109282 A RU2005109282 A RU 2005109282A RU 2291019 C2 RU2291019 C2 RU 2291019C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
blanks
pressure
workpieces
gaskets
diffusion welding
Prior art date
Application number
RU2005109282/02A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2005109282A (ru
Inventor
Оскар Акрамович Кайбышев (RU)
Оскар Акрамович Кайбышев
Алексей Анатольевич Круглов (RU)
Алексей Анатольевич КРУГЛОВ
Рамиль Яватович Лутфуллин (RU)
Рамиль Яватович ЛУТФУЛЛИН
Original Assignee
Институт проблем сверхпластичности металлов РАН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт проблем сверхпластичности металлов РАН filed Critical Институт проблем сверхпластичности металлов РАН
Priority to RU2005109282/02A priority Critical patent/RU2291019C2/ru
Priority to EP06733232A priority patent/EP1872882A4/en
Priority to US11/597,607 priority patent/US20090008428A1/en
Priority to CNA2006800092647A priority patent/CN101166589A/zh
Priority to PCT/RU2006/000104 priority patent/WO2006101420A2/ru
Publication of RU2005109282A publication Critical patent/RU2005109282A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2291019C2 publication Critical patent/RU2291019C2/ru

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • B23P15/04—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass turbine or like blades from several pieces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D26/00—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces
    • B21D26/02—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces by applying fluid pressure
    • B21D26/053—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces by applying fluid pressure characterised by the material of the blanks
    • B21D26/055—Blanks having super-plastic properties
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D53/00—Making other particular articles
    • B21D53/78—Making other particular articles propeller blades; turbine blades
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/02—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating by means of a press ; Diffusion bonding
    • B23K20/023—Thermo-compression bonding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/18—Sheet panels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/14—Titanium or alloys thereof

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
  • Shaping Metal By Deep-Drawing, Or The Like (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Gasket Seals (AREA)

Abstract

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности, к способам изготовления изделий из титановых сплавов путем сверхпластической формовки и диффузионной сварки. Используют, по меньшей мере, две заготовки из титанового сплава. На поверхности, по крайней мере, одной заготовки обозначают участки, подвергаемые и не подвергаемые соединению, собирают заготовки в пакет, осуществляют нагрев до заданной температуры и прикладывают давление пресса заданной величины для соединения заготовок посредством диффузионной сварки до получения полуфабриката, нагрев и подачу рабочей среды под давлением во внутреннюю полость полуфабриката для сверхпластической формовки, по крайней мере, одной из заготовок до получения изделия заданной формы. Диффузионную сварку осуществляют через прокладки из титанового сплава с меньшим, чем в заготовках, напряжением течения, обеспечиваемым преимущественно за счет меньшего размера зерен в прокладках, чем в заготовках. При этом преимущественно, когда изготавливают изделие из трех и более заготовок, по крайней мере, на часть поверхности, по крайней мере, одной из заготовок на участках, не подвергаемых соединению, наносят материал, препятствующий соединению. Повышается качество и снижается трудоемкость. 6 з.п. ф-лы, 10 ил.

Description

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, более конкретно, к способам изготовления изделий из титановых сплавов путем сверхпластической формовки и диффузионной сварки. Способ, в частности, может найти применение в авиационном двигателестроении при изготовлении изделия типа вентиляторной лопатки.
Такой способ является альтернативным способу изготовления вентиляторной лопатки из двух пластин [1], заключающемуся в придании пластинам заданного профиля и размера и их последующего соединения друг с другом диффузионной сваркой. По сравнению с ним способ изготовления лопаток с использованием сверхпластической формовки и диффузионной сварки имеет более широкие технологические возможности, позволяющие максимально снизить вес изделия и получить ребра жесткости практически любой геометрии. При этом, как правило, используются три заготовки, две из которых в процессе сверхпластической формовки образуют обшивку, а третья - наполнитель в виде наклонных ребер жесткости.
Известен способ изготовления изделия из двух и более заготовок [2], который включает следующие этапы:
а) обозначение на заготовках участков, подвергаемых и не подвергаемых соединению, путем нанесения на поверхности последних материала, препятствующего образованию соединения, далее в описании, кроме формулы изобретения, для краткости называемого "стоп-материалом";
б) сборку заготовок в пакет и его герметизацию по контуру;
в) нагрев пакета для удаления летучих компонентов стоп-материала;
г) нагрев пакета до температуры Т и приложение давления р для диффузионной сварки заготовок друг с другом;
д) создание во внутренней полости полученного полуфабриката давления рабочей среды для разрыва адгезионной связи между заготовкой и стоп-материалом, при этом разрыв адгезионной связи осуществляют фиксированным давлением рабочей среды, подаваемой во внутреннюю полость полуфабриката, при комнатной температуре;
е) нагрев полуфабриката и создание в его внутренней полости давления рабочей среды для сверхпластической формовки, по крайней мере, одной заготовки до получения готового изделия с ребрами жесткости.
При диффузионной сварке значения температуры и давления выбирают с учетом напряжения течения материала соединяемых заготовок, определяемого, в свою очередь, маркой сплава и исходной структурой заготовок. Для заготовок из промышленного листового проката из сплава Ti-6Al-4V, с размером зерен 3-7 мкм, наиболее часто используемого при изготовлении изделия с использованием диффузионной сварки и сверхпластической формовки, температура диффузионной сварки составляет 850°С, величина давления при этом составляет 2 МПа. Причем давление может быть приложено с помощью пресса или рабочей среды.
При формовке температурно-скоростные условия выбирают соответствующими стандартным условиям сверхпластической деформации для данного сплава.
Известен также способ изготовления изделия [3], выбранный за прототип заявляемого изобретения, который помимо перечисленных в [2] операций включает нагрев полуфабриката и приложение деформирующей нагрузки для закрутки одного конца полуфабриката относительно другого для придания полуфабрикату заданной формы. Температуру закрутки выбирают несколько ниже температуры диффузионной сварки, равной 800°С.
Операцию разрыва адгезионной связи в [2, 3] выполняют после закрутки полуфабриката, что требует наличия специального приспособления, исключающего нарушение формы полуфабриката.
В способах [2, 3] при диффузионной сварке заготовок возникают характерные дефекты соединения, такие как микропоры и подрезы. Экспериментальные исследования микроструктуры зоны соединения, полученного в способе [2, 3], показали, что скопление микропор в виде цепочки имеет место, преимущественно, на периферии участков соединения. Подрезы также располагаются на периферии этих участков.
Таким образом, в прототипе в зоне соединения скопление микропор находится в непосредственной близости от подрезов, приводя к возникновению слабых сечений и, тем самым, снижая качество соединения и эксплуатационные свойства изделия, поскольку именно с периферийных зон начинают развиваться усталостные трещины.
Возможно уменьшение количества микропор за счет структурных изменений в зоне соединения, а именно, направленной миграции межфазных и межзеренных границ в результате изменения фазового состава и роста зерен после образования физического контакта. Однако такой прием в [3] не предусмотрен.
Кроме того, силовое воздействие на стоп-материал, до момента образования контакта на участках, подвергаемых соединению, создает возможность попадания частиц стоп-материала на периферию этих участков и возникновения дополнительных дефектов соединения.
Задачей изобретения является повышение качества изделия за счет устранения подрезов и скопления микропор на периферии участков соединения.
Дополнительной задачей изобретения является дальнейшее повышение качества изделия за счет уменьшения количества микропор в зоне соединения.
Поставленная задача решается способом изготовления изделия путем сверхпластической формовки и диффузионной сварки, по крайней мере, из двух заготовок из титанового сплава, при котором на поверхности, по крайней мере, одной заготовки обозначают участки, подвергаемые и не подвергаемые соединению, собирают заготовки в пакет, осуществляют нагрев до заданной температуры Т и приложение давления пресса заданной величины р для соединения заготовок посредством диффузионной сварки до получения полуфабриката, нагрев и подачу рабочей среды под давлением во внутреннюю полость полуфабриката для сверхпластической формовки, по крайней мере, одной из заготовок до получения изделия заданной формы, отличающимся тем, что диффузионную сварку осуществляют через прокладки из титанового сплава с меньшим, чем в заготовках, напряжением течения, при этом, преимущественно, когда изготавливают изделие из трех и более заготовок, по крайней мере, на часть поверхности, по крайней мере, одной из заготовок на участках, не подвергаемых соединению, наносят материал, препятствующий соединению.
Поставленная задача решается также, если:
- используют прокладки из промышленного листового проката, при этом давление прикладывают в процессе нагрева пакета при достижении температуры (Т=100...150)°С;
- используют прокладки из листового проката с подготовленной структурой, с размером зерен 0,5-1,0 мкм, при этом давление прикладывают в процессе нагрева при достижении температуры (Т=150...200)°С;
- используют прокладки из листового проката с подготовленной структурой, с размером зерен 0,1-0,5 мкм, при этом давление прикладывают в процессе нагрева при достижении температуры (Т=200...250)°С;
- после формовки осуществляют выдержку изделия под давлением рабочей среды р и выше, при температуре не ниже Т в течение времени 30...60 мин;
- выдержку изделия под давлением рабочей среды осуществляет непосредственно после формовки;
- приложение давления пресса осуществляют в условиях наружного вакуума.
Пояснение сущности изобретения.
Экспериментальные исследования микроструктуры зоны соединения, полученного в заявляемом способе, показали, что скопление микропор имеет место, преимущественно, в центральной части участков, подвергаемых соединению, в отличие от прототипа, где скопление микропор, как уже было отмечено выше, имеет место на периферии участков соединения. Кроме того, отсутствуют подрезы на периферии участков соединения. Указанные факты объясняются изменением характера распределения напряжений и деформаций при образовании физического контакта.
В способе [3] приложенное к листовым заготовкам давление для диффузионной сварки первоначально воздействует на участки, где нанесен стоп-материал, вызывая его вдавливание в пластичный материал заготовок. Распределение напряжений в зоне соединения происходит в соответствии с решением Прандтля задачи о вдавливании жесткого штампа с плоским основанием в пластическую среду [4, 5]. При этом в соединяемых заготовках образуются жесткие зоны, где действуют напряжения сжатия, выходящие на поверхность и прилегающие к периметру участков со стоп-материалом. Напряжения сжатия являются неблагоприятными для осуществления деформации, необходимой для образования физического контакта, что вызывает появление подрезов и скопление микропор на периферии участков соединения.
В заявляемом способе за счет использования более пластичных, чем заготовки, прокладок распределение напряжений в зоне соединения приближено к решению Прандтля задачи о сжатии тонкого пластического слоя конечной толщины между жесткими плитами [4, 5]. При приложении давления к листовым заготовкам в прокладке образуется жесткая зона, выходящая на поверхность в центре прокладки и пластическая зона по периферии прокладки. Наличие пластической зоны способствуют осуществлению необходимой для образования физического контакта деформации, которая предотвращает появление подрезов и скопление микропор на периферии участков соединения.
Результаты численного моделирования подтверждают указанный характер распределения напряжений (фиг.2) и деформаций (фиг.3) в зоне соединения заготовок через прокладку.
Результаты теоретического анализа и численного моделирования согласуются с экспериментальными исследованиями микроструктуры зоны соединений, полученных способом прототипом и заявляемым способом, и позволяют сделать вывод о том, что на стадии образования физического контакта возникновение пор и подрезов зависит от распределения напряжений в зоне соединения, и их преимущественное расположение соответствует расположению жестких зон.
В обоих случаях наличие жестких зон неблагоприятно для деформации, необходимой для образования физического контакта.
Но в заявляемом способе отсутствие жестких зон на периферии участков соединения приводит к тому, что дефекты типа подрезов устраняются, а дефекты типа скопления микропор оказываются удаленными от периферии, не приводя к возникновению опасных сечений.
В способе прототипе образование физического контакта происходит за счет смятия микронеровностей на поверхностях соединяемых заготовок. Локализация деформации в прокладке изменяет характер процесса образования физического контакта. В этом случае происходит заполнение микронеровностей на поверхности заготовки более пластичным материалом прокладки, что способствует уменьшению количества и размеров микропор.
В результате повышаются качество соединения и эксплуатационные свойства изделия.
В случае использования стоп-материала прокладки служат барьером, исключающим возможность попадания его частиц в зону соединения.
Кроме того, прокладки позволяют локализовать усилия на участках, подвергаемых соединению, что позволяет использовать менее мощное прессовое оборудование.
Меньшее, чем в заготовках, напряжение течения в прокладках из титанового сплава обеспечивается использованием прокладок из того же сплава, что и заготовки, но с меньшим размером зерен. Или же прокладки могут быть изготовлены из титанового сплава, который даже при равном или большем размере зерен имеет меньшее напряжение течения, чем сплав, из которого изготовлены листовые заготовки.
Разница между размерами зерен в прокладках и заготовках и/или градиент концентрации легирующих элементов и примесей обеспечивает более активное протекание диффузионных процессов, что также повышает качество соединения.
Поскольку толщина прокладки по определению меньше толщины заготовок, даже при использовании для ее изготовления листового проката без специальной подготовки структуры, размер зерен в прокладке будет меньше, чем в листовых заготовках.
Кроме того прокладки могут быть изготовлены из листового проката со специально подготовленной субмикро- (СМК) или нанокристаллической (НК) структурой, с размером зерен соответственно меньше 1 мкм и меньше 0,1 мкм. Осуществить специальную подготовку СМК и НК структуры в прокладке достаточно просто благодаря малым размерам прокладки.
Чем меньше размер зерен в прокладке, тем лучше материал прокладки заполняет микронеровности на поверхности заготовок. Объясняется это тем, что, во-первых, размер зерен в прокладке соизмерим с размером мельчайших микронеровностей на поверхности заготовок, а во-вторых, при деформации более активно протекают процессы зернограничного проскальзывания, способствующие заполнению микронеровностей. Однако, в интервале температур 650...750°С происходит интенсивный рост зерен в материале прокладки с СМК или НК структурой. Причем, чем меньше исходный размер зерен, тем выше скорость их роста. Поэтому, чтобы максимально использовать преимущества специально подготовленной структуры при образовании физического контакта, рекомендуется давление прикладывать в процессе нагрева пакета при более низкой температуре, чем заданная температура для диффузионной сварки. В то же время при температурах порядка 450°С напряжения течения материала прокладок становится выше напряжения течения материала заготовок, что нарушает благоприятную картину распределения напряжений. Для того чтобы картина распределения напряжений при образовании физического контакта соответствовала вышеупомянутому решению Прандтля, предлагаются с учетом исходной структуры материала прокладки оптимальные интервалы температур, при достижении которых следует прикладывать давление для образования физического контакта.
В процессе нагрева и выдержки при диффузионной сварке происходит неизбежный рост зерен, сопровождающийся миграцией границ. При условии, что физический контакт уже сформирован, это явление полезно используется для уменьшения количества и размеров микропор в зоне соединения. При этом же условии также полезно используются развивающиеся с повышением температуры фазовые превращения, приводящие к увеличению доли более пластичной β-фазы.
Как было отмечено, в интервале температур 700...750°С происходит интенсивный рост зерен в материале с СМК или НК структурой, со скоростью, на порядок превышающей скорость роста зерен в материале с микрокристаллической структурой, например, в промышленном прокате. Поэтому в течение времени диффузионной сварки, закрутки и формовки размер зерен в прокладках приблизится к размеру зерен в заготовках. Таким образом, разница между исходными размерами зерен в прокладках и заготовках не приведет к недопустимой разнозернистости в готовом изделии.
Для дальнейшего повышения качества рекомендуется после формовки осуществлять выдержку изделия под внутренним давлением рабочей среды, величину которого выбирают равным р и выше. Данный прием можно рассматривать как продолжение процесса диффузионной сварки. При этом с учетом предшествующего роста зерен температура выбирается не ниже Т. Повышение температуры также способствуют увеличению объемной доли β-фазы, которая в условиях всестороннего сжатия эффективно заполняет поры. Кроме того, выдержка при температурах не ниже Т под давлением в течение заданного отрезка времени приводит к полному выравниванию размера зерен в готовом изделии.
Целесообразно выдержку полуфабриката осуществлять непосредственно после формовки, с использованием оборудования для формовки, т.е. в едином технологическом цикле.
Рекомендуется приложение давления для соединения заготовок осуществлять в условиях наружного вакуума. Данный прием направлен на минимизацию площади контакта между заготовками на участках, не подвергаемых соединению. Когда изготовляют изделие из двух заготовок, контакт между заготовками на участках, не подвергаемых соединению, не возникает, и операцию нанесения стоп-материала можно исключить. Когда изготавливают изделие из трех и более заготовок, происходит прогиб внутренней заготовки между прокладками под воздействием давления р, приводящий к контакту заготовок на участках, не подвергаемых соединению, на площади, соизмеримой с площадью прокладок (фиг.1), поэтому, по крайней мере, на соответствующую часть поверхности необходимо наносить стоп-материал. При этом между заготовкой и стоп-материалом под воздействием давления р возникает адгезионная связь.
В условиях отсутствия наружного вакуума возможен прогиб наружных заготовок под действием атмосферного давления, который может привести к контакту между заготовками на участках, не подвергаемых соединению, как в случае изготовления изделия из двух заготовок, так и в случае изготовления изделия из трех и более заготовок. Площадь контакта определяется толщиной наружных заготовок и расстоянием между прокладками. При изготовлении изделия из трех и более заготовок минимальная площадь, на которую наносится стоп-материал, определяется с учетом прогиба как наружных, так и внутренних заготовок. Необходимо отметить, что под действием атмосферного давления адгезионная связь между заготовкой и стоп-материалом не возникает.
Стоп-материал может быть нанесен на всю поверхность заготовок на участках, не подвергаемых соединению. Прием, заключающийся в нанесении стоп-материала только на часть поверхности заготовок на указанных участках, снижает трудоемкость операции нанесения стоп-материала.
В любом случае прогиб заготовок не приводит к контакту между заготовками по всей площади участков, не подвергаемых соединению, что обеспечивает условия для свободного прохода рабочей среды во внутреннюю полость полуфабриката для формовки и разрыва адгезионной связи между заготовкой и стоп-материалом при изготовлении изделия из трех и более заготовок. Причем, разрыв адгезионной связи между заготовкой и стоп-материалом будет происходить на начальном этапе формовки, при малых значениях давления рабочей среды, благодаря тому, что площадь поверхности, на которую воздействует давление рабочей среды, значительно больше площади адгезионно связанной поверхности.
Необходимо отметить, что в технике известен прием использования прокладок при осуществлении диффузионной сварки [6]. Прокладки применяются для сварки, например, алюминия и его сплавов с другими металлами (сталью, медью, титаном и др.). Непосредственная сварка этих металлов затруднена в связи с образованием интерметаллидов (типа FeAl), охрупчивающих соединение. Прокладки применяются также для сварки тугоплавких металлов (молибдена, вольфрама), поскольку непосредственная сварка этих металлов требует использования очень высоких температур. В этом случае используются прокладки из материалов, обладающих достаточной пластичностью при более низких температурах, необходимой для заполнения микронеровностей на поверхности заготовок в процессе образования физического контакта. Диффузионная сварка титана и его сплавов осуществляется, как правило, без прокладок, благодаря свойству титана растворять окисные пленки на соединяемых поверхностях в условиях вакуума, а также его высокой пластичности. Однако известно использование прокладок и для сварки титановых сплавов. В частности, известен способ [7], согласно которому между соединяемыми заготовками устанавливают прокладку из того же материала, что и материал заготовок, но с размером зерен на порядок меньше, чем в заготовках. Этот прием позволяет локализовать деформацию в прокладке и при значительных степенях деформации (не менее 0,2) обеспечить активное протекание процесса зернограничного проскальзывания в объеме прокладки. В результате снижается количество дефектов соединения типа микропор.
Однако, ни из одного источника научно-технической информации не известно об использовании влияния прокладок на характер распределения напряжений в зоне соединения заготовок. В заявляемом способе это свойство полезно используется для предотвращения появления подрезов и скопления микропор на периферии участков соединения. При этом не ставится задача устранения микропор, поскольку способ не допускает использования необходимых для этого степеней деформации. Хотя эффект, заключающийся в том, что пластичные прокладки лучше заполняют микронеровности на поверхности заготовок при образовании физического контакта, что уменьшает количество и размеры микропор, сопутствует основному достигаемому эффекту. Также не известны дополнительные приемы заявляемого способа, заключающиеся в том, что давление прикладывают в процессе нагрева пакета при более низкой температуре, чем заданная температура для диффузионной сварки, для того, чтобы полезно использовать рост зерен, сопровождающийся миграцией границ, и развивающиеся с повышением температуры фазовые превращения, приводящие к увеличению доли более пластичной β-фазы для уменьшения количества и размеров микропор.
Изобретение поясняется следующими графическими материалами:
Фиг.1 - схема процесса образования соединения в заявляемом способе при изготовлении изделия из трех заготовок в условиях наружного вакуума:
- слева от оси, до приложения давления;
- справа от оси, после приложения давления.
Фиг.2 - эпюра распределения напряжений в зоне соединения заготовок через прокладку.
Фиг.3 - эпюра распределения деформаций в зоне соединения заготовок через прокладку.
Фиг.4 - микроструктура зоны соединения в способе-прототипе на периферии участка, подвергаемого соединению (увеличение ×1000).
Фиг.5 - микроструктура зоны соединения в заявляемом способе на периферии участка, подвергаемого соединению (увеличение ×1000).
Фиг.6 - микроструктура зоны соединения в заявляемом способе в центральной части участка, подвергаемого соединению, при использовании прокладок из промышленного листового проката (увеличение ×1000).
Фиг.7 - микроструктура зоны соединения в заявляемом способе в центральной части участка, подвергаемого соединению, при использовании прокладок с исходной СМК структурой (увеличение ×1000).
Фиг.8 - микроструктура зоны соединения в заявляемом способе в центральной части участка, подвергаемого соединению, при использовании прокладок с исходной НК структурой (увеличение ×1000).
Фиг.9 - поперечное сечение изделия, полученного заявляемым способом.
Фиг.10 - фото изделия, полученного заявляемым способом.
На фиг.1 позициями обозначены: 1, 2 - заготовки обшивок; 3 - заготовка наполнителя; 4 - прокладки, 5 - стоп-материал, 6 - верхняя подвижная плита штампа, 7 - нижняя неподвижная плита штампа. Стрелкой показано направление приложения давления.
Примеры осуществления изобретения:
Изготавливали модель пустотелой вентиляторной лопатки, состоящей из обшивок и наполнителя, образующего наклонные ребра жесткости.
В качестве материала изготавливаемого изделия использовался титановый сплав состава Ti-6Al-4V. Данный сплав наиболее широко используется при изготовлении изделий путем диффузионной сварки и сверхпластической формовки. Однако изделие или его отдельные части могут быть изготовлены и из других сплавов. В частности, обшивки могут быть изготовлены из менее пластичных сплавов титана, вплоть до интерметаллидов титана. Примеры на изготовление более простого изделия из двух листовых заготовок не приводятся. То есть, примеры не исчерпывают всех возможностей заявляемого способа.
При осуществлении различных операций способа: диффузионной сварки, закрутки, сверхпластической формовки были использованы режимы, характеризующиеся известными, в частности из [2, 3], значениями температуры, давления, скорости деформации.
Пример №1. Из промышленного листа толщиной 1 мм с размером зерен 3 мкм вырезали три заготовки 240×160 мм (две для обшивки и одну для наполнителя) с учетом технологической зоны. Из промышленного листа толщиной 0,3 мм с размером зерен 1,5 мкм вырезали прокладки.
На поверхности одной заготовки обшивки размещали три прокладки длиной 200 мм: одну шириной 8 мм в центре и две шириной 20 мм по краям заготовки на расстоянии 46 мм друг от друга. На поверхности другой заготовки обшивки размещали две прокладки шириной 8 мм симметрично центральной оси заготовки также на расстоянии 46 мм друг от друга. Прокладки закрепляли контактной точечной сваркой. Режим контактной сварки выбирали таким, чтобы исключить образование литой структуры металла. Таким образом, были размечены участки, подвергаемые и не подвергаемые соединению. На поверхность заготовок обшивки между прокладками наносили стоп-материал на основе нитрида бора в виде полос. Полосы наносили в центральной части участков, не подвергаемых соединению. Ширину полос стоп-материала определяли с учетом, во-первых, прогиба заготовки наполнителя под воздействием давления при диффузионной сварке, во-вторых, прогиба заготовок обшивки под воздействием атмосферного давления, так как сварка осуществлялась без применения наружного вакуума. Ширину полос стоп-материала, исходя из ширины прокладок, толщины заготовок обшивки и расстояния между прокладками, выбирали равной 36 мм на всех участках, не подвергаемых соединению. В технологической зоне одной заготовки обшивки выполняли отверстие и приваривали штуцер для подвода газа. Отверстие также выполняли в соответствующей технологической зоне заготовки наполнителя. Далее заготовки собирали в пакет, который герметизировали контактной шовной сваркой по контуру.
Для удаления летучих компонентов стоп-материала полученный пакет помещали в электрическую печь и нагревали до температуры 200°С. Удаление летучих компонентов из полостей пакета осуществляли с помощью вакуумного насоса, соединенного через трубопровод со штуцером до достижения вакуума глубиной не менее 13,3 Па. Затем пакет переносили в нагревательный блок пресса и устанавливали между плоскими плитами. После нагрева до температуры 850°С и достижения глубины вакуума не менее 1,33 Па к пакету прикладывали усилие пресса, обеспечивая давление 2 МПа, и выдерживали под давлением в течение 2 часов для осуществления процесса диффузионной сварки. После охлаждения сваренный полуфабрикат переносили в устройство для закрутки. Край полуфабриката со стороны штуцера фиксировали в неподвижном захвате, противоположный край - в подвижном захвате. После нагрева до температуры 800°С к подвижному захвату прикладывали крутящий момент и производили закрутку полуфабриката. После закрутки полуфабрикат зажимали по контуру между фигурными матрицами в штамповой оснастке с помощью клиновых соединений. Штуцер пакета соединяли с трубопроводом подачи рабочей среды (аргона). Штамп нагревали в электрической печи. Формовку осуществляли при температуре 850°С, создавая в полостях пакета давление газа по режиму, обеспечивающему деформацию листовых заготовок в интервале скоростей деформации 10-3...10-2 с-1. Максимальное давление газа 2,5 МПа. После формовки штамп охлаждали в печи до 40°С, извлекали изделие и производили удаление технологических зон.
Пример №2. Данный пример аналогичен примеру №1 за исключением следующих операций:
- в процессе нагрева пакета до температуры 850°С при достижении температуры 750°С к пакету прикладывали усилие пресса, обеспечивая давление 2 МПа;
- после формовки, не охлаждая штамп и не снимая давление, повышали температуру до 900°С, а давление - до 3 МПа и осуществляли выдержку изделия в течение 40 мин.
Пример №3. Данный пример аналогичен примеру №1 за исключением следующих операций:
- для изготовления прокладок использовали полосу из промышленного листа толщиной 1 мм, которую подвергали дополнительной деформации прокаткой в изотермических условиях за три прохода до толщины 0,25 мм, что обеспечило размер зерен в прокладках около 0,8 мкм;
- в процессе нагрева пакета до температуры 850°С при достижении температуры 700°С к пакету прикладывали усилие пресса, обеспечивая давление 2 МПа;
- после формовки, не охлаждая штамп и не снимая давление, повышали температуру до 900°С, а давление - до 3 МПа и осуществляли выдержку изделия в течение 40 мин.
Пример №4. Данный пример аналогичен примеру №1 за исключением того, что диффузионную сварку осуществляли в вакуумной камере, а также следующих операций:
- для изготовления прокладок использовали полосу из промышленного листа толщиной 2 мм, которую подвергали дополнительной деформации прокаткой в изотермических условиях за семь проходов до толщины 0,25 мм, что обеспечило размер зерен в прокладках около 0,2 мкм;
- ширину полос стоп-материала, учитывая прогиб заготовки наполнителя под воздействием давления при диффузионной сварке, выбирали больше ширины прокладки на 2 мм с каждой стороны;
- в процессе нагрева пакета до температуры 850°С при достижении температуры 650°С к пакету прикладывали усилие пресса, обеспечивая давление 2 МПа;
- после формовки, не охлаждая штамп и не снимая давление, повышали температуру до 900°С, а давление - до 3 МПа и осуществляли выдержку изделия в течение 40 мин.
На фиг.9 показано поперечное сечение готового изделия, на фиг.10 представлена фотография готового изделия. Из готового изделия вырезали образцы для металлографического анализа. На фиг.5 показана микроструктура зоны соединения на периферии участка соединения заготовок через прокладку без подрезов и цепочки микропор (см. для сравнения фиг.4). На фиг.6, 7 и 8 показана микроструктура зон соединения в центральной части участка, подвергаемого соединению, при использовании прокладок соответственно из промышленного проката, с исходной СМК структурой и с исходной НК структурой. Заметно уменьшение количества и размера микропор при использовании прокладок с исходной СМК структурой. При использовании прокладок с исходной НК структурой имеются только единичные микропоры. Также заметно, что размер зерен в прокладках стал таким же, как в листовых заготовках, из-за разницы в скорости роста зерен с разным исходным размером. Получению указанного результата способствовала выдержка изделия под давлением после формовки.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Заявка РФ №2002121285, F 04 D 29/38, 2004.
2. Патент Великобритании №2095137, B 21 D 53/78, 1973.
3. Европейский Патент №0568201, B 21 D 53/78, 1993.
4. Ишлинский А.Ю., Ивлев Д.Д. Математическая теория пластичности. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001, 704 с.
5. Качанов Л.М. Основы теории пластичности. М.: Наука, 1969, 420 с.
6. Гуревич С.М. Справочник по сварке цветных металлов. Киев: Наук. думка, 1981, 608 с.
7. Патент РФ №2134308, C 22 F 1/18, 1999.

Claims (7)

1. Способ изготовления изделия путем сверхпластической формовки и диффузионной сварки, по крайней мере, из двух заготовок из титанового сплава, при котором на поверхности, по крайней мере, одной заготовки обозначают участки, подвергаемые и не подвергаемые соединению, собирают заготовки в пакет, осуществляют нагрев до заданной температуры Тзад и приложение давления пресса заданной величины рзад для соединения заготовок посредством диффузионной сварки до получения полуфабриката, нагрев и подачу рабочей среды под давлением во внутреннюю полость полуфабриката для сверхпластической формовки, по крайней мере, одной из заготовок до получения изделия заданной формы, отличающийся тем, что диффузионную сварку осуществляют через прокладки из титанового сплава с меньшим, чем в заготовках, напряжением течения, обеспечиваемым преимущественно за счет меньшего размера зерен в прокладках, чем в заготовках, при этом преимущественно когда изготавливают изделие из трех и более заготовок, по крайней мере, на часть поверхности, по крайней мере, одной из заготовок на участках, не подвергаемых соединению, наносят материал, препятствующий соединению.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют прокладки из промышленного листового проката, при этом давление прикладывают в процессе нагрева пакета при достижении температуры Тзад-(100-150)°С.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют прокладки из листового проката с подготовленной структурой, с размером зерен 0,5-1,0 мкм, при этом давление прикладывают в процессе нагрева пакета при достижении температуры Тзад-(150-200)°С.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют прокладки из листового проката с подготовленной структурой, с размером зерен 0,1-0,5 мкм, при этом давление прикладывают в процессе нагрева пакета при достижении температуры Тзад-(200-250)°С.
5. Способ по любому из пп.1, 2, 3 и 4, отличающийся тем, что после формовки осуществляют выдержку изделия под давлением рабочей среды рзад и выше, при температуре не ниже Тзад в течение времени 30-60 мин.
6. Способ по п.5, отличающийся тем, что выдержку изделия под давлением рабочей среды осуществляет непосредственно после формовки.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что приложение давления пресса осуществляют в условиях наружного вакуума.
RU2005109282/02A 2005-03-23 2005-03-23 Способ изготовления изделия путем сверхпластической формовки и диффузионной сварки RU2291019C2 (ru)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005109282/02A RU2291019C2 (ru) 2005-03-23 2005-03-23 Способ изготовления изделия путем сверхпластической формовки и диффузионной сварки
EP06733232A EP1872882A4 (en) 2005-03-23 2006-03-10 METHOD FOR PRODUCING AN ARTICLE USING SUPERPLASTIC FORMING AND DIFFUSION WELDING
US11/597,607 US20090008428A1 (en) 2005-03-23 2006-03-10 Method of manufacturing an article by superplastic forming and diffusion welding
CNA2006800092647A CN101166589A (zh) 2005-03-23 2006-03-10 通过超塑性成形和扩散焊接来制造制品的方法
PCT/RU2006/000104 WO2006101420A2 (fr) 2005-03-23 2006-03-10 Procede de fabrication d'un article au moyen du formage superplastique et de soudage par diffusion

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005109282/02A RU2291019C2 (ru) 2005-03-23 2005-03-23 Способ изготовления изделия путем сверхпластической формовки и диффузионной сварки

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2005109282A RU2005109282A (ru) 2006-09-27
RU2291019C2 true RU2291019C2 (ru) 2007-01-10

Family

ID=37024242

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2005109282/02A RU2291019C2 (ru) 2005-03-23 2005-03-23 Способ изготовления изделия путем сверхпластической формовки и диффузионной сварки

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20090008428A1 (ru)
EP (1) EP1872882A4 (ru)
CN (1) CN101166589A (ru)
RU (1) RU2291019C2 (ru)
WO (1) WO2006101420A2 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010074598A1 (ru) * 2008-12-24 2010-07-01 Открытое акционерное общество "Авиадвигатель" Способ изготовления полой вентиляторной лопатки
WO2015088393A1 (ru) 2013-12-12 2015-06-18 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем сверхпластичности металлов Российской академии наук (ИПСМ РАН) Способ изготовления полой вентиляторной лопатки

Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100941613B1 (ko) * 2008-01-22 2010-02-11 한국표준과학연구원 홀을 갖는 자기양자센서용 흡수체 및 그 정렬방법
CN101733571B (zh) * 2009-10-28 2012-07-18 河南科技大学 利用电场作用下的超塑性焊接实验装置及方法
CN102601518B (zh) * 2012-03-22 2014-08-06 上海桦厦实业有限公司 多层冷凝器壁板及其制造工艺
FR2997644B1 (fr) * 2012-11-08 2015-05-15 Technicatome Procede de soudage par diffusion
CN103008998B (zh) * 2012-12-14 2015-05-27 中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所 一种钛合金筒形三层结构的超塑成形/扩散连接成形方法
CN103331513B (zh) * 2013-07-03 2016-01-20 北京科技大学 一种超塑性双相不锈钢夹层结构的制造方法
CN104174751B (zh) * 2014-07-11 2016-08-24 航天材料及工艺研究所 一种超塑成形/扩散连接四层结构的网格协调成形方法
CN104588982B (zh) * 2014-11-26 2019-11-15 北京航星机器制造有限公司 大曲率复杂型面钛合金零件的超塑成形/扩散连接成形方法
CN105032979B (zh) * 2015-08-24 2017-06-20 北京星航机电装备有限公司 一种多层膜片结构波纹管的加工方法及装置
CN107096890B (zh) * 2017-06-19 2022-07-05 沈阳飞机工业（集团）有限公司 一种等厚型面分体铸造的超塑成形/扩散连接成形模具及其制备方法
US20210016388A1 (en) * 2018-06-14 2021-01-21 Nippon Light Metal Company, Ltd. Method for manufacturing composite slab
US11318553B2 (en) * 2019-01-04 2022-05-03 Raytheon Technologies Corporation Additive manufacturing of laminated superalloys
CN110315190B (zh) * 2019-05-28 2021-12-21 北京航星机器制造有限公司 适用超塑成形-扩散连接的热成形机液压控制方法及系统
US11260952B2 (en) * 2019-09-26 2022-03-01 The Boeing Company Reinforced superplastic formed and diffusion bonded structures
CN112247334B (zh) * 2020-10-12 2022-06-03 中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司 一种有复杂曲面焊接界面的空心零件的固相扩散焊工艺
CN113305509B (zh) * 2021-05-26 2023-03-14 中国航空制造技术研究院 一种钛合金空心夹层结构的制备方法
CN113600997A (zh) * 2021-08-26 2021-11-05 合肥工业大学 一种低温扩散焊接钨与低活化钢的方法
CN115365772B (zh) * 2022-09-23 2023-11-07 航天特种材料及工艺技术研究所 一种复杂曲面变壁厚钛合金带筋板的制备方法
CN116813358A (zh) * 2023-06-21 2023-09-29 杭州沈氏节能科技股份有限公司 一种碳化硅板的成型工艺及由此制得的碳化硅板

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3927817A (en) * 1974-10-03 1975-12-23 Rockwell International Corp Method for making metallic sandwich structures
GB1495655A (en) * 1975-03-20 1977-12-21 Rockwell International Corp Method for making metallic structures from two or more selectively bonded sheets
SU836251A1 (ru) * 1979-02-12 1981-06-07 Всесоюзный Научно-Исследовательскийинститут Легкого И Текстильного Машино-Строения Устройство дл автоматической стабилизацииРАСХОдА ВОлОКНиСТОй МАССы B пНЕВМОпРОВОдАХ
US4406393A (en) * 1981-03-23 1983-09-27 Rockwell International Corporation Method of making filamentary reinforced metallic structures
SU1109293A1 (ru) * 1983-04-12 1984-08-23 Предприятие П/Я Р-6601 Способ изготовлени многослойных панелей диффузионной сваркой
US5063662A (en) * 1990-03-22 1991-11-12 United Technologies Corporation Method of forming a hollow blade
GB9209464D0 (en) * 1992-05-01 1992-06-17 Rolls Royce Plc A method of manufacturing an article by superplastic forming and diffusion bonding
JP3398246B2 (ja) * 1995-02-24 2003-04-21 日本飛行機株式会社 金属サンドイッチ構造体およびその製造方法
RU2134308C1 (ru) * 1996-10-18 1999-08-10 Институт проблем сверхпластичности металлов РАН Способ обработки титановых сплавов
US7533794B2 (en) * 2004-03-31 2009-05-19 The Boring Company Superplastic forming and diffusion bonding of fine grain titanium

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
КОРОЛЬ В.К. и др. Основы технологии производства многослойных металлов. - М.: Металлургия, 1970, с.49-54. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010074598A1 (ru) * 2008-12-24 2010-07-01 Открытое акционерное общество "Авиадвигатель" Способ изготовления полой вентиляторной лопатки
WO2015088393A1 (ru) 2013-12-12 2015-06-18 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем сверхпластичности металлов Российской академии наук (ИПСМ РАН) Способ изготовления полой вентиляторной лопатки

Also Published As

Publication number Publication date
CN101166589A (zh) 2008-04-23
US20090008428A1 (en) 2009-01-08
WO2006101420A2 (fr) 2006-09-28
EP1872882A2 (en) 2008-01-02
RU2005109282A (ru) 2006-09-27
WO2006101420A8 (fr) 2007-01-25
EP1872882A4 (en) 2010-10-06
WO2006101420A3 (fr) 2006-12-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2291019C2 (ru) Способ изготовления изделия путем сверхпластической формовки и диффузионной сварки
RU2412017C2 (ru) Способ изготовления полой вентиляторной лопатки
US20080217808A1 (en) Curved extrusions and method of forming the same
US20180216626A1 (en) Aluminum brazing of hollow titanium fan blades
JP2005238334A (ja) 金属間チタンアルミナイド合金を含有する部品または半完成品の製造方法、およびこの方法により製造し得る部品
CN1962179A (zh) 铸造伽马钛铝合金的直接滚轧
US5788142A (en) Process for joining, coating or repairing parts made of intermetallic material
JP2000024748A (ja) 内燃機関用ポペット弁の製造方法
US20230264257A1 (en) Method for manufacturing solid-state composite additive for high-performance structural component
Butt et al. Strength analysis of aluminium foil parts made by composite metal foil manufacturing
US6450396B1 (en) Method for making weldless magnesium/aluminum bonded components
CN110508735B (zh) 一种碳化硅晶须增强铝基复合材料的增量约束多向锻造方法
Shi et al. Microstructure evolution and mechanical properties of γ-TiAl honeycomb structure fabricated by isothermal forging and pulse current assisted diffusion bonding
RU2477203C2 (ru) Способ изготовления слоистого композиционного материала титановый сплав-алюминид титана
RU2610658C2 (ru) Способ изготовления составных заготовок типа "диск-диск" и "диск-вал" из жаропрочных титановых и никелевых сплавов
US20040105774A1 (en) Process for improving the hot workability of a cast superalloy ingot
CZ101698A3 (cs) Způsob výroby kol z lehkých slitin
RU2553759C1 (ru) Способ изготовления металлической защитной накладки
JP6410135B2 (ja) 熱間鍛造用金型
Narahari Prasad et al. Processing of aerospace metals and alloys: Part 2—Secondary Processing
EP4067526A1 (en) Manufacturing method for nickel-base alloy product or titanium-base alloy product
US20220097139A1 (en) Method for the production of parts made from metal or metal matrix composite and resulting from additive manufacturing followed by an operation involving the forging of said parts
GB2419835A (en) Method of diffusion bonding
Astanin et al. Carbon fiber reinforced magnesium alloy in a Ti-6Al-4V shell
GB2536483B (en) A method of Forming a Metal Component

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Effective date: 20100617

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160324