RU2347630C2

RU2347630C2 - Method for manufacture of wedge-shaped billets

Info

Publication number: RU2347630C2
Application number: RU2007107184/02A
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Козлов (RU); Александр Николаевич Козлов; Олег Борисович Калентьев (RU); Олег Борисович Калентьев; Михаил Евгеньевич Соловьев (RU); Михаил Евгеньевич Соловьев; Андрей Леонидович Никитин (RU); Андрей Леонидович Никитин; Сергей Николаевич Кузьмин (RU); Сергей Николаевич Кузьмин; Мари Александровна Суслова (RU); Мария Александровна Суслова; Андрей Владимирович Зайцев (RU); Андрей Владимирович Зайцев
Original assignee: ОАО "Корпорация ВСМПО-АВИСМА"
Priority date: 2007-02-26
Filing date: 2007-02-26
Publication date: 2009-02-27
Also published as: RU2007107184A

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: method includes preparation of card billet, packet assembly in steel case, packet heating and hot rolling, thermal treatment, dressing, packet disassembly and finishing operations. Manufacture and preparation of card billet prior to pack rolling is done by means of cutting of initial plate of specified thickness into parallelepipeds and cutting of parallelepipeds along inclined plane to produce two identical separate wedge-shaped cards.

EFFECT: reduction of time and expenses in production of wedge-shaped billets, improved metal economy, improved microstructure of wedge-shaped billets.

4 cl, 1 tbl, 8 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к обработке металлов давлением, а именно к изготовлению методом пакетной прокатки клиновидных заготовок лопаток турбин, а также других типов роторных лопаток или лопастей статора для турбомашин или пропеллеров.The invention relates to the processing of metals by pressure, and in particular to the production by the method of batch rolling of wedge-shaped blanks of turbine blades, as well as other types of rotor blades or stator blades for turbomachines or propellers.

Технологический процесс изготовления лопаток должен обеспечивать их высокое качество, надежность и заданный ресурс. Вместе с тем при выборе способа обработки массовых деталей, таких как лопатки газотурбинных двигателей, необходимо учитывать и экономическую эффективность.The manufacturing process of the blades should ensure their high quality, reliability and a given resource. However, when choosing a method for processing mass parts, such as blades for gas turbine engines, it is necessary to take into account economic efficiency.

Большинство лопаток турбин, использующихся в авиационных двигателях и других подобных системах, являются полыми, что обеспечивает циркуляцию охлаждающей жидкости внутри них. В настоящее время одной из наиболее прогрессивных технологий изготовления пустотелой лопатки является метод сверхпластической формовки заготовок из титановых сплавов, совмещенный с диффузионной сваркой. При этом в качестве исходных компонентов используются клиновидные заготовки и листы с мелкозернистой структурой.Most turbine blades used in aircraft engines and other similar systems are hollow, which allows the circulation of coolant inside them. Currently, one of the most advanced technologies for manufacturing a hollow blade is the method of superplastic forming of titanium alloy billets, combined with diffusion welding. In this case, wedge-shaped blanks and sheets with a fine-grained structure are used as initial components.

Применение механической обработки прямоугольных заготовок для придания им клиновидной формы, а в некоторых случаях и изготовления законцовочной части приводит к тому, что большой объем дорогостоящего материала от 40 до 70% переводится в стружку и обрезь. Поэтому данный способ по экономическим соображениям является малопривлекательным.The use of mechanical processing of rectangular blanks to give them a wedge-shaped shape, and in some cases the manufacture of the ending part, leads to the fact that a large amount of expensive material from 40 to 70% is converted into chips and trimmings. Therefore, this method for economic reasons is unattractive.

Известен метод производства лопатки (Патент США №6,739,049). Процесс производства для изготовления заготовок лопасти включает резку титановых плит на прямоугольные клиновидные изделия подходящей длины и толщины. Каждая деталь режется в продольном направлении вдоль наклонной плоскости для получения двух отдельных идентичных конических панелей, которые в дальнейшем станут боковыми компонентами лопасти. Резка выполняется посредством ленточной пилы. Преимущество данного способа в том, что он более экономичен в плане использования материала. К недостаткам данного способа относится то, что процесс предполагает наличие специального оборудования для резки заготовок больших сечений (заготовки для лопаток могут иметь размеры в плане 700×1300 мм и более), производится с использованием дорогостоящего инструмента и малопроизводителен из-за большой площади распила. Кроме того, микроструктура металлического блока в форме параллелепипеда не является оптимальной, по причине разнородности по сечению.A known method for the production of blades (US Patent No. 6,739,049). The manufacturing process for the manufacture of blade blanks involves cutting titanium plates into rectangular wedge-shaped products of suitable length and thickness. Each part is cut in the longitudinal direction along the inclined plane to obtain two separate identical conical panels, which will later become the side components of the blade. Cutting is done with a band saw. The advantage of this method is that it is more economical in terms of the use of material. The disadvantages of this method include the fact that the process involves the availability of special equipment for cutting billets of large cross sections (billets for blades can have dimensions in the plan of 700 × 1300 mm or more), are made using expensive tools and are inefficient due to the large cutting area. In addition, the microstructure of the metal block in the form of a parallelepiped is not optimal, due to the heterogeneity of the cross section.

Известен способ изготовления тонких листов из прочных и высокопрочных сплавов (патент РФ №2179899, кл. В21В 1/38, публ. 27.02.02) - прототип. Способ включает подготовку карточной заготовки, сборку пакета в стальном кейсе, нагрев пакета до температуры 880°С и горячую прокатку со степенью деформации 60%, отжиг пакета при температуре 770°С в течение 30 мин, правку, разборку пакета и отделочные операции листов. Данный способ позволяет получать листы с микроструктурой, в которой α-фаза с размером зерна 2-4 мкм, что вполне достаточно для изготовления деталей в условиях сверхпластической деформации (СПД). Недостатком прототипа является невозможность получения клиновидных заготовок.A known method of manufacturing thin sheets of strong and high-strength alloys (RF patent No. 2179899, class B21B 1/38, publ. 02.27.02) is a prototype. The method includes preparing a card blank, assembling the bag in a steel case, heating the bag to a temperature of 880 ° C and hot rolling with a degree of deformation of 60%, annealing the bag at a temperature of 770 ° C for 30 minutes, dressing, disassembling the bag and finishing sheet operations. This method allows to obtain sheets with a microstructure in which the α-phase with a grain size of 2-4 microns, which is quite enough for the manufacture of parts under conditions of superplastic deformation (SPD). The disadvantage of the prototype is the inability to obtain wedge-shaped blanks.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является получение методом пакетной прокатки клиновидных заготовок лопаток турбинных двигателей, геометрические размеры которых были бы максимально приближены к геометрическими размерам механически обработанных деталей.The problem to which the invention is directed, is to obtain by the method of batch rolling wedge-shaped blanks of the blades of turbine engines, the geometric dimensions of which would be as close as possible to the geometric dimensions of machined parts.

Техническим результатом, достигаемым при применении предлагаемой технологии, является существенное снижение времени и затрат при производстве клиновидных заготовок, повышение экономии металла, улучшение микроструктуры клиновидных заготовок.The technical result achieved by the application of the proposed technology is a significant reduction in time and costs in the production of wedge-shaped blanks, increased metal savings, improved microstructure of wedge-shaped blanks.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления клиновидных заготовок лопаток турбин, включающем подготовку карточной заготовки, сборку пакета в стальном кейсе, нагрев пакета и горячую прокатку, термообработку, правку, разборку пакета и отделочные операции, включающие шлифование, дополнительно производится подготовка карточной заготовки перед пакетной прокаткой, включающая резку исходной плиты заданной толщины на параллелепипеды, резку параллелепипедов вдоль наклонной плоскости для получения двух идентичных отдельных клиновидных карточек, нанесение разделительного покрытия на полученные после резки поверхности, сборку клиновидных карточек попарно поверхностями реза внутрь.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of manufacturing wedge-shaped blanks for turbine blades, including preparing a card blank, assembling a bag in a steel case, heating the bag and hot rolling, heat treatment, dressing, disassembling the bag and finishing operations, including grinding, the card blank is additionally prepared before batch rolling, including cutting the original plate of a given thickness into parallelepipeds, cutting parallelepipeds along an inclined plane to obtain two idents cing individual wedge cards, application of a separating coating on the surface obtained after cutting assembly wedge surfaces of the cut cards in pairs inside.

При изготовлении клиновидных заготовок с законцовочной частью, перед продольной резкой параллелепипеда, на его противоположных сторонах на равном расстоянии от торцов в направлении ширины выполняются идентичные пазы, а резку параллелепипеда выполняют по одной наклонной плоскости, проходящей через эти пазы.In the manufacture of wedge-shaped blanks with a ending part, identical grooves are performed on its opposite sides at equal distances from the ends in the width direction, and the parallelepiped is cut along one inclined plane passing through these grooves.

В случае, когда трудно выдержать соотношение размеров законцовочной части плиты и противоположной тонкой части, резку параллелепипеда выполняют по двум параллельным наклонным плоскостям, проходящим через пазы, при этом образуется промежуточная плита, на которую впоследствии наносят разделительное покрытие и помещают в пакете между клиновидными карточками.In the case when it is difficult to maintain the aspect ratio of the ending part of the plate and the opposite thin part, the parallelepiped is cut along two parallel inclined planes passing through the grooves, an intermediate plate is formed, on which a separation coating is subsequently applied and placed in a bag between wedge-shaped cards.

Для повышения качества отделочных операций шлифование поверхностей клиновидных заготовок производят, предварительно соединяя их попарно технологическими сварными швами.To improve the quality of finishing operations, grinding of the surfaces of the wedge-shaped blanks is carried out by pre-connecting them in pairs with technological welds.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана клиновидная заготовка 1 и клиновидная заготовка с законцовочной частью 2, на фиг.2 - схема раскроя исходной плиты на параллелепипеды, на фиг.3 - схема резки параллелепипеда на две клиновидные карточки, на фиг.4 - схема укладки клиновидных карточек в кейс, на фиг.5 - схема резки параллелепипеда для получения клиновидных карточек с законцовочной частью, на фиг.6 - схема резки исходного параллелепипеда с образованием промежуточной плиты, на фиг.7 - схема соединения клиновидных заготовок перед шлифованием, на фиг. 8 - микроструктура клиновидной заготовки из сплава 6A14V.The invention is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows a wedge-shaped blank 1 and a wedge-shaped blank with a ending part 2, Fig. 2 is a diagram of a cutting of an initial plate into parallelepipeds, Fig. 3 is a diagram of a cutting of a parallelepiped into two wedge-shaped cards, in Fig. 4 - a diagram for laying wedge-shaped cards in a case, in Fig. 5 - a diagram for cutting a parallelepiped to obtain wedge-shaped cards with a ending part, in Fig. 6 - a diagram for cutting an initial parallelepiped with the formation of an intermediate plate, in Fig. 7 - a diagram for connecting wedge-shaped blanks before cutting by caning, in FIG. 8 - microstructure of a wedge-shaped blank of alloy 6A14V.

Способ осуществляется следующим образом: исходную плиту необходимой толщины разрезают на несколько параллелепипедов 3, как это показано на фиг.2. Каждая из полученных заготовок разрезается на ленточно-пильном станке, по линии распила 4, на две клиновидные карточки под прокатку 5 и 6 (фиг.3). На полученные после резки поверхности наносится разделительный слой, в качестве которого может быть использован, например, меловой раствор или раствор бентонита (10%) и белой сажи (20%), остальное вода. Клиновидные карточки складываются попарно поверхностями реза внутрь, образуя контур исходного (до резки) параллелепипеда. Несколько полученных таким образом сдвоенных заготовок помещаются внутрь корпуса (кейса), изготовленного из материала, сопротивление деформации которого при выбранной температуре прокатки близко к сопротивлению деформации материала заготовок. Например, для заготовок из титановых сплавов можно использовать кейс из углеродистой стали. Схема укладки клиновидных карточек в кейс приведена на фиг.4, где 7 - нижняя и верхняя обкладки корпуса, 8 - круглый пруток из материала, аналогичного материалу обкладок, привариваемый к обкладкам по периметру. Размеры клиновидных карточек и размеры конечных клиновидных заготовок определяются путем известных расчетов. Собранный пакет нагревается до температуры деформации и прокатывается на обычном листопрокатном стане с цилиндрическими валками на нужную толщину, которая определяется необходимой толщиной клиновидных заготовок, при этом прокатка может производиться только в одном направлении или с разворотом пакета относительно направления начальной прокатки (перекрестная прокатка).The method is as follows: the original plate of the required thickness is cut into several parallelepipeds 3, as shown in figure 2. Each of the obtained blanks is cut on a band saw, along the cut line 4, into two wedge-shaped cards for rolling 5 and 6 (figure 3). On the surface obtained after cutting, a separation layer is applied, for example, a chalk solution or a solution of bentonite (10%) and white soot (20%), the rest is water. Wedge-shaped cards are folded in pairs by the cutting surfaces inward, forming the contour of the original (before cutting) box. Several twin billets thus obtained are placed inside a case (case) made of a material whose deformation resistance at a selected rolling temperature is close to the deformation resistance of the billet material. For example, carbon steel case can be used for titanium alloy billets. The layout of the wedge-shaped cards in the case is shown in figure 4, where 7 is the lower and upper plates of the body, 8 is a round bar of material similar to the material of the plates, welded to the plates around the perimeter. The size of the wedge-shaped cards and the size of the final wedge-shaped blanks are determined by known calculations. The assembled package is heated to a deformation temperature and rolled on a conventional sheet rolling mill with cylindrical rolls to the desired thickness, which is determined by the required thickness of the wedge-shaped blanks, while rolling can be carried out only in one direction or with a turn of the package relative to the direction of the initial rolling (cross-rolling).

Прокатанный таким образом пакет можно, не разбирая, подвергнуть отжигу в электрической печи и правке на роликоправильной машине или отжигу и правке в условиях крипа под грузом для достижения необходимой планшетности (неплоскостности) и требуемого уровня механических свойств.A package rolled in this way can be annealed without annealing in an electric furnace and edited on a roller straightening machine or annealed and edited in a creep condition under load to achieve the required flatness (flatness) and the required level of mechanical properties.

После этого боковые и торцевые кромки пакета (кейса) обрезаются, с удалением мест сварки, и пакет разбирается. Благодаря нанесению защитного слоя при прокатке не происходит сваривания клиновидных заготовок между собой, и они легко отделяются друг от друга.After that, the side and end edges of the package (case) are cut, with the removal of the weld points, and the package is disassembled. Due to the application of the protective layer during rolling, the wedge-shaped blanks are not welded together, and they are easily separated from each other.

Используя подобный способ, можно получить заготовки и с законцовочной частью. Для этого необходимо изменить схему резки параллелепипеда. Схема резки клиновидных карточек с законцовочной частью приведена на фиг.5. В данном случае предварительно проделывают канавки 9 для захода инструмента (ленточной пилы), при этом линия пропила 10 должна сопрягаться с поверхностью канавки. После резки параллелепипеда, как показано на фиг.5, поверхности реза покрываются разделительным покрытием, а затем клиновидные карточки складываются попарно, как и в предыдущем случае, при этом их сдвигают так, чтобы убрать зазоры, образующиеся в местах захода инструмента при резке. Далее процесс изготовления клиновидных плит с законцовочной частью производится аналогично описанному выше способу изготовления клиновидных заготовок.Using a similar method, it is possible to obtain blanks with the ending part. To do this, change the parallelepiped cutting pattern. The cutting scheme of the wedge-shaped cards with the ending part is shown in Fig.5. In this case, grooves 9 are pre-made for the tool (band saw) to enter, while the cut line 10 should be mated with the surface of the groove. After cutting the box, as shown in Fig. 5, the cutting surfaces are covered with a separation coating, and then the wedge-shaped cards are folded in pairs, as in the previous case, while they are shifted so as to remove the gaps formed at the points of entry of the tool during cutting. Further, the manufacturing process of wedge-shaped plates with the ending part is carried out similarly to the method for manufacturing wedge-shaped blanks described above.

В связи с тем, что при прокатке трудно выдержать соотношение размеров законцовочной части клиновидной заготовки (при ее большой толщине) и противоположной тонкой части, возможно применение схемы резки, приведенной на фиг.6. Эта схема позволяет выдержать соотношение размеров законцовочной части и противоположной утоненной части плиты за счет образования при резке промежуточной плиты 11. Пакетная прокатка таких клиновидных заготовок аналогична ранее описанной, отличие заключается в том, что промежуточная плита помещается между клиновидными карточками, при этом разделительный слой наносится на обе стороны промежуточной плиты и обе внутренние поверхности клиновидных карточек с законцовочной частью.Due to the fact that when rolling it is difficult to maintain the ratio of the sizes of the ending part of the wedge-shaped workpiece (with its large thickness) and the opposite thin part, it is possible to use the cutting scheme shown in Fig.6. This scheme allows you to maintain the ratio of the sizes of the ending part and the opposite thinned part of the plate due to the formation of an intermediate plate during cutting 11. Batch rolling of such wedge-shaped blanks is similar to the previously described, the difference is that the intermediate plate is placed between the wedge-shaped cards, while the separation layer is applied to both sides of the intermediate plate and both inner surfaces of the wedge-shaped cards with the ending part.

После разборки пакета промежуточная плита удаляется. Далее она может быть использована при шлифовке, когда собирается пакет для удобства шлифовки поверхности клиновидных заготовок.After disassembling the package, the intermediate plate is removed. Further, it can be used during grinding when a bag is assembled for the convenience of grinding the surface of wedge-shaped blanks.

Возможно также проведение шлифования таких клиновидных заготовок путем их технологического (временного) соединения друг с другом сварочными швами 12, как это показано на фиг.7.It is also possible to grind such wedge-shaped blanks by their technological (temporary) connection to each other by welding seams 12, as shown in Fig.7.

После шлифовки нижней и верхней поверхности пакета места сварки удаляются, и пакет собирается для шлифовки двух других поверхностей плит, которые находились внутри, при этом отшлифованные поверхности будут находиться внутри.After grinding the lower and upper surface of the package, the weld points are removed, and the package is collected for grinding the other two surfaces of the plates that were inside, while the polished surfaces will be inside.

Пример конкретного выполнения.An example of a specific implementation.

Для опробования технологии из плиты сплава Ti-6A1-4V размерами 78×1350×3950 мм на ленточно-пильном станке "Kasto" были вырезаны два параллелепипеда размерами 78×1300×400 мм, каждый из которых был распилен на две клиновидные карточки размерами 15-63×400×1300 мм. Кейсы пакетов были изготовлены из стали Ст3. Было собрано два пакета по две клиновидные карточки в каждом. Нагрев осуществлялся в электрической печи до температуры (Т_пп-30…100)°С. Прокатка пакетов была осуществлена на черновой клети стана 2000 горячей прокатки. После разборки стальных кейсов пары клиновидных заготовок размерами 29×1300×700 мм были подвергнуты крип-отжигу, шлифованию наружных поверхностей, резке по периметру, разделению, сварке на прихватки попарно внутренними поверхностями наружу, шлифованию ставших наружными поверхностей, резке на готовые габариты, разделению на клиновидные заготовки, промывке, травлению. Размеры полученных клиновидных заготовок составили 5-20×600×1100 мм. Механические свойства изготовленных клиновидных заготовок приведены в таблице.To test the technology from a Ti-6A1-4V alloy plate with dimensions 78 × 1350 × 3950 mm, two parallelepipeds with dimensions 78 × 1300 × 400 mm were cut on a Kasto band saw machine, each of which was sawn into two wedge-shaped cards 15- 63 × 400 × 1300 mm. Case bags were made of steel St3. Two packages were collected, two wedge-shaped cards in each. Heating was carried out in an electric furnace to a temperature of (T _pp -30 ... 100) ° C. The rolling of the bags was carried out in a roughing stand of a hot rolling mill 2000. After disassembling the steel cases, pairs of wedge-shaped blanks with dimensions of 29 × 1300 × 700 mm were subjected to creep annealing, grinding of the outer surfaces, cutting along the perimeter, separation, welding to tacks in pairs with the inner surfaces out, grinding of the outer surfaces, cutting into finished dimensions, cutting into finished wedge-shaped blanks, washing, etching. The dimensions of the wedge-shaped blanks obtained were 5-20 × 600 × 1100 mm. The mechanical properties of the manufactured wedge-shaped blanks are given in the table.

ТаблицаTable Механические свойства клиновидных заготовок сплава 6A14VThe mechanical properties of wedge-shaped blanks alloy 6A14V Направление вырезкиCutting direction σ_0,2, МПаσ _0.2 , MPa σ_в, МПаσ _in , MPa δ, %δ,% ψ, %ψ,% вдольalong 935935 998998 14,414,4 33,033.0 поперекacross 920920 978978 16,816.8 33,433,4

Микроструктура клиновидных заготовок приведена на фиг.8:The microstructure of the wedge-shaped blanks is shown in Fig. 8:

а) поперек направления прокатки, ×100;a) across the rolling direction, × 100;

б) поперек направления прокатки, ×500;b) across the rolling direction, × 500;

в) вдоль направления прокатки, ×100;c) along the direction of rolling, × 100;

г) вдоль направления прокатки, ×500.d) along the direction of rolling, × 500.

Микроструктура клиновидных заготовок соответствует обработке в (а+β) области. Степень глобуляризации составляет 90%, количество α-фазы составляет 85%. Размер зерна в продольном направлении 9,6 мкм, в поперечном направлении 8,8 мкм.The microstructure of the wedge-shaped blanks corresponds to processing in the (a + β) region. The degree of globularization is 90%, the amount of the α phase is 85%. The grain size in the longitudinal direction of 9.6 microns, in the transverse direction of 8.8 microns.

Преимущество данного способа заключается в том, что он:The advantage of this method is that it:

- позволяет изготовить клиновидную заготовку для механической обработки, которая максимально приближена по форме к готовой детали, за счет пластической деформации, при этом заготовка имеет улучшенные механические свойства и однородную микроструктуру,- allows you to make a wedge-shaped workpiece for machining, which is as close as possible in shape to the finished part, due to plastic deformation, while the workpiece has improved mechanical properties and a uniform microstructure,

- более экономичен в плане использования материала и времени на изготовление клиновидной заготовки лопатки,- more economical in terms of the use of material and time for the manufacture of wedge-shaped billet blanks,

- расширяет возможности стандартного прокатного оборудования.- expands the capabilities of standard rolling equipment.

Claims

1. A method of manufacturing wedge-shaped blanks, including the preparation of card blanks, assembling a package from them in a steel case, heating, hot rolling, heat treatment, dressing and cutting the package, separating the blanks and finishing operations with grinding their surfaces, while preparing the card blanks by cutting initial plates of a given thickness on parallelepipeds, subsequent cutting of parallelepipeds along an inclined plane into two identical wedge-shaped cards, applying a separation coating on the resulting After cutting the surface and assembling the wedge-shaped cards in pairs with the cut surfaces inward.

2. The method according to claim 1, characterized in that before cutting the parallelepipeds on their opposite sides at an equal distance from the ends in the width direction, identical grooves are performed, and the parallelepiped is cut along one inclined plane passing through these grooves.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the cutting of the parallelepipeds is performed on two parallel inclined planes passing through the grooves, with the formation of an intermediate plate on which the separation coating is applied and placed in a bag between the wedge-shaped cards.

4. The method according to claim 1, characterized in that the grinding of the surfaces of the wedge-shaped blanks is carried out in pairs, connecting them with technological welds.