RU2724226C1 - Method of reinforcing elements of turbomachine with metal matrix composite and installation for implementation thereof - Google Patents
Method of reinforcing elements of turbomachine with metal matrix composite and installation for implementation thereof Download PDFInfo
- Publication number
- RU2724226C1 RU2724226C1 RU2019110107A RU2019110107A RU2724226C1 RU 2724226 C1 RU2724226 C1 RU 2724226C1 RU 2019110107 A RU2019110107 A RU 2019110107A RU 2019110107 A RU2019110107 A RU 2019110107A RU 2724226 C1 RU2724226 C1 RU 2724226C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- melt
- turbomachine
- matrix composite
- matrix
- metal matrix
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C47/00—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
- C22C47/08—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments by contacting the fibres or filaments with molten metal, e.g. by infiltrating the fibres or filaments placed in a mould
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C47/00—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
- C22C47/14—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments by powder metallurgy, i.e. by processing mixtures of metal powder and fibres or filaments
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C47/00—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
- C22C47/20—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments by subjecting to pressure and heat an assembly comprising at least one metal layer or sheet and one layer of fibres or filaments
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/12—Blades
- F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способам получения металлических композиционных материалов на основе интерметаллида титана, армированных высокомодульными волокнами, применяемых в авиационной технике, в частности, для упрочнения элементов газотурбинных двигателей, а также относится к установкам для непрерывного изготовления тонкой полосы металломатричного композита непосредственно из расплава интерметаллида титана и армирмирующих высокомодульных волокон, с одновременным нанесением его на элементы турбомашины, посредством способа безслиткового литья с использованием валкового литейного устройства.The invention relates to methods for producing metal composite materials based on titanium intermetallic reinforced with high modulus fibers used in aircraft, in particular for hardening elements of gas turbine engines, and also relates to installations for the continuous manufacture of a thin strip of metal matrix composite directly from a titanium intermetallic melt and reinforcing high modulus fibers, while applying it to the elements of a turbomachine, by means of a method of dieless casting using a roll casting device.
Повышение прочности, рабочих температур и модуля упругости титановых сплавов, используемых для авиационных двигателей, представляет собой весьма актуальную, но трудно решаемую задачу. Относительно невысокий модуль упругости всех титановых сплавов (-100 ГПа) не позволяет реализовать их высокую прочность (-1250 ГПа) в деталях конструкций. Кроме того, при температурах выше 500°С титановые сплавы интенсивно окисляются, что существенно сокращает срок службы деталей.Increasing the strength, operating temperature and elastic modulus of titanium alloys used for aircraft engines is a very urgent, but difficult to solve problem. The relatively low elastic modulus of all titanium alloys (-100 GPa) does not allow their high strength (-1250 GPa) to be realized in structural details. In addition, at temperatures above 500 ° C, titanium alloys are intensively oxidized, which significantly reduces the service life of parts.
Наиболее эффективным способом повышения модуля упругости сплавов, является армирование их высокомодульными волокнами, такими как карбид-кремниевые, борные, углеродные и др., и использование в качестве сплавов, интерметаллидов титана, в частности интерметаллидов типа Ti5Si3C в качестве матрицы. Это позволяет повысить уровень рабочих температур, поскольку интерметаллиды более жаростойки и позволяют снизить интенсивность окисления в сравнении с титановыми сплавами, поскольку эти интерметаллиды обладают высокой окислительной стойкостью. Поэтому решения задачи одновременного повышения жесткости, т.е. модуля упругости, прочности, жаростойкости материалов и высокой окислительной стойкости разрабатывается на пути создания композиционных материалов с интерметаллидной матрицей.The most effective way to increase the elastic modulus of alloys is to reinforce them with high-modulus fibers, such as silicon carbide, boron, carbon, etc., and use titanium intermetallic compounds, in particular Ti 5 Si 3 C type intermetallic compounds, as a matrix. This allows you to increase the level of operating temperatures, since the intermetallic compounds are more heat-resistant and can reduce the rate of oxidation in comparison with titanium alloys, since these intermetallic compounds have a high oxidation resistance. Therefore, solving the problem of simultaneously increasing rigidity, i.e. modulus of elasticity, strength, heat resistance of materials and high oxidation resistance is being developed on the way to create composite materials with an intermetallic matrix.
Наиболее близким к предполагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ упрочнения элемента турбомашины металломатричным композитом на основе интерметаллида титана, включающий послойное наматывание неоксидного керамического армирующего волокна на основе карбида кремния на конструктивный элемент с образованием ленты, расплавление порошковой смеси для получения матричного расплава на основе интерметаллида титана требуемого состава с температурой плавления ниже температуры плавления армирующего волокна, нанесение на ленту плакирующего слоя из сплава, пропитку каждого нанесенного слоя матричным расплавом, кристаллизацию расплава и сплавление армирующих волокон под давлением и образование металломатричного композита. /RU 2215816 МПК С22С 47/14 Опубликовано: 10.11.2003 г. / /1/The closest to the expected technical essence and the achieved result is a method of hardening a turbomachine element with a metal matrix composite based on titanium intermetallide, including layer-by-layer winding of a non-oxide ceramic reinforcing fiber based on silicon carbide on a structural element with the formation of a tape, melting of the powder mixture to obtain a matrix melt based on intermetallide titanium of the required composition with a melting point below the melting temperature of the reinforcing fiber, applying a clad layer of the alloy to the tape, impregnating each deposited layer with a matrix melt, crystallizing the melt and fusing the reinforcing fibers under pressure and forming a metal matrix composite. / RU 2215816 IPC С22С 47/14 Published: November 10, 2003 / / 1 /
Недостатком технологии нанесения является недостаточная плотность получаемого композита на упрочняемой детали, использование промежуточных заготовок, а следовательно, невозможность непосредственного нанесения покрытия на конструктивный элемент турбомашины, в частности имеющих форму тела вращения, снижение прочности армирующих волокон при многократном непосредственном воздействии на них источников плазменного напыления, сложность технологии из-за необходимости использования прессов, вакуум камер, печей для термообработки и выдержки изделия.The disadvantage of the application technology is the insufficient density of the composite obtained on the hardened part, the use of intermediate blanks, and therefore the impossibility of directly coating the structural element of the turbomachine, in particular having the form of a body of revolution, a decrease in the strength of reinforcing fibers with repeated direct exposure to plasma spraying sources, complexity technology due to the need to use presses, vacuum chambers, furnaces for heat treatment and aging of the product.
Для реализации способа упрочнения элементов турбомашины, имеющих форму тела вращения металломатричным композитом, необходимо разработка установки объединяющей функции указанных выше агрегатов.To implement the method of hardening elements of a turbomachine, having the shape of a body of revolution by a metal matrix composite, it is necessary to develop an installation that combines the functions of the above units.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является, раскрытая в описании к патенту, установка для упрочнения элемента турбомашины металломатричным композитом, содержащая емкость для подготовки матричного расплава с питающим желобом, два валка кристаллизатора взаимодействующие друг с другом, соединенные с механизмом вращения и, по меньшей мере, с одним из валков оснащенных системой охлаждения, две торцевые стенки, установленные по торцам валков и образующие приемную емкость, сообщенную с емкостью для подготовки матричного расплава, установленное на желобе средство регулирующее поступление расплава в приемную емкость, устройство вторичного охлаждения, узел ввода армирующих волокон в валки, защитный кожух для создания защитной атмосферы, соединенный со средством подачи защитного газа и источники тепловой энергии установка для упрочнения элементов турбомашины металломатричным композитом, содержащая емкость для подготовки матричного расплава с питающим желобом, два валка кристаллизатора взаимодействующие друг с другом, соединенные с механизмом вращения, а, по меньшей мере, один из валков с системой охлаждения, две торцевые стенки, установленные по торцам валков и образующие приемную емкость, сообщенную с емкостью для подготовки матричного расплава, установленное на желобе средство регулирующее поступление расплава в приемную емкость, устройство вторичного охлаждения, узел ввода армирующих волокон в валки, защитный кожух для создания защитной атмосферы, соединенный со средством подачи защитного газа и источники тепловой энергии.The closest in technical essence and the achieved result is the installation for hardening a turbomachine element with a metal matrix composite, disclosed in the description of the patent, containing a container for preparing a matrix melt with a feed chute, two mold rolls interacting with each other, connected to a rotation mechanism and, at least at least with one of the rolls equipped with a cooling system, two end walls installed at the ends of the rolls and forming a receiving tank in communication with the tank for preparing the matrix melt, means installed on the trough for regulating the flow of the melt into the receiving tank, secondary cooling device, reinforcing fiber input unit into the rolls, a protective casing for creating a protective atmosphere, connected to a means of supplying a protective gas and sources of thermal energy, a plant for hardening the elements of a turbomachine with a metal-matrix composite, containing a container for preparing a matrix melt with a feed chute, two the mold roll interacting with each other, connected to the rotation mechanism, and at least one of the rolls with a cooling system, two end walls installed at the ends of the rolls and forming a receiving tank, connected to the tank for preparing the matrix melt, means installed on the gutter regulating the flow of the melt into the receiving tank, the secondary cooling device, the input unit of the reinforcing fibers in the rolls, a protective casing for creating a protective atmosphere, connected to a means of supplying a protective gas and sources of thermal energy.
/RU 2438828 МПК В 22D 11/06 Опубликовано: 10.01.2012 г./ /2// RU 2438828 IPC В 22D 11/06 Published: January 10, 2012 / / 2 /
Недостатком установки является то, что кристаллизация жидкого сплава происходит на очень коротком участке его контакта с водоохлаждаемыми валками и для того чтобы интерметаллид успел затвердеть, процесс ведут с низкой скоростью. Отсутствие возможности увеличения скорости делает производительность процесса низкой, при этом также не исключается создание и использование промежуточных заготовок, а следовательно, исключается возможность одновременного непосредственного нанесения покрытия на конструктивные элементы турбомашины.The disadvantage of the installation is that the crystallization of the liquid alloy occurs in a very short area of its contact with water-cooled rolls and in order for the intermetallic compound to solidify, the process is conducted at a low speed. The inability to increase the speed makes the process productivity low, while the creation and use of intermediate blanks is not excluded, and therefore the possibility of simultaneous direct coating of the structural elements of a turbomachine is excluded.
Технической задачей изобретения является создание способа получения высокопрочного и высокомодульного металломатричного композита на основе матрицы из интерметаллидов титана, упрочненной волокном карбида кремния, а также изделий из этого материала, например: упрочнения элементов ротора турбомашины авиационного двигателя, с заданным регулярным распределением армирующих волокон, одновременного повышения жесткости, т.е. модуля упругости, прочности, жаростойкости материалов при высокой окислительной стойкости.An object of the invention is to provide a method for producing a high-strength and high-modulus metal matrix composite based on a matrix of titanium intermetallic compounds reinforced with silicon carbide fiber, as well as products from this material, for example: hardening the rotor elements of an aircraft engine turbomachine, with a given regular distribution of reinforcing fibers, while simultaneously increasing rigidity , i.e. modulus of elasticity, strength, heat resistance of materials with high oxidative stability.
Другой технической задачей изобретения является создание установки, исключающей промежуточные операции и обеспечивающей условия для одновременного непосредственного нанесения покрытия на конструктивные элементы турбомашины, имеющие форму тела вращения, увеличение скорости формирования металломатричного композита, увеличение производительности машины бесслитковой прокатки металломатричного композита и, следовательно, повышение годовой производительности, а также сокращение капитальных затрат и затрат на обслуживание.Another technical objective of the invention is to create a installation that eliminates intermediate operations and provides the conditions for the simultaneous direct coating of structural elements of a turbomachine having the shape of a body of revolution, an increase in the rate of formation of a metal matrix composite, an increase in the productivity of a machine for rolling metalless composite, and therefore, an increase in annual productivity, as well as reduced capital and maintenance costs.
Для решения этой задачи предложен способ упрочнения элемента турбомашины металломатричным композитом на основе интерметаллида титана, включающий послойное наматывание не оксидного керамического армирующего волокна на основе карбида кремния на конструктивный элемент с образованием ленты, расплавление порошковой смеси для получения матричного расплава на основе интерметаллида титана требуемого состава с температурой плавления ниже температуры плавления армирующего волокна, нанесение на ленту плакирующего слоя из сплава, пропитку каждого нанесенного слоя матричным расплавом, кристаллизацию расплава и сплавление армирующих волокон под давлением и образование металломатричного композита, по предложению, нанесение плакирующего слоя и пропитку его матричным расплавом производят перед наматыванием волокон на конструктивный элемент, нанесение плакирующего слоя матричного расплава и пропитку производят пропусканием через матричный расплав армирующих волокон в виде ленты при расстоянии между волокнами в ней равном 1…3 диаметрам волокна с поверхностной плотностью 40…180 г/м2, при этом ленту наматывают на конструктивный элемент в виде тела вращения, в качестве которого используют элемент ротора турбомашины в виде одного из валков валкового кристаллизатора, а кристаллизацию расплава и сплавление армирующих волокон производят в защитной атмосфере под давлением второго охлаждающего валка валкового кристаллизатора. В качестве матричного расплава используют расплав интерметалида типа Ti5Si3C+R; где R- сумма легирующих добавок, при этом в качестве легирующих добавок для сплавов титана могут использоваться α-стабилизаторы из группы Al, Са, Mg, В, Ва и N и β- стабилизаторы из группы Cr, Fe, Mn, Mo, V, Nb, Та, Zi. В качестве армирующих волокон могут использоваться - карбид-кремниевые, карбид - кремниевые - нитридные керамические волокна, а в качестве элементов ротора, диски или барабаны или валы.To solve this problem, a method for hardening a turbomachine element with a metal matrix composite based on titanium intermetallide is proposed, including layer-by-layer winding of a non-oxide ceramic reinforcing fiber based on silicon carbide on a structural element with the formation of a tape, melting of the powder mixture to obtain a matrix melt based on titanium intermetallide of the required composition with temperature melting below the melting temperature of the reinforcing fiber, applying a clad layer of the alloy to the tape, impregnating each applied layer with a matrix melt, crystallizing the melt and melting the reinforcing fibers under pressure and forming a metal matrix, upon proposal, applying the clad layer and impregnating it with a matrix melt is carried out before winding the fibers on a structural element, applying a cladding layer of the matrix melt and impregnation is carried out by passing through the matrix melt reinforcing fibers in the form of a tape at a distance between knami in it equal to 1 ... 3 diameters of the fiber with a surface density of 40 ... 180 g / m 2 , while the tape is wound on a structural element in the form of a body of revolution, which is used as an element of a turbomachine rotor in the form of one of the rolls of a roll crystallizer, and melt crystallization and fusion of the reinforcing fibers is carried out in a protective atmosphere under the pressure of a second cooling roll of the roll mold. As a matrix melt, an intermetalide melt of the type Ti 5 Si 3 C + R is used; where R is the sum of alloying additives, while α-stabilizers from the group Al, Ca, Mg, B, Ba and N and β-stabilizers from the group Cr, Fe, Mn, Mo, V can be used as alloying additives for titanium alloys, Nb, Ta, Zi. - Silicon carbide, silicon carbide - silicon - nitride ceramic fibers can be used as reinforcing fibers, and disks or drums or shafts as rotor elements.
Для осуществления способа в известной установке для упрочнения элемента турбомашины металломатричным композитом, содержащей емкость для подготовки матричного расплава с питающим желобом, два валка кристаллизатора взаимодействующие друг с другом, соединенные с механизмом вращения и, по меньшей мере, с одним из валков оснащенных системой охлаждения, две торцевые стенки, установленные по торцам валков и образующие приемную емкость, сообщенную с емкостью для подготовки матричного расплава, установленное на желобе средство регулирующее поступление расплава в приемную емкость, устройство вторичного охлаждения, узел ввода армирующих волокон в валки, защитный кожух для создания защитной атмосферы, соединенный со средством подачи защитного газа и источники тепловой энергии, по предложению, она снабжена средством, препятствующим кристаллизации матричного расплава на охлаждаемом валке кристаллизатора, в качестве другого валка кристаллизатор содержит элемент ротора в виде тела вращения, а устройство вторичного охлаждения выполнено с возможностью дополнительного охлаждения и обжатия металломатричного композита на поверхности валка элемента ротора турбомашины, при этом она содержит, по меньшей мере, два источника тепловой энергии один из которых установлен над емкостью для подготовки матричного расплава, а другой над приемной емкостью. Установка в качестве источника тепловой энергии содержит электромагнитные излучатели и/или плазмотроны и/или лазеры, при этом емкость для подготовки матричного расплава с питающим желобом может быть сообщена с приемной емкостью со стороны ее торцевой стенки, а в качестве средства препятствующего кристаллизации матричного расплава на охлаждаемом валке кристаллизатора она содержит механические или вибрационные устройства, различные типы излучателей или импульсные газодинамические устройства.To implement the method in a known installation for hardening an element of a turbomachine with a metal matrix composite containing a container for preparing a matrix melt with a feed chute, two mold rolls interacting with each other, connected to a rotation mechanism and at least one of the rolls equipped with a cooling system, two end walls installed at the ends of the rolls and forming a receiving tank in communication with the capacity for preparing the matrix melt, a means installed on the trough for regulating the flow of melt into the receiving tank, a secondary cooling device, a node for introducing reinforcing fibers into the rolls, a protective casing for creating a protective atmosphere, connected with a means of supplying protective gas and sources of thermal energy, on the proposal, it is equipped with a means that prevents crystallization of the matrix melt on the cooled roll of the mold, as another roll, the mold contains a rotor element in the form of a body of revolution, and in secondary cooling, it is possible to further cool and crimp the metal matrix composite on the roll surface of the turbine engine rotor element, while it contains at least two sources of thermal energy, one of which is installed above the tank for preparing the matrix melt, and the other above the receiving tank. The installation as a source of thermal energy contains electromagnetic emitters and / or plasmatrons and / or lasers, while the tank for preparing the matrix melt with a feed trough can be communicated with the receiving tank from the side of its end wall, and as a means of preventing crystallization of the matrix melt on the cooled crystallizer roll it contains mechanical or vibration devices, various types of emitters or pulsed gas-dynamic devices.
Предложенный способ позволяет одновременно производить операции подготовки полосы из армирующих волокон, осуществлять нанесения полосы на элементы ротора турбомашины в виде тела вращения и формировать на нем металломатричный композит.The proposed method allows simultaneous operations to prepare strips of reinforcing fibers, apply strips to the elements of the rotor of a turbomachine in the form of a body of revolution and form a metal matrix composite on it.
Операции подготовки полосы из армирующих волокон в предложенном способе, предусматривают нанесение на ленту плакирующего слоя из сплава при пропускании волокон через слой равномерно распределенного однородного матричного расплава, что повышает плотность нанесенного на ленту плакирующего слоя, а также повышает прочность армирующих волокон, за счет исключения многократного непосредственного воздействия на них источников плазменного напыления.The operations of preparing a strip of reinforcing fibers in the proposed method include applying a cladding layer of alloy to the tape while passing the fibers through a layer of uniformly distributed homogeneous matrix melt, which increases the density of the cladding layer deposited on the tape, and also increases the strength of the reinforcing fibers, by eliminating multiple direct exposure to plasma spray sources.
Равномерно распределенный однородный матричный расплав может быть получен как в ванне валкового кристаллизатора, так и в отдельной плавильной камере. Наилучшие результаты достигаются при подготовке расплава в отдельной плавильной камере. Количество расплавляемого порошка в плавильной камере должно непрерывно обеспечивать уровень матричного расплава в ванне валкового кристаллизатора. В качестве защитной газовой атмосферы может использоваться нейтральная аргон Аr, или инертная азот N2. Защитная азотная атмосфера предпочтительно используется при необходимости дополнительного азотирования матричного расплава.A uniformly distributed homogeneous matrix melt can be obtained both in the bath of the roll crystallizer and in a separate melting chamber. The best results are achieved when preparing the melt in a separate melting chamber. The amount of molten powder in the melting chamber must continuously provide the level of matrix melt in the bath of the roll crystallizer. Neutral argon Ar, or inert nitrogen N 2, can be used as a protective gas atmosphere. A protective nitrogen atmosphere is preferably used when additional nitriding of the matrix melt is necessary.
По предложению наматывание нити на элемент ротора в виде тела вращения (диск или барабан или вал) осуществляют в валковом кристаллизаторе, в котором одним из валков является указанный элемент, а другой валок является интенсивно охлаждаемым. Керамическую нить в виде полосы с катушки или кассеты (не показано) через расплав в приемной емкости кристаллизатора подают в зону прижатия валков. Путем вращения валков относительно их продольных осей в направлении подачи полосы обеспечивают перемещение (наматывание) полосы нити на элемент ротора в виде тела вращения без проскальзывания. Такой прием наматывания нити позволяет упростить устройства, требуемые для обеспечения процесса, и создать нормированные усилия натяжения нити. При большой протяженности элемента ротора керамическое покрытие наносят последовательно или сразу несколькими группами устройств.At the suggestion, the winding of the thread on the rotor element in the form of a body of revolution (disk or drum or shaft) is carried out in a roll mold, in which one of the rolls is said element and the other roll is intensively cooled. A ceramic thread in the form of a strip from a reel or cartridge (not shown) is fed through the melt in the receiving container of the mold into the roll compression zone. By rotating the rolls relative to their longitudinal axes in the feed direction of the strip, the strip of thread is moved (wound) onto the rotor element in the form of a body of revolution without slipping. This technique of winding the thread allows you to simplify the device required to ensure the process, and to create a normalized efforts of the tension of the thread. With a large length of the rotor element, a ceramic coating is applied sequentially or simultaneously by several groups of devices.
В зоне прижатия валков кристаллизатора матричный расплав и полосу армирующих волокон сплавляют с образованием слоя металломатричного композита на поверхности элемента ротора в виде тела вращения (барабана). Излишний матричный расплав выдавливается валками в ванну кристаллизатора. После прохождения зоны прижатия валков кристаллизатора металломатричный композит на поверхности элемента ротора дополнительно обжимается и охлаждается в зоне вторичного охлаждения, что способствует лучшему уплотнению композита на поверхности элемента ротора. После завершения полного оборота перед началом погружения в ванну валкового кристаллизатора, образованного на барабане слоя металломатричного композита для формирования следующего слоя, целесообразно непрерывно нагревать плакированный слой на поверхности металломатричного композита до температуры близкой к температуре его плавления. Это позволит уменьшить возможную пористость композита и повысить его плотность, а также это будет способствовать прижатию слоев армирующих волокон в композите на барабане.In the pressure zone of the mold rolls, the matrix melt and the strip of reinforcing fibers are fused to form a layer of a metal matrix composite on the surface of the rotor element in the form of a body of revolution (drum). Excess matrix melt is squeezed out by rolls into the mold bath. After passing through the pressing zone of the mold rolls, the metal matrix composite on the surface of the rotor element is additionally crimped and cooled in the secondary cooling zone, which contributes to better compaction of the composite on the surface of the rotor element. After completing a full turn before immersion in the bath of the roll mold formed on the drum of the metal matrix composite layer to form the next layer, it is advisable to continuously heat the clad layer on the surface of the metal matrix composite to a temperature close to its melting temperature. This will reduce the possible porosity of the composite and increase its density, and it will also contribute to the pressing of the layers of reinforcing fibers in the composite on the drum.
Керамические нити в полосе должны быть расположены на расстоянии между нитями, равном 1…3 диаметрам нити с поверхностной плотностью 40…180 г/м2. При расстоянии между нитями больше трех ее диаметров и поверхностной плотности менее 40 г/м2 образуемое покрытие не будет обладать достаточными механическими свойствами, а при расстоянии между нитями меньше единицы ее диаметров и поверхностной плотности более 180 г/м2 образуемое покрытие будет обладать значительной пористостью из-за сложности проникновения расплава между нитями, вследствие чего возникновение неоднородной структуры при кристаллизации.Ceramic threads in the strip should be located at a distance between the threads equal to 1 ... 3 diameters of the thread with a surface density of 40 ... 180 g / m 2 . With a distance between the filaments of more than three diameters and a surface density of less than 40 g / m 2, the resulting coating will not have sufficient mechanical properties, and with a distance between the filaments of less than a unit of its diameters and surface density of more than 180 g / m 2, the formed coating will have significant porosity due to the complexity of the penetration of the melt between the filaments, resulting in the appearance of an inhomogeneous structure during crystallization.
Свойства титана наличие широких областей твердых растворов и растворимости в зависимости от температуры в титане различных легирующих элементов создают возможности для разработки сплавов с необходимыми свойствами для различных практических нужд.Titanium properties The presence of wide areas of solid solutions and solubility depending on the temperature in titanium of various alloying elements create opportunities for the development of alloys with the necessary properties for various practical needs.
В предлагаемом решении в качестве матричного расплава предпочтительно используют расплав интерметалида типа Ti5Si3C+R; где R- сумма легирующих добавок. В качестве легирующих добавок для этих сплавов титана используются α-стабилизаторы из группы Аl, Са, Mg,B, Ва и N и β- стабилизаторы из группы Cr, Fe, Mn, Mo, V, Nb, Та, Zi.In the proposed solution, as the matrix melt, an intermetalide melt of the type Ti 5 Si 3 C + R is preferably used; where R is the sum of alloying additives. As alloying additives for these titanium alloys, α-stabilizers from the group Al, Ca, Mg, B, Ba and N and β-stabilizers from the group Cr, Fe, Mn, Mo, V, Nb, Ta, Zi are used.
На рисунке приведена схема установки для реализации способа.The figure shows the installation diagram for implementing the method.
Установка содержит защитную камеру 1 с патрубком подвода газа, расположенную внутри камеры двухвалковую машину с кристаллизатором из охлаждаемого валка 2 и элемента 3 ротора турбомашины в виде тела вращения в качесиве валка, валок 2 и элемент 3 соединены с механизмом вращения, а валок 2 с системой охлаждения, плавильную емкость 4, для подготовки матричного расплава, с питающим желобом, две торцевые стенки, установленные по торцам валков и образующие приемную емкость (на рисунке не показана), устройство 5 регулирующее поступление расплава в приемную емкость, два источника 6 тепловой энергии (электронно - лучевые пушки и/или плазмотроны и/или лазеры), установленные над плавильной емкостью 4 и приемной емкостью, узел подачи армирующих волокон в валки (трайб - аппарат не показан) в виде нитей или полосы 7. Установка оборудована устройством 8, препятствующим кристаллизации матричного расплава на охлаждаемом валке (механический скребок), установленным с возможностью взаимодействия с валком 2 и многовалковым устройством 9 вторичного охлаждения расположенными на выходе из валкового кристаллизатора. «Механический скребок» 8 способствует очистке валка 2 от кристаллизующегося матричного расплава, а валковое устройство 9 вторичного охлаждения обеспечивает дополнительное охлаждение и обжатие металломатричного композита 10 на поверхности валка 3 элемента ротора турбомашины в виде тела вращения.The installation comprises a
Установка работает следующим образом.Installation works as follows.
Армирующие волокна 7, отдельно друг от друга нитями или в виде полосы с помощью трайб - аппарата ориентируют в направлении места взаимодействия охлаждаемого валка 2 и элемента 3 ротора. Волокна 7 закрепляют на элементе 3 ротора, обеспечивая необходимое натяжение. В камеру 1 подают защитный газ (аргон). После чего в плавильную емкость 4 подают расчетную смесь порошков для получения требуемого состава интерметаллида и производят расплавление смеси с помощью источника 6 тепловой энергии. Устройство 5 закрыто и препятствует перетеканию образующегося расплава в приемную емкость. После накопления необходимой порции, расплав в плавильной емкости 4 перегревают на 100…150°С выше температуры плавления получаемого интерметаллида. Устройство 5 открывают, обеспечивая поступление расплава в приемную емкость и поддержание необходимого уровня расплава в ней.Reinforcing
Одновременно начинают обжатие материала и вращение валков машины с нормированной скоростью в направлении поступления волокон. Расплав в ванне приемной емкости дополнительно подогревают с помощью источника 6, обеспечивая распределение и стабилизацию отходящих тепловых потоков от ванны к валкам, для создания условий работы устройства 8, препятствующего кристаллизации матричного расплава и многовалкового устройства 9 вторичного охлаждения, в процессе формирования слоев металломатричного композита, на элементе 3 ротора. В необходимых случаях элемент 3 ротора дополнительно охлаждают.At the same time, the compression of the material and the rotation of the rolls of the machine with a normalized speed in the direction of fiber flow begin. The melt in the bath of the receiving tank is additionally heated using a
Пример осуществления способа.An example implementation of the method.
После установки, закрепления на элементе ротора двухвалковой машины и натяжения полосы армирующих волокон с поверхностной плотностью 100 г/м, в качестве которых использовали волокна карбида кремния диаметром 140 мкм со средней прочностью 3800 МПа (от 3500 до 4100 МПа), модулем упругости 420 ГПа и температурой плавления Тпл=2730°С в камеру подавали аргон и создавали защитную атмосферу. Расплавляли расчетную порошковую смесь в плавильной емкости для получения матричного расплава интерметаллида Ti5Si3C содержащего (71,4% Ti; 25% Si; 3,6% С) с температурой плавления Тпл=1840°С. Расплав в плавильной емкости нагревали до температуры Т=1990°С и подавали в приемную емкость, поддерживая необходимый уровень расплава в ней. Одновременно вращали валки двухвалковой машины, поддерживая скорость элемента ротора турбомашины используемого в качестве валка на уровне 1,5…1,75 об/мин.After installation, fastening on a rotor element of a two-roll machine and tensioning a strip of reinforcing fibers with a surface density of 100 g / m, silicon carbide fibers with a diameter of 140 μm with an average strength of 3800 MPa (from 3500 to 4100 MPa), an elastic modulus of 420 GPa and the melting temperature T PL = 2730 ° C, argon was introduced into the chamber and a protective atmosphere was created. The calculated powder mixture was melted in a melting tank to obtain a matrix melt of the Ti 5 Si 3 C intermetallic compound containing (71.4% Ti; 25% Si; 3.6% C) with a melting point Tm = 1840 ° C. The melt in the melting tank was heated to a temperature of T = 1990 ° C and fed into the receiving tank, maintaining the necessary level of the melt in it. At the same time, the rolls of the two-roll machine were rotated, maintaining the speed of the rotor element of the turbomachine used as a roll at the level of 1.5 ... 1.75 rpm.
После прохождения через расплав в приемной ванне армирующие волокна и поступающий из ванны расплав в результате контакта с охлаждаемым валком и элементом ротора турбомашины кристаллизовали под давлением создаваемым валками и формировали металломатричный композит на поверхности элемента ротора турбомашины, при этом излишний жидкий расплав выдавливали обратно в ванну. После завершения полного оборота перед погружением в ванну поверхностный слой композита подогревали до температуры близкой к температуре плавления сплава. Формирование композитного слоя на элементе ротора продолжали до достижения толщины покрытия 7…12 мм.After passing through the melt in the receiving bath, the reinforcing fibers and the melt coming from the bath as a result of contact with the cooled roll and the rotor element of the turbomachine were crystallized under pressure by the rolls and a metal matrix composite was formed on the surface of the rotor element of the turbomachine, while the excess liquid melt was squeezed back into the bath. After completion of the full turn before immersion in the bath, the surface layer of the composite was heated to a temperature close to the melting point of the alloy. The formation of the composite layer on the rotor element was continued until the coating thickness reached 7 ... 12 mm.
Для проверки свойств, сформированного композитного слоя подготовили образцы для испытаний.To test the properties of the formed composite layer, samples were prepared for testing.
Для сравнения свойств изготовили композит по технологии прототипа из одинаковых сплавов и подготовили образцы для испытаний.To compare the properties, a composite was made using the technology of the prototype from the same alloys and samples were prepared for testing.
Приведенный вариант реализации способа упрочнения элементов турбомашины металломатричным композитом с использованием нтерметаллида Ti5Si3C, а также интерметаллида Ti5Si3C легированногоThe given embodiment of the method for hardening elements of a turbomachine by a metal matrix composite using a Ti 5 Si 3 C intermetallic compound and a Ti 5 Si 3 C doped intermetallic compound
Аl-вым стабилизатором не является единственным и исчерпывающим. В рамках предложения, для реализации способа могут быть использованы и другие варианты интерметаллидов титана легированных (α, β) стабилизаторами.Al-stabilizer is not the only and comprehensive. As part of the proposal, other variants of titanium intermetallic compounds doped with (α, β) stabilizers can be used to implement the method.
Результаты испытаний в лабораторных условиях, проведенные на образцах, изготовленных по предлагаемому способу, на предложенной установке и свойства металломатричного композита на образцах полученных способом-прототипом, приведены в таблице.The test results in laboratory conditions, conducted on samples manufactured by the proposed method, on the proposed installation and the properties of the metal matrix composite on samples obtained by the prototype method are shown in the table.
Анализ результатов показал, что предложенный способ, реализованный на предложенной установке, позволил получить композит, в котором в одном миллиметре его толщины сплавлено 8-10 волокон, в отличие от прототипа- 4-5 волокон. Композит полученный предложенным способом имеет предел прочности на 10-12%, а модуль упругости на 14-16% больше чем материал полученный известным способом, при этом удельное увеличение массы композита полученного предложенным способом на воздухе при выдержке свыше 10 час при Т=1200°С на 43% ниже чем у материала полученного известным способом.An analysis of the results showed that the proposed method, implemented on the proposed installation, made it possible to obtain a composite in which 8-10 fibers were fused in one millimeter of its thickness, in contrast to the prototype 4-5 fibers. The composite obtained by the proposed method has a tensile strength of 10-12%, and the elastic modulus is 14-16% more than the material obtained in a known manner, with a specific increase in the mass of the composite obtained by the proposed method in air at an exposure time of over 10 hours at T = 1200 ° C 43% lower than that of the material obtained in a known manner.
Предложенная установка позволяет исключить промежуточные операции и обеспечить условия для одновременного непосредственного нанесения покрытия на конструктивные элементы турбомашины, имеющие форму тела вращения. Использование двухвалковой машины позволяет увеличить скорость формирования металломатричного композита, увеличить производительность производства в 2÷3 раза и одновременно повысить жесткость, т.е. модуль упругости, прочность и, жаростойкость материалов при высокой окислительной стойкости.The proposed installation allows you to exclude intermediate operations and provide conditions for the simultaneous direct coating of structural elements of a turbomachine, having the shape of a body of revolution. The use of a two-roll machine allows one to increase the rate of formation of a metal matrix composite, increase production productivity by 2–3 times, and simultaneously increase rigidity, i.e. modulus of elasticity, strength, and heat resistance of materials with high oxidative stability.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019110107A RU2724226C1 (en) | 2019-04-05 | 2019-04-05 | Method of reinforcing elements of turbomachine with metal matrix composite and installation for implementation thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019110107A RU2724226C1 (en) | 2019-04-05 | 2019-04-05 | Method of reinforcing elements of turbomachine with metal matrix composite and installation for implementation thereof |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2724226C1 true RU2724226C1 (en) | 2020-06-22 |
Family
ID=71135911
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019110107A RU2724226C1 (en) | 2019-04-05 | 2019-04-05 | Method of reinforcing elements of turbomachine with metal matrix composite and installation for implementation thereof |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2724226C1 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5425494A (en) * | 1990-06-07 | 1995-06-20 | Alliedsignal Inc. | Method for forming infiltrated fiber-reinforced metallic and intermetallic alloy matrix composites |
| RU2215816C2 (en) * | 2001-12-26 | 2003-11-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" | Method of production of composite material on base of inter-metallic titanium compound and article produced by this method |
| JP2005074491A (en) * | 2003-09-02 | 2005-03-24 | Honda Motor Co Ltd | Manufacturing method and apparatus of fiber reinforced composite material |
| RU2438828C2 (en) * | 2010-04-08 | 2012-01-10 | Открытое акционерное общество Акционерная холдинговая компания "Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт металлургического машиностроения имени академика Целикова" (ОАО АХК "ВНИИМЕТМАШ") | Method of producing composite metal strip |
| RU2596894C1 (en) * | 2015-06-02 | 2016-09-10 | Открытое акционерное общество "Уфимское моторостроительное производственное объединение" ОАО "УМПО" | Drum of turbine machine rotor |
| RU2596895C1 (en) * | 2015-06-02 | 2016-09-10 | Открытое акционерное общество "Уфимское моторостроительное производственное объединение" ОАО "УМПО" | Drum of turbine machine rotor |
-
2019
- 2019-04-05 RU RU2019110107A patent/RU2724226C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5425494A (en) * | 1990-06-07 | 1995-06-20 | Alliedsignal Inc. | Method for forming infiltrated fiber-reinforced metallic and intermetallic alloy matrix composites |
| RU2215816C2 (en) * | 2001-12-26 | 2003-11-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" | Method of production of composite material on base of inter-metallic titanium compound and article produced by this method |
| JP2005074491A (en) * | 2003-09-02 | 2005-03-24 | Honda Motor Co Ltd | Manufacturing method and apparatus of fiber reinforced composite material |
| RU2438828C2 (en) * | 2010-04-08 | 2012-01-10 | Открытое акционерное общество Акционерная холдинговая компания "Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт металлургического машиностроения имени академика Целикова" (ОАО АХК "ВНИИМЕТМАШ") | Method of producing composite metal strip |
| RU2596894C1 (en) * | 2015-06-02 | 2016-09-10 | Открытое акционерное общество "Уфимское моторостроительное производственное объединение" ОАО "УМПО" | Drum of turbine machine rotor |
| RU2596895C1 (en) * | 2015-06-02 | 2016-09-10 | Открытое акционерное общество "Уфимское моторостроительное производственное объединение" ОАО "УМПО" | Drum of turbine machine rotor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN1980759B (en) | Magnesium alloy material and its manufacture method, magnesium alloy product and method for producing magnesium alloy product | |
| US5952056A (en) | Metal forming process | |
| CN105290352B (en) | The continuous cast-rolling method of netted reinforcing inlay composite material is manufactured using solid-liquid casting and rolling installation | |
| Blucher et al. | Continuous manufacturing of fiber-reinforced metal matrix composite wires—technology and product characteristics | |
| US7687114B2 (en) | Method for metallic coating of fibres by liquid technique | |
| US3827129A (en) | Methods of producing a metal and carbon fibre composite | |
| US8166910B2 (en) | Process and device for coating fibers with a metal by a liquid method | |
| RU2724226C1 (en) | Method of reinforcing elements of turbomachine with metal matrix composite and installation for implementation thereof | |
| Yang et al. | Process parameters and formation mechanism of SiCf/Ti6Al4V composites manufactured by a hybrid additive manufacturing method | |
| US5897922A (en) | Method to manufacture reinforced axi-symmetric metal matrix composite shapes | |
| US4717589A (en) | Method for manufacturing a silicon carbide fiber reinforced glass composite | |
| JPH0257135B2 (en) | ||
| Yu et al. | A functionally gradient coating on carbon fibre for C/Al composites | |
| EP0938592A2 (en) | Metal matrix composite tape | |
| WO1992014860A1 (en) | Matrix-coated reinforcement for production of metal matrix composites | |
| EP0894153B1 (en) | Apparatus for matrix coating fibres with metal vapour | |
| CN111842827B (en) | Method for controlling center segregation of casting blank | |
| EP0304167A2 (en) | Production of fibre reinforced metal sections | |
| RU2438828C2 (en) | Method of producing composite metal strip | |
| RU2215816C2 (en) | Method of production of composite material on base of inter-metallic titanium compound and article produced by this method | |
| GB2255351A (en) | Method and apparatus for forming fibre reinforced metal material using molten metal under pressure | |
| JPS63104671A (en) | Metal coating nozzle | |
| WO2015014401A1 (en) | Method and system for producing and using wires including a core and multi-elemental coating | |
| Kalita et al. | Carbide-Based Cermet Plasma Coatings TiC–Cr3C2–WC | |
| RU2037549C1 (en) | Compound material semi-finished product production method |