RU2769339C1 - Способ регулирования внутренних напряжений в дисковых заготовках из жаропрочного сплава посредством предварительного вращения - Google Patents

Способ регулирования внутренних напряжений в дисковых заготовках из жаропрочного сплава посредством предварительного вращения Download PDF

Info

Publication number
RU2769339C1
RU2769339C1 RU2021121344A RU2021121344A RU2769339C1 RU 2769339 C1 RU2769339 C1 RU 2769339C1 RU 2021121344 A RU2021121344 A RU 2021121344A RU 2021121344 A RU2021121344 A RU 2021121344A RU 2769339 C1 RU2769339 C1 RU 2769339C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
forgings
rotation
disk
deformation
revolutions
Prior art date
Application number
RU2021121344A
Other languages
English (en)
Inventor
Бэйцзян ЧЗАН
Вэньюнь ЧЗАН
Чэнган ТЯНЬ
Эйхуа ХУАН
Годун ЧЗАН
Хайцзюнь СЮАНЬ
Чуаньюн ЧЭНЬ
Шуо ХУАН
Хэюн ЦИНЬ
Цян ТЯНЬ
Жань ДУАНЬ
Original Assignee
Гаона Аэро Материал Ко., Лтд.
Аэцц Коммерциал Эакрафт Энджин Ко., Лтд.
Чжэцзян Хиро Авиэйшн Текнолоджи Ко., Лтд.
Сэнтрал Айрон И Стилл Ресеч Институт
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 Гаона Аэро Материал Ко., Лтд., Аэцц Коммерциал Эакрафт Энджин Ко., Лтд., Чжэцзян Хиро Авиэйшн Текнолоджи Ко., Лтд., Сэнтрал Айрон И Стилл Ресеч Институт filed Critical Гаона Аэро Материал Ко., Лтд.
Application granted granted Critical
Publication of RU2769339C1 publication Critical patent/RU2769339C1/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
    • B23P25/00—Auxiliary treatment of workpieces, before or during machining operations, to facilitate the action of the tool or the attainment of a desired final condition of the work, e.g. relief of internal stress
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B21/00—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
    • G01B21/32—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring the deformation in a solid
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0047—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes measuring forces due to residual stresses
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/20—Recycling

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Forging (AREA)
  • Shaping Metal By Deep-Drawing, Or The Like (AREA)

Abstract

Изобретение относится к регулированию внутренних напряжений в дисковых поковках из жаропрочных сплавов путем предварительного вращения. Выполняют определение целевого числа оборотов для регулирования внутренних напряжений в дисковых поковках и определение целевой величины пластической деформации, необходимой для регулирования внутренних напряжений, путем предварительного вращения дисковых поковок. Выполняют предварительное вращение дисковых поковок согласно целевому числу оборотов, контроль величины деформации дисковых поковок и прекращение предварительного вращения при достижении контролируемой величиной деформации дисковых поковок целевой величины. Выполняют построение диаграммы распределения внутренних напряжений дисковых поковок после предварительного вращения. В результате обеспечивается создание микропластической деформации дисковых поковок под действием центробежной силы при вращении. 7 з.п. ф-лы, 10 ил., 2 пр.

Description

Область техники
[0001] Настоящая заявка относится к области материалов, в частности, к способу регулирования внутренних напряжений в дисковых заготовках (поковках) из жаропрочных сплавов путем предварительного вращения.
Предшествующий уровень техники
[0002] Нагревающиеся вращающиеся детали авиадвигателей в основном изготавливаются из жаропрочных сплавов, включая диски турбин высокого и низкого давления, диски компрессоров, диски со средним уплотнением и т.д. Для получения заданных механических свойств на этих дисковых заготовках из жаропрочных сплавов необходимо провести организационное регулирование на поковках с помощью системы термической обработки высокой точности. В процессе термической обработки при достижении требуемых механических свойств в дисковой заготовке неизбежно возникает определенное внутреннее напряжение. Напряжение в результате термической обработки на поковках может быть постепенно снято в ходе последующих процедур механической обработки деталей, поверхностной обработки и эксплуатации.
[0003] Чрезмерный уровень внутренних напряжений может привести к относительно высокой деформации дисковой заготовки при механической обработке, что затрудняет достижение заранее заданного точного размера детали. В то же время чрезмерное и неправильно распределенное внутреннее напряжение приведет к ухудшению стабильности размеров элементов и деталей в процессе обслуживания, что повлияет на эффективность работы двигателя или даже приведет к его выходу из строя. Поэтому эффективное регулирование внутренних напряжений при термической обработке поковки является необходимым условием и основой для обеспечения стабильности размеров дисков ротора в процессе обработки и эксплуатации.
Сущность изобретения
[0004] В настоящей заявке предлагается способ выполнения высокоскоростного вращения дисковых поковок, а именно получение заданной микропластической деформации дисковых поковок с использованием центробежной силы для эффективного регулирования и контроля уровня распределения напряжения в дисковых поковках, при допущении отсутствия влияния на последующую механическую обработку и эксплуатационные характеристики дисковых поковок. Согласно способу, избыточное внутреннее напряжение, возникшее в процессе термической обработки, может быть полностью снято, чтобы избежать возникновения опасной деформации дисковых поковок при последующей механической обработке деталей. Более того, распределение внутренних напряжений может регулироваться и оптимизироваться в зависимости от условий эксплуатации дисковых поковок, чтобы обеспечить отсутствие в них опасной деформации при состоянии повышения до 115% или 120% напряжения во время процедуры испытания на избыточное вращение детали, но при этом обеспечить долгосрочную стабильность размеров при эксплуатации. Способ предусматривает операцию вращения, выполняемую на дисковых поковках после термической обработки, перед механической обработкой деталей, и поэтому называется предварительным вращением дисковой заготовки. Это новая технология, она разработана для дисковых поковок и предназначена для активного регулирования внутренних напряжений путем создания микропластической деформации дисковых поковок под действием центробежной силы при вращении.
[0005] Для достижения вышеуказанной цели в настоящей заявке предлагается способ регулирования внутренних напряжений в дисковых поковках из жаропрочных сплавов путем предварительного вращения. Способ включает следующие этапы: этап S1, на котором выполняют определение целевого числа оборотов для регулирования внутренних напряжений в дисковых поковках и определение целевой величины пластической деформации, необходимой для регулирования внутренних напряжений, путем предварительного вращения дисковых поковок; и этап S2, на котором выполняют предварительное вращение дисковых поковок с целевым числом оборотов, контроль величины деформации дисковых поковок и прекращение предварительного вращения, когда контролируемая величина деформации дисковых поковок достигает целевого значения.
[0006] Этап S1 предпочтительно включает: этап S11, на котором выполняют получение прогнозируемого числа оборотов для регулирования внутренних напряжений в дисковых поковках путем численного моделирования; этап S12, на котором выполняют предварительное вращение дисковых поковок согласно прогнозируемому числу оборотов и контроль величины деформации дисковых поковок; и этап S13, на котором выполняют корректировку прогнозируемого числа оборотов в соответствии с контролируемой величиной деформации дисковых поковок для определения целевого числа оборотов.
[0007] Этап S13 предпочтительно включает: этап S131, на котором выполняют определение прогнозируемого числа оборотов в качестве целевого числа оборотов, если контролируемая величина деформации дисковых поковок достигает целевой величины деформации при выполнении предварительного вращения дисковых поковок согласно прогнозируемому числу оборотов; или этап S132, выполняемый, если контролируемая величина деформации дисковых поковок меньше целевой величины деформации при выполнении предварительного вращения дисковых поковок согласно прогнозируемому числу оборотов, на котором выполняют постепенное увеличение числа оборотов предварительного вращения до достижения контролируемой величиной деформации дисковых поковок целевой величины деформации при выполнении окончательного числа оборотов предварительного вращения и определение окончательного числа оборотов как целевого числа оборотов.
[0008] Этап S132 предпочтительно включает: постепенное увеличение числа оборотов предварительного вращения с шагом в диапазоне от 25 до 100 оборотов в минуту, если контролируемая величина деформации дисковых поковок меньше целевой величины деформации при выполнении предварительного вращения дисковых поковок согласно прогнозируемому числу оборотов.
[0009] Этап S11 предпочтительно включает: этап S111, на котором выполняют получение распределения внутренних напряжений в дисковых поковках путем моделирования термической обработки дисковых поковок; и этап S112, на котором выполняют моделирование предварительного вращения дисковых поковок с различным числом оборотов для определения прогнозируемого числа оборотов, при этом предварительное вращение с прогнозируемым числом оборотов позволяет регулировать внутренние напряжения в дисковых поковках на уровне 400 МПа или ниже и обеспечивает величину остаточной деформации дисковых поковок в диапазоне от 0,05% до 1,95%.
[0010] Этап S111 предпочтительно включает: получение распределения внутренних напряжений в дисковых поковках после термической обработки путем определения фактического внутреннего напряжения в дисковых поковках и корректировку результата моделирования дисковых поковок с использованием фактического внутреннего напряжения.
[0011] Этап S3 предпочтительно дополнительно включает: построение диаграммы распределения внутренних напряжений дисковых поковок после предварительного вращения. Этап S3 предпочтительно включает: этап S31, на котором выполняют моделирование предварительного вращения дисковых поковок согласно целевому числу оборотов для получения распределения внутренних напряжений дисковых поковок после предварительного вращения; и этап S32, на котором выполняют определение фактического внутреннего напряжения на участке детали дисковой поковки и корректировку результата моделирования дисковых поковок после предварительного вращения с использованием фактического внутреннего напряжения для получения распределения внутренних напряжений дисковых поковок после предварительного вращения.
[0012] Предпочтительно, целевая величина деформации составляет от 0,05% до 1,95%.
[0013] Предпочтительно, при выполнении предварительного вращения величину деформации дисковых поковок контролируют после поддержания текущего числа оборотов в течение не менее 30 секунд.
[0014] Предпочтительно, при контроле величины деформации дисковых поковок в качестве контролируемой величины деформации дисковых поковок принимается стабильное значение; и/или этап S2 включает: постепенное уменьшение числа оборотов предварительного вращения до нуля, когда при контроле обнаружено достижение величиной деформации дисковых поковок целевой величины деформации.
[0015] Предпочтительно, жаропрочный сплав представляет собой деформируемый жаропрочный сплав, порошковый жаропрочный сплав или литой жаропрочный сплав.
[0016] Предпочтительно, дисковая поковка представляет собой конструкцию в виде диска без явной концентрации напряжений до предварительного вращениея, и дисковые поковки включают в себя кольцевую дисковую поковку, поковку дисков компрессоров и поковку дисков турбин.
[0017] Предпочтительно, рабочая температура предварительного вращения составляет от 50°C до 750°C.
[0018] Предпочтительно, в способе предварительное вращение осуществляется с использованием высокоскоростной испытательной платформы для вращения и соответствующей оснастки для размещения дисковых поковок на высокоскоростной испытательной платформе для вращения.
[0019] Согласно техническому решению, можно эффективно регулировать внутреннее напряжение внутри дисковых поковок, при этом механические свойства дисковых поковок сохраняются. Таким образом, степень деформации при последующей механической обработке детали может быть снижена с целью сокращения периода такой обработки и уменьшения затрат. При последующих испытаниях при повышенных скоростях и в процессе эксплуатации обработанной детали не возникает опасных деформаций, а значит, можно гарантировать стабильность размеров детали. За счет распределения внутренних напряжений, благоприятных для рабочего состояния дисковой заготовки после предварительного вращения, в ступице создается сжимающее напряжение, и усталостная долговечность дисковой заготовки может быть существенно продлена.
Краткое описание чертежей
[0020] На ФИГ.1a показана схема конструкции, в которой дисковая поковка представляет собой диск турбины, и ФИГ.1b - схема конструкции, в которой дисковая поковка представляет собой кольцевой диск (в целях показа поперечного сечения ФИГ.1a и ФИГ.1b представляют собой виды с удаленным фрагментом, а дисковая поковка имеет форму полного кольца).
[0021] На ФИГ.2a - ФИГ.2c соответственно показаны результаты моделирования распределения внутренних напряжений при различных параметрах процесса термической обработки в соответствии с Примером 1 настоящей заявки, при этом на ФИГ.2a показано распределение при низком уровне внутренних напряжений: максимальное растягивающее напряжение в центральной области поперечного сечения дисковой поковки составляет 286 МПа; на ФИГ.2b показано распределение при среднем уровне внутренних напряжений: максимальное растягивающее напряжение в центральной области поперечного сечения дисковой поковки составляет 517 МПа; и на ФИГ.2c показано распределение при высоком уровне внутренних напряжений: максимальное растягивающее напряжение в центральной области поперечного сечения дисковой поковки составляет 681 Мпа.
[0022] На ФИГ.3a - ФИГ.3d показаны результаты моделирования распределения напряжения и деформации дисковой поковки во время предварительного вращения в условиях нулевого внутреннего напряжения в соответствии со способом настоящей заявки, при этом на ФИГ.3a показано распределение эквивалентного напряжения по фон Мизесу в дисковых поковках при достижении максимальной скорости вращения; на ФИГ.3b показано распределение внутренних напряжений по хорде в дисковых поковках после прекращения вращения; на ФИГ.3c показано распределение эквивалентной пластической деформации по фон Мизесу в дисковых поковках после прекращения вращения; на ФИГ.3d показана составляющая по хорде остаточной пластической деформации после прекращения вращения.
[0023] На ФИГ.4a - ФИГ.4f показано распределение напряжения и деформации дисковой поковки во время предварительного вращения в условиях наложенного внутреннего напряжения, вызванного термической обработкой, в соответствии со способом настоящей заявки, при этом на ФИГ.4a показано распределение эквивалентного напряжения по фон Мизесу в дисковой поковке со средним напряжением, вызванным термической обработкой, при достижении максимальной скорости вращения; на ФИГ.4b показано распределение напряжения по хорде в дисковой поковке со средним напряжением, вызванным термической обработкой, при максимальной скорости вращения; на ФИГ.4c показано распределение эквивалентного напряжения по фон Мизесу в дисковой поковке после прекращения вращения; на ФИГ.4 d показана составляющая напряжения по хорде после прекращения вращения, переходящая от сжимающего напряжения -250 МПа на внутреннем диаметре к растягивающему напряжению 150 МПа на внешнем диаметре; на ФИГ.4e показано распределение эквивалентной пластической деформации по фон Мизесу в дисковых поковках после прекращения вращения; на ФИГ.4f показана небольшая пластическая деформация в размере 0,05%-0,25%, введенная в область фактической детали дисковой поковки в результате предварительного вращения.
[0024] На ФИГ.5a - ФИГ.5d показано изменение размеров элемента дисковой поковки во время предварительного вращения в соответствии со способом настоящей заявки, при этом на ФИГ.5a показана зависимость между изменением размеров дисковых поковок и максимальной скоростью вращения при предварительном вращении при отсутствии начального напряжения, вызванного термической обработкой (σinitial=0); на ФИГ.5b показано влияние напряжения, вызванного термической обработкой, на изменение наружного диаметра дисковых поковок, при котором чем больше начальное напряжение, тем меньше критическая скорость вращения, необходимая для текучести; на ФИГ.5c показано изменение размеров дисковых поковок во время вращения при различных начальных напряжениях; на ФИГ.5d показано, что напряжение, вызванное термической обработкой, уже начало оказывать значительное влияние на изменение наружного диаметра дисковых поковок при увеличении скорости вращения.
[0025] На ФИГ.6 показана кривая снятия напряжения во время предварительного вращения в соответствии с Примером 1 настоящей заявки.
[0026] На ФИГ.7 показан результат определения внутренних напряжений, полученный при моделировании предварительного вращения согласно прогнозируемому числу оборотов до и после предварительного вращения в соответствии с Примером 1 настоящей заявки.
[0027] На ФИГ.8a и ФИГ.8b показано изменение механических свойств до и после предварительного вращения в соответствии с Примером 1 настоящей заявки.
[0028] На ФИГ.9a - ФИГ.9d показано регулирующее влияние предварительного вращения на напряженное состояние широкой кольцевой заготовки в соответствии с Примером 2 настоящей заявки.
[0029] На ФИГ.10a и ФИГ.10b показаны кривая снятия напряжения во время предварительного вращения и результат определения внутреннего напряжения, полученный при моделировании предварительного вращения согласно прогнозируемому числу оборотов до и после предварительного вращения в соответствии с Примером 2 настоящей заявки, а на ФИГ.10c показано изменение размеров в Примере 2 во время испытания на вращение при повышенных скоростях.
Подробное описание изобретения
[0030] Конкретные варианты осуществления настоящей заявки будут подробно описаны ниже со ссылкой на сопутствующие чертежи. Следует понимать, что описанные здесь конкретные варианты осуществления являются иллюстративными и пояснительными только для настоящей заявки и не являются ограничивающими настоящую заявку.
[0031] В настоящей заявке ориентировочные формулировки, такие как «верхний, нижний, левый, правый», обычно используются для обозначения верхнего, нижнего, левого и правого, как показано со ссылкой на чертежи, если не описано обратное; под «внутренний, внешний» подразумевается внутренний и внешний относительно контуров самих элементов. Здесь и далее настоящая заявка будет подробно описана со ссылкой на сопутствующие чертежи и варианты осуществления.
[0032] В настоящей заявке представлен способ регулирования внутренних напряжений в дисковых поковках из жаропрочных сплавов путем предварительного вращения. Способ включает:
[0033] этап S1, на котором выполняют определение целевого числа оборотов для регулирования внутренних напряжений в дисковых поковках, и определение целевой величины пластической деформации, необходимой для регулирования внутренних напряжений путем предварительного вращения дисковых поковок; и
[0034] этап S2, на котором выполняют предварительное вращение дисковых поковок согласно целевому числу оборотов, контроль величины деформации дисковых поковок и прекращение предварительного вращения при достижении контролируемой величиной деформации дисковых поковок целевой величины.
[0035] Согласно способу, раскрытому в настоящей заявке, можно эффективно регулировать внутреннее напряжение в дисковых поковках, при этом механические свойства дисковых поковок сохраняются. Таким образом, степень деформации при последующей механической обработке детали может быть снижена с целью сокращения периода такой обработки и уменьшения затрат. При последующих испытаниях при повышенных скоростях и в процессе эксплуатации обработанной детали не возникает опасных деформаций, а значит, можно гарантировать стабильность размеров детали. За счет распределения внутренних напряжений, благоприятного для рабочего состояния дисковой поковки после предварительного вращения, в ступице создается сжимающее напряжение, и усталостная долговечность дисковой поковки может быть существенно продлена.
[0036] В частности, согласно способу, представленному в настоящей заявке, предварительное вращение может быть выполнено на высокоскоростной платформе для вращения таким образом, что вся дисковая поковка подвергается текучести, что приводит к микропластической деформации, при этом регулируется внутреннее напряжение в дисковой поковке.
[0037] Кроме того, благодаря регулированию внутренних напряжений в дисковых поковках, исключается вероятность коробления и деформации деталей при последующей механической обработке, что способствует повышению ее эффективности и точности размеров.
[0038] Кроме того, поскольку для предварительного вращения используется дисковая поковка без явной концентрации напряжений, для достижения текучести всего диска внутреннее напряжение регулируется при числе оборотов предварительного вращения, значительно превышающем число оборотов в процессе эксплуатации. Таким образом, при последующем испытании на прочность при повышенных скоростях можно быть уверенным, что в условиях повышенного до величины 115% или 120% напряжения не возникнет опасной деформации, превышающей расчетные требования. Кроме того, во время эксплуатации не возникает опасной деформации, что облегчает контроль размеров деталей.
[0039] Более того, при прекращении предварительного вращения скорость вращения дисковых поковок снижается, в результате чего вдоль радиального направления дисковых поковок формируется распределение внутреннего давления и внешнего напряжения, что благоприятно сказывается на условиях работы во время эксплуатации (сжимающее напряжение вводится в ступицу дисковой заготовки), тем самым эффективно продлевается усталостная долговечность дисковых поковок.
[0040] По сравнению с традиционным способом снижения внутренних напряжений в дисковых поковках только за счет регулирования скорости охлаждения при термической обработке настоящий способ может не только решить проблему деформации при механической обработке, но и гарантировать, что в состоянии испытания на прочность при повышенных скоростях и в последующей эксплуатации не возникнет опасной деформации, превышающей расчетную деформацию благодаря тому, что внутреннее напряжение регулируется заранее.
[0041] В настоящей заявке целевое число оборотов для регулирования внутренних напряжений в дисковых поковках может быть определено соответствующим способом, например, моделированием. Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящей заявки, целевое число оборотов может быть получено путем коррекции в соответствии с результатом моделирования. В частности, этап S1 включает: этап S11, на котором выполняют получение прогнозируемого числа оборотов для регулирования внутренних напряжений в дисковых поковках путем численного моделирования; этап S12, на котором выполняют предварительное вращение дисковых поковок согласно прогнозируемому числу оборотов и контроль величины деформации дисковых поковок; и этап S13, на котором выполняют корректировку прогнозируемого числа оборотов в соответствии с контролируемой величиной деформации дисковых поковок для определения целевого числа оборотов.
[0042] Другими словами, в предпочтительном варианте осуществления настоящей заявки на этапе S11 сначала определяют прогнозируемое число оборотов, затем на этапе S12 выполняют предварительное вращение согласно прогнозируемому числу оборотов, и, наконец, на этапе S13 выполняют регулировку числа оборотов в соответствии с величиной деформации дисковых поковок для корректировки прогнозируемого числа оборотов и получения целевого числа оборотов. После определения целевого числа оборотов тестовых дисковых поковок (которые были использованы для определения целевого числа оборотов) дисковые поковки, имеющие те же технические характеристики и состояние, что и тестовые дисковые поковки, могут быть подвергнуты предварительному вращению согласно определенному целевому числу оборотов.
[0043] На этапе S11, чтобы получить прогнозируемое число оборотов, может быть получено внутреннее напряжение в дисковых поковках путем численного моделирования, и может быть установлено, как требуется, целевое внутреннее напряжение, подлежащее регулированию. В частности, при регулировании внутренних напряжений необходимо контролировать величину микропластической деформации, чтобы сохранить механические свойства дисковых поковок. С этой целью этап S11 может включать: этап S111, на котором выполняют моделирование термической обработки дисковых поковок для получения распределения внутренних напряжений дисковых поковок; и этап S112, на котором выполняют моделирование предварительного вращения дисковых поковок с различным числом оборотов для определения прогнозируемого числа оборотов, при этом предварительное вращение с прогнозируемым числом оборотов позволяет регулировать внутренние напряжения в дисковых поковках на уровне 400 МПа или ниже и обеспечивает величину деформации дисковых поковок в диапазоне от 0,05% до 1,95%.
[0044] В частности, для получения более точного распределения внутренних напряжений в дисковых поковках результат моделирования может быть скорректирован по фактически определенному распределению внутренних напряжений в дисковых поковках. Этап S111, в частности, может включать получение распределения внутренних напряжений путем определения фактического внутреннего напряжения в дисковой поковке и корректировку результата моделирования дисковой поковки с использованием фактического внутреннего напряжения.
[0045] Специалисты в данной области оценят, что термическая обработка и предварительное вращение дисковых поковок могут быть смоделированы различными подходящими способами. Например, можно задать материал, размеры и процесс термической обработки дисковых поковок, а также выполнить моделирование методом конечных элементов (например, с помощью программного обеспечения Ansys) для моделирования термической обработки дисковых поковок. Например, термообработка может быть смоделирована со ссылкой на работу «Успехи в исследовании численного моделирования термической обработки стали» (Journal of Tianjin University of Technology and Education, том 24, № 3, сентябрь 2014). Соответственно, предварительное вращение дисковых поковок может быть смоделировано путем увеличения движений вращения в соответствии с такими параметрами, как число оборотов предварительного вращения и т.п.
[0046] В условии без учета начального напряжения, возникающего при термической обработке (σinitial=0), во всем процессе моделирования обработки предварительным вращением и после прекращения вращения по завершении обработки, значения напряжения-деформации в отдельных положениях дисковой поковки в целом зависят от диаметра дисковой поковки, а не от конкретного геометрического размера поперечного сечения дисковой поковки, как показано на ФИГ. 3A-3d. Когда предварительное вращение достигает максимальной скорости вращения, как показано на ФИГ.3a, напряжение текучести достигнуто в области между внутренним диаметром Dinner и контурной линией, обозначенной A (предел текучести материала при комнатной температуре установлен равным 1150 МПа). В процессе увеличения числа оборотов пластическая деформация сначала начинается с внутреннего диаметра Dinner дисковой поковки и постепенно расширяется в радиальном направлении. Соответственно, за счет точного контроля максимальной скорости предварительного вращения можно точно контролировать диапазон, в котором достигается напряжение текучести на дисковых поковках, и получить конкретную величину пластической деформации. Как видно из ФИГ. 3c и 3d, для узких колец с (Douter-Dinner)/Dinner<<1, величина пластической деформации дисковых поковок от внутреннего диаметра Dinner до наружного диаметра Douter, т.е. общая величина пластической деформации дисковых поковок, может контролироваться в небольшом диапазоне от 0,05% до 0,25%.
[0047] На ФИГ. 4a - 4f показаны результаты моделирования предварительного вращения в присутствии напряжения при термической обработке (т.е. фактическое состояние дисковых поковок). При сравнении видно, что в присутствии внутренних напряжений при термической обработке распределение напряжений и деформационные свойства дисковых поковок во время предварительного вращения значительно отличаются от тех, которые наблюдаются в идеальном состоянии без начальных напряжений, представленных на ФИГ. 3a - 3d. Причина кроется в том, что из-за наличия внутренних напряжений при начальной термической обработке начальное растягивающее напряжение по хорде накладывается на центробежную силу предварительного вращения в месте формирования растягивающего напряжения внутри дисковой поковки, так что критическая скорость предварительного вращения, необходимая для достижения соответствующей области напряжения текучести, намного ниже, чем в ситуации, когда начальное напряжение отсутствует, как показано на ФИГ.5b. Чем больше начальное растягивающее напряжение по хорде, создаваемое при термической обработке, тем меньше критическая скорость вращения, необходимая дисковым поковкам для достижения напряжения текучести во время предварительного вращения. Кроме того, место на дисковой поковке, в котором достигается напряжение текучести в самое раннее время, находится уже не на внутреннем диаметре Dinner, а в месте с начальным максимальным растягивающим напряжением, образовавшимся во внутренней области поперечного сечения в результате термической обработки. По мере увеличения скорости вращения диапазон, в котором достигается напряжение текучести, постепенно расширяется от положения с максимальным растягивающим напряжением к соседним областям. При постоянной максимальной скорости вращения с увеличением внутреннего напряжения при термической обработке изменение наружного диаметра дисковых поковок после обработки вращением увеличивается. Причина заключается в том, что чем больше регулируемое напряжение при термической обработке в целом, тем больше величина упругой деформации отдельных положений в дисковых поковках, восстановленных вследствие потери ограничения на напряжение. В частности, наряду с напряжением при термической обработке дисковых поковок, растягивающее напряжение в области растягивающего напряжения регулируется путем создания локальной пластической деформации, а область сжимающего напряжения, которая находится в равновесном состоянии с областью растягивающего напряжения благодаря взаимному ограничению, может синхронно и упруго растягиваться из-за потери ограничения, макроскопическим проявлением чего является то, что чем выше внутреннее напряжение при термической обработке, тем больше постоянное увеличение значения наружного диаметра Douter дисковых поковок после предварительного вращения. На ФИГ.5c изображено динамическое изменение наружного диаметра Douter дисковых поковок в зависимости от скорости вращения в течение всего процесса нагрузки и разгрузки при предварительном вращении с максимальной скоростью вращения 9750 оборотов в минуту. Для одного конкретного предварительного вращения наружный диаметр дисковой поковки прямо пропорционален квадрату скорости вращения на стадии упругой деформации. При сравнении ФИГ.5c и ФИГ.5d видно, что скорость увеличения наружного диаметра дисковых поковок увеличивается после начала текучести, однако на стадии разгрузки после достижения максимальной скорости вращения наружный диаметр дисковых поковок остается в линейной зависимости от квадрата скорости вращения. С увеличением внутреннего напряжения при термической обработке при одинаковых условиях предварительного вращения время начальной текучести дисковых поковок уменьшается, а величина постоянной деформации наружного диаметра после разгрузки увеличивается. В частности, ФИГ.5d, представляющий собой частично увеличенный вид этапа увеличения скорости вращения на ФИГ.5c, показывает, что величина внутреннего напряжения при термической обработке оказывает значительное влияние на деформационные свойства дисковых поковок на раннем этапе увеличения скорости вращения.
[0048] Когда дисковая поковка имеет форму узкого кольца, как показано на ФИГ.1b, где дисковая поковка имеет такую размерную особенность, что диаметр Dinner внутреннего отверстия близок к диаметру Douter внешней окружности, и оба они относительно велики, а именно (Douter-Dinner)/Dinner<<1, отдельные градиенты величины напряжения-деформации, образовавшиеся на поперечном сечении дисковой поковки в результате предварительного вращения, относительно малы, и общее распределение относительно равномерно. Такая особенность конфигурации узкого кольца позволяет реализовать полную текучесть дисковых поковок и получить незначительное количество постоянной пластической деформации по технологии предварительного вращения дисковых поковок, благодаря чему состояние распределения внутренних напряжений «внутреннее давление и внешнее напряжение», вызванное термической обработкой, может быть полностью восстановлено. Фактически, все конфигурации токарных заготовок с кольцевыми элементами, такими как узкое кольцо, подходят для регулирования состояния распределения напряжений в дисковых поковках путем применения способа предварительного вращения.
[0049] По сравнению с деталями, такими как узкое кольцо, лабиринтный диск, перегородка или т.п., имеющими небольшое поперечное сечение, когда дисковая поковка имеет форму широкого кольца, как показано на ФИГ.1a, во время термической обработки в дисковой поковке часто образуется более высокий уровень внутренних напряжений из-за особенностей обычно большого веса широкого кольца и большой толщины на участке детали, таком как ступица или т.п. Общие конструктивные свойства детали с формой широкого кольца заключаются в том, что внешний контур относительно толстый и большой, а конструкция обладает высокой жесткостью, поэтому проблема влияния на размер детали внутреннего напряжения при термической обработке в процессе механической обработки часто не такая серьезная, как в других тонкостенных дисковых деталях.
[0050] Однако во время процедуры испытания при повышенных скоростях и эксплуатации на машине, если на внутреннее растягивающее напряжение при термической обработке накладывается эксплуатационная нагрузка, то возможно, что определенное положение дисковой поковки достигнет напряжения текучести в диапазоне скоростей вращения намного ниже номинальной нагрузки. В процессе работы дисковых поковок, как только в области остаточного напряжения возникает локальное явление текучести, происходит общее регулирование внутренних напряжений термической обработки, что проявляется в виде опасной деформации в макроскопических размерах дисковых поковок сверх ожидаемого. Фактически, чрезмерное внутреннее напряжение при термической обработке является одной из ведущих причин потери стабильности размеров для широкого кольца в условиях эксплуатации при прочности, значительно меньшей, чем расчетная прочность.
[0051] Разница между внутренним и наружным диаметром широкого кольца велика, а именно (Douter-Dinner)/Dinner>>1. Поэтому, если для предварительной обработки принята скорость вращения, обеспечивающая текучесть всего широкого кольца, то величина пластической деформации в области внутреннего диаметра будет слишком большой, что отрицательно скажется на формообразующих характеристиках материала.
[0052] Однако из-за высокого растягивающего напряжения при термической обработке, присутствующего в конкретной области положения ступицы широкого кольца, положение максимального растягивающего напряжения на дисковой поковке достигает напряжения текучести в диапазоне низкой скорости вращения даже при скорости вращения ниже той, которая требуется для текучести на внутреннем отверстии Dinner, благодаря чему эффективно регулируется внутреннее напряжение при термической обработке.
[0053] Как видно из ФИГ. 9a и 9b, прошедшее термическую обработку широкое кольцо имеет очень высокое внутреннее напряжение, максимальное растягивающее напряжение в ней возникает во внутренней области ступицы, максимальное растягивающее напряжение достигает от 700 до 900 МПа, и, соответственно, максимальное сжимающее напряжение на поверхности дисковой поковки может достигать 1000 МПа или выше. Если предел текучести материала составляет 1200 МПа при комнатной температуре, то при рабочей нагрузке на ступицу в рабочем состоянии 500 МПа или выше ступица фактически переходит в состояние текучести, таким образом регулируется внутреннее напряжение на дисковой поковке. В это время в дисковых поковках в условиях работы с пределом текучести намного ниже номинального предела текучести возникает опасная деформация, превышающая ожидаемую.
[0054] В отличие от предварительного вращения узкого кольца, которое может достичь текучести для всей дисковой поковки, для предотвращения чрезмерной величины пластической деформации, пластическая деформация обычно вводится в широкое кольцо только в месте ступицы при самой высокой скорости предварительного вращения, чтобы обеспечить достаточное регулирование растягивающего напряжения в области ступицы. Диск и область обода не подвергаются пластической деформации во время предварительного вращения, поэтому состояние микроструктуры, такое как плотность дислокаций и т. п. в области обода, не подвергается влиянию. Таким образом, обеспечивается улучшение пределов текучести и усталостных характеристик положения ступицы, при этом характеристики выносливости при высокотемпературной ползучести положения обода не снижаются.
[0055] В результате предварительного вращения, как показано на ФИГ. 9c и 9d, область растягивающих напряжений по хорде во внутренней области ступицы в значительной степени исключается, внутреннее напряжение при термической обработке в дисковых поковках эффективно регулируется, а сжимающее напряжение, которое распределяется по градиенту от внутреннего отверстия вдоль направления диаметра, распространяется на область, соответствующую центральной части дисковых поковок. Состояние распределения внутренних напряжений, скорректированное предварительным вращением, особенно сжимающее напряжение по хорде, создаваемое в области ступицы, может значительно улучшить усталостные характеристики дисковых поковок. Более того, благодаря исключению чрезмерного растягивающего напряжения по хорде в ступице можно предотвратить слишком раннее достижение напряжения текучести дисковых поковок при последующей эксплуатации из-за остаточного напряжения, наложенного на рабочее напряжение, которое в противном случае привело бы к опасной деформации дисковых поковок из-за регулирования внутренних напряжений. Поэтому обработка дисковых поковок предварительным вращением является эффективным средством регулирования напряжений и имеет очень важное прикладное значение для обеспечения стабильности размеров широкого кольца в последующем периоде эксплуатации.
[0056] Кроме того, на этапе S112 для правильного задания прогнозируемого числа оборотов требуемая степень регулирования может быть установлена в соответствии с распределением внутренних напряжений, полученным в результате моделирования, то есть внутренние напряжения прошедшей предварительное вращение дисковой поковки регулируется так, чтобы оно составляло 400 МПа или ниже. В частности, для моделирования предварительного вращения можно задавать различное число оборотов предварительного вращения, и окончательно определенное прогнозируемое число оборотов должно быть таким, которое позволяет регулировать внутренние напряжения прошедших предварительное вращение дисковых поковок на уровне 400 МПа или ниже. В частности, прогнозируемое число оборотов, определенное с помощью моделируемого предварительного вращения, дополнительно обеспечивает величину деформации дисковых поковок в диапазоне от 0,05% до 1,95%, благодаря чему предотвращается образование чрезмерной пластической деформации, влияющей на механические свойства дисковых поковок.
[0057] На вышеуказанном этапе S13 число оборотов предварительного вращения можно адаптивно регулировать в соответствии с результатом сравнения между контролируемой величиной деформации дисковых поковок и целевой величиной деформации. В частности, этап S13 включает этап S131, на котором выполняют определение прогнозируемого числа оборотов в качестве целевого числа оборотов, если контролируемая величина деформации дисковых поковок достигает целевой величины деформации при выполнении предварительного вращения дисковых поковок согласно прогнозируемому числу оборотов, или этап S132, выполняемый, если контролируемая величина деформации дисковых поковок меньше целевой величины деформации при выполнении предварительного вращения дисковых поковок согласно прогнозируемому числу оборотов, на котором выполняют постепенное увеличение числа оборотов предварительного вращения до достижения контролируемой величиной деформации дисковых поковок целевой величины деформации при выполнении предварительного вращения согласно окончательному числу оборотов и определение окончательного числа оборотов как целевого числа оборотов.
[0058] Этап S131 применим в случае, когда прогнозируемое число оборотов является относительно точным, т.е. требуемая целевая величина деформации может быть достигнута путем предварительного вращения согласно прогнозируемому числу оборотов. Этап S132 применим в случае, когда прогнозируемое число оборотов недостаточно точно (т.е. предварительное вращение согласно прогнозируемому числу оборотов не может достичь целевой величины деформации) и требуется модификация, при которой конкретное изменение заключается в постепенном увеличении числа оборотов предварительного вращения. Для точного определения целевого числа оборотов можно правильно установить число оборотов, увеличиваемое каждый раз. Этап S132 предпочтительно включает постепенное увеличение числа оборотов предварительного вращения с шагом в диапазоне от 25 до 100 оборотов в минуту, если контролируемая величина деформации дисковых поковок меньше целевой величины деформации при выполнении предварительного вращения дисковых поковок согласно прогнозируемому числу оборотов.
[0059] Кроме того, во избежание влияния чрезмерной пластической деформации дисковых поковок, вызванной предварительным вращением, на механические свойства, целевая величина деформации может быть правильно установлена таким образом, чтобы происходила лишь незначительная пластическая деформация дисковых поковок, и предпочтительно, целевая величина деформации составляет от 0,05% до 1,95%. При контроле величины деформации дисковых поковок часто контролируется величина деформации в конкретном положении (например, на наружном диаметре) на дисковой поковке. Однако величина деформации различна в разных местах общей дисковой поковки. Например, величина деформации на внутреннем диаметре больше, чем на наружном. Поэтому диапазон величины деформации в отдельных положениях должен гарантированно находиться в пределах диапазона целевой величины деформации.
[0060] Далее, для того чтобы точно контролировать величину деформации дисковых поковок, предпочтительно контролировать величину деформации дисковых поковок после поддержания текущего числа оборотов предварительного вращения в течение по меньшей мере 30 секунд, чтобы гарантировать, что контроль осуществляется в момент стабилизации пластической деформации, создаваемой предварительным вращением.
[0061] Кроме того, во время пластической деформации дисковых поковок в результате предварительного вращения дисковые поковки подвергаются переходу от упругой деформации к пластической деформации, поэтому величина деформации дисковых поковок будет постоянно изменяться до достижения стабильного значения. Для точного контроля величины деформации при контроле величины деформации дисковых поковок предпочтительно, чтобы в качестве контролируемой величины деформации дисковых поковок принималось стабильное значение. В частности, когда контролируемая величина деформации колеблется в диапазоне ±0,01 мм в течение 15 с, можно считать, что достигнуто стабильное значение.
[0062] Согласно способу настоящей заявки, чтобы окончательно сформировать состояние распределения напряжений внутреннего давления и внешнего напряжения, благоприятное для рабочего состояния во время эксплуатации вдоль радиального направления дисковых поковок, этап S2 включает постепенное уменьшение числа оборотов предварительного вращения до нуля, когда определено достижение величиной деформации дисковых поковок целевого показателя. В частности, число оборотов может постепенно уменьшаться на величину от 1 до 200 оборотов в секунду до тех пор, пока предварительное вращение не прекратится.
[0063] Способ настоящей заявки применим к различным дисковым поковкам из жаропрочных сплавов с высоким внутренним напряжением. В частности, жаропрочный сплав включает в себя деформируемый жаропрочный сплав, порошковый жаропрочный сплав или литой жаропрочный сплав.
[0064] Кроме того, для проверки действия способа, предусмотренного настоящей заявкой, включен этап S3: на котором выполняют построение диаграммы распределения внутренних напряжений дисковых поковок после предварительного вращения. Построение диаграммы распределения внутренних напряжений после предварительного вращения позволяет более наглядно увидеть технический потенциал настоящей заявки. В частности, диаграмма распределения внутренних напряжений после предварительного вращения может быть построена различными подходящими способами, например, путем моделирования. Предпочтительно, для повышения эффективности этап S3 включает: S31, на котором выполняют моделирование предварительного вращения дисковых поковок согласно целевому числу оборотов для получения распределения внутренних напряжений дисковых поковок после предварительного вращения; и S32: на котором выполняют определение фактического внутреннего напряжения на участке детали дисковой поковки (например, положение с небольшими колебаниями распределения напряжений, выбранное в соответствии с результатом моделирования) и корректировку смоделированного результата моделирования дисковой поковки после предварительного вращения с использованием фактического внутреннего напряжения для получения распределения внутренних напряжений дисковых поковок после предварительного вращения.
[0065] В настоящей заявке фактическое внутреннее напряжение в месте расположения элементов дисковой поковки может быть определено соответствующим образом. Например, напряжение на глубине 0,2 мм или более под поверхностью участка детали дисковой поковки может быть измерено рентгенодифракционным методом.
[0066] Для обеспечения окончательного результата дисковая поковка, согласно настоящей заявке, представляет собой дисковую конструкцию без явной концентрации напряжений перед предварительным вращением, включая, но не ограничиваясь, кольцевые дисковые поковки, поковки дисков компрессоров, поковки дисков турбин и т.п. Кроме того, рабочая температура предварительного вращения, подходящая для изобретения по настоящей заявке, составляет от -50°C до 750°C, в частности, возможна комнатная температура. Конкретная рабочая температура зависит в первую очередь от отношения предела прочности материала на растяжение к пределу текучести материала.
[0067] В настоящей заявке для предварительного вращения можно использовать различное подходящее высокоскоростное оборудование для вращения, если только обеспечивается соблюдение условий регулирования скорости вращения, температуры и т.п., необходимых для предварительного вращения дисковых поковок. Величина деформации в процессе предварительного вращения может контролироваться с помощью соответствующего оборудования, например, с помощью инфракрасного прибора обнаружения смещения.
[0068] Способ настоящей заявки будет проиллюстрирован следующими Примерами.
[0069] Пример 1
[0070] Была использована кольцевая дисковая поковка турбины низкого давления из сплава GH4065, конструкция которой показана на ФИГ.1b. Внутренний диаметр - 618 мм, наружный диаметр - 829 мм, высота - 85 мм, вес - 130 кг. После стандартной термической обработки основным напряжением в дисковых поковках было внутреннее напряжение по хорде. Для определения напряжения на глубине 0,2 мм и более под поверхностью участка детали был использован рентгенодифракционный метод. Внутреннее напряжение по хорде в ступице составило -384 МПа, внутреннее напряжение по хорде в диске -641 МПа, а внутреннее напряжение по хорде в ободе -740 МПа, что свидетельствует о высоком уровне напряжения.
[0071] Распределение внутренних напряжений в дисковых поковках было получено путем моделирования термической обработки дисковых поковок, и, как показано на ФИГ.2c, результат моделирования соответствовал результату обнаружения.
[0072] Затем было смоделировано предварительное вращение. Для узкого кольца с (Douter-Dinner)/Dinner<<1, величина пластической деформации дисковых поковок от внутреннего диаметра Dinner до наружного диаметра Douter, т.е. общая величина пластической деформации дисковых поковок, контролировалась в небольшом диапазоне от 0,05% до 0,25%.
[0073] Как показано на ФИГ. 4a-4f, было смоделировано распределение напряжения и деформации дисковых поковок во время предварительного вращения при различном числе оборотов в присутствии напряжения термической обработки, максимальное растягивающее напряжение по хорде в дисковых поковках регулировалось на уровне 400 МПа или ниже, а прогнозируемое число оборотов, соответствующее общей деформации от 0,15% до 0,25%, составляло 9400 оборотов в минуту.
[0074] Предварительное вращение проводилось на дисковых поковках при 9400 оборотах в минуту в течение 60 секунд. Как показано на ФИГ.6, величина деформации дисковых поковок контролировалась, остаточная деформация на наружном диаметре была обнаружена на уровне 0,75 мм, а общая величина деформации, соответствующая дисковым поковкам, составляет от 0,18% до 0,24%, достигая целевой величины деформации, поэтому прогнозируемое число оборотов было определено как целевое число оборотов. Внутреннее напряжение можно регулировать путем предварительного вращения при 9400 оборотах в минуту для партии дисковых поковок с одинаковыми техническими характеристиками.
[0075] Чтобы проверить технический результат изобретения по настоящей заявке, был использован рентгенодифракционный метод для измерения внутреннего напряжения (результат показан на ФИГ.7) на глубине 0,2 мм или более под поверхностью участка детали (например, участка с небольшими колебаниями распределения напряжения, выбранного в соответствии со смоделированным результатом) дисковых поковок до и после предварительного вращения. Результат испытаний в значительной степени совпал с результатом моделирования. Наконец, после предварительного вращения была построена диаграмма распределения внутренних напряжений, готовая для последующей обработки дисковой заготовки.
[0076] Ультразвуковой контроль не выявил никаких отклонений в прошедших предварительное вращение дисковых поковках. Дальнейшее препарирование было проведено на дисковой заготовке и показало, что микроструктура дисковой заготовки и механические свойства в различных положениях (результаты показаны на ФИГ. 8a и 8b) существенно не отличались от микроструктуры дисковой заготовки, не подвергавшейся предварительному вращению.
[0077] Пример 2
[0078] Стандартная поковка диска турбины из порошкового жаропрочного сплава FGH96 (далее также упоминается как широкое кольцо) была обработана по способу Примера 1. Конструкция показана на ФИГ.1a, внутренний диаметр 125 мм, наружный диаметр 550 мм, высота ступицы 215 мм и высота обода 60 мм. Дисковые поковки были подвергнуты стандартной термической обработке. Распределение внутренних напряжений в дисковых поковках было получено путем моделирования термической обработки дисковых поковок. Результат показан на ФИГ. 9a и 9b, на которых максимальное растягивающее напряжение по хорде в дисковой заготовке достигло более 700 МПа, что является относительно высоким показателем.
[0079] Было смоделировано предварительное вращение дисковых поковок на различных оборотах, максимальное растягивающее напряжение по хорде в дисковых поковках было снижено до 400 МПа или ниже, а прогнозируемый оборот, соответствующий общей деформации от 0,15% до 1,0%, составил 23500 оборотов в минуту.
[0080] Испытательный образец дисковой поковки был предварительно раскручен при 23500 оборотах в минуту в течение 60 секунд. Контролировалась величина деформации испытательного образца. Было измерено, что остаточная деформация составляет 0,70 мм, а соответствующая величина деформации составила от 0,12% до 0,88%, поэтому целевая величина деформации не может быть достигнута. Каждый раз число оборотов увеличивалось на 50 оборотов. Когда окончательное число оборотов составило 23550 оборотов в минуту, остаточная деформация достигла 0,82 мм, что соответствует целевой величине деформации в диапазоне от 0,15% до 0,98%, поэтому окончательное число оборотов было определено как целевое. Внутреннее напряжение можно регулировать путем предварительного вращения при 23550 оборотах в минуту для партии дисковых заготовок с одинаковыми техническими характеристиками.
[0081] Чтобы проверить технический результат изобретения по настоящей заявке, было измерено внутреннее напряжение на глубине 0,2 мм или более под поверхностью участка детали дисковой поковки до и после предварительного вращения (результат показан на ФИГ.10b). Результат испытаний совпал с результатом моделирования. При ультразвуковом контроле прошедшей предварительное вращение дисковой заготовки и испытании эффективности разложения дисковых поковок значительных изменений не было обнаружено.
[0082] Кроме того, чтобы проверить технический результат изобретения по настоящей заявке с точки зрения стабильности размеров, было проведено испытание на повышенных скоростях для заготовки, прошедшей предварительное вращение, и заготовки, не прошедшей предварительное вращение. Результат испытаний представлен на ФИГ.10c. При испытании при повышенных на 122% скоростях размер заготовки, прошедшей предварительное вращение, существенно не изменился.
[0083] Предпочтительные варианты осуществления изобретения по настоящей заявке подробно описаны выше со ссылкой на сопутствующие чертежи, однако настоящая заявка этим не ограничивается. В рамках технической идеи настоящей заявки возможно множество простых вариаций технической схемы настоящей заявки. Настоящая заявка включает в себя комбинацию различных конкретных технических признаков любым подходящим способом. Во избежание ненужных повторений в настоящей заявке не будут описываться различные возможные комбинации. Тем не менее, такие простые вариации и комбинации также следует рассматривать как раскрытое содержание настоящей заявки, входящее в объем настоящей заявки.

Claims (25)

1. Способ регулирования внутренних напряжений в дисковых поковках из жаропрочных сплавов путем предварительного вращения, включающий:
этап S1, на котором выполняют определение целевого числа оборотов для регулирования внутренних напряжений в дисковых поковках и определение целевой величины пластической деформации, необходимой для регулирования внутренних напряжений, путем предварительного вращения дисковых поковок;
при этом этап S1 включает:
этап S11, на котором выполняют получение прогнозируемого числа оборотов для регулирования внутренних напряжений в дисковых поковках путем численного моделирования; этап S11 включает:
этап S111, на котором выполняют получение распределения внутренних напряжений в дисковых поковках путем моделирования термической обработки дисковых поковок; этап S111 включает:
получение распределения внутренних напряжений в дисковых поковках после термической обработки путем определения фактического внутреннего напряжения в дисковых поковках и корректировку результата моделирования дисковых поковок с использованием фактического внутреннего напряжения; и
этап S112, на котором выполняют моделирование предварительного вращения дисковых поковок с различным числом оборотов для определения прогнозируемого числа оборотов; при этом предварительное вращение с прогнозируемым числом оборотов позволяет регулировать внутренние напряжения в дисковых поковках на уровне 400 МПа или ниже и обеспечивает величину остаточной деформации дисковых поковок в диапазоне от 0,05 до 1,95%;
этап S12, на котором выполняют предварительное вращение дисковых поковок согласно прогнозируемому числу оборотов и контроль величины деформации дисковых поковок; и
этап S13, на котором выполняют корректировку прогнозируемого числа оборотов в соответствии с контролируемой величиной деформации дисковых поковок для определения целевого числа оборотов; этап S13 включает:
этап S131, на котором выполняют определение прогнозируемого числа оборотов как целевого числа оборотов, если контролируемая величина деформации дисковых поковок достигает целевой величины деформации при выполнении предварительного вращения дисковых поковок согласно прогнозируемому числу оборотов; или
этап S132, выполняемый, если контролируемая величина деформации дисковых поковок меньше целевой величины деформации при выполнении предварительного вращения дисковых поковок согласно прогнозируемому числу оборотов, и на котором выполняют постепенное увеличение числа оборотов предварительного вращения до достижения контролируемой величиной деформации дисковых поковок целевой величины деформации при выполнении окончательного числа оборотов предварительного вращения и определение окончательного числа оборотов как целевого числа оборотов; этап S132 включает:
постепенное увеличение числа оборотов предварительного вращения с шагом в диапазоне от 25 до 100 оборотов в минуту, если контролируемая величина деформации дисковых поковок меньше целевой величины деформации при выполнении предварительного вращения дисковых поковок согласно прогнозируемому числу оборотов;
этап S2, на котором выполняют предварительное вращение дисковых поковок согласно целевому числу оборотов, контроль величины деформации дисковых поковок и прекращение предварительного вращения при достижении контролируемой величиной деформации дисковых поковок целевой величины; и
этап S3, на котором выполняют построение диаграммы распределения внутренних напряжений дисковых поковок после предварительного вращения, предпочтительно этап S3 включает:
этап S31, на котором выполняют моделирование предварительного вращения дисковых поковок согласно целевому числу оборотов для получения распределения внутренних напряжений в дисковых поковках после предварительного вращения; и
этап S32, на котором выполняют определение фактического внутреннего напряжения на участке детали дисковой поковки и корректировку смоделированного результата моделирования дисковых поковок после предварительного вращения с использованием фактического внутреннего напряжения для получения распределения внутренних напряжений дисковой поковки после предварительного вращения.
2. Способ регулирования внутренних напряжений по п.1, в котором целевая величина деформации составляет от 0,05 до 1,95%.
3. Способ регулирования внутренних напряжений по п.1, в котором при выполнении предварительного вращения величину деформации дисковых поковок контролируют после поддержания текущего числа оборотов в течение по меньшей мере 30 секунд.
4. Способ регулирования внутренних напряжений по п.1, в котором:
при контроле величины деформации дисковых поковок в качестве контролируемой величины деформации дисковых поковок принимают стабильное значение; и/или
этап S2 включает: постепенное уменьшение числа оборотов предварительного вращения до нуля, когда при контроле обнаружено достижение величиной деформации дисковых поковок целевой величины деформации.
5. Способ регулирования внутренних напряжений по п.1, в котором жаропрочный сплав представляет собой деформируемый жаропрочный сплав, порошковый жаропрочный сплав или литой жаропрочный сплав.
6. Способ регулирования внутренних напряжений по п.1, в котором дисковая поковка представляет собой конструкцию в виде диска без явной концентрации напряжений до предварительного вращения, и дисковые поковки включают кольцевые дисковые поковки, поковки дисков компрессоров и поковки дисков турбин.
7. Способ регулирования внутренних напряжений по п.1, в котором рабочая температура предварительного вращения составляет от -50 до 750°C.
8. Способ регулирования внутренних напряжений по п.1, в котором предварительное вращение осуществляют с использованием высокоскоростной испытательной платформы для вращения и соответствующей оснастки для размещения дисковых поковок на высокоскоростной испытательной платформе для вращения.
RU2021121344A 2020-05-19 2021-07-19 Способ регулирования внутренних напряжений в дисковых заготовках из жаропрочного сплава посредством предварительного вращения RU2769339C1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010425506.2 2020-05-19
CN202010425506.2A CN111471944B (zh) 2020-05-19 2020-05-19 通过预旋转调控高温合金毛坯盘锻件的残余应力的方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2769339C1 true RU2769339C1 (ru) 2022-03-30

Family

ID=71762562

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021121344A RU2769339C1 (ru) 2020-05-19 2021-07-19 Способ регулирования внутренних напряжений в дисковых заготовках из жаропрочного сплава посредством предварительного вращения

Country Status (4)

Country Link
JP (1) JP7356686B2 (ru)
CN (1) CN111471944B (ru)
CA (1) CA3124871C (ru)
RU (1) RU2769339C1 (ru)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112342368A (zh) * 2020-10-16 2021-02-09 中国航发北京航空材料研究院 一种转动法降低变形高温合金盘件残余应力的工艺方法
FR3125335B1 (fr) * 2021-07-19 2023-06-30 Gaona Aero Mat Co Ltd Méthode de réguler les contraintes résiduelles dans les pièces forgées du disque vierge du superalliage par pré-rotation
AU2021206812B1 (en) * 2021-07-20 2022-11-03 Aecc Commercial Aircraft Engine Co., Ltd. Method for Internal Stress Regulation in Superalloy Disk forgings by Pre-spinning
CN114250352B (zh) * 2021-12-22 2023-11-14 北京钢研高纳科技股份有限公司 提高高温合金盘件或环形件服役稳定性的方法及得到的盘件或环形件
CN114214510B (zh) * 2021-12-28 2024-02-06 北京钢研高纳科技股份有限公司 振动时效去除高温合金件内部残余应力的方法及其应用
CN116818555B (zh) * 2023-07-25 2024-02-02 中国航发北京航空材料研究院 镍基高温合金轮盘毛坯预旋转转速的确定方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU733957A1 (ru) * 1977-11-02 1980-05-15 За витель Вибрационна установка дл снижени остаточных напр жений
SU774904A1 (ru) * 1978-11-04 1980-10-30 Завод Сельскохозяйственного Машиностроения "Лиепайсельмаш" Способ сн ти остаточных напр жений в трубных заготовках
JP2005060735A (ja) * 2003-08-12 2005-03-10 Nippon Steel Corp 金属の疲労強度向上方法
RU2478031C2 (ru) * 2011-05-27 2013-03-27 Альберт Викторович Королев Способ релаксации остаточных напряжений

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4820356A (en) * 1987-12-24 1989-04-11 United Technologies Corporation Heat treatment for improving fatigue properties of superalloy articles
JP2005305358A (ja) 2004-04-23 2005-11-04 Japan Science & Technology Agency 高速回転を利用した組成傾斜装置、方法及びその方法で得られた凝縮系薄膜物質
KR101698338B1 (ko) * 2015-06-30 2017-01-23 한국수력원자력 주식회사 배관 잔류응력 완화장치
CN106702136B (zh) * 2017-01-20 2018-06-05 广西大学 圆柱凸轮激励引发的弯扭耦合共振式残余应力消除装置
CN109145335B (zh) * 2017-06-28 2023-05-30 中国航发贵阳发动机设计研究所 一种通过预旋转提高轮盘低循环疲劳寿命的方法
CN108774667B (zh) * 2018-07-04 2019-11-08 中国工程物理研究院机械制造工艺研究所 一种利用热时效和振动时效协同消除应力的装置及方法
CN110408770B (zh) * 2019-08-08 2020-07-10 北京航空航天大学 一种大型环件旋转离心残余应力调控装置
CN110423883B (zh) * 2019-08-08 2020-08-04 北京航空航天大学 一种大型环件旋转离心应力调控方法
CN110551955B (zh) 2019-08-23 2020-09-22 中国航发北京航空材料研究院 一种降低gh4169合金大尺寸盘锻件内部残余应力的方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU733957A1 (ru) * 1977-11-02 1980-05-15 За витель Вибрационна установка дл снижени остаточных напр жений
SU774904A1 (ru) * 1978-11-04 1980-10-30 Завод Сельскохозяйственного Машиностроения "Лиепайсельмаш" Способ сн ти остаточных напр жений в трубных заготовках
JP2005060735A (ja) * 2003-08-12 2005-03-10 Nippon Steel Corp 金属の疲労強度向上方法
RU2478031C2 (ru) * 2011-05-27 2013-03-27 Альберт Викторович Королев Способ релаксации остаточных напряжений

Also Published As

Publication number Publication date
JP7356686B2 (ja) 2023-10-05
CA3124871C (en) 2023-09-19
CN111471944A (zh) 2020-07-31
CA3124871A1 (en) 2021-11-19
JP2022132667A (ja) 2022-09-09
CN111471944B (zh) 2021-07-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2769339C1 (ru) Способ регулирования внутренних напряжений в дисковых заготовках из жаропрочного сплава посредством предварительного вращения
JP5727942B2 (ja) ロータ鍛造物を事前回転させるための方法および装置
US8887564B2 (en) Method for predicting initial unbalance in a component
US8701286B2 (en) Rotationally balancing a rotating part
US9540093B2 (en) Bladed rotor wheel for a turbine engine
EP2551657B1 (en) A method of treating an aerofoil
RU2737127C1 (ru) Продление срока службы диска силовой турбины, подверженного коррозионному повреждению при эксплуатации (варианты)
CN114250352B (zh) 提高高温合金盘件或环形件服役稳定性的方法及得到的盘件或环形件
CN114531884B (zh) 通过旋转消除应力的方法
RU2678823C1 (ru) Способ для изготовления профилированных кольцевых изделий
CN114528743B (zh) 宽转速范围内转子叶片的动应力监测限制值计算方法
FR3125335A1 (fr) Méthode de réguler les contraintes résiduelles dans les pièces forgées du disque vierge du superalliage par pré-rotation
AU2021206812B1 (en) Method for Internal Stress Regulation in Superalloy Disk forgings by Pre-spinning
GB2609043A (en) Method for internal stress regulation in superalloy disk forgings by pre-spinning
EP2952679B1 (en) System and method for pre-stressing blades
CN114706920A (zh) 一种基于多参数耦合的轮盘破裂转速预测方法
CN116818555B (zh) 镍基高温合金轮盘毛坯预旋转转速的确定方法
RU2658173C2 (ru) Компонент ротора для узла ротора машины, приводимой в действие энергией текучей среды, узел ротора и машина, способ изготовления такого компонента ротора и способ контроля его концентричности
GB2428396A (en) A method of manufacturing an article with a reference datum feature
EP3015654A1 (en) Turbine assembly
CN117210667B (zh) 一种涡轮盘残余应力复合调控方法
Bessone et al. Simplified method to evaluate the “under platform” damper effects on turbine blade eigenfrequencies supported by experimental test
Bagiński et al. Research of the influence of long-lasting cyclic loading on the geometry of the bump foil of a gas foil bearing
US20160298494A1 (en) Method for machining a casing for a turbo engine, a casing for turbo engine and a turbo engine with a casing
JP2000265803A (ja) タービンの動翼の振動管理方法