Способ изготовления лопаток газотурбинных двигателей из деформированных заготовок сплава на основе орторомбического алюминида титана
METHOD FOR MANUFACTURING GAS TURBINE ENGINE BLADES FROM DEFORMED BLANKS OF AN ALLOY BASED ON ORTHORHOMBIC TITANIUM ALUMINIDE

Изобретение относится к области обработки металлов и сплавов давлением, а именно к технологии обработки давлением интерметаллидных сплавов на основе орторомбического алюминида титана и может быть использовано в аэрокосмической промышленности для получения из этих материалов деталей газотурбинных двигателей с регламентированной структурой и заданными механическими свойствами.
На данный момент известно несколько способов обработки интерметаллидных сплавов на основе орторомбического алюминида титана методами горячей деформации.
пп
пп
2
пп
пп
0,2
В
0,2
В
Известен способ проведения горячей деформации сплава на основе орторомбического алюминида титана Ti-11,4Al-1,31Zr-0,7V-39,9Nb-0,85Mo-0,14Si-0,065C масс. %) с целью получения прутковых заготовок [Патент РФ № RU 2 644 830 C2 от 26.06.2017 «Способ изготовления прутковых заготовок из сплавов на основе интерметаллида титана с орто – фазой»] включающий нагрев и предварительную деформацию слитка с получением заготовки, промежуточную и окончательную деформацию заготовки и заключительную термообработку, отличающийся тем, что промежуточную деформацию заготовки осуществляют от 2 до 5 осадок со степенью 25-40%, совмещенных с прессованием со степенью 55-70%, при этом нагрев заготовки перед первой из промежуточных деформаций проводят ступенчато до температуры Т+(100-200)°С, где Т температура β↔α превращения с выдержкой 2-3 часа, а каждую последующую из промежуточных деформаций проводят при температуре на 50-100°С ниже предыдущей с выдержкой на 0,5-1 час меньше, чем на предыдущей, а последнюю из промежуточных деформаций проводят при температуре Т-(20-50)°С, причем окончательную деформацию заготовки осуществляют со степенью не более 30% при Т-(80-120)°С. После деформации заготовку подвергали двухступенчатой термической обработке: 1. нагрев до Т=900°C выдержка 2,5 часа с последующим охлаждением на воздухе до комнатной температуры; 2. нагрев до Т=850°C выдержка 12 часов с последующим охлаждением на воздухе до комнатной температуры. Механические характеристики при T=20°C: σ=1040 МПа; σ=1110 МПа; δ=7,0 %; ψ=7,5%; при T=650°C: σ=860 МПа; σ=890 МПа; δ=13,0 %; ψ=25,0%. Недостатком данного способа являются высокие температуры деформации, приводящие к значительным энергозатратам и трудоемкости процесса, а также низкая прочность после термической обработки.
пп
пп
В
В
Известен способ проведения горячей деформации сплава на основе орторомбического алюминида титана для получения поковок [Патент РФ № RU 2 520 924 С1 от 27.06.2014 «Способ изготовления поковок дисков из сплава алюминия титана на основе орто – фазы»], заключающийся в многостадийной деформации слитка с подогревами выше, а затем и ниже температуры полиморфного превращения (Т) и последующей термической обработке. Кроме того, слиток подвергается предварительной высокотемпературной газостатической обработке выше температуры Т. Механические характеристики при T=20°C: σ~1200 МПа; δ=6-7 %; при T=650°C: σ~1000 МПа; δ=9-12 %. Недостатком данного способа являются высокие температуры деформации на начальных этапах, что приводит к повышению требований к штамповым материалам и дополнительным затратам на нагрев до более высоких температур.
Известен способ проведения горячей деформации сплава на основе орторомбического алюминида титана ВИТ1 [Патент РФ № RU 2 761 398 C1 от 08.12.2021 «Способ обработки прутков из орто-сплавов титана для получения лопаток компрессора газотурбинного двигателя» с целью повышения механических характеристик, который включает нагрев прутка до 1100°С, плющение со степенью деформации не менее 0,5, повторный нагрев до 1100°С и выдавливание заготовки в закрытом штампе с формированием поковки с замком и пером лопатки. Затем поковку нагревали до 1100°С, подвергали сначала черновой, а затем чистовой штамповке лопаток. После низкого отжига были получены следующие свойства при температуре 20°С: предел прочности σв =1230 МПа; относительное удлинение δ=20,5% и относительное сужение ψ=46,3%. Недостатком данного способа является высокая температура ковки и последующей штамповки, что существенно повышает требования к штамповым материалам и удорожает производство. Кроме того, отсутствуют данные о жаропрочных характеристиках полученного состояния, что не позволяет в полной мере оценить разработанный способ.
Задачей изобретения является обеспечение высокого комплекса механических характеристик заготовок лопаток газотурбинных двигателей из сплава на основе орторомбического алюминида титана, сочетающих в себе высокую прочность и жаропрочность при достаточном уровне низкотемпературной пластичности.
0,2
В
σ0,2
В
20
20
20
650
650
650
650
Технический результат – высокие механические свойства заготовок лопаток газотурбинных двигателей из сплава на основе орторомбического алюминида титана за счет использования предложенного режима изометрической штамповки с последующей термической обработкой: σ 20 =1050-1150 МПа; σ =1150-1400 МПа; δ =4-6 %; ψ =3-4%;  =1020 МПа; σ =1110 МПа; δ =5 %; ψ =3%;
Интерметаллидные сплавы на основе орторомбического алюминида титана обладают такими свойствами как высокая термическая стабильность, высокие удельные прочностные характеристики при достаточном уровне пластичности. Сочетание таких характеристик позволяет применять их в газотурбинных двигателях в качестве деталей с рабочей температурой до 650°С. Однако, сдерживающим фактором для применения данных сплавов является сложность обеспечения баланса между прочностью, пластичностью и вязкостью разрушения при комнатной и рабочей температуре. В данных сплавах в ходе кристаллизации формируются крупные зерна размером до нескольких миллиметров, что затрудняет пластическую деформацию и не позволяет реализовать весь потенциал материала. Хотя в ходе горячей прокатки микроструктура существенно измельчается, однако из-за узкого температурного интервала процесса не удается получить требуемую для обеспечения высокого комплекса свойств структуру. Термическая обработка также не дает возможности в полной мере улучшить механические свойства. Решением данной проблемы может быть применение сочетания изотермической штамповки и термической обработки, что позволяет помимо получения конечной формы изделия сформировать требуемую структуру в заготовках лопаток из интерметаллидных сплавов на основе орторомбического алюминида титана.
2
пп
пп
пп
Технический результат достигается тем, что сплав на основе орторомбического алюминида титана ВИТ1 подвергают деформационно-термической обработке горячекатаных заготовок. Температуру β↔α превращения (далее Т) определяют с помощью дифференциально сканирующей калориметрии. Заготовки подвергают предварительному нагреву до температуры выше Т на 0 - 100°С с выдержкой не менее 0,5 часа. Изотермическую штамповку заготовок лопаток проводят при температуре ниже Т на 50-200°С со степенью деформации от 50%. После чего заготовки подвергают двухстадийной термической обработке:
пп
- закалка с  температуры ниже Т  на 50-200°С, выдержка от 0,5 часа, охлаждают на воздухе;
пп
- старение при температуре ниже Т на 200-300°С, выдержка от 1 до 36 часов, охлаждают с печью.
Отличительной особенностью является.
пп
пп
2
Новизна и изобретательский уровень предложенного изобретения заключается в применении операции предварительной термической обработки деформированных заготовок сплава на основе орторомбического алюминида титана перед штамповкой, и проведении изотермической штамповки заготовок лопаток при температуре существенно ниже Т, где Т температура β↔α превращения. Такой подход позволяет получить более благоприятную для дальнейшей деформации рекристаллизованную структуру деформированных заготовок перед штамповкой, что в свою очередь обеспечивает высокий комплекс механических характеристик как при комнатной, так и при рабочих температурах сплава ВИТ1.
Изобретение охарактеризовано на следующих изображениях.
Фигура 1 – Микроструктура заготовки сплава ВИТ1 после деформационно-термической и термической обработки по режиму: отжиг T=1200°С, выдержка 0,5 часа охлаждение на воздухе; изотермическая штамповка при T=1000°С со степенью деформации 50%, нагрев до T=1000°С, выдержка 0,5 часа закалка на воздухе; старение при T=850°С, выдержка 6 часов (а - сканирующая электронная микроскопия, б - просвечивающая электронная микроскопия).
Фигура 2 – Таблица «Механические свойства сплава ВИТ1 после изотермической штамповки и термической обработки»
Возможность осуществления изобретения поясняется примерами технологического процесса изотермической штамповки заготовок лопаток из сплава на основе орторомбического алюминида титана ВИТ1. Механические испытания полученных сплавов проводили с использованием следующих установок: универсальная электромеханическая испытательная машина Instron 5882.
Пример 1.
Проведена деформационно-термическая обработка горячекатаных заготовок сплава ВИТ1 на основе орторомбического алюминида титана ВИТ1. Перед деформацией заготовки нагревали до T=1100°С и выдерживали 8 часов с последующим охлаждением на воздухе. Заготовки подвергали изотермической штамповке при 1000°С со степенью деформации 50%. После чего заготовки подвергали  термической обработке: закалка при  1000°С, выдержка 0,5 часа, охлаждение на воздухе; старение при 850°С, выдержка 6 часов. Результаты механических испытаний представлены в таблице на фигуре 2.
Пример 2.
Проведена деформационно-термическая обработка горячекатаных заготовок сплава ВИТ1 на основе орторомбического алюминида титана ВИТ1. Перед деформацией заготовки нагревали до T=1200°С и выдерживали 0,5 часа с последующим охлаждением на воздухе. Заготовки подвергали изотермической штамповке при 1000°С со степенью деформации 50%. После чего заготовки подвергали  термической обработке: закалка при 1000°С, выдержка 0,5 часа, охлаждение на воздухе; старение при 800°С, выдержка 6 часов. Полученная микроструктура заготовки представлена на фигуре 1. Результаты механических испытаний представлены в таблице на фигуре 2.
Пример 3.
Проведена деформационно-термическая обработка горячекатаных заготовок сплава ВИТ1 на основе орторомбического алюминида титана ВИТ1. Перед деформацией заготовки нагревали до T=1200°С и выдерживали 0,5 часа с последующим охлаждением на воздухе. Заготовки подвергали изотермической штамповке при 900°С со степенью деформации 50%. После чего заготовки подвергали  термической обработке: закалка  950°С, выдержка 0,5 часа, охлаждение на воздухе; старение при 800°С, выдержка 6 часов. Результаты механических испытаний представлены в таблице на фигуре 2.
Пример 4.
Проведена деформационно-термическая обработка горячекатаных заготовок сплава ВИТ1 на основе орторомбического алюминида титана ВИТ1. Перед деформацией заготовки нагревали до T=1200°С и выдерживали 0,5 часа с последующим охлаждением на воздухе. Заготовки подвергали изотермической штамповке при 1000°С со степенью деформации 50%. После чего заготовки подвергали  термической обработке: закалка при 950°С, выдержка 0,5 часа, охлаждение на воздухе; старение при 900°С, выдержка 1 час. Результаты механических испытаний представлены в таблице на фигуре 2.
Пример 5.
Проведена деформационно-термическая обработка горячекатаных заготовок сплава ВИТ1 на основе орторомбического алюминида титана ВИТ1. Перед деформацией заготовки нагревали до T=1100°С и выдерживали 1 час с последующим охлаждением на воздухе. Заготовки подвергали изотермической штамповке при 1000°С со степенью деформации 50%. После чего заготовки подвергались термической обработке: нагрев до 1100°С, выдержка 1 час, закалка на воздухе; старение при 800°С, выдержка 36 часов. Результаты механических испытаний представлены в таблице на фигуре 2.
0,2
В
0,2
В
20
20
20
20
650
650
650
650
Приведенные примеры подтверждают достижение заявленного технического результата изобретения, заключающегося в том, что предложенные режимы термической и деформационно-термической обработок, обеспечивают высокие механические свойства сплава на основе орторомбического алюминида титана ВИТ1 σ =1050-1150 МПа; σ =1150-1400 МПа; δ =4-6 %; ψ =3-4%; σ =1020 МПа; σ =1110 МПа; δ =5 %; ψ =3%;
Таким образом задача изобретения решается с применением предложенного способа изотермической штамповки и двухстадийной термической обработке на примере сплава ВИТ1.