СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОФИЛЬНЫХ ДИСКОВ МЕТОДОМ ГОРЯЧЕГО ИЗОСТАТИЧЕСКОГО ПРЕССОВАНИЯ
METHOD OF SHAPED DISCS MANUFACTURING BY THE HOT ISOSTATIC PRESSING METHOD

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к конструкциям профильных дисков с лопатками, получаемых методом горячего изостатического прессования мелких гранул, и может быть использовано в энергетическом машиностроении для изготовления роторных деталей насосов с повышенными эксплуатационными характеристиками в условиях высокоскоростного потока и перепада температур.
К профильным дискам с лопатками предъявляются требования: обеспечение работоспособности в условиях вибрации, различных (от криогенных до высоких) температур, перепада давлений, высокой скорости газового потока, агрессивности среды (окислитель или горючее).
2
3
Известен способ изготовления рабочих колес газовых турбин (дисков с лопастями или лопатками) методом горячего изостатического прессования металлического порошка из высокопрочного коррозионно-стойкого материала (US 5234661 A, B22F 5/04, 1993). Способ включает размещение в полости газонепроницаемой формы стержня, выполненного с каналами, имеющими профиль, соответствующий индивидуальным лопаткам или лопастям, заполнение полости порошком для соединения лопаток или лопастей как единой монолитной заготовки, ее горячее изостатическое прессование, удаление стержня и заготовки из формы механически или подрывом. Стержень изготавливают из гексагонального нитрида бора или графита с покрытием AlO.
Данный способ позволяет получить в материале рабочего колеса изотропные характеристики и мелкое зерно, однако не обеспечивает получение точно заданной геометрии каналов проточной части, а также достижения необходимых механических свойств при работе в высокотемпературной газовой среде.
Наиболее близким является способ изготовления рабочих колес газовых турбин методом горячего изостатического прессования гранул никелевого сплава, раскрытый в патенте RU 2169639 C2, 1998, - прототип. Способ включает горячее изостатическое прессование гранул никелевого сплава в газонепроницаемых формах с последующей термической обработкой, электроэрозионным прожитом рабочих лопаток и формированием проточной части, нанесением защитных никелевых и металлокерамических покрытий.
Данный способ позволяет получать рабочие колеса с мелкозернистой изотропной структурой, однако не исключает образования измененного слоя при проведении термической обработки совместно с формой и при прожиге лопаток, следствием чего является невозможность получения в конструкции тонких кромок лопаток и малых межлопаточных расстояний, обеспечивающих работоспособность турбины при высоких нагрузках.
Задача изобретения - создание профильных дисков с малыми (до 2 мм) межлопаточными каналами и тонкими (до 1 мм) кромками лопаток с мелкозернистой структурой и изотропными характеристиками, работоспособных в агрессивных средах при различных температурных режимах, условиях высокоскоростного потока среды и вибрации.
Задача решена за счет того, что в известном способе изготовления профильных дисков методом горячего изостатического прессования, основанном на горячем изостатическом прессовании гранул в газонепроницаемых формах с размещенными в них подкладными элементами, согласно изобретению, перед засыпкой гранул в форме размещают оформляющий профиль лопаток закладной элемент. После горячего изостатического прессования удаляют газонепроницаемую форму и закладной элемент, а затем выполняют термическую обработку.
Кроме того, для изготовления профильных дисков используют гранулы двух гранулометрических размеров: для подкладного элемента - размером до 500 мкм, для профильного диска - до 100 мкм.
К тому же, в процессе горячего изостатического прессования гранул в профильных дисках формируют тонкие кромки лопаток толщиной до 1 мм с межлопаточными расстояниями до 2 мм.
Способ согласно изобретению реализуют следующим образом.
Заготовку в форме профильного диска с лопатками изготавливают методом горячего изостатического прессования мелких гранул при высоких температуре и давлении инертного газа. Прессование выполняют в газонепроницаемых формах (капсулах). Гранулы получают методом распыления электрода, выполненного из сплава (никелевого или титанового) или из высоколегированных сталей, удовлетворяющих по уровню физико-механических характеристик. Горячее изостатическое прессование осуществляют в две стадии для получения неразъемного профильного диска. Сначала получают подкладной элемент (ступицу), при этом используют гранулы более крупной фракции (до 500 мкм). Затем для получения неразъемного профильного диска в газонепроницаемой форме размещают подкладной элемент, закладной элемент, оформляющий профиль лопаток, и засыпают полость гранулами размером менее 100 мкм. После выполнения горячего изостатического прессования в газостате удаляют форму и закладной элемент. Далее выполняют упрочняющую термическую обработку в вакуумных термических электропечах: - для никелевых сплавов путем закалки и последующего старения с обеспечением выделения γ'-фазы; - для титановых сплавов путем отжига; - для высоколегированных сталей путем закалки и отпуска. Затем осуществляют контроль механических свойств металла (прочности и пластичности, для никелевых сплавов дополнительно - длительной прочности). На окончательно готовые профильные диски наносят защитное покрытие (для никелевых сплавов и легированных сталей - никелевое с последующим отжигом; для титановых - серебряное или нитрид титана). В результате получают профильные диски, в которых обеспечены изотропные механические характеристики, мелкое равноосное зерно в тонком сечении лопаток до 50 мкм, профиль лопаток сформирован в процессе горячего изостатического прессования и кромка лопатки не превышает 1 мм, а межлопаточные расстояния - 2 мм.
Ниже приведены примеры осуществления данного способа, где на Фиг. 1 представлены: 1 - подкладной элемент, 2 - закладной элемент, 3 - нижняя полуформа, 4 - верхняя полуформа, 5 - стакан, 6 - крышка, 7 - гранулы.
Пример 1. В качестве исходного материала использованы гранулы дисперсионно-твердеющего никелевого сплава марки ЭП741НП, полученные методом центробежного распыления электрода из этого же сплава в инертной среде аргона с применением плазмотрона. Для получения подкладного элемента (ступицы) (1) использованы гранулы более крупной фракции - до 500 мкм. Для формирования профиля лопаток использован закладной элемент (2), выполненный с учетом усадок из низкоуглеродистой стали токарно-фрезерным и электроэрозионным способами.
В газонепроницаемой форме (3, 4, 5, 6) размещали подкладной (1) и закладной (2) элементы и засыпали полости мелкими гранулами (7) размером до 100 мкм.
2
Горячее изостатическое прессование выполнено в газостате в среде аргона при давлении до 1500 кгс/см и температуре до 1250°C.
Удаление формы и закладного элемента осуществляли механическим и химическим способами.
Упрочняющая термическая обработка выполнялась в вакуумных термических электропечах путем закалки и старения, обеспечивающего выделение γ'-фазы.
Для улучшения качества поверхности и повышения класса шероховатости межлопаточных каналов выполнена виброполировка керамическим абразивом.
Для защиты профильного диска от возгорания в условиях эксплуатации в высокотемпературной окислительной среде нанесено никелевое покрытие толщиной до 100 мкм с последующим вакуумным отжигом при температуре до 600°C.
Реализация указанного выше технологического решения позволила получить профильные диски, в которых свойства изотропны по всем направлениям, а механические характеристики соответствуют заданным требованиями при температурах 20 и 800°C.
Металлографические исследования выявили равноосное зерно, размер которого в зоне лопаток не превышает 50 мкм.
Лопатки в профильном диске сформированы в процессе горячего изостатического прессования, кромка лопаток не превышает 1 мм, а межлопаточные расстояния составляют в узком сечении 2 мм.
При проведении испытаний в высокотемпературной окислительной среде дефекты на профильном диске не выявлены.
2
Пример 2. При изготовлении профильного диска использовали те же приемы, что и в примере 1. Различие состоит в том, что в качестве исходного материала использованы гранулы титанового сплава марки ВТ6С, горячее изостатическое прессование выполнено в газостате в среде аргона при давлении до 1500 кгс/см и температуре до 1000°C, отжиг выполнялся при температуре до 800°C и для защиты профильного диска от агрессивного воздействия среды нанесено защитное покрытие нитрида титана толщиной 3-6 мкм.
В процессе испытаний в профильном диске получены изотропные механические свойства с соответствующими прочностными и пластическими характеристиками при 20°C.
По сечению лопаток размер зерна не превышает 50 мкм.
Лопатки в профильном диске сформированы в процессе горячего изостатического прессования, кромка лопаток не превышает 1 мм.
При проведении натурных испытаний в газообразном водороде на профильном диске дефекты не выявлены.
Таким образом, использование данного изобретения позволяет изготовить профильные диски с малыми (до 2 мм) межлопаточными каналами и тонкими (до 1 мм) кромками лопаток с мелкозернистой структурой и изотропными характеристиками, которые работоспособны в агрессивных средах при различных температурных режимах, условиях высокоскоростного потока среды и вибрации.