МНОГОСЛОЙНАЯ ТРУБНАЯ ЗАГОТОВКА ДЛЯ ФОРМОВКИ ДИСКА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области получения многослойных трубных заготовок, предназначенных для изготовления дисков газотурбинных двигателей (далее - ГТД).
Из уровня техники известна заготовка стакана для изготовления диска ГТД, путем раздачи и разворачивания стенки стакана в плоское кольцо (патент РФ №2374028, 27.11.2009), выбранная в качестве аналога.
Недостатком аналога является высокая трудоемкость изготовления с необходимостью использования специальных штампов и мощного прессового оборудования особенно при изготовлении дисков из трудно деформируемых жаропрочных сталей и сплавов. При этом после раздачи и разворачивания стенки стакана и окончательной термообработки диска переменная микроструктура с необходимыми физико-механическими свойствами по радиусу диска не образуются.
Из уровня техники известна биметаллическая трубная центробежно-литая заготовка со слоями, ориентированными по ширине (радиусу основания) трубной заготовки: наружным из стали 30 и внутренним из стали XI2 (патент РФ №2271258, 10.03.2006), выбранная в качестве аналога.
Недостатком аналога является высокая трудоемкость последующего формоизменения такой биметаллической трубной заготовки при изготовлении дисков ГТД, при этом при раздаче и развороте заготовки в плоский диск переменная микроструктура с необходимыми физико-механическими свойствами образуются только по толщине диска ГТД.
Из уровня техники известна многослойная трубная заготовка из разнородных свариваемых материалов (ОХНЗМФА - ЭП131 - 35Cu30Ni30Mn5Co), слои которых ориентированы по ширине (радиусу основания) трубной заготовки (патент РФ №2438842, 10.01.2012), выбранная в качестве наиболее близкого аналога (прототипа).
Недостатком прототипа является высокая трудоемкость и невозможность формоизменения заготовки осадкой в тонкостенный диск ГТД, а при раздаче и развороте такой заготовки переменные микроструктура образуются только по толщине диска ГТД.
Техническая проблема заключается в получении многослойной трубной заготовки под раздачу и разворот в плоский диск заготовки ГТД с последовательным расположением слоев по высоте заготовки.
Технический результат полезной модели заключается в повышении качества дисков ГТД путем получения многослойной трубной заготовки под раздачу и разворот в плоский диск заготовки ГТД с последовательным расположением слоев по высоте заготовки.
Технический результат заявленной полезной модели достигается тем, что слои трубной заготовки расположены друг над другом по высоте заготовки и выполнены из разных металлов и сплавов, преимущественно из жаропрочных сплавов.
Технический результат достигается также тем, что многослойная трубная заготовка состоит не менее чем из двух слоев жаропрочных никелевых или титановых сплавов.
Технический результат достигается также тем, что один из крайних слоев заготовки состоит из наиболее жаропрочного сплава.
Сущность заявленной полезной модели поясняется фиг. 1, на которой представлены положения многослойной трубной заготовки при формовке, а именно на операциях раздачи и разворота в плоский диск указанной заготовки. На фиг. 1 под позициями 1, 2, 3 указаны слои сплавов (металлов).
Заготовка по высоте состоит из трех слоев (1, 2, 3) различных сплавов (металлов). Расположение слоев в заготовке ориентировано так, что после ее раздачи и разворота слои 1, 2, и 3 должны соответствовать - ободу (слой 1), полотну (слой 2) и ступице (слой 3) заготовки диска ГТД. При этом слой 1 выполнен из сплава наиболее жаропрочного, так как обод диска при работе ГТД нагревается до наиболее высоких температур (650-850°С). Под высотой трубной заготовки - полого цилиндра, понимается расстояние, совпадающее с продольной осью трубной заготовки и перпендикулярное двум ее основаниям. При этом для понимания расположения слоев друг над другом по высоте трубной заготовки следует использовать следующую условную схему, где каждый из слоев 1, 2, 3, выполненных из разных жаропрочных сплавов, представляют из себя полые цилиндры, имеющие высоту, например h1, соответствующую слою 1, или высоту h2, соответствующую слою 2. Таким образом соединенные вместе слои 1, 2, 3, а именно полые цилиндры, образуют многослойную цилиндрическую трубную заготовку, имеющую высоту Н и состоящую из условных высот h1, h2, h3, соответствующих слоям указанной трубной заготовки.
Получение предлагаемых трубных заготовок из жаропрочных титановых и никелевых сплавов возможно несколькими способами:
1) последовательным переплавом (электрошлаковым, вакуумно-дуговым, электронно-дуговым) электрода переменного состава из сплавов, соответствующих заложенным требований к диску ГТД по его радиусу;
2) сваркой (плавлением, трением, давлением и др.) по торцам двух и более мерных трубных заготовок из различных сплавов.
При этом первый из способов является наиболее универсальным, применимым как к свариваемым, так и не свариваемым (наиболее жаропрочным сплавам (например - ЭП742ИД, ВТ18У, широко применяемых в настоящее время в современных ГТД).
В качестве примера изготовления многослойной трубной заготовки для формовки диска ГТД взят диск IX ступени компрессора высокого давления (далее - КВД). Диск КВД изготавливается из жаропрочного не свариваемого никелевого сплава ЭП742ИД. Плоская заготовка диска КВД имеет следующие размеры: диаметр наружный - 600 мм, диаметр внутренний - 130 мм, толщина - 40 мм. Известно, что в указанном сплаве после работы в ГТД около 500 часов снижаются ниже требований предел текучести и особенно сильно (на 40%) длительная прочность (жаропрочность).
На этом основании целесообразно использовать в этом случае двухслойную трубную заготовку диаметром наружным - 210 мм, внутренним - 130 мм и высотой (с учетом технологической пробы на образцы для испытаний механических свойств) - 300 мм. При этом слой высотой 200 мм состоит из сплава ЭП742ИД, а крайний слой высотой 100 мм - из сплава ЭК79 более жаропрочного. Формовка такой трубной заготовки путем раздачи и разворота в плоский диск позволит изготовить диск ГТД на ободе из сплава большей жаропрочности и более высоким пределом текучести.
Получение такой заготовки возможно на установке электрошлакового переплава плавлением электрода, составленного из указанных сплавов. При этом для достижения большей деформации литой заготовки при последующей горячей обработке толщина стенки трубы должна быть не 40, а 80 мм. Для обеспечения предварительной относительной деформации, равной 0,5. При этом с учетом деформации трубной заготовки при раздаче и развороте, суммарная деформация в зоне обода диска составит не менее 0,9 и поэтому указанные в таблице 1 свойства будут значительно выше.
Аналогичная трубная заготовка из жаропрочных титановых сплавов для диска VII ступени КВД с размерами плоской заготовки с наружным диаметром - 400 мм, внутренним - 95 мм и толщиной - 20 мм будет иметь следующие размеры: диаметр внутренний 95 мм, наружный 135 мм и высота 200 мм.
2
2
По высоте трубная заготовка состоит из трубы высотой 100 мм из сплава ВТ8 и 100 мм из сплава ВТ25 - более жаропрочного, формирующего зону обода и обеспечивающего повышение предела длительной прочности при 500°С с 45 кгс/мм до 60 кгс/мм.
Такая трубная заготовка может быть получена сваркой трением, широко применяемой в настоящее время для изготовления дисков типа - «блиск».
При раздаче и развороте такой трубной заготовки в плоский диск при температурах штамповки, зона сварки будет подвергаться интенсивным деформациям сдвига, что обеспечит еще большую прочность сварному соединению.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет изготавливать диски ГТД по принципиально новой технологии (в мировой практике неизвестной), обеспечивающей достижение не только переменных свойств по радиусу диска, но использовать для их производства не уникальное, большой мощности кузнечно-прессовое оборудование (прессы 30000-75000 тс и молоты 25 т) специализированных предприятий, а существующее кузнечнопрессовое оборудование машиностроительных и авиационных заводов, что, безусловно, приведет к снижению себестоимости данной дорогостоящей продукции.