МОНОБЛОЧНАЯ ЗАГОТОВКА БЛИСКА

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к производству роторов газотурбинных двигателей (ГТД) в моноблоке дисков с лопатками - блиск из жаропрочных сплавов, и может быть использована в авиационной и энергетической промышленности.
Известны заготовки блисков из жаропрочных сплавов, имеющие лопаточную и дисковую зоны полученные выдавливанием лопаточной зоны в специальных керамических штампах, приваркой лопаток к дисковой зоне блиска, сваркой лопаточной и дисковой зон газостатическим изотермическим прессованием (патент РФ 2467177 МПК F01D 5/34, опубл. 20.11.2012. Бюл. №32).
Недостатком этих заготовок является высокая трудоемкость изготовления и наличие сварных соединений лопаток с диском.
Известна литая заготовка блиска из жаропрочного сплава (патент 6632299 США, опубл. 14.10.2003).
Недостатком литой заготовки блиска является ее пористость, особенно при литье никелевых жаропрочных сплавов, низкая вязкость разрушения и сопротивление усталостному разрушению.
пп
Наиболее близким аналогом является моноблочная заготовка блиска из жаропрочного титанового сплава, имеющая лопаточную и дисковую зоны, полученная обработкой исходной заготовки деформацией в β области при температуре Т+10-30°С, охлаждением, деформацией лопаточной зоны в α+β области в закрытом штампе с деформацией не менее 45% и термической обработкой изделия (патент РФ 2465367 МПК C22F 1/18, опубл. 27.10.12. Бюл. №30).
Недостатком указанной заготовки является высокая трудоемкость изготовления, необходимость изготовления и использования при штамповке специальных штампов, стойкость которых при штамповке жаропрочных титановых сплавов в α+β области низкая. Что приводит не только к необходимости частого восстановления лопаточной зоны штампа, но и к изменению размеров лопаток в блисках одной партии.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является устранение этих недостатков.
Изготовление предлагаемой моноблочной заготовки блиска не требует наличия специальных закрытых штампов для формовки лопаточной зоны диска с обязательным соблюдением термомеханических режимов деформации сплава в α+β области, что приводит к быстрому износу штампов и необходимости их замены новыми; так как именно в α+β области жаропрочные титановые сплавы обладают максимальным сопротивлением горячей деформации. Кроме того, в прототипе заготовка после штамповки обязательно подвергается механической обработке до чистовых размеров, как в лопаточной, так и дисковой зоне.
Все указанные выше недостатки в предлагаемой полезной модели отсутствуют.
Указанный технический результат достигается тем, что моноблочная заготовка блиска из жаропрочных сплавов, имеющая дисковую и лопаточную зоны, лопаточная зона заготовки выполнена из более жаропрочного сплава в виде кольца с толщиной стенки не менее ширины лопаточной зоны блиска, сваренной с его дисковой частью посредством вакуумно-дугового переплава (ВДП) в кольце электрода из менее жаропрочного сплава. При этом волокно лопаточной зоны заготовки ориентировано в радиальном направлении.
Выполнение лопаточной зоны блиска из более жаропрочного сплава необходимо потому, что зона лопаток в роторе ГТД является не только наиболее напряженной, но и подвергается нагреву до максимальных рабочих температур двигателя, как в компрессоре, так и турбине. Сварка кольцевой лопаточной зоны блиска с дисковой зоной при ВДП обеспечивает не только получение качественной моноблочной заготовки блиска, но за счет смешения химических составов сплавов лопаточной и дисковой зон, обеспечивается плавный переход одного состава в другой и соответственно такое же изменение структуры и механических свойств от одной зоны к другой.
Ориентировка волокна лопаточной зоны блиска в радиальном направлении обеспечивается в момент переплава в кольце электрода при вакуумно - дуговом переплаве и осадке исходной заготовки при ковке. Что обеспечивает максимальный уровень свойств лопаток вдоль пера.
Преимущество предлагаемой полезной модели по сравнению с другими доказано указанными выше фундаментальными исследованиями Лунева А.Н. и Курылева Д.В., которые показали, что на современном этапе развития технологии машиностроения наиболее экономически эффективным процессом изготовления блисков ГТД является процесс механической обработки моноблочных заготовок металлургического производства на станках с программным управлением.
Сущность предлагаемой полезной модели представлена на чертеже фиг. 1 где: указаны лопаточная и дисковая зоны заготовки и стрелками направление волокна в ее лопаточной зоне.
В качестве примера использования предлагаемой заготовки блиска может служить заготовка моноколеса компрессора низкого давления перспективного ГТД со следующими размерами:
Наружный диаметр заготовки 600 мм, внутренний диаметр 250 мм. При этом диаметр дисковой зоны 400 мм, высота заготовки блиска 100 мм. Ширина лопаточной зоны такой заготовки составит 100 мм.
По применяемой технологии такую заготовку блиска изготавливают из сплава ВТ8 штамповкой в торец предварительно прокованных мерных цилиндрических поковок в специальных штампах на уникальном гидравлическим прессе 750 МН. А после окончательной механической обработки блиска его лопаточная зона подвергается поверхностному пластическому деформированию с целью повышения усталостной прочности лопаток. Однако, в связи с тем, что жаропрочный титановый сплав ВТ8 (ВТ8-1) обладает высокой прочностью 930-1230 МПа, при относительном удлинении 7-9% и относительном сужении 19-30%, такое упрочнение может привести не только к снижению этих невысоких характеристик пластичности, но и к образованию микротрещин в поверхностном слое лопаток, что грозит усталостным разрушением лопаток по трещинообразованию (Петухов А.Н. Роль поверхностного слоя в формировании несущей способности и ресурса основных деталей ГТД и ЭУ // Авиационно - космическая техника и технология, 2009. №9(66) с. 68-72).
По предлагаемой полезной модели заготовки блиска, применительно к роторам компрессоров ГТД, лопаточную зону блиска изготавливают из сплава ВТ25У (рабочая температура 550°С), а дисковую - из сплава ВТ8 (рабочая температура 450°С) или ВТ6 (рабочая температура 350°С). У такого биметаллического блиска отпадает необходимость поверхностного пластического деформирования лопаток, так как его лопаточная зона изготовлена из более жаропрочного сплава с повышенными характеристиками длительной и усталостной прочности.
В нашем примере блиска компрессора низкого давления его дисковую зону изготавливали из сплава ВТ8, а лопаточную - ВТ25У.
Металлургическая технология изготовления таких заготовок включает следующие операции:
- выплавку полого слитка ВДП в виде трубной заготовки, из сплава В Т2 5 У (лопаточная зона).
- выплавку слитка ВДП и ковку из него электрода из сплава ВТ8;
- механическую обработку трубной заготовки и электрода;
- переплав электрода из сплава ВТ8 в трубной заготовке из сплава ВТ25У в печи ВДП с получением биметаллического слитка фиг. 2.
После получения указанного слитка его передел в поковки блисков производят по технологии металлургического завода поставщика с чередованием операций нагрева и ковки, включающего операции протяжки слитка в кованую штангу, резку штанги на мерные заготовки, осадку мерных заготовок до высоты поковки, отжиг поковок и их механическую обработку до размеров заготовки блиска. Отбор технологических проб и испытание механических свойств сплавов лопаточной и дисковой зон поковки. Радиальное направление волокна в лопаточной зоне блиска обеспечивается особенностями кристаллизации сплава трубной заготовки при ВДП и технологическими переходами при последующей ковке биметаллического слитка (Онищенко А.К., Беклемишев Н.Н. Теория промышленной ковки стали и сплавов. М.: Издательство «Спутник +», 2011. - 245 с.).
Таким образом, предлагаемая полезная модель обеспечивает достижение в блисках ГТД из жаропрочных сплавов не только моноблочности изготовления их дисковой и лопаточной зон, но и изготовление лопаток блиска из более жаропрочного сплава с повышенными характеристиками длительной и усталостной прочности. Тем самым увеличивает их ресурс работы в двигателе.