КОМПЛЕКТ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛОГО МЕХАНИЧЕСКОГО ИЗДЕЛИЯ СПОСОБОМ ДИФФУЗНОЙ СВАРКИ И СВЕРХПЛАСТИЧЕСКОЙ ФОРМОВКИ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАКОГО ИЗДЕЛИЯ
SET FOR MAKING MECHANICAL OBJECT THROUGH DIFFUSION WELDING AND SUPER PLASTIC MOULDING AND METHOD OF MAKING SUCH OBJECT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение охватывает комплект, позволяющий изготавливать полое механическое изделие способом диффузионной сварки и сверхпластической формовки, применение такого комплекта и способ изготовления полого механического изделия способом диффузионной сварки и сверхпластической формовки.
Более конкретно, изобретение относится к улучшению условий проведения этапа диффузионной сварки. Оно направлено, в частности, на предшествующее диффузионной сварке устранение всех источников загрязнения соединяемых поверхностей, включая остаточные продукты разложения антидиффузионных средств (т.е. средств, препятствующих диффузии и обозначаемых также термином «stop-off»).
Уровень техники
Известно, что принцип диффузионной сварки заключается в приведении в соприкосновение двух поверхностей из некоторого материала при высокой температуре, под определенным давлением и в течение определенного времени. Сварка этих двух поверхностей при этом осуществляется вследствие атомной диффузии, что дает преимущество образования связующей структуры, аналогичной собственной основной структуре материала.
Очевидно, что качество сварки зависит от рабочих параметров (температуры, давления и времени), а также от параметров, связанных с соединяемыми элементами, имеющими обычно форму пластин: металлургической структуры и состояния поверхности (ее чистоты и шероховатости). Следовательно, большое значение имеет устранение всех источников загрязнения соединяемых поверхностей перед применением высокой температуры на этапе диффузионной сварки.
Такая очистка поверхностей производится в общепринятых решениях путем помещения полости, образованной двумя соединяемыми поверхностями, в вакуум. Однако в случае диффузионной сварки, совмещенной со сверхпластической формовкой, используют антидиффузионные средства, называемые также «stop - off", предотвращающие диффузионную сварку тех участников данных поверхностей, которые впоследствии выдувают для образования полого механического изделия.
Средства этого типа состоят из связующего, обычно органического, вещества и порошка антидиффузионного вещества, например, керамического жаропрочного материала (например, оксида иттрия или оксида алюминия, или же нитрида бора или графита).
После нанесения антидиффузионного средства по заранее заданному рисунку, соответствующему участкам поверхностей, которые не должны быть соединены при диффузионной сварке, связующее вещество разлагается таким образом, что остается только порошок антидиффузионного вещества, состоящий из частиц, обладающих антиадгезионными свойствами и препятствующих диффузии атомов материалов свариваемых пластин.
В процессе этого разложения связующего вещества, происходящего под  воздействием температуры, составляющей, как правило, от 200°С до 400°С, образуются остаточные продукты, в частности, газообразные, которые могут в той или иной степени, в зависимости от их химического состава, загрязнять свариваемые поверхности.
Таким образом, необходимость удаления остаточных продуктов разложения антидиффузионного средства очевидна.
Следует отметить, что механическая прочность антидиффузионного средства после такого разложения значительно уменьшается, вследствие чего следует избегать перемещения и/или передвижения свариваемых деталей, а также создания возмущений внутри полости, т.к. они могут привести к распространению частиц антидиффузионного порошка на те участки свариваемых поверхностей, которые должны быть соединены способом диффузионной сварки.
В известных решениях эти остаточные продукты разложения устраняются путем откачки полости, образованной двумя соединяемыми поверхностями, до частичного вакуума.
Прелагалось также организовать циркуляцию в этой полости инертного газа, например, аргона, а затем откачивать эту полость до этапа собственно диффузионной сварки (патентный документ FR 2754478).
Такое решение относительно трудно в применении вследствие необходимости установки системы труб и соединений для циркуляции инертного газа и последующей откачки, причем эта система также представляет угрозу возможного образования течей и усложняет осуществление операции диффузионной сварки. Кроме того, такое решение позволяет обрабатывать одновременно лишь одну деталь, а откачка полости увеличивает время изготовления.
Следует также отметить, что, поскольку в процессе испарения связующих веществ механическая прочность антидиффузионного средства значительно ухудшается, поток инертного газа, циркулирующего в полости, может вызвать локальное распространение частиц антидиффузионного вещества по свариваемым поверхностям.
Наконец, следует отметить, что, несмотря на откачку полости в конце этапа разложения, опасность сохранения инертного газа в некоторых областях этой полости остается ненулевой, причем такие содержащие остаточный газ области могут препятствовать диффузионной сварке некоторых участков.
В патентных документах US 5484977 и US 5273202 предлагается также способ удаления остаточных продуктов разложения связующего вещества антидиффузионных средств, основанный на том, что устройство помещается в динамически откачиваемую камеру, т.е. в условия непрерывной откачки газов, образующихся при разложении связующего вещества.
В этом случае объемы, подвергаемые откачке, также затрудняют одновременную обработку нескольких деталей, на обработку затрачивается длительное время и требуется устройство вакуумной камеры больших размеров, использование которой связано со значительными трудностями.
Раскрытие изобретения
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании комплекта, позволяющего изготавливать полое механическое изделие способом диффузионной сварки и сверхпластической формовки, свободного от недостатков известных решений, но обеспечивающего удовлетворительным образом удаление остаточных газообразных продуктов разложения антидиффузионных средств («stop-off»), до начала этапа диффузионной сварки.
Для решения поставленной задачи в соответствии с настоящим изобретением предлагается комплект для изготовления полой механической детали способом диффузионной сварки и сверхпластической формовки, содержащий стопу из, по меньшей мере, двух заготовок, которые соединены по всей длине своих краев кроме участка, образующего окно. В результате заготовки попарно формируют полость, причем каждая из заготовок имеет, по меньшей мере, одну, обращенную к указанной полости поверхность, на которую нанесено, в соответствии с заданным рисунком, антидиффузионное средство. Данное средство содержит связующее вещество, способное к термическому разложению.
Комплект содержит также герметичный резервуар, образующий внутреннее пространство и открытую сторону. Данная сторона герметично соединена с окном стопы для обеспечения сообщения между внутренним пространством резервуара и полостью. Резервуар откачан до частичного вакуума, выполнен не подверженным деформации под воздействием температуры и давления, действующих при диффузионной сварке стопы. При этом он имеет такой объем, что при доведении устройства до температуры термического разложения связующего вещества газы, образующиеся в результате термического разложения связующего вещества, отводятся в резервуар.
Таким образом, подразумевается, что наличие резервуара, объем которого обеспечивает возможность отвода остаточных газообразных продуктов и который не подвержен деформациям при высоких температурах и высоких давлениях, обеспечивает удаление остаточных газообразных продуктов, образующихся при разложении связующего вещества, непосредственно в процессе повышения температуры, которое может иметь место на этапе, предшествующем проведению диффузионной сварки.
Также подразумевается, что такой комплект обладает значительной простотой использования благодаря тому, что в нем после соединения стопы деталей и резервуара не требуется ни использования внешней откачиваемой камеры, ни накачки или циркуляции газа.
Данное решение обладает также тем дополнительным преимуществом, что оно позволяет одновременно проводить стандартную операцию диффузионной сварки нескольких стоп, для которых была выполнена операция удаления остаточных газообразных продуктов, без разборки или изменения каждой стопы или каждого присоединенного к ней устройства.
В общем случае, комплект по настоящему изобретению обеспечивает крайне простой способ удаления остаточных газообразных продуктов одновременно с этапом разложения, осуществляемым путем доведения стопы деталей до температуры, обеспечивающей разложение связующего вещества, а именно, как правило, от 200°С до 400°С.
В предпочтительном варианте указанная стопа характеризуется тем, что изготавливаемая механическая деталь является полой лопаткой турбомашины, в частности, рабочей лопаткой вентилятора. В этом случае стопа содержит три заготовки, включая внешнюю заготовку, центральный лист и внутреннюю заготовку.
Действительно, настоящее изобретение особенно приспособлено для изготовления механической детали, получаемой из трех заготовок и представляющей собой полую лопатку турбомашины. Внешняя заготовка и внутренняя заготовка в этом варианте составляют в конечной детали, соответственно, наружную стенку и внутреннюю стенку пера лопатки, а центральный лист составляет в конечной детали усиливающую распорку. Эта усиливающая распорка расположена между наружной и внутренней стенками лопатки и приварена к этим двум стенкам на тех участках расположенных друг напротив друга поверхностей трех деталей, которые не были покрыты антидиффузионным средством.
Указанный резервуар предпочтительно выполнен из металлического сплава на основе никеля или кобальта.
Также в предпочтительном варианте указанный объем резервуара превышает объем полости, образованной стопой, в 10-100 раз.
Резервуар предпочтительно откачан до давления, составляющего от 0,01 до 0,1 Па, предпочтительно от 0,03 до 0,07 Па, а в оптимальном варианте - до давления, по существу, равного 0,05 Па.
Такой выбор уровней давления гарантирует эффект полного отвода остаточных газообразных продуктов на этапе разложения связующего вещества, осуществляемого при высокой температуре.
Настоящее изобретение также охватывает применение описанного комплекта для удаления остаточных газообразных продуктов, имеющихся в полости, разделяющей, по меньшей мере, две заготовки, соединяемые способом диффузионной сварки для получения полой механической детали посредством сверхпластической формовки.
Настоящее изобретение также охватывает способ изготовления полой механической детали методом диффузионной сварки и сверхпластической формовки, содержащий следующие этапы:
a) обеспечение, по меньшей мере, двух заготовок;
b) нанесение антидиффузионного средства в соответствии с заранее определенным рисунком на, по меньшей мере, одну поверхность в каждой паре устанавливаемых одна напротив другой поверхностей указанных заготовок;
c) обеспечение герметичного резервуара, имеющего открытую сторону и выполненного не подверженным деформации под воздействием температуры и давления, имеющих место при диффузионной сварке материала заготовок;
d) соединение заготовок по всей длине их краев за исключением участка, образующего окно, причем указанные заготовки образуют стопу и попарно формируют расположенные между ними полости, сообщающиеся с указанным окном;
e) помещение стопы и резервуара в камеру и откачка камеры с обеспечением откачки внутреннего объема резервуара до частичного вакуума;
f) осуществление герметичного соединения открытой стороны резервуара и окна стопы в откачанной камере с получением устройства, в котором обеспечивается сообщение между внутренним пространством резервуара и полостью;
g) нагревание камеры до температуры термического разложения связующего вещества, предпочтительно до 200-400°С, при отводе газа, образующегося в результате термического разложения связующего вещества, в резервуар;
h) нагревание камеры до температуры диффузионной сварки и увеличение давления до давления диффузионной сварки с обеспечением диффузионной сварки стопы под действием изостатического давления;
i) отделение резервуара от сваренной стопы;
j) помещение сваренной стопы в форму;
k) доведение указанной формы до температуры сверхпластичного формирования и инжекция в указанную полость через указанное окно инертного газа под давлением сверхпластической формовки, приводящие к раздуванию стопы и сверхпластической формовке, позволяющей получить заготовку механической детали.
В предпочтительном варианте осуществления указанные этапы (d) соединения заготовок и (f) герметичного соединения открытой стороны резервуара и окна стопы осуществляются методом электронно-лучевой сварки.
Кроме того, в предпочтительном варианте осуществления изобретения указанная откачка производится до давления от 0,01 до 0,1 Па, предпочтительно от 0,03 до 0,07 Па, а в оптимальном варианте - до давления, по существу, равного 0,05 Па.
Согласно предпочтительному применению способа по настоящему изобретению указанная механическая деталь является полой лопаткой турбомашины, в частности, рабочей лопаткой вентилятора, а указанная стопа содержит три заготовки, включая внешнюю заготовку, центральный лист и внутреннюю заготовку.
Краткое описание чертежей
Другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут ясны из нижеследующего подробного описания, приводимого для примера и содержащего ссылки на прилагаемые чертежи. На чертежах:
- фиг.1 схематически изображает в продольном разрезе комплект по настоящему изобретению;
- фиг.2 изображает в перспективе комплект по настоящему изобретению, применяемый для изготовления лопатки турбомашины;
- фиг.3 изображает в увеличенном виде продольный разрез части комплекта по фиг.2.
Осуществление изобретения
На фиг.1 изображен комплект 10 по настоящему изобретению, состоящий из расположенной слева стопы 12 деталей и расположенного справа резервуара 14.
Резервуар 14 герметичен и содержит открытую сторону 14а и внутреннее пространство 14b определенного объема.
Подразумевается, что этот резервуар 14 должен выдерживать давления и температуры, соответствующие значениям, характерным для этапа диффузионной сварки, т.е. температуры порядка 900-1000°С и давления порядка 4 МПа.
Для этого предусмотрено выполнение резервуара 14 из соответствующего материала, предпочтительно металлического сплава на основе никеля (например, IN100 или NK15CAT) или же на основе кобальта (например, MAR 509 или KC24NWTa), т.е. высокопрочного сплава.
Этот резервуар 14 может иметь общую форму прямоугольного параллелепипеда или любую другую форму и может также быть оборудован внутренними элементами жесткости (данный случай не представлен на чертежах), увеличивающими его сопротивление давлению, которому он подвергается на этапе диффузионной сварки.
Стопа 12 по фиг.1 соответствует первому варианту осуществления изобретения, в котором она состоит из первой заготовки 12а и второй заготовки 12b, образующих расположенную между ними полость 12с.
Эта стопа 12 формируется в результате того, что заготовки 12а и 12b, имеющие, по существу, форму пластин, соединяются по всей длине их краев, ограничивая, таким образом, расположенную между ними полость 12с.
Точнее, в ходе этого соединения края заготовок 12а и 12b не смыкаются только на участке, предназначенном для образования окна 12d, соединяющего внешнее пространство и полость 12с.
Как видно из фиг.1, части заготовок 12а и 12b, содержащие окно 12d, выполнены таким образом, чтобы обеспечить герметичное соединение между открытой стороной 14а резервуара 14 и окном 12d стопы 12.
Заготовки 12а и 12b выполнены из материалов, способных к сверхпластической формовке, например, из титана или титанового сплава, или же из содержащего титан композитного материала на металлической основе.
Соединение заготовок 12а и 12b, так же как и соединение резервуара 14 со стопой 12, может быть осуществлено при помощи различных видов сварки. В предпочтительном варианте эти два соединения осуществляются методом лазерной сварки или методом электронно-лучевой сварки.
-4
-4
-4
-4
-4
Эти два этапа сварки могут быть осуществлены последовательно, в одной и той же камере, откачанной до частичного вакуума, что должно обеспечить соответствующую откачку внутреннего пространства 14b резервуара 14 в процессе изготовления устройства 10. Такая откачка предпочтительно производится до значений давления от 0,01 до 0,1 Па, в предпочтительном варианте - от 0,03 до 0,07 Па, а в оптимальном варианте - до давления, равного 0,05 Па (т.е. от 1·10 миллибар до 10·10 миллибар, в предпочтительном варианте - от 3·10 до 7·10 миллибар, а в оптимальном варианте - до 5·10 миллибар).
Для обеспечения возможности отвода остаточных газообразных продуктов объем внутреннего пространства 14b резервуара 14 превышает объем полости 12с, образованной стопой 12, в 10-100 раз, а в предпочтительном варианте - в 50-100 раз.
Таким образом, подразумевается, что комплект 10 содержит внутреннюю структуру, в которой полость 12с имеет объем, гораздо меньший, чем внутреннее пространство 14b резервуара.
Именно эта разница в объемах позволяет производить отвод остаточных газообразных продуктов разложения антидиффузионных средств. Действительно, при доведении комплекта 10 до температуры термического разложения, составляющей от 200°С до 400°С, антидиффузионное средство разлагается вследствие разрушения связующего вещества. При этом образуются остаточные газообразные продукты, повышающие давление в полости 12с, причем это повышение давления компенсируется благодаря наличию внутреннего пространства 14b, изначально подвергнутого откачке, за счет отвода образовавшихся остаточных газообразных продуктов, происходящего вследствие равновесия давлений во внутреннем пространстве 14b и в полости 12с.
Поскольку этапы термического разложения связующего вещества и отвода остаточных газообразных продуктов в резервуар 14 проходят очень быстро, операция диффузионной сварки может быть проведена хорошо скоординированным образом и практически одновременно с ними.
Действительно, комплект 10, собранный вышеописанным способом, помещают в нагревательную камеру, температуру в которой повышают, причем термическое разложение происходит при достижении температуры, по меньшей мере, порядка 200°С.
Это повышение температуры продолжают до уровня 900°С; затем комплект подвергают в течение примерно 3 ч воздействию изостатического давления, равного 4 МПа, для осуществления диффузионной сварки заготовок 12а и 12b.
По технологии, известной самой по себе, перед сборкой стопы 12 устанавливаемые одна напротив другой поверхности заготовок 12а и 12b покрывают антидиффузионным средством (более конкретно, антидиффузионным средством покрывают одну из этих двух поверхностей, расположенных одна напротив другой, или обе эти поверхности). Покрытие наносят в соответствии с заранее определенным рисунком, например, методом сериграфии (трафаретной печати).
Таким образом, в соответствии с заранее определенным рисунком, сварка соответствующих поверхностей деталей 12а и 12b не осуществляется на участках, которые не должны быть соединены сваркой, для того, чтобы обеспечить возможность их выдувания при последующей сверхпластической формовке.
При этом подразумевается, что удаление остаточных газообразных продуктов термического разложения антидиффузионного средства осуществляется практически одновременно с диффузионной сваркой. Во всяком случае, нет необходимости осуществлять эти две операции в различных средах, т.к. опасность загрязнения свариваемых заготовок 12а и 12b частицами антидиффузионного средства на этапе диффузионной сварки отсутствует.
Кроме того, следует отметить, что, поскольку на этапе диффузионной сварки резервуар не повреждается, а сам резервуар удаляется перед этапом сверхпластической формовки, этот этап может быть проведен впоследствии на другой установке, совместно с другой стопой, сформированной с целью создания другой полой механической детали.
Рассмотрим теперь фиг.2 и 3, на которых изображен второй вариант осуществления комплекта по изобретению, соответствующий применению изобретения при изготовлении полой лопатки.
Как известно, в частности, в случае рабочих лопаток вентиляторов двухконтурных турбореактивных двигателей используют лопатки с большими хордами.
Такие лопатки должны соответствовать тяжелым условиям эксплуатации и, в частности, обладать достаточными механическими характеристиками, связанными с антивибрационными свойствами и сопротивляемостью ударам посторонних тел.
Кроме того, для достижения достаточных скоростей концов лопаток необходимо уменьшение их массы, каковая задача решается, в частности, путем использования полых лопаток.
На фиг.2 изображен комплект 10' по этому второму варианту осуществления, содержащий расположенный справа резервуар 14 и расположенную слева стопу 12' заготовок, предназначенную для формирования, посредством диффузионной сварки и сверхпластической формовки, полой лопатки турбомашины.
Как видно из представленного на фиг.3 более подробного изображения разреза части комплекта, резервуар 14 (слева) сходен с изображенным на фиг.1.
Однако стопа 12' (на фиг.3 справа) по этому второму варианту осуществления, напротив, отличается от стопы 12 по первому варианту осуществления, изображенному на фиг.1, тем, что содержит три заготовки 12а', 12b' и 12е'.
Точнее, первая заготовка 12а' и третья заготовка 12е' составляют, соответственно, внешнюю заготовку и внутреннюю заготовку, соединенные с резервуаром 14 при помощи расширенного участка, образующего хвостовик лопатки.
Вторая заготовка 12b', вставленная между первой заготовкой 12а' и третьей заготовкой 12е', образует центральный лист меньшей толщины, который впоследствии образует распорку, служащую элементом жесткости лопатки после сверхпластической формовки.
Эта стопа 12' ограничивает полость, состоящую из двух частей и содержащую первую полость, расположенную между первой заготовкой 12а' и второй заготовкой 12b', и вторую полость, расположенную между второй заготовкой 12b' и третьей заготовкой 12е'.
Для обеспечения герметичности полости, образованной первой и второй полостями 12с' и 12f, при сохранении ее сообщения с внутренним пространством 14b резервуара 14, как это показано на фиг.3, предусмотрено следующее.
Первая заготовка 12а', вторая заготовка 12b' и третья заготовка 12е' герметично соединены по всей длине своих краев (как показано, в частности, справа на фиг.3), за исключением участка, соответствующего окну 12d', открывающемуся в первую и вторую полости 12с' и 12f'.
На фиг.3 также видны различные участки, расположенные в соответствии с заранее определенным рисунком, на которых на внутреннюю поверхность первой заготовки 12а' и на внутреннюю поверхность третьей заготовки 12е' нанесено антидиффузионное средство 16.
Принцип сборки комплекта 10' и его использование для удаления остаточных газообразных продуктов путем термического разложения остаточных газообразных продуктов, имеющихся внутри стопы 12', совершенно аналогичны описанным выше в отношении первого варианта осуществления комплекта 10.