ЛОПАТКА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ИЗ МАРТЕНСИТНО-ФЕРРИТНОЙ СТАЛИ

Предлагаемая полезная модель относится к изготовлению лопаток компрессоров газотурбинных двигателей (далее - ГТД) из сталей мартенситно-ферритного класса и может быть использована в авиационном и энергетическом машиностроении.
Из уровня техники известно широкое применение для лопаток компрессоров ГТД и стационарных энергетических установок сталей мартенситно-ферритного класса ЭИ268(14Х17Н2), ЭИ961 (13X11Н2 В2МФ) (см. Марочник сталей и сплавов, 2-е изд., доп. и испр. А.С. Зубченко, М.М. Колосков, Ю.В. Каширский и др. М.: Машиностроение, 2003. с. 278, 329).
2
Недостатком этих сталей является их двухфазное состояние (мартенсит + феррит). Поэтому на лопатках из этих сталей имеет место нестабильность свойств по объему детали и тем большая, чем больше в стали имеется ферритной составляющей. По исследованиям B.C. Малова, В.А. Васильева (Методы повышения ударной вязкости стали 14Х17Н2 в поперечном направлении деформации/Металловедение и термическая обработка металлов. - №3, 2012 г.) при содержании феррита в стали в пределах 15-47% ударная вязкость стали изменяется от 14 до 41,5 МДж/м, а предел текучести от 559 до 735 МПа.
Из уровня техники известна лопатка ГТД, принятая за аналог (патент РФ №118241, В21Н 7/16, опубл. 20.07.2012), включающая замковую и перьевую части, в которой перьевую часть лопатки подвергают поверхностному пластическому деформированию (далее - ППД).
Недостатком аналога является его неприменимость к лопаткам из мартенситно-ферритных сталей, так как ППД усилит еще большую нестабильность свойств в детали в виду различной склонности к упрочнению мартенсита и феррита.
Из уровня техники известна лопатка ГТД из сплава ЭП718, включающая замковую и перьевую части, у которой перьевая часть подвергнута холодной вальцовке, выбранная за наиболее близкий аналог (патент РФ №2256527, В21К 3/04, опубл. 20.07.2005).
Недостатком прототипа применительно к мартенситно-ферритным сталям является то, что после холодной вальцовки перьевой части лопатки структурная неоднородность и неоднородность механических свойств в ней только усилятся.
Техническая проблема, на решение которой направлена полезная модель, является нестабильность свойств (механических свойств, структурной неоднородность) лопатки ГТД из стали мартенситно-ферритного класса при поверхностном пластическом деформировании.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в снижении влияния ферритной составляющей стали мартенситно-ферритного класса в лопатках при их работе в ГТД и повышении усталостной прочности и ресурса работы двигателя в целом.
Технический результат заявленной полезной модели достигается тем, что лопатка газотурбинного двигателя, выполненная из мартенситно-ферритной класса с замковой и перьевой частями, имеет микроструктуру стали, ферритная составляющая которой в перьевой части ориентирована вдоль упомянутой перьевой части.
Технический результат достигается также тем, что лопатка выполнена выдавливанием мерной прутковой заготовки в очко матрицы с аэродинамическим профилем.
Технический результат достигается также тем, что лопатка выполнена поперечной осадкой мерной прутковой заготовки.
Технический результат достигается также тем, что лопатка выполнена осадкой мерной прутковой заготовки, совмещенной с закалкой стали.
Принципиальным отличием в данной полезной модели является ориентация феррита вдоль пера лопатки, так как при работе двигателя перо подвергается изгибающему и крутящему моменту. При поперечном расположении феррита в пере лопатки возможен изгиб и искажение формы лопаток двигателя, что может привести к нарушению его работы и поломке. В случае продольного расположения феррита в пере этого не произойдет.
Ориентация феррита вдоль пера лопатки возможна как поперечной осадкой прутковой заготовки, так и ее выдавливанием в очко матрицы. При этом вариант выдавливания является более предпочтительным, так как в этом случае ферритная фаза будет не только ориентирована вдоль пера лопатки, но и представлять собой «тонкие нити». То есть в объеме пера лопатки мартенситная матрица армирована тонкими нитями феррита. В этом случае совмещение горячего выдавливания с закалкой стали позволяет достичь максимального уровня свойств в детали, превышающих уровень, получаемый в лопатках в случае применения традиционной технологии термической обработки - двойной закалки и двойного отпуска.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется следующими иллюстрациями:
на фиг. 1 схематично представлена ориентация феррита в пере лопатки КВД по предлагаемой полезной модели;
на фиг. 2 представлены фотографии микроструктуры стали 14Х17Н2 (ЭИ268) лопаток КВД серийного двигателя в состоянии двойной закалки и двойного отпуска;
на фиг. 3 представлены фотографии микроструктуры стали 14Х17Н2 (ЭИ268) лопаток КВД серийного двигателя в состоянии совмещенных:
выдавливания - закалки и одинарного отпуска.
Как уже отмечалось выше, полезная модель предполагает обязательную ориентацию ферритной фазы вдоль пера лопатки (фиг. 1). Микроструктура фиг. 2 и 3 доказывают не только эффективность такой ориентации феррита, но и замены двойной закалки и двойного отпуска на режим высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО): выдавливание - закалка + одинарный отпуск.
В качестве примера использования предлагаемой полезной модели может служить лопатка ротора компрессора высокого давления из стали ЭИ268 (14Х17Н2) серийного ГТД, включающая замковую и перьевую части с длиной пера 30 мм, шириной 20 мм. При изготовлении таких лопаток по существующей технологии и требованиям ТУ, сводящихся только к твердости HRC 26…36, разброс показателей твердости составляет 20-30 HRC. Изготовление опытной партии лопаток КВД по предлагаемой модели позволило достичь показателей 30…35 HRC.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет не только повысить конструктивную прочность лопаток из мартенситно-ферритных сталей, но и снизить трудоемкость их последующей термообработки.