СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛОПАТОК ИЗ ДВУХФАЗНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
METHOD OF MANUFACTURING BLADES FROM TWO-PHASE TITANIUM ALLOYS

Предлагаемое изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано в двигателестроении при изготовлении бесприпусковых лопаток из двухфазных титановых сплавов.
Известен способ изготовления лопаток из титановых сплавов методом точной объемной штамповки, при котором выполняют фасонирование нагретой прутковой заготовки высадкой, предварительную штамповку с формирование хвостовика лопатки, и окончательную штамповку с формированием штамповки, максимально близкой к готовой детали (описание изобретения к патенту РФ №2355503, МПК B21J 5/02, В21К 3/04, В23Р 6/00, опубл. 20.05.2009 Бюл. №14).
Недостатками данного способа являются высокая трудоемкость и большой процент брака по геометрии профиля пера при изготовлении бесприпусковых лопаток из титановых сплавов по профилю пера проточной части полки хвостовика и радиуса перехода между ними. Это связано с тем, что металл после операций штамповки будет иметь большие внутренние напряжения, которые соответственно вызовут коробление штамповки.
Известен способ изготовления лопаток из двухфазных титановых сплавов, включающий изготовление фасонной заготовки, предварительную и окончательную объемную штамповку (описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №660770, МПК В21К 3/04, опубл. 05.05.1979, бюл. №17).
Недостатками данного способа являются низкое качество получаемых штамповок из-за раздельного формования центральной части пера и кромок пера лопатки, а также повышенное коробление пера лопатки, вызванное разницей внутренних напряжений между центральной частью и кромками пера лопатки. Высокая скорость деформирования на гидровинтовых прессах приводит к интенсивному внутреннему нагреву кромок пера.
Высокая степень деформации в зоне входной и выходной кромок пера лопатки и незначительная степень деформации в центральной зоне может привести к неравномерности структуры материала в данных зонах.
Недостатками данного способа является не возможность изготовления штамповок лопаток из двухфазовых α-β титановых сплавов, на которые распространяются требования DMF 90527-01, регламентирующие структурную допустимость по макро- и микроструктуре.
Наиболее близким к предлагаемому является способ изготовления лопаток из двухфазных титановых сплавов, включающий фасонирование заготовки в виде прутка и последующую объемную штамповку нагретой заготовки с формованием пера лопатки и его кромок за два перехода (описание изобретения к патенту РФ №2229952, B21J 5/00, В21К 3/04, опубл. 10.06.2004. Бюл. №16).
Способ изготовления лопаток из двухфазных титановых сплавов, включает по меньшей мере два перехода предварительной штамповки и окончательную штамповку, нагрев заготовки под каждый переход штамповки и охлаждение ее после каждого перехода, отличающийся тем, что нагрев заготовки под каждый переход предварительной штамповки осуществляют до температуры выше температуры начала полиморфного превращения, охлаждение заготовки после каждого перехода предварительной штамповки осуществляют до температуры ниже температуры конца полиморфного превращения, а окончательную штамповку производят в интервале температур начала полиморфного превращения и полного полиморфного превращения.
Недостатками данного способа является то, что при нагреве заготовок выше температуры полиморфного превращения происходит интенсивный рост зерна. При предварительной и окончательной штамповках с разными степенями деформации хвостовика и профиля пера из заготовок с исходной неравномерной степенью деформации после высадки (на высаженной голове на 40-60% и 0% на стержневой части) возникают линии интенсивного течения, которые являются основной причиной не возможности изготовления штамповок лопаток из двухфазовых α-β титановых сплавов по требованиям DMF 90527-01, регламентирующих структурную допустимость по макро- и микроструктуре с достижением структуры класса А и, в указанных конструкторской документациях местах, класса В.
Кроме того изготовление бесприпусковых лопаток из двухфазных титановых сплавов данным способом на электровинтовых прессах с получением требуемой макро- и микроструктуры является серьезным препятствием.
Технической задачей изобретения является создание способа изготовления лопаток из двухфазного титанового сплава, позволяющего получить во всех сечениях профиля пера лопатки требуемую структуру класса А и, в указанных конструкторской документацией местах, класса В.
Техническим результатом предлагаемого способа является обеспечение требуемой структурной однородности бесприпусковых лопаток из двухфазных титановых сплавов по макро- и микроструктуре, за счет деформационной проработки по всему профилю пера лопатки во всех сечениях профиля путем сочетания деформационных процессов первого и второго переходов выдавливания и двух переходов объемной штамповки.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления лопаток из двухфазных титановых сплавов, включающий фасонирование заготовки в виде прутка и последующую объемную штамповку нагретой заготовки с формованием пера лопатки и его кромок за два перехода, в отличие от известного, фасонирование заготовки выполняют выдавливанием за два перехода с коэффициентом выдавливания не более 4 на первом переходе и степенью деформации (30÷40)% по центральной части профиля от хвостовика к бобышке на втором переходе, обеспечивая одинаковую степень деформации по центральной части пера лопатки, а штамповку выполняют на первом переходе со степенью деформации (40÷50)% по профилю пера лопатки с обеспечением пропорционального припуска по сечениям профиля, а на втором переходе - со степенью деформации (25÷35)% по всем сечениям центральной части и на кромках пера лопатки.
Изобретение поясняется чертежами, на которых изображены: фиг. 1 - схема расположения сечений; фиг. 2 - схематический чертеж сечения. Способ осуществляется следующим образом.
Исходной заготовкой является пруток, размеры которого определяются исходя из размеров лопатки с учетом припусков по длине пера, припусков на хвостовик лопатки, на размерное травление и на облой, а также для формирования элементов базирования.
Заготовку нагревают до температуры штамповки титанового сплава и подвергают фасонированию выдавливанием с коэффициентом выдавливания в интервале не более  с последующей подсадкой выдавленного профиля от хвостовика к бобышке, обеспечивая максимально одинаковую степень деформации по центральной части профиля под первый переход штамповки. Фасонирование заготовки выполняют выдавливанием за два перехода: на первом переходе - с коэффициентом выдавливания не более 4 и на втором переходе со степенью деформации (30÷40)% по центральной части профиля от хвостовика к бобышке с обеспечением профильного осевого изгиба по длине пера лопатки.
Фасонирование выдавливанием проводят для предварительного формирования хвостовика с бобышкой, а, главное, нужной формы пера лопатки. Это позволяет осуществлять распределение металла по гравюре штампа при штамповке с доминирующей целью обеспечения расчетной степени деформации на первом переходе, а также для минимизации облоя по контуру рабочей гравюры штампа, повышения КИМ, уменьшения усилия штамповки и износа гравюры штампа, а также осуществления точного позиционирования заготовки в гравюре штампа, обеспечивая профильный осевой изгиб по длине пера лопатки.
Фасонирование выдавливанием с коэффициентом вытяжки К>4,0 не целесообразно, так как из-за больших деформаций выдавленного профиля возникает вероятность появления структурной неоднородности, которая не позволит получить на готовой штамповке требуемой структуры.
Степень деформации на втором переходе выдавливания менее 30% не позволяет подготовить необходимый профиль для достижения оптимальных деформаций на объемной штамповке, которая создает условия для получения требуемой структуры готового профиля.
Степень деформации на осадке второго перехода выдавливания более 40% не целесообразна из-за невозможности обеспечения необходимой проработки структуры на объемной штамповке профиля лопатки, так как только соблюдение сочетания структурной проработки по всей технологической штамповке позволяет на готовом профиле пера лопатки получить требуемую конструкторской документацией структуру.
Затем после выдавливания выполняют объемную штамповку предварительно смазанной и нагретой заготовки на электровинтовом прессе за два перехода.
На первом переходе заготовку штампуют со степенью деформации (40-50)% по профилю пера от хвостовика к бобышке на электровинтовом прессе, при пропорциональном припуске по сечениям профиля пера лопатки и вдоль профиля от хвостовика к бобышке. В этом случае степень деформации обеспечивается геометрическими высотными размерами профиля выдавленной заготовки после осадки на втором переходе выдавливания.
При степени деформации меньше 40% не обеспечатся геометрические размеры под расчетные размеры второго перехода штамповки, а это необходимо для достижения конструктивного профиля окончательной штамповки после второго перехода. При степени деформации больше 50% развивается структурная неоднородность в виде белой полосы, которая может сохраниться после второго перехода штамповки.
На втором переходе заготовку штампуют со степенью деформации (25-35)% с достижением равномерных степеней деформации по всем сечениям в центральной их части и на кромках профиля, что достигается за счет пропорциональности припуска по сечениям профиля пера лопатки и вдоль профиля от хвостовика к бобышке. Это обеспечивается расчетом геометрии гравюры первого перехода по отношению ко второму переходу.
При степени деформации менее 25%, в случае возникновения структурного дефекта после первого перехода штамповки, возможности исправить структуру не будет, так как при такой величине деформации не достаточно структурной проработки по сечению профиля, а при деформации более 35% создаются условия для возникновения новой структурной неоднородности.
В результате двух переходной объемной штамповки бесприпусковых лопаток с заданными степенями деформациии достигается требуемая структурная однородность при обеспечении высокой производительности способа, низкой трудоемкости и существенных затрат на оснастку.
Пример осуществления способа.
Исходная заготовка - пруток из титанового сплава TA6V, диаметром 18 мм и длиной 45 мм. При этом припуск на размерное травление составлял 0,15 мм на сторону и припуск на облой.
После нагрева заготовки до температуры 930±10°С выполняли выдавливание за два перехода, при этом на первом переходе выдавливали профиль пера, а на втором переходе изгибали и деформировали профиль заготовки с подсадкой хвостовика на двухкоординатном гидравлическом прессе усилием на ползуне 500 тс и 300 тс на боковых пуансонах в подогретых штампах до 200°С.
После обдувки, нанесения смазки, нагрева заготовки в печи при температуре 930±10°С осуществляли объемную штамповку на электровинтовом прессе в подогретых штампах до 300°С первого перехода штамповки со степенью деформации 45% и после обдувки, нанесения смазки, нагрева заготовки в печи при температуре 930±10°С осуществляли объемную штамповку на электровинтовом прессе в подогретых штампах до 300°С второго перехода штамповки со степенью деформации 30%.
Лопатки проверяли на состояние макро- и микроструктуры, которая регламентируется конструкторской документацией.
Для признания пригодности макроструктуры, имеющей светлые индикации в виде полос «линий сдвига», проверяют микроструктуру в соответствии с металлургическим требованиям для производства по металлографическому стандарту для лопаток из α и β титанового сплава (DMF 90527-01) на класс «А», «В» или «С».
Для сведения:
- класс «А» в микроструктуре материала допускается по всем поверхностям;
- класс «С» не допустим.
В соответствии с металлографическим стандартом допустимость микроструктуры класса «В» определяется в зависимости от зон на лопатках, где была выявлена индикация.
По металлографическому стандарту срезов на титановых лопатках в поле αβ (DMF 90519-01) для классов микроструктур разрешены допустимые области:
- для класса А допускается небольшое изменение структуры во всех областях профиля пера лопаток (Х-Х, Y-Y и Z-Z) по схеме расположения сечений (фиг. 1);
- для класса В допускается подслой, согласно схематическому чертежу сечения (фиг. 2), при этом сквозной дефект недопустим в любой области.
2
Далее после обрезки облоя осуществляют, например, размерное химическое травление альфированного слоя штамповки и ее вакуумную термообработку и изотермическую термофиксацию в нагретом штампе при температуре ниже вакуумной термообработки на 20-80°С с выдержкой под давлением от 2 кгс/см в течение не менее 3 минут.
Расчетная деформационная проработка по всему профилю пера штамповки во всех сечениях профиля позволяет получить требуемую структура класса А и, в указанных КД местах, класса В.
Изготовление же титановых лопаток из выдавленной заготовки за два перехода и объемная штамповка на механических прессах за два перехода в других границах степенной деформации приводит к недопустимой конструкторской документацией структуре, что показано в таблице по варианту штамповки первого перехода с 60% степенью деформации.
Проведенная работа позволила разработать таблицу прогнозирования получения требуемой макро- и микроструктуры в зависимости от конкретных технологических значений по степеням деформации разрабатываемого технологического процесса.
При двух переходной штамповке в оптимизированных степенях деформации (40-50)% на первом переходе при пропорциональном припуске для второго перехода со степенями деформации (25-35)% обеспечиваются благоприятные условия достижения требуемой структуры и весь процесс становится экономически целесообразным для внедрения его при штамповке титановых лопаток без припуска по профилю пера.
Для технологического процесса штамповки бесприпусковых лопаток из двухфазных титановых сплавов объемной штамповкой на электровинтовых прессах получение требуемой макро- и микроструктуры являлось серьезным препятствием. Теперь же по разработанной таблице получения структур и предложенному способу штамповки лопаток можно на этапе разработки технической документации предусматривать положительные результаты освоения процессов штамповки на конкретные лопатки.