СПОСОБ ДИФФУЗИОННОЙ ПАЙКИ РОТОРА ГТД КОНСТРУКЦИИ "БЛИСК" ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ
METHOD OF DIFFUSION WELDING OF "BLISK"-TYPE GAB TURBINE ROTOR MADE FROM HEAT-PROOF NICKEL ALLOYS

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения, а именно к изготовлению ротора ГТД (газотурбинного двигателя) конструкции «блиск», выполненного из жаропрочных никелевых сплавов и предназначенного для перспективных газотурбинных двигателей.
Основным преимуществом конструкции «блиск» является возможность использования различных материалов для различных условий работы отдельных частей ротора конструкции «блиск». В процессе работы турбины лопатки находятся в высокотемпературном потоке продуктов сгорания топлива, а диски соприкасаются с газовым потоком только наружными поверхностями ободов при интенсивном отводе тепла от обода к ступице.
Для дисков применяются высокожаропрочные деформируемые никелевые сплавы, а для лопаток специально разработанные для них жаропрочные литые никелевые сплавы, включая монокристаллические. При этом сплавы для дисков уступают по жаропрочности литым сплавам при температурах работы лопаток, а сплавы для лопаток при рабочих температурах на ободе дисков имеют меньшую жаропрочность, чем сплавы для дисков. Тем самым достигается максимальная эффективность выбора материалов для конструкции «блиск», позволяющая снизить вес ротора турбины. Основной проблемой создания такой конструкции является обеспечение надежного соединения деталей из этих сплавов.
Известны способы изготовления ротора ГТД, в которых создание неразъемных соединений дисков с лопатками осуществляют электронно-лучевой сваркой, сваркой трением, горячим изостатическим прессованием, пайкой.
Известен способ получения ротора турбины из жаропрочных сплавов методом сварки плавлением с формированием многослойного шва в месте соединения лопатки и диска (патент Франции №2607045).
Известный способ не может обеспечить качественного соединения из-за возможности образования горячих сварочных трещин и значительного коробления после сварки.
Известен способ изготовления ротора ГТД, в котором лопаточный венец (лопатки замковой частью насаживаются на кольцо из мягкой стали с прорезями для размещения в них профилей лопаток) крепится на обод диска электроннолучевой сваркой с последующим горячим изостатическим прессованием (патент США №6095402).
Недостатком способа является то, что возможна значительная пластическая деформация соединяемых материалов в зоне контакта, что может привести к рекристаллизации монокристаллического материала при последующей термообработке и, как следствие, к снижению жаропрочности этого сплава. Кроме того, проблемой является точность размещения лопаток на диске и значительные местные нагревы диска при соединении каждой лопатки, приводящие к его короблению.
Известен способ изготовления ротора с лопаточным венцом из жаропрочного никелевого сплава. Соединение венца и диска осуществляют методом газостатического изотермического прессования (ГИП) при температуре 1220°С в течение 4 часов (Патент ЕР №0352408).
Существенным недостатком этого способа является невозможность при его использовании применения высокожаропрочных монокристаллических сплавов на никелевой основе, так как лопатки с такой структурой выращиваются при движении фронта кристаллизации снизу вверх вдоль лопаток, что невозможно при отливке венца с лопатками.
пр.
пр.
пр.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ диффузионной пайки ротора ГТД конструкции «блиск» из жаропрочных никелевых сплавов RU 2196672 С1, опубл. 20.01.2003, включающий установку замковой части лопатки, выполненной из жаропрочного литейного никелевого сплава с размером γ'-фазы 0,1-0,5 мкм в паз диска со сборочным зазором, выполненного из жаропрочного деформируемого никелевого сплава с размером зерна 5-15 мкм, и соединение их путем высокотемпературной пайки в интервале температур (tγ'-10°C)-(tγ'+30°С), где (tγ' - температура полного растворения γ'-фазы жаропрочного деформируемого сплава с последующей термической обработкой. Установку замковой части лопатки в паз диска осуществляют с регламентированным сборочным зазором, не превышающим 0,06 мм.
Недостатками прототипа являются сложность обеспечения сопряжения соединяемых деталей регламентированным сборочным зазором, не превышающим 0,06 мм, т.к. с одним диском должно соединяться большое количество лопаток, иногда более 100 штук. Кроме того, в тех случаях, когда зазор становится близким к нулю, например при тугой посадке, происходит незаполнение припоем зазора, то есть образование непропаев.
Технической задачей изобретения является создание способа диффузионной пайки ротора ГТД конструкции «блиск» из жаропрочных никелевых сплавов, гарантирующего заполнение припоем зазоров и позволяющего снизить трудоемкость при сохранении высокой прочности соединения.
пр.
пр.
пр.
Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен способ диффузионной пайки ротора ГТД конструкции «блиск» из жаропрочных никелевых сплавов, включающий установку замковой части лопатки, выполненной из жаропрочного литейного никелевого сплава, в паз диска, выполненного из жаропрочного деформируемого никелевого сплава, со сборочным зазором, диффузионную пайку соединения в интервале температур (tγ'-10°C)-(tγ'+30°С), где t γ' - температура полного растворения γ'-фазы жаропрочного деформируемого сплава с последующей термической обработкой, в котором сборочный зазор выполняют размером 0,1-0,25 мм и заполняют порошком из жаропрочного никелевого сплава с размером частиц 20-100 мкм, а перед диффузионной пайкой проводят спекание металлического порошка в сборочном зазоре.
Состав порошка жаропрочного никелевого сплава соответствует или близок составу одного из соединяемых материалов.
Размещение частиц порошка с определенным размером в регламентированном сборочном зазоре 0,1-0,25 мм, спекание частиц порошка между собой с соединяемыми поверхностями замковой части лопатки и пазами диска обеспечивает высокую прочность соединения, надежную фиксацию лопатки в процессе высокотемпературных нагревов, а также способствует гарантированному заполнению припоем зазоров, снижает трудоемкость процесса за счет снижения сложности обеспечения сопряжения соединяемых деталей.
Пример осуществления
10
Для практического осуществления изобретения были выплавлены следующие сплавы: для диска - жаропрочный деформируемый никелевый сплав ЭИ975ИД, для лопаток - литой жаропрочный монокристаллический никелевый сплав ЖС32, припой - ВПр36. Монокристаллический никелевый сплав ЖС32 с ориентацией [001]± получали методом направленной кристаллизации на установке УВНК8П с жидкометаллическим охлаждением. Дисковый сплав ЭИ975ИД получали методом вакуумно-индукционной выплавки с последующим вакуумно-дуговым переплавом и деформацией слитка.
Порошок из сплава ЭИ975 изготавливали центробежным распылением в вакууме.
Слитки припоя ВПр36 выплавляли методом вакуумно-индукционной плавки и затем изготавливали аморфную и микрокристаллическую ленту, которую перерабатывали в порошок.
Образцы для определения прочностных характеристик соединений изготавливали двух типов - стыковые и нахлесточные. Для изготовления стыковых образцов две цилиндрические заготовки из сплавов ЖС32 и ЭП975ИД диаметром 16 мм соединяли торцевыми поверхностями. Соединяемые поверхности шлифовали. Нахлесточные образцы, имитирующие соединения лопаток с дисками применительно к конструкции «блиск», изготавливали по типу втулка-цилиндр, имитируя соединение замка лопатки с пазом колеса. Зазоры на таких образцах задавали при механической обработке каждой пары соединяемых частей образца. Учитывая, что в конструкциях «блиск» материалом для лопатки является ЖС32, из него изготавливали образцы с цилиндрической рабочей частью, образцы с отверстиями изготавливали из сплава ЭП975ИД. Величина сборочного зазора между соединяемыми поверхностями стыковых и нахлесточных образцов составляла от 0,1-0,25 мм. В зазоры стыковых и нахлесточных образцов помещали порошок сплава ЭП975, размеры частиц которого находились в пределах 20-40 мкм. Собранные образцы вместе с помещенным в зазор порошком сплава ЭП975 спекали в вакуумной печи при температуре 1230°С с выдержкой 30 минут.
Диффузионную пайку производили припоем ВПр36 в вакуумной печи при температуре 1230°С с выдержкой при этой температуре 4 часа. Затем производили старение сплава ЭП975ИД.
В примере 2 порошок жаропрочного никелевого сплава соответствует составу сплава ЖС32, а пример 3 аналогичен примеру 1. Параметры способа приведены в таблицах 1, 2.
По данным таблиц 1 и 2 видно, что прочность соединений по предлагаемому способу, при заявленных величинах зазоров, соответствует прочности соединений прототипа.
В способе-прототипе затвердевание припоя в узком зазоре приводит к неполному заполнению зазоров при пайке соединений сплавов ЭП975ИД и ЖС32. В частности, при зазоре, близком к нулю, при пайке припоем ВПр36 соединений сплавов ЭП975ИД и ЖС32 образуются непропаи.
В предлагаемом способе спекшиеся частицы порошка в зазоре создают разветвленную капиллярную систему, которая обеспечивает гарантированное заполнение припоем зазоров. Металлографический анализ всех соединений после испытания их на прочность не выявил непропаев. При этом установлено отсутствие эвтектических структур в соединениях частиц порошка между собой и с основными материалами, что свидетельствует о том, что выполнена диффузионная пайка соединений.
Предлагаемый способ позволяет снизить требования к взаимной подгонке соединяемых деталей, облегчая и удешевляя процесс изготовления изделий. Применение конструкций «блиск» позволит существенно снизить вес изделия и увеличить его ресурс работы.
Таблица 1
Значения прочности паяных стыковых соединений сплавов ЭП975ИД и ЖС32.
№ п/п
Зазор, мм
Размер частиц порошка, мкм
σ<sup>20</sup>, кгс/мм<sup>2</sup>
Т исп., °С
σ, кгс/мм<sup>2</sup>
1
0,1-0,12
20-40
111
850
45
975
18
2
0,15-0,18
40-63
109
850
45
975
18
3
0,23-0,25
75-100
110
850
45
975
18
прототип
0,03-0,06
-
109
850
45
975
18
Таблица 2
Значения прочности паяных нахлесточных соединений сплавов ЭП975ИД и ЖС32.
№ п/п
Зазор, мм
Размер частиц порошка, мкм
σ<sup>20</sup>, кгс/мм<sup>2</sup>
Т исп., °С
σ, КГС/ММ<sup>2</sup>
1
0,1-0,12
20-40
123
850
45
975
18
2
0,15-0,18
40-63
120
850
45
975
18
3
0,23-0,25
75-100
115
850
45
975
18
прототип
0,03-0,06
-
116
850
45
975
18