ЗАГОТОВКА ДИСКА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ИЗ ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА

Полезная модель относится к обработке металлов давлением, а именно к заготовкам дисков газотурбинного двигателя (ГТД) из жаропрочных никелевых сплавов и может быть использована в авиационной и энергетической промышленности.
Из уровня техники известна заготовка шестерни, выбранная в качестве аналога (авторское свидетельство СССР №50717, 31.09.1937), в которой волокно расположено в радиальном направлении.
Недостатком аналога является то, что расположение волокна только в радиальном направлении диска ГТД приводит к низкой прочности сплава в тангенциальном направлении - главном направлении действия максимальных растягивающих напряжений при работе ГТД.
Из уровня техники известна заготовка диска ГТД из высоколегированного жаропрочного сплава, выбранная в качестве аналога (авторское свидетельство СССР №867519, 30.09.1981). Заготовка диска ГТД получена из слитка вакуумно-дугового переплава, путем протяжки слитка с уковом и последующей осадки - штамповки в торец мерной заготовки.
Недостатком аналога является низкий уровень пластических и вязких свойств сплава по всем направлениям в диске ГТД.
Из уровня техники известна заготовка диска ГТД из жаропрочных никелевых сплавов, выбранная в качестве аналога (патент РФ 2583564, 10.05.2016). Заготовка диска ГТД получена из гранул сплава с последующим газостатическим прессованием гранул в капсуле и последующей деформацией гранульной заготовки в торец.
Недостатком аналога является высокая себестоимость ее изготовления, равнопрочность сплава по всем направлениям действия рабочих напряжений в диске, низкие пластические характеристики сплава.
Из уровня техники известна заготовка с расположением волокон вдоль контура изделия, выбранная в качестве аналога (Гуляев А.П. Металловедение. Учебник для вузов. М.: Металлургия, 1986, с. 49, рис. 37).
Недостатком аналога является то, что волокно изделия является запутанным и поэтому механические свойства этой заготовки равнопрочны по всем направлениям детали. Кроме того, волокно обнаруживается при макроконтроле по серному отпечатку, а так как содержание серы в жаропрочных сплавах не превышает 0,01%, то обнаружить расположение волокна в заготовке диска ГТД становится проблематичным.
Из уровня техники известна заготовка стакана для изготовления диска ГТД, путем раздачи и разворачивания стенки стакана в плоское кольцо (патент РФ №2374028, 27.11.2009), выбранная в качестве наиболее близкого аналога (прототипа). Изготовление диска ГТД осуществляют из исходной заготовки, в которой оси дендритов первого порядка расположены в тангенциальном направлении относительно оси исходной заготовки.
Недостатком прототипа является то, что тангенциальное ориентирование осей волокон дендритов в структуре материала недостаточно для улучшения механических и усталостных характеристик диска ГТД.
Техническая проблема, решаемая заявленной полезной моделью, заключается в недостаточности механических и усталостных характеристик дисков ГТД, возникающих в местах с наиболее максимальными растягивающими напряжениями (на полотне и ободе диска).
Технический результат заявленной полезной модели заключается в улучшении механических и усталостных характеристик дисков ГТД, действующих в местах с наиболее максимальными растягивающими напряжениями.
Технический результат заявленной полезной модели достигается тем, что заготовка диска газотурбинного двигателя выполнена из жаропрочного сплава, волокна которого образованы ветвями дендритов первого порядка, а оси волокон ориентированы в тангенциальном направлении относительно оси заготовки. При этом оси волокон имеют вид концентрических окружностей разного радиуса.
Технический результат достигается также тем, что волокна расположены равномерно и распределены по всей толщине диска.
Технический результат достигается также тем, что волокна расположены по контуру диска.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фиг. 1, на которой изображен диск ГТД в разрезе с расположением волокон. Жирными линиями обозначены контуры ступицы, полотна и обода заготовки диска ГТД, а тонкими линиями обозначены волокна, образованные ветвями дендритов I порядка слитка, при этом оси волокон имеют вид концентрической окружности (окружно-тангенциальный вид).
Из многочисленных исследований по исследованию механических свойств заготовок из различных сталей установлено, что комплекс максимальных механических свойств в заготовках из качественных легированных сталей, в том числе на роторах турбин и генераторов тепловых и атомных станций достигают в продольном направлении волокна материала заготовки. При этом наибольшая разница свойств вдоль и поперек волокна имеет место в характеристиках пластичности и вязкости, а также усталостной прочности.
Достаточно полно результаты этих исследований изложены в монографиях: Корнеев Н.И., Скугарев И.Г. Основы физико-химической теории обработки давлением. - М.: Машгиз, 1960. - 316 с. и Онищенко А.К., Беклемишев Н.Н. Теория промышленной ковки стали и сплавов. М.: Издательство «Спутник+», 2011. - 245 с.
В таблице 1 приведены данные по механическим свойствам заготовки ротора с диаметром бочки 1800 мм в продольном (вдоль волокна) и тангенциальном направлении (поперек волокна), изготовленной из слитка массой 235 тн.
На основе разработанной Онищенко А.К. теории мегапластической деформации рекомендован новый подход к проектированию технологических процессов ковки с учетом трансформации исходной макроструктуры слитка и достижения максимума физико-механических свойств в направлении действия максимальных рабочих напряжений в детали. На сверхчистых сталях для реакторов АЭС было показано, что волокно заготовки - это ветви дендритов I порядка слитка, наиболее крупные и прочные, в том числе в результате их образования на основе тугоплавких жаропрочных элементов - Cr, V, Mo, W, Nb, Со, Та и др. при начальной кристаллизации слитка. Поэтому эти особенности дендритной кристаллизации промышленных сплавов важно учитывать и применительно к заготовкам дисков ГТД, выплавку слитков для которых производят исключительно на сверхчистых шихтовых материалах. Кроме того, для дисков ГТД применяют тройной переплав исходных заготовок (индукционная плавка в вакууме и двойной вакуумно-дуговой переплав (ВДП). В результате таких переплавов и низкой теплопроводности жаропрочных никелевых сплавов крупные ветви I порядка дендритов слитка ВДП кристаллизуются в радиально-осевом направлении. Поэтому задачей последующей ковки-штамповки является их переориентация в тангенциальном-осевом направлении диска. Применение известных технологий ковки/штамповки в торец мерных цилиндрических заготовок, нарезаемых из предварительно полученной протяжкой (прокаткой или прессованием) из слитка поковки, приводит к получению в заготовке диска перепутанного волокна, обеспечивающего достижение однородных механических свойств в заготовке диска ГТД. При этом уровень этих свойств не максимален. Особенно с точки зрения усталостной и длительной прочности сплава, что крайне важно для дисков ГТД.
Кроме того, применяемые в настоящее время жаропрочные суперсплавы, с точки зрения теории легирования, являются «перелегированными» тугоплавкими и редкоземельными элементами. Что приводит к существенному снижению их пластических, вязких и усталостных характеристик. Поэтому для этих сплавов важно нахождение технологических приемов повышения этих свойств.
В качестве примера использования предлагаемой заготовки диска может служить заготовка диска ротора турбины перспективного авиационного двигателя, изготовленная из жаропрочного суперсплава Rene 41.
H
0
Заготовка диска с припусками на механическую обработку имеет следующие размеры: внешний диаметр диска - D=450 мм, диаметр ступицы диска - d=150 мм и толщина диска - h=100 мм. Масса заготовки диска - 135 кг.
С учетом особенностей технологии ковки масса слитка ВДП составит 154 кг, а размеры поковки - ∅215×500 мм.
Слиток ВДП диаметром 450 мм после нагрева до температуры 1170°С был передан на гидравлический пресс 2000 тс и протянут в вырезных бойках шириной 400 мм на диаметр 215 мм. После чего горячей резкой от кованой штанги были удалены прибыльная и донная часть слитка и проведена резка годной части штанги на мерные заготовки длиной 500 мм.
После повторного нагрева в печи до 1170°С мерные заготовки сначала обжали на плоских бойках пресса по диагонали высоты, сбили углы, осадили поперечной осадкой с 215 мм до 120 мм. Полученную пластину обкатали на диаметр 400 мм и выровняли по торцам.
Затем провели третий нагрев поковки до 1170°С, передали к прессу, провели прошивку отверстия 140 мм и осадку до высоты 105 мм. Скруглили на диаметр 460 мм и выровняли по торцам.
Готовую поковку передали в термический цех на отжиг.
Затем поковка была обработана предварительно механической обработкой и прошла полный цикл термической обработки (закалка+старение).
Испытания механических свойств у поставщика из технологических проб на двух заготовках дисков ГТД при температуре испытаний 20°С показали следующие данные по механическим свойствам; соответственно, вдоль (тангенциальное направление) и поперек (радиальное направление) волокна: предел прочности 1252 МПа и 1145 МПа; предел текучести 875Мпа и 873 МПа; относительное удлинение 30,0% и 16,0%; относительное сужение 32,8% и 18,2%. То есть при повышенных прочностных показателях вдоль волокна на этих заготовках дисков в тангенциальном направлении (направление действия максимальных растягивающих напряжений) были получены пластические характеристики в 2 раза большие, чем направлении радиальном.
Таким образом, предлагаемая полезная модель обеспечивает достижение максимального комплекса механических свойств жаропрочных сплавов в направлении действия наиболее опасных растягивающих напряжений в диске и позволяет технологическими приемами горячей обработки слитков повысить качественные характеристики жаропрочных сплавов для ГТД. Это особенно важно, ввиду высокой стоимости этих сплавов.