СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ШТАМПОВАННЫХ ЗАГОТОВОК ОСОБОКРУПНОГАБАРИТНЫХ ЛОПАТОК ИЗ ДВУХФАЗНОГО ТИТАНОВОГО СПЛАВА
METHOD OF MANUFACTURING PUNCHED BILLETS OF CLOSE-LOADED BLADES FROM A TWO-PHASE TITANIUM ALLOY

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при изготовлении штампованных заготовок (штамповок) для особокрупногабаритных лопаток энергетических паровых турбин, суммарной длиной более 1100 мм, изготавливаемых из двухфазных титановых сплавов, например из сплава ВТ-6 (Ti-6Al-4V), а также и из иных труднодеформируемых титановых сплавов высокой прочности.
Штампованные заготовки, изготавливаемые из двухфазных титановых сплавов, имеют следующие конструктивные особенности:
- суммарная длина более 1100 мм;
- большая разница в толщине сечений между хвостом и пером лопатки;
- угол закрутки пера лопатки относительно хвостовика до 90°.
Известен способ изготовления штампованных заготовок особокрупногабаритных рабочих лопаток 5-й ступени цилиндра низкого давления (далее ЦНД) паровой турбины К-1000 из титанового сплава ТС-5 (Портал Металлический http://metallicheckiy-portal.ru/articles/obrabotka/shtampovka/texnol soxr metalla pri stampovke/nagrev zagotovok/kovka shampovka/20). Исходным материалом для производства штамповок являлись прутки (биллеты) диаметром 130 мм длиной 1010 мм. Предварительная деформация состояла из выполнения следующих операций:
1. Высадка мерных заготовок на горизонтально-ковочной машине усилием 2000 тонно-сил (далее ГКМ 2000) с целью получения максимального диаметра 180 мм в зоне, формирующей в дальнейшем хвостовик (замок) лопатки.
2. Ковка заготовок на радиально-ковочной машине до получения минимального диаметра 72 мм, формирующего в дальнейшем профиль штамповки в предбандажных сечениях, а также получения общей длины заготовки 1450 мм.
Каждая операция производилась после нагрева заготовок до температуры не более 1030°С (температура начала ковки, Тнк). Также в требованиях технологического процесса оговаривалась минимальная температура завершения деформации - 850°С (температура конца ковки, Ткк).
3. Окончательная деформация состояла из выполнения операций штамповки на молоте штамповочном, обрезки облоя на обрезном прессе и последующей правки в штампе на молоте штамповочном. Закрутку пера лопатки до угла 90° осуществляют совместно с операциями штамповки по всем переходам. Рабочие лопатки 5-й ступени ЦНД паровой турбины К-1000 из титанового сплава ТС-5 имели сравнительно небольшой ресурс стойкости. Преждевременный выход лопаток из титанового сплава ТС-5 из строя, как правило, обусловлен капельной эрозией входной кромки лопаток и разрушением в зоне бандажа. Важным свойством титанового сплава ВТ-6 (Ti-6Al-4V) является его повышенная эрозионная стойкость и износостойкость. Так, эрозионная стойкость упрочненных лопаток из титанового сплава ВТ-6 (Ti-6Al-4V) повышается в 1,5 раза, а износостойкость повышается в 1,5-4,3 раза по сравнению с лопатками из титанового сплава ТС-5 (Лисянский А.С. Разработка мощных паровых турбин для быстроходной энерготехнологии АЭС. Автореферат диссертации доктора технических наук 05.04.12. Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, СПб, 2014 г. URL: http://d1.unilib/neva/ru/d1/2/4398.pdf).
Этот способ является наиболее близким техническим решением к заявляемому способу и принят в качестве ближайшего аналога - прототипа.
Задача изобретения - предложение способа изготовления особокрупногабаритных турбинных лопаток из двухфазного титанового сплава, например ВТ-6 (Ti-6Al-4V) и других более прочных и более труднодеформируемых титановых сплавов с целью получения повышенных прочностных характеристик и оптимальной структуры штампованных заготовок.
Это достигается тем, что в способе изготовления штампованных заготовок особокрупногабаритных лопаток из двухфазного титанового сплава, включающем два перехода и окончательную штамповку на гидравлическом прессе или молоте штамповочном, обрезку облоя, окончательную закрутку пера лопатки в штампе и правку, в отличие от ближайшего аналога на первом переходе предварительной штамповки осуществляют закрутку пера лопатки на угол до 20°, на втором переходе предварительной штамповки перо лопатки закручивают до угла 45°, окончательную штамповку осуществляют с закруткой пера лопатки до угла 55°±10°, а окончательную закрутку пера лопатки производят до угла 90° перед правкой.
Для повышения ресурса стойкости рабочих лопаток 5-й ступени ЦНД паровой турбины К-1000 предложено изготавливать их, например, из титанового сплава ВТ-6 (Ti-6Al-4V), который имеет более высокую стойкость к эрозионному износу, чем титановый сплав ТС-5. Титановый сплав ВТ-6 (Ti-6Al-4V) имеет большую твердость по сравнению со сплавом ТС-5 и, как следствие, меньшую пластичность. В связи с этим стал актуальным вопрос стойкости штамповой оснастки. При штамповке лопаток из титанового сплава ВТ-6 (Ti-6Al-4V) по технологии ближайшего аналога-прототипа возникали огромные сдвигающие напряжения в штампах, что в значительной степени снижало стойкость и приводило к их разрушению. Поэтому было предложено разделить операции окончательной штамповки с операцией закрутки пера лопатки и уменьшить углы закрутки пера лопатки на предварительных операциях, что в большой степени снизило значения сдвигающих напряжений в штампах. Исследования специалистов ОАО «Концерн «Авента» показали, что оптимально осуществлять закрутку пера лопатки на первом и втором переходах предварительной штамповки соответственно до угла 20° и до угла 45°, а окончательную штамповку оптимально осуществлять с закруткой пера лопатки до угла 55°±10°. Перед правкой осуществляют окончательную закрутку пера лопатки до угла 90°, что позволяет до минимума снизить сдвигающие напряжения в штампе, так как штампованная заготовка не подвергается деформации, а площадь штамповки сформированного пера лопатки остается неизменной. Сдвигающие напряжения находятся в прямой зависимости от площади и степени деформации штамповки, угла закрутки пера лопатки и усилия деформирования, необходимого для проведения данной штамповочной операции. Изготовление особокрупногабаритных штампованных заготовок лопаток из титанового сплава ВТ-6 (Ti-6Al-4V), имеющих большую площадь штамповки по сравнению со штамповками рабочих лопаток 5-й ступени паровой турбины К-1000 потребует обязательного уменьшения углов закрутки пера лопатки по переходам штамповки и использования отдельного штампа для окончательной закрутки пера лопатки.
Конкретная реализация способа рассмотрена на примере изготовления особокрупногабаритной рабочей лопатки 5-й ступени паровой турбины К-1000 по предлагаемой технологии:
Исходная заготовка из титанового сплава ВТ-6 (Ti-6Al-4V) диаметром 170 мм и длиной 870 мм нагревалась до температуры начала деформации (Тнк), которая устанавливалась для каждой отдельно взятой плавки металла после определения его полиморфного превращения (Тпп).
Далее следуют следующие операции:
1. Заготовительная штамповка;
2. Предварительная штамповка без закрутки или с незначительной закруткой пера лопатки осуществлялась на угол до 20°;
3. Предварительная штамповка с углом закрутки между хвостом и пером до 45°;
4. Окончательная штамповка с углом закрутки между хвостом и пером до 55°±10°;
5. Обрезка облоя;
6. Закрутка в штампе пера лопатки до угла 90°;
7. Правка в окончательном штампе.
При увеличении площади пера лопатки, т.е. увеличении длины и (или) ширины пера лопатки угол закрутки по переходам штамповки уменьшается.