ДЕТАЛЬ РАБОЧЕГО КОЛЕСА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
WORKING WHEEL PART AND METHOD OF ITS FABRICATION

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к заготовкам детали «Рабочее колесо». Заготовка детали «Рабочее колесо» применяется для изготовления деталей «Рабочее колесо», которые используются в условиях кратковременной эксплуатации при температуре до 750°С в изделиях топливной системы жидкостных ракетных двигателей.
К основным узлам и агрегатам ЖРД относятся: камера сгорания, система подачи компонентов из топливных баков в камеру сгорания, газогенератор, топливные магистрали и агрегаты автоматики. Подача компонентов топлива осуществляется турбонасосными агрегатами (ТНА). ТНА обычно состоит из 2-х насосов (горючего и окислителя) и приводящей их в действие турбины. В состав турбины входят: рабочее колесо, лопатки турбины, трубы подвода газа, подшипники скольжения, сопло турбины.
Рабочие колеса в зависимости от способа изготовления делятся: на сварно-штампованные и литые с лопатками. Специфические требования, которые предъявляются к различным конструкциям рабочих колес, следующие: точность посадочных мест должна соответствовать 7-12 классу точности, биение наружных посадочных мест относительно оси ротора и центральной выточки отверстия или шейки должно находиться в пределах 0,001-0,1 мм, максимальные дисбалансы не более 5° на длине в 100 мм, рабочие поверхности во избежание концентрации напряжений не должны иметь рисок и резких переходов. При изготовлении рабочих колес применяются жаропрочные никельсодержащие сплавы ЭИ481, ЭИ437Б. ЭИ617, ЖС6К, ЭП741НП и др. Форма дисков определяется из условия равнопрочности.
Главным достоинством сварных рабочих колес является изготовление их с минимальным шагом лопаток, а недостатком - высокая трудоемкость механической обработки замков лопаток к штампованного диска. Кроме того, при сварке изменяется положение лопаток в диске, что нарушает геометрию газового тракта и его стабильность. Литые рабочие колеса с лопатками по выплавляемым моделям позволяют значительно снизить трудоемкость изготовления.
Из уровня техники известна заготовка детали «Рабочее колесо», которую получают штамповкой в закрытых штампах или литьем по выплавляемым моделям за одно целое с лопатками. Штампованные заготовки с припуском на обработку 5-10 мм поставляются в отожженном или нормализованном состоянии. На поверхности заготовок рабочих колес не должно быть трещин, заковок, плен, инородных включений и других дефектов, нарушающих сплошность материала. В заготовках рабочих колес, выполненных методом литья по выплавляемым моделям, не допускается наличие литейных дефектов (пор, раковин, засоров, расслоений), являющихся концентратами напряжений. Некоторую часть заготовок от каждой плавки разрезают, чтобы исследовать внутреннее строение металла, что приводит к значительным потерям металла. Заготовки рабочих колес проверяют на сплошность материала ультразвуковым и рентгеноскопическим методами (Воробей В.В., Логинов В.Е. Технология производства жидкостных ракетных двигателей. Учебник. - М.: МАИ, 2001 г., с.17, 25, 405-408).
Для устранения вышеуказанных недостатков необходим принципиально новый подход в изготовлении заготовок детали «Рабочее колесо», который обеспечит новый уровень качества получаемых заготовок.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка способов изготовления детали «Рабочее колесо» из жаропрочного титанового сплава.
Техническим результатом при реализации изобретения является значительное улучшение весовых характеристик, обеспечение высокой прочности и сопротивление ползучести при центробежных действиях сил, практически полное отсутствие металлургических дефектов, получение однородной мелкозернистой структуры материала и вместе с тем обеспечение высокой жаростойкости при рабочей температуре до 750°С.
Способ изготовления детали рабочего колеса топливной системы жидкостных ракетных двигателей, выполненной в виде диска, включающий выплавку слитка из жаропрочного сплава, получение из слитка гранул, засыпку гранул в вакууме в капсулу, выполненную по форме диска, ее герметизацию и заваривание, горячее изостатическое прессование заготовки с выдержкой, разгерметизацию и обточку капсулы на токарном станке для удаления ее составных частей с получением детали с требуемыми геометрическими параметрами, отличающийся тем, что выплавляют слиток из жаропрочного титанового сплава, содержащего, мас.%: алюминий 5,0-7,5; цирконий 3,0-5,0; вольфрам - 0,5-7,5; гафний - 0,005-0,2; титан - остальное, гранулы получают сферической формы диаметром 40÷300 мкм, горячее изостатическое прессование проводят в газостате при давлении Р=150÷160 МПа и температуре Т=920±10°С в течение 2,5÷3,5 часов.
Деталь рабочего колеса топливной системы жидкостных ракетных двигателей, выполненная в виде диска, характеризующаяся тем, что она получена вышеупомянутым способом.
При определенном химическом составе эксплуатация детали «Рабочее колесо» возможна при температуре до 750°С.
Для экспериментальной проверки заготовки детали «Рабочее колесо» расплавленный жаропрочный титановый сплав заданного химического состава при следующем соотношении, мас.%:
Алюминий
7,3
Цирконий
3,0
Вольфрам
5,0
Гафний
0,01
Титан
Остальное
заливают в специальную форму (изложницу) для получения слитка-электрода цилиндрической формы. Затем полученный слиток-электрод для исключения биения при осевом вращении обтачивают на токарном станке. После чего обточенный слиток-электрод помещают в установку УЦР, где его расплавляют плазмой и раскручивают для получения сферических гранул. Далее расчетное количество сферических гранул отбирают и в вакууме засыпают в капсулу по форме диска, капсулу герметизируют и заваривают в вакууме. После чего сферические гранулы в капсуле подвергают горячему изостатическому прессованию (ГИП) в газостате. ГИП производят при давлении Р=155±5 МПа и температуре Т=920±10°С. Время выдержки 3 часа. После выдержки производят разгерметизацию и механическую обработку капсулы с целью удаления составных частей капсулы. При этом механическую обработку производят обточкой на токарном станке для придания требуемых (для заготовки рабочее колесо) геометрических параметров.
После проведения механических испытаний на образцах, вырезанных из заготовки детали «Рабочее колесо», были получены следующие механические свойства при различных температурах (см. таблицу). Испытания подтвердили основные достоинства изготовления заготовки детали «Рабочее колесо» при помощи ГИП - это отсутствие концентраторов напряжений и высокая пластичность материала.
№ п/п
Способ изготовления заготовки детали «Рабочее колесо»
Температура проведения испытаний, °С
Механические свойства
σ<sub>в</sub>
σ<sub>0,2</sub>
δ
Ψ
Длительная прочность
кгс/мм<sup>2</sup>
кгс/мм<sup>2</sup>
%
%
Время до разрушения, мин / нагрузка, кгс/мм<sup>2</sup>
1
2
3
4
5
6
7
8
1
Заявляемый способ
20
140,3
122,2
11,3
20,5
-
2
650
70,1
65,6
15,2
65,6
410/40
3
750
48,5
39,0
16,0
70,2
32/22
Таким образом, заявляемое изобретение обеспечивает устранение недостатков заготовок деталей «Рабочее колесо», получаемых традиционными способами изготовления, указанными в разделе описания заявки «Уровень техники».
Изобретение обеспечивает повышение механической прочности и надежности работы заготовки детали «Рабочее колесо» и, как следствие, самого рабочего колеса в условиях кратковременной эксплуатации при температуре до 750°С.
При этом достигается значительное повышение коэффициента использования металла (КИМ).
Значительное снижение массы детали «Рабочее колесо» происходит за счет замены никельсодержащих сплавов на титановый жаропрочный сплав.