Способ получения изделия конструкции "блиск" из жаропрочных титановых сплавов



Способ получения изделия конструкции "блиск" из жаропрочных титановых сплавов
Способ получения изделия конструкции "блиск" из жаропрочных титановых сплавов

 


Владельцы патента RU 2465367:

Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU)

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам получения изделий из жаропрочных титановых сплавов, и может найти применение в авиационной промышленности, а также энергетическом машиностроении в качестве конструкции «блиск» газотурбинных двигателей ГТД. Заявлен способ получения изделия конструкции «блиск» из жаропрочных титановых сплавов, имеющих лопаточную и дисковую зоны. Способ включает обработку исходной заготовки деформацией в β-области, охлаждение, деформацию лопаточной зоны в (α+β)-области и термическую обработку изделия. Деформацию в β-области проводят при температуре Тпп+(10÷30)°С в закрытом штампе выдавливанием металла из дисковой зоны в лопаточную со степенью деформации не менее 50%, с получением профилированной заготовки. Деформацию лопаточной зоны в (α+β)-области проводят со степенью деформации не менее 45%. Технический результат - получение изделия конструкции «блиск» с высоким коэффициентм использования металла, формирование в дисковой зоне изделия пластинчатой рекристаллизованной микроструктуры с размером β-зерна 50-150 мкм, а в лопаточной зоне - глобулярно-пластинчатой структуры с долей глобулярной α-фазы не менее 60%, обеспечивающих оптимальный уровень механических свойств. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл., 4 пр.

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам получения изделий из жаропрочных деформированных титановых сплавов, и может найти применение в авиационной промышленности, а также энергетическом машиностроении в качестве конструкции «блиск» газотурбинных двигателей (ГТД).

Конструкция «блиск» предусматривает изготовление дисков компрессора высокого давления (КВД) за счет неразъемного соединения диска и лопаток. При производстве изделий конструкции «блиск» из жаропрочных титановых сплавов важнейшими научно-практическими задачами являются получение регламентированной структуры, фазового состава, высокого и стабильного уровня механических и эксплуатационных свойств в различных зонах заготовок. При этом структура диска и лопаток различна. Пластинчатая рекристаллизованная структура диска должна обеспечивать высокие значения вязкости разрушения, а глобулярная или бимодальная структура лопаток - высокую усталостную прочность.

Известен способ получения изделия конструкции «блиск», включающий отдельное изготовление диска и лопаток с оптимальной структурой и последующее их неразъемное соединение методом лазерной сварки, сварки в защитной атмосфере или сварки трением (патенты США №7341431, 5038014, 6095402).

Заготовка, изготовленная по известному способу, не является монолитной, что может привести к разрушению по границе раздела диска и лопатки. Известный способ также требует использования дорогостоящего сварочного оборудования.

Известен способ получения изделия конструкции «блиск» без границ раздела между диском и лопатками. Способ включает получение отдельно деформированных заготовок диска и лопаток с оптимальной структурой и их диффузионную сварку в газостате (горячим изостатическим прессованием) с использованием порошковой присадки из того же материала (патент №ЕР1859889).

Известный способ требует использования уникального оборудования (газостата) и является очень трудоемким в связи с необходимостью изготовления сложнопрофильной капсулы и последующего ее удаления с изделия.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению и взятым за прототип является способ получения изделия конструкции «блиск» из жаропрочных титановых сплавов, включающий обработку исходной заготовки деформацией в β-области со степенью деформации 20-40% в открытом штампе или термической обработкой в β-области в течение 1 часа, ускоренное охлаждение, нагрев до температуры (α+β)-области, деформацию периферийной (лопаточной) зоны при температуре (α+β)-области со степенью деформации 20-40% с получением изделия с толщиной лопаточной зоны меньшей или равной толщине дисковой зоны заготовки и термическую обработку изделия (патент США №6110302).

Недостатками способа-прототипа является то, что структура в дисковой и лопаточной зонах изделия «блиск» не является оптимальной. В дисковой зоне формируется очень крупная структура (в случае термической обработки при температурах β-области), что приводит к снижению пластичности материала. При обработке исходной заготовки деформацией в β-области формируется структура с вытянутыми границами зерен, ориентированными в направлении наиболее вероятного распространения трещины, снижающая вязкость разрушения.

Оптимальной структурой для лопаток и лопаточной зоны изделия «блиск» является глобулярная или бимодальная структура, однако в лопаточной зоне формируется в основном пластинчатая структура с небольшой долей глобулярной α-фазы, не обеспечивающая получение необходимой усталостной прочности и пластичности.

Изделия, полученные по способу-прототипу, имеют низкий коэффициент использования металла (КИМ), так как требуют механической обработки с удалением значительной части металла в дисковой зоне.

Технической задачей изобретения является создание способа получения изделия конструкции «блиск» из жаропрочных титановых сплавов, обеспечивающего повышение коэффициента использования металла, формирование в дисковой зоне изделия пластинчатой рекристаллизованной микроструктуры с размером β-зерна 50-150 мкм, а в лопаточной зоне - глобулярно-пластинчатой структуры с долей глобулярной α-фазы не менее 60%, обеспечивающих оптимальный уровень механических свойств.

Для достижения поставленной задачи предложен способ получения изделия конструкции «блиск» из жаропрочных титановых сплавов, имеющих лопаточную и дисковую зоны, включающий обработку исходной заготовки деформацией в β-области, охлаждение, деформацию лопаточной зоны в (α+β)-области и термическую обработку изделия, в котором деформацию в β-области проводят при температуре Тпп+(10÷30)°С в закрытом штампе выдавливанием металла из дисковой зоны в лопаточную со степенью деформации не менее 50%, с получением профилированной заготовки, а деформацию лопаточной зоны в (α+β)-области проводят со степенью деформации не менее 45%.

Перед деформацией в β-области проводят предварительную деформацию исходной заготовки в (α+β)-области со скоростью деформации 2,0-4,0 мм/с и степенью деформации не менее 40% с последующим нагревом под деформацию в β-области в течение не более 30 мин.

Деформация в β-области при температуре Тпп+(10÷30)°С в закрытом штампе, выдавливанием металла из дисковой зоны в лопаточную зону заготовки позволяет получить профилированную заготовку с тонкой дисковой зоной и проводить охлаждение на воздухе (без ускоренного охлаждения) с получением микроструктуры с размером β-зерна 50-150 мкм и повысить КИМ по сравнению со способом-прототипом.

Предварительная деформация в (α+β)-области со скоростью деформации 2,0-4,0 мм/с и степенью деформации не менее 40%, позволяет проводить нагрев заготовки в течение не более 30 мин и при последующей деформации в β-области при температуре Тпп+(10÷30)°С со степенью деформации не менее 50% позволяет получить пластинчатую рекристаллизованную структуру с размером β-зерна 50-150 мкм.

Деформация по предлагаемым режимам обеспечивает по сравнению со способом-прототипом получение более мелкой структуры в дисковой зоне изделия и соответственно повышение механических свойств.

Деформация в (α+β)-области лопаточной зоны изделия со степенью деформации не менее 45% позволяет получать глобулярно-пластинчатую структуру с долей глобулярной α-фазы не менее 60%.

Деформация по предлагаемым режимам обеспечивает по сравнению со способом-прототипом увеличение в лопаточной зоне изделия доли глобулярной α-фазы.

Схема деформации согласно предлагаемому способу представлена на фиг.1.

Примеры осуществления

Пример 1.

Для осуществления способа выбран жаропрочный титановый сплав ВТ18У (Тпп=1020°С), из которого изготовлено изделие конструкции «блиск» диаметром 250 мм.

В качестве исходной заготовки использовали деформированный пруток диаметром 100 мм с размером β-зерна 250 мкм.

Предварительную деформацию в (α+β)-области проводили свободной осадкой при температуре 990°С со скоростью деформации 2,0 мм/с и степенью деформации 40%.

Нагрев заготовки после предварительной деформации до температуры деформации в β-области проводили путем переноса заготовки в печь сразу после предварительной деформации. Время нагрева составило 12 минут.

Деформацию в β-области проводили при температуре 1030°С (Тпп+10°С) в закрытом штампе выдавливанием металла из дисковой зоны в лопаточную зону заготовки с получением профилированной заготовки. Охлаждение заготовки проводили на воздухе.

В образце, вырезанном из дисковой зоны профилированной заготовки, размер зерна составил 100 мкм.

Деформацию лопаточной зоны проводили в (α+β)-области при температуре 990°С (Тпп-30°С) со степенью деформации 45% в кольцевом штампе. В лопаточной зоне изделия была получена глобулярно-пластинчатая структура с долей глобулярной α-фазы 70%.

Режимы предлагаемого способа и механические свойства изделий конструкции «блиск» приведены в таблице.

Коэффициент использования металла (КИМ) в полученном изделии составил 0,5 при сохранении оптимального уровня механических свойств.

Примеры 2 и 3 для сплавов ВТ25У и ВТ8-1 соответственно были выполнены аналогично примеру 1 по режимам, приведенным в таблице.

Пример 4 (способ-прототип).

Для осуществления способа-прототипа выбран жаропрочный титановый сплав ВТ8-1 (аналог Ti17) (Тпп=1000°С), из которого изготовлено изделие конструкции «блиск» диаметром 250 мм.

В качестве исходной заготовки использовали деформированный пруток диаметром 120 мм с размером β-зерна 250 мкм.

Нагрев заготовки до температуры 1080°С (Тпп+80°С) проводили в течение 1 часа.

Деформацию в β-области проводили при температуре 1080°С свободной осадкой. Охлаждение заготовки проводили ускоренно при обдувке вентилятором.

В образце, вырезанном из дисковой зоны заготовки, размер зерна составил 250 мкм.

Деформацию лопаточной зоны проводили в (α+β)-области при температуре 970°С (Тпп-30°С) со степенью деформации 40% в кольцевом штампе. В лопаточной зоне изделия сформировалась глобулярно-пластинчатая структура с долей глобулярной α-фазы 30%.

Коэффициент использования металла (КИМ) в полученной заготовке составил 0,2.

Сравнительный анализ предлагаемого способа получения изделия конструкции «блиск» из жаропрочных титановых сплавов со способом-прототипом показал, что предлагаемый способ позволяет повысить КИМ в 2-2,5 раза, а также обеспечивает формирование оптимальной структуры в дисковой и лопаточной зоне изделия, в частности получение пластинчатой рекристаллизованной микроструктуры с размером β-зерна 50-150 мкм материала в дисковой зоне изделия и глобулярно-пластинчатой структуры материала с долей глобулярной α-фазы 60-80% в лопаточной зоне изделия, что позволяет повысить механические свойства изделия по сравнению со способом-прототипом: в дисковой зоне ударная вязкость материала (KCU) увеличилась на 20%, относительное удлинение (δ) увеличилось на 25%, в лопаточной зоне усталостная прочность материала (σ-1) повысилась на 10%, относительное удлинение увеличилось на 35%.

При использовании предлагаемого способа повысятся надежность и ресурс изделий конструкции «блиск» компрессора высокого давления ГТД.

1. Способ получения изделия конструкции «блиск» из жаропрочных титановых сплавов, имеющих лопаточную и дисковую зоны, включающий обработку исходной заготовки деформацией в β-области, охлаждение, деформацию лопаточной зоны в (α+β)-области, термическую обработку изделия, отличающийся тем, что деформацию в β-области проводят при температуре Тпп+(10÷30)°С в закрытом штампе выдавливанием металла из дисковой зоны в лопаточную со степенью деформации не менее 50%, с получением профилированной заготовки, а деформацию лопаточной зоны в (α+β)-области проводят со степенью деформации не менее 45%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед деформацией в β-области проводят предварительную деформацию исходной заготовки в (α+β)-области со скоростью деформации 2,0-4,0 мм/с и степенью деформации не менее 40% с последующим нагревом под деформацию в β-области в течение не более 30 мин.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области металлургии, в частности к термической обработке высокопрочных ( + )-титановых сплавов, и может быть использовано в авиакосмической технике при изготовлении силовых деталей конструкций.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к титановым сплавам с высокой коррозионной стойкостью. .
Изобретение относится к деформационно-термической обработке с изменением физико-механических свойств металла и может быть использовано в машиностроении, авиадвигателестроении и медицине при изготовлении полуфабрикатов из титана.

Изобретение относится к пластинам из титана или титанового сплава, которые могут быть использованы в качестве материалов для теплообменников и установок химической переработки.

Изобретение относится к области радиационного материаловедения и может быть использовано в технологических циклах получения полуфабрикатов сплавов на основе ванадия, используемых в качестве конструкционных материалов в реакторах деления и синтеза.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству высокопрочных труб из двухфазных сплавов на основе титана, преимущественно из псевдо- и ( + )-сплавов.

Изобретение относится к области поверхностной термомеханической обработки деталей из жаропрочных сталей, титановых и никелевых сплавов, интерметаллидов и др. .
Изобретение относится к области металлургии, в частности к обработке металлов давлением, и может быть использовано для получения высокопрочной проволоки из ( + )-титановых сплавов, предназначенной для изготовления витых и плетеных конструкций.
Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к термомеханической обработке изделий (полуфабрикатов, деталей, узлов и др.) из титановых сплавов Способ термомеханической обработки изделий из титановых сплавов включает термомеханическую обработку, которую проводят в двенадцать стадий, при этом на первой стадии осуществляют нагрев до температуры (Тпп +200÷Тпп+270)°C, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Тпп+70÷Тпп -100)°C с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 30÷60% на каждом этапе; на второй стадии - нагрев до температуры (Т пп+120÷Тпп+170)°C, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Тпп-50÷Т пп-110)°C с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 30÷60% на каждом этапе; на третьей стадии - нагрев до температуры (Т пп+20÷Тпп+70)°C, деформацию в четыре этапа при охлаждении до температуры (Тпп-70÷Т пп-140)°C с изменением направления деформации на 90° при чередовании осадки и вытяжки со степенью деформации 30÷60% на каждом этапе; на четвертой стадии - нагрев до температуры (Тпп-20÷Тпп-40)°C, деформацию со степенью 15-60% при охлаждении до температуры (Тпп -100÷Тпп-140)°C; на пятой стадии - нагрев до температуры (Тпп+70÷Тпп+90)°C, деформацию со степенью 30-60% при охлаждении до температуры (Т пп-40÷Тпп-90)°C; на шестой стадии - нагрев до температуры (Тпп-20÷Тпп -40)°C, деформацию со степенью 20-40% в процессе охлаждения до температуры (Тпп-60÷Тпп-100)°C; на седьмой стадии - нагрев до температуры (Тпп+20÷Т пп+50)°C, деформацию со степенью 30-60% в процессе охлаждения до температуры (Тпп-40÷Тпп -70)°C; на восьмой стадии - нагрев до температуры (Т пп-20÷Тпп-40)°C, деформацию со степенью 20-60% в процессе охлаждения до температуры (Тпп-60÷Т пп-100)°C; на девятой стадии - нагрев до температуры (Тпп+30÷Тпп+70)°C, деформацию при прокатке со степенью 40-70% в процессе охлаждения до температуры (Тпп-70÷Тпп-170)°C; на десятой стадии - нагрев до температуры (Тпп-20÷Т пп-40)°C, деформацию при прокатке со степенью 30-50% в процессе охлаждения до температуры (Тпп-100÷Т пп-200)°C; на одиннадцатой стадии проводят нагрев до температуры (Тпп-70÷Тпп-170)°C с выдержкой 15-60 мин, охлаждение на воздухе или в воде; на двенадцатой стадии проводят нагрев до температуры (Тпп-270÷Т пп-470)°C с выдержкой 5-15 часов, где Тпп - температура полиморфного превращения; при этом с четвертой по восьмую стадию направление деформации на 90° изменяют от двух до четырех раз.

Изобретение относится к деформационной обработке металлов и сплавов и может быть использовано в машиностроении, авиа-двигателестроении, автомобильной промышленности.

Изобретение относится к области металлургии, в частности, сплавам на основе титаналюминидов, предпочтительно на основе (TiAl), полученных порошковой или пирометаллургией

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при изготовлении методом горячего деформирования промежуточных заготовок из титановых сплавов
Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно к способам термомеханической обработки для получения в штампованных заготовках и полуфабрикатах из титановых сплавов повышенных эксплуатационных и технологических свойств, и может быть использовано в авиастроении, автомобильной промышленности

Изобретение относится к области металлургии, в частности к аппарату и способу для термической обработки и окрашивания хирургических игл

Изобретение относится к области металлургии, в частности к термомеханической обработке сплавов с памятью формы на основе никелида титана

Изобретение относится к области сверхпроводимости и нанотехнологий, а именно к способу получения и обработки композитных материалов на основе высокотемпературных сверхпроводников (BTCП), которые могут быть использованы в устройствах передачи электроэнергии, для создания токоограничителей, трансформаторов, мощных магнитных систем
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для изготовления полуфабрикатов и изделий из бета-титановых сплавов путем термомеханической обработки, сопровождающейся изменением свойств материала

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к пластической деформации металлов, в частности к способам изготовления тонких листов из ( - )-, псевдо- , -титановых сплавов

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам обработки полуфабрикатов из титанового сплава ВТ6, и может быть использовано в машиностроении, авиадвигателестроении и медицине

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно к способам изготовления тонких листов методом холодной прокатки из высокопрочных псевдо- -титановых сплавов, которые могут быть использованы в аэрокосмической, химической отраслях промышленности, машиностроении, медицине и других областях народного хозяйства
Наверх