Способ получения изделия конструкции "блиск" из жаропрочных титановых сплавов

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

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

Наверх