3.5 Способы получения штамповок дисков гтд из жаропрочных никелевых сплавов

Валы и диски газотурбинных двигателей, работающие при повышенных температурах и нагрузках, передающие большие крутящие моменты изготовляют из высококачественных и дорогостоящих никелевых сплавов. Поставка валов и дисков ответственного назначения осуществляется в термически и механически обработанном состоянии с обеспечением полного металлургичес­кого контроля качества, включающего контроль свойств, ультразвуковой контроль, контроль поверхности люминесцентным (капиллярным) методом, а также контроль макро- и микроструктуры штамповок.

Многолетний опыт в области производства штамповок из жаропрочных сплавов позволяет успешно решать задачи изготовления сложных штамповок валов и дисков с учетом требований заказчика. Разработанные технологии, в первую очередь, ориентированы на минимизацию расхода металла и получение максимально высокого комплекса свойств за счет создания регламентированной структуры в процессе деформации и термической обработки.

Существуют три основных вида штамповки жаропрочных сплавов по температуре оснастки [14, 15, 35-38]:

1. традиционная горячая штамповка в относительно холодных штампах;

2. штамповка в обогреваемых штампах, при которой Т штампа на 200400С ниже температуры заготовки;

3. изотермическая штамповка, при которой температуры штампа и заготовки равны.

Температурный интервал, в пределах которого жаропрочный сплав, может быть, подвергнут горячей обработке давлением, относительно невелик и зависит от состава сплава. Для жаропрочных сплавов на основе никеля температурный интервал деформируемости в горячем состоянии сужается при переходе от сплавов с малым объемным содержанием -фазы к сплавам с повышенным ее содержанием. Для большей части операций деформации этот интервал определяется температурой начала плавления, с одной стороны и температурой -сольвуса, с другой. С увеличением объемной доли -фазы температура начала плавления сплава понижается, а температура -сольвуса повышается. Одновременно повышается температура рекристаллизации и снижается пластичность. Ширина интервала технологической пластичности может составлять, т. о. всего 10С. Дополнительные трудности возникают в следствии адиабатического разогрева заготовки, особенно существенного при повышенных скоростях деформации, а также в следствии захолаживания материала стенками штампа. При выборе оптимальных условий горячей деформации жаропрочных сплавов необходимо учитывать всю совокупность технологических факторов, включающую:

• характеристики пластического течения заготовки, зависящие от микроструктуры, температуры, степени деформации и скорости деформации;

• свойства материала матрицы, определяемые составом, температурой и величиной контактных напряжений;

• свойства смазки в зазоре между заготовкой и стенками штампа, выражаемые коэффициентом трения и коэффициентом теплопередачи;

• характеристиками штампового оборудования;

• микроструктуру штампованной детали и связанные с нею механические свойства.

Большинство поковок дисков выполняют на молотах и гидравлических прессах в стальных штампах, подогреваемых до температуры 200450°С, т.е. до лимитированной температуры отпуска материала штампа. При штамповке на молотах наблюдается существенная неравномерность температуры, степени и скорости деформации по объему заготовки. Неравномерность деформации проявляется в виде застойных зон и зон сосредоточенной деформации. При температуре заготовки в начале штамповки 1150°С ее поверхностные слои захолаживаются до 600-1000°С, а повышенная скорость деформирования (6-8 м/с) приводит к росту сопротивления деформации, затруднению заполнения полости ручья штампа и повышению его износа. Локализация деформации и теплового эффекта деформации приводят к структурной неоднородности поковок, которая не устраняется последующей термической обработкой. Однако высокая мощность молотового оборудования в сочетании с очень тонким контролем процесса штамповки позволяют решить сложную задачу получения заданной микроструктуры путем реализации широкого диапазона энергий удара (от легкого касания до полного удара), выполняемых с достаточно высокими воспроизводимостью и точностью.

Для штамповки вращающихся деталей реактивных двигателей рекомендуется штамповка в закрытых штампах с целью повышения деформационной проработки периферийных частей поковок, а для уменьшения захолаживания поверхностных слоев заготовок – использование в качестве материала штампов жаропрочных сталей, допускающих подогрев штампа до 500700°С. Кроме того известно, что штамповка на молотах значительно дешевле штамповки на гидравлических прессах.

Более благоприятные скоростные условия деформации реализуются при штамповке на гидравлических прессах. При штамповке на прессах появляется возможность снижать температуру нагрева на 50100°С при сохранении тех же удельных усилий, что и при молотовой штамповке. При переходе от динамического приложения нагрузки на молотах к статическому на прессах при той же пластичности сплавов снижается их сопротивление деформации. Однако быстрое остывание заготовок вследствие длительного контакта с относительно холодным штампом снижает эффект, достигаемый за счет снижения деформирующих усилий при штамповке с малыми скоростями.

Выходом из положения является применение изотермической штамповки и штамповки в обогреваемых штампах. Основной принцип изотермической штамповки заключается в обеспечении равенства температуры заготовки и температуры штампа. В этом случае поковка не охлаждается и деформирование может происходить с пониженной скоростью при небольшом сопротивлении деформации. Применение первого или второго варианта штамповки определяется как техническими, так и экономическими обстоятельствами.

При штамповке никелевых сплавов в обогреваемых штампах успех во многом определяется правильным выбором высокотемпературной смазки. Штамповка сплавов на основе никеля осуществляется с использованием смазок на основе стекла, поскольку эти смазки обеспечивают гидроди­намический режим трения с коэффициентом трения  < 0,05. Различные фирмы ограничивают температуру инструмента при штамповке в обогреваемых штампах 750850°С. Перепад температур в пределах 200400°С между заготовкой и штампом приводит к незначительному остыванию заготовки, которое компенсируют повышением скорости деформирования с целью сокращения времени контакта штампа с заготовкой. Этот прием является компромиссом между изотермической и обычной штамповкой и широкого практического применения при штамповке никелевых сплавов не нашел.

Перечисленные недостатки традиционных способов штамповки и штамповки в обогреваемых штампах поковок из никелевых сплавов, постоянно растущие мощности штамповочного оборудования и повышенные требования к точности и свойствам штампованных поковок заставили производителей обратить основное внимание на внедрение изотермической штамповки. Предотвращение потерь тепла и, как следствие, поверхностного захолаживания заготовки, обусловливают следующие преимущества изотермической штамповки: меньшие деформирующие усилия, лучшее заполнение полости штампа и возможность штамповки поковок сложной формы с тонкими ребрами и полотнами, возможность штамповки сплавов с узким температурным интервалом и при более низких температурах, повышение пластичности заготовок, большая равномерность деформации и высокая точность поковок .

Изотермическая штамповка требует дополнительных затрат, связанных с применением уникальных и дорогостоящих жаропрочных штамповых материалов, мощных электрических или газовых устройств для обогрева штампов, специальных гидравлических прессов с пониженной скоростью перемещения плунжера. При изотермической штамповке никелевых сплавов применяют штампы из молибденовых сплавов. Наиболее широкое распространение получил молибденовый сплав TZM (0,5 Ti; 0,1 Zr; 0,01-0,04 С) с карбидным упрочнением. Сплав плотностью 10,2 г/см³ обладает высокими прочностью и сопротивлением ползучестью до 1200°С. Заготовки массой до 4,5 т получают порошковой металлургией путем изостатического прессования, спекания и последующей ковки. Основные недостатки молибденовых штампов – высокая стоимость и интенсивное окисление при температурах выше 600°С. Поэтому процесс штамповки проводят в вакууме или в защитной атмосфере, для осуществления которого разработаны специальные установки на станине пресса для подачи заготовки в рабочую зону через шлюз с помощью механической системы транспортировки и сложной системы контроля температуры.

Более простым и технологичным приемом изотермирования очага деформации является теплоизоляция нагретой заготовки от соприкосновения с холодным инструментом. В качестве теплоизолирующих слоев могут применяться расплавы солей, стекло, керамика, асбест и сталь. Они несколько затрудняют контроль размеров, но зато существенно снижают растрескивание, обусловленное захолаживанием заготовки инстру­ментом. Затраты на защитные покрытия окупаются вследствие меньших припусков на механическую обработку. В промышленности для этих целей широко используют стеклянные, эмалевые и стеклоэмалевые покрытия, которые наряду с теплоизоляционными свойствами, выполняют роль смазки. Стеклосмазки обеспечивают незначительное падение температуры в процессе переноса заготовки из нагревательных устройств, однако не дают возможности поддерживать изотермические условия в течение всего процесса деформации заготовки. В последние годы появились публикации об исследованиях изотермической и соответственно сверхпластической штамповки в холодном инструменте за счет использования гибких органических тканей-прокладок между инструментом и нагретой заготовкой. Ряд американских фирм при штамповке титановых и никелевых сплавов использует гибкую керамическую ткань Nextell, применяемую для изоляции в космических системах «Шатл». Прокладка выдерживает температуру нагрева до 1400С. В отечественной промышленности в качестве теплоизолирующих прокладок опробуется муллитокремнеземный войлок.

Технология изотермической штамповки позволяет также осуществлять штамповку в условиях сверхпластичности, что является идеальным для точной штамповки поковок сложной формы с тонкими ребрами. Реализация условий сверхпластической деформации снижает рас­ход металла более чем в 2 раза, при этом уменьшаются затраты на обработку резанием, появляется возможность штамповки поковок сложной формы за один ход пресса. Например, при штамповке турбинного диска из сплава Astroloy способом «геторайзинг» масса исходной заготовки – 72,6 кг, а масса диска после обработки резанием – 68 кг. Ранее такие диски получали обычной штамповкой из заготовки массой 181 кг. Как свиде­тельствуют расчеты, сверхпластическое деформирование является серьезной альтернативой при использовании обычных прессов усилием от 50 МН. Выгоды от снижения усилия прессования превосходят затраты на обогрев штампов и защитную атмосферу.

По сравнению с традиционными методами метод изотермической штамповки позволяет изготавливать изделия сложной формы с высокой точностью, с заданной структурой и физико-механическими свойствами. Максимальный диаметр штампуемых заготовок - 1000 мм. Благодаря минимальным припускам значительно сокращаются расходы на последующую механическую обработку изделий.

Технология обеспечивает:

• повышение ресурса и эксплуатационных характеристик деталей на 20-25%

• уменьшение в 1,5-3 раза расхода металла

• снижение в 10 раз мощности используемого кузнечно-прессового оборудования

• значительное сокращение себестоимости изделий

В частности, заготовка корпуса тормоза для самолета ТУ-204 получена методом изотермической штамповки при температуре 950^OС из титанового сплава ВТ9 (вес 48 кг, коэффициент использования металла - 0,53). Технология позволяет исключить болтовые и сварные соединения в конструкции корпуса, снизить на 19% массу детали, повысить в 2 раза срок эксплуатации, сократить расход титанового сплава, уменьшить на 42% объем механической обработки.

Заготовка диска привода подпорных ступеней авиационного двигателя получена газовой формовкой (аргон) в изотермических условиях при температуре 9600С из титанового сплава ВТ9 (вес - 18 кг, коэффициент использования металла - 0,58). Технология позволяет исключить сварные соединения в детали, повысить на 15% ресурс эксплуатации, сократить расход титанового сплава, снизить на 52% объем механической обработки.

Материалы используемые для штамповки:- алюминиевые, магниевые, медные, латунные сплавы; - электротехнические и автоматные стали.

Габариты штампуемых заготовок:- диаметр 10...250 мм; - высота 20...300 мм; - масса 0,05...5,0 кг.

Используемое оборудование:- пилы для разделки исходного материала; - прессы (гидропрессы усилием от 160тс до 630тс); - электропечи для разогрева исходных и для закалки штампованных заготовок; - универсальное металлорежущее оборудование.

Изотермическая штамповка заготовок сложного профиля

Магниевые заготовки

Рис.3.2. Титановый сплав

Рис.3.3.Титановый сплав

Потребность повышения рабочих температур никелевых сплавов и соответствующий рост степени их легирования, а также ограничения, связанные с ликвацией при литье слитков, гетерогенизация структуры и, как следствие, снижение технологической пластичности и стабильности эксплуатационных свойств открыли перспективу развития технологии порошковой металлургии [15, 47]. Уже к середине семидесятых годов стало возможным создание газовой турбины, практически полностью изготовленной методами порошковой металлургии [48]. Известны следующие схемы обработки порошков-гранул с использованием пластической деформации [47]:

1. спекание + изотермическая штамповка;

2. ГИП + обычная штамповка;

3. ГИП + экструзия + изотермическая штамповка.

Области применения определяют и границы использования порошковой технологии для изготовления деталей из суперсплавов для газовых турбин. Порошковые суперсплавы применяют в тех случаях, когда «обычные детали», изготовленные методами литья и штамповки, не отвечают предъявляемым рабочими условиями требованиям. Разрушение обычных материалов, как правило, происходит в результате образования сегрегации, что вызывает ухудшение механических свойств или их нестабильность и снижение термомеханических свойств. В таких случаях порошковая технология, вполне может заменить другие (более предпочтительные) методы изготовления деталей, не способные обеспечить требуемое качество изделий.

После того как в процессе летных испытаний дисков полученных ГИП в двигателе F 404 в 1980 с перерывом в два месяца два истребителя F 18 ВМС США потерпели аварию, зарубежные фирмы отдают предпочтение технологическим схемам, включающим пластическую деформацию.

Разработанный фирмой Pratt and Whitney в конце 60-х годов процесс «геторайзинг» позволил традиционно необрабатываемые литые никелевые сплавы, такие как сплав IN100, подвергать штамповке подобно деформируемым сплавам. Сущность процесса заключается в том, что материал заготовки методом прессования переводят в сверхпластичное состояние, а затем изотермической штамповкой в определенных температурно-скоростных условиях штампуют полуфабрикаты, близкие к конечной форме изделия. Процесс запатентован фирмой разработчиком и пригоден только для сплавов, способных проявлять сверхпластичность. В сочетании с термической обработкой этот процесс обеспечивает более высокую прочность при повышенных температурах и большую долговечность при жаропрочных испытаниях, чем у литейных и обычных деформируемых сплавов, и наиболее эффективен доя изготовления сплошных изделий типа дисков.

С помощью процесса «геторайзинг» получены из сплава IN100 на прессе усилием 18МН такие изделия, которые традиционным способом невозможно изготовить даже на прессе усилием 180МН (180000 т).

В настоящее время конфигурация штамповок для дисков авиационных двигателей определяется возможностями ультразвуковой дефектоскопии, хотя применяемые методы деформации с малыми скоростями позволяют получать более точные и легкие заготовки.