ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 4, 2014
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МАШИНОСТРОЕНИИ
УДК 669.01.(07)
© 2014 г. Мулюков Р.Р.1, Назаров А.А.1, Сухоруков Р.Ю.2, Утяшев Ф.З1
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА И ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ СВЕРХПЛАСТИЧЕСКОЙ РАСКАТКИ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ РОТОРА СОВРЕМЕННЫХ АВИАДВИГАТЕЛЕЙ ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ
1 Институт проблем сверхпластичности металлов РАН, г. Уфа 2Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, г. Москва
Описаны научные основы технологии сверхпластической раскатки осесиммет-ричных деталей газотурбинных двигателей из жаропрочных сплавов. Показано, что формирование в этих сплавах микрокристаллической структуры позволяет деформировать их в условиях сверхпластичности и тем самым изменять их физико-механические и технологические свойства. Изделия, полученные сверхпластической раскаткой, отличаются высокооднородной микроструктурой во всем объеме и изотропными механическими свойствами или оптимизированной градиентной микроструктурой, учитывающей неравномерное распределение температурно-силовых нагрузок в условиях эксплуатации. Описаны технологические особенности оборудования для сверхпластической раскатки дисков двигателей, требования к оборудованию и системе управления, рассмотрены методы расчёта прочности основных узлов.
Управление микроструктурой и сверхпластическая деформация жаропрочных сплавов.
Жаропрочные сплавы на основе никеля и титана являются основными материалами при изготовлении деталей роторов газотурбинных двигателей (ГТД), которые при эксплуатации испытывают воздействие больших напряжений при высоких температурах. Основными упрочняющими элементами микроструктуры этих сплавов являются на-норазмерные фазы1. В случае никелевых сплавов — это когерентные интерметаллид-ные наночастицы [1—3], в титановых сплавах — пластинки а-фазы наноразмерной толщины [2, 3], которые являются препятствиями для движения дислокаций. Наличие этих фаз существенно затрудняет формообразование методами обработки металлов давлением на стадии изготовления этих изделий. Поэтому для осуществления возможности пластического формообразования жаропрочных сплавов их микроструктурой необходимо целенаправленно управлять. В работах [2—4] было показано, что это можно сделать с помощью сверхпластической деформации (СПД) методом раскатки.
1 К наноразмерным фазам следует отнести выделения фаз, имеющие хотя бы в одном направлении раз-
мер менее 100 нм, например, наночастицы, пластины с толщиной менее 100 нм и т.д.
Сверхпластическая раскатка жаропрочных сплавов была рассмотрена как деформационная нанотехнология в [5]. В этой технологии, обработка жаропрочных сплавов для изготовления изделий проводится в три основных этапа. На первом этапе посредством деформационно-термической обработки в сплавах формируется мелкозернистая (микрокристаллическая) структура, в которой зерна и матрицы, и упрочняющей фазы имеют близкие размеры порядка 1 мкм, а границы между ними некогерентны. Такая структура является оптимальной для СПД этих сплавов. Их можно деформировать при температурах, близких к температурам эксплуатации, до высоких степеней деформации при низком напряжении течения [2, 3]. На втором этапе осуществляют собственно пластическое формообразование, для чего используется локальная деформация методом раскатки в температурно-скоростных условиях сверхпластичности. Низкое напряжение течения при СПД и локальный характер деформации при раскатке вкупе существенно снижают нагрузку на инструмент и мощность деформирующего оборудования при практической реализации технологии по сравнению с традиционно используемыми технологиями, основанными на горячей (неизотермической) штамповке. На третьем этапе производят термообработку дисков с целью восстановления наноразмерных частиц (пластин) упрочняющей фазы с соответствующим повышением прочности и жаропрочности.
Описанная последовательность обработки является критически важной для обеспечения деформируемости никелевых сплавов. Жаропрочные титановые сплавы для дисков даже при наличии исходной наноразмерной пластинчатой структуры остаются достаточно пластичными, поскольку в них пластинчатая структура преобразуется в глобулярную в самом процессе пластического формоизменения, и сплавы становятся сверхпластичными. Однако с целью обеспечения высокой технологичности деформации и в случае титановых сплавов для изготовления дисков важно применять заготовки с микрокристаллической структурой, получаемой в результате предварительной деформации.
Сверхпластическая раскатка представляет собой перспективный метод изготовления осесимметричных изделий ГТД из жаропрочных сплавов не только в силу обеспечения высокой технологичности материала и снижения требований к мощности деформирующего оборудования, она предоставляет еще ряд преимуществ по сравнению с традиционно используемыми методами в плане обеспечения свойств изделий.
При изготовлении изделий ответственного назначения важными являются высокий уровень эксплуатационных свойств и их гарантированность (повторяемость от изделий к изделию), а также надежная контролируемость структуры готового изделия.
Эксплуатационные свойства изделий зависят от их микроструктуры, ее однородности в пределах изделия. При использовании большинства процессов обработки давлением невозможно избежать неравномерного распределения деформации в различных частях изделий [6]. В традиционных процессах также невозможно поддерживать постоянную и одинаковую температуру в разных частях деформируемой заготовки. При обычной горячей деформации эти две причины приводят к неоднородности структуры материала, что зачастую влечет за собой отбраковку изделия. Уровень неоднородности в этом случае понижается путем применения многоэтапной деформации и механической обработкой, что повышает трудоёмкость технологии и снижает коэффициент использования материала.
Особенностью СПД, благодаря ее основному механизму — зернограничному проскальзыванию [2, 3], является стабильность мелкозернистой структуры вплоть до высоких степеней деформации. Иными словами, размер зерен при СПД не зависит от степени деформации, она определяется только температурой и скоростью деформации. Поэтому, несмотря на то, что при раскатке существуют значительные различия в степени деформации различных частей деформируемого материала, в изделиях из жаропрочных сплавов, изготовленных сверхпластической раскаткой, имеет место высокая однородность структуры. Высокооднородная мелкозернистая структура позволяет варьировать механические свойства сплавов в значительно более широком диапазоне,
чем в случае крупнозернистых сплавов, и получать, таким образом, изделия с регламентированными свойствами. Кроме того, однородность структуры уменьшает разброс механических свойств одноименных изделий одной партии. И, наконец, что тоже весьма важно, повышение однородности структуры понижает уровень шумов при ультразвуковом контроле изделия и соответственно повышает надежность выявления дефектов с помощью этого метода [7].
Сверхпластическая раскатка позволяет создавать также намеренно неравномерную, градиентную, структуру в изделии путем создания соответствующих температурных условий в процессе раскатки. Например, при раскатке дисков у ступицы можно поддерживать более низкую температуру, чем у обода. Тогда в ступице формируется более мелкозернистая структура, чем в ободе. При эксплуатации дисков ступица испытывает меньшие температурные и большие механические нагрузки, поэтому мелкозернистая структура обеспечивает требуемую там более высокую прочность, а крупнозернистая структура с упрочняющей нанофазой в ободе наиболее соответствует высокой температуре при меньших напряжениях в этой части. Такое регулирование структуры дисков, доступное в технологии сверхпластической раскатки, способно обеспечить наиболее высокие эксплуатационные характеристики деталей ГТД.
Для практической реализации технологии сверхпластической раскатки требуется специальное оборудование — раскатной стан. Требования к разработке этого оборудования могут быть сформулированы на основании изложенных выше результатов исследований изменений структуры и свойств жаропрочных сплавов в условиях сверхпластической раскатки.
Таким образом, оборудование должно обеспечивать: формообразование методом горячей изотермической раскатки осесимметричных деталей типа дисков, колец из мелкозернистых жаропрочных сплавов на основе титана, никеля и железа; изотермические условия деформации при температурах 700—1150°; основные узлы и механизмы должны обеспечивать величины усилия и скорости деформации, достаточные для деформирования современных жаропрочных сплавов на основе никеля, в частности, максимальное усилие на раскатном ролике до 50 тс, скорость перемещения ролика относительно заготовки в радиальном направлении от 1,2 до 20 мм/мин; управление процессом формообразования и контроль его параметров, в первую очередь, усилия и скорости деформации, по заданной программе; раскатку дисков диаметром до 800 мм.
Стан СРЖД-800. Для реализации технологии раскатки дисков из жаропрочных сплавов диаметром до 800 мм разработан и изготовлен стан СРЖД-800 (рис. 1), отвечающий требованиям технического задания (Госконтракт в рамках ФЦП "Национальная технологическая база", заказчик Минпромторг РФ). Для раскатки используются мелкозернистые заготовки в виде шайбы диаметром до 350 мм и универсальный инструмент — ролики. Формообразование деталей на стане осуществляется системой управления как в автоматическом, так и полуавтоматическом режимах. Кинематическая схема разработанного стана представлена на рис. 2. Стан состоит из отдельных кинематических цепей, связанных с раскатными роликами или заготовкой и обеспечивающих им требуемые перемещения и технологические усилия [8].
Вращение заготовки обеспечивается одним или двумя приводами, состоящими из редуктора с передаточным отношением 1/1000 и электродвигателя. Для разрабатываемого стана используется электродвигатель общепромышленный трехфазный асинхронный, мощностью 11 кВт, модели АИР132М2У3 11/3000 1М3081. Данная кинематическая цепь обеспечивает вращен
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.