СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ТОНКОСТЕННЫХ СИЛЬФОНОВ Российский патент 2001 года по МПК B21D15/00 C22F1/10 

Изобретение относится к технологии изготовления тонкостенных металлических сильфонов, работающих в условиях высоких температур, давлений и агрессивных сред.

Предшествующий уровень техники
Тонкостенные металлические сильфоны широко используются в различных областях техники, например в авиастроении, двигателестроении, нефтяной промышленности, в частности для обеспечения подвижного соединения трубопроводов для компенсации их перемещения под внешним воздействием.

Известны различные способы изготовления тонкостенных сильфонов. В патенте США N 2797112, НКИ 72-59, 1957 г. описано изготовление многослойных сильфонов из отдельных тонких пластин, в частности методом сварки. Однако известный способ является достаточно трудоемким и требует дополнительного контроля для обеспечения надежности работы этих сильфонов.

В патенте США N 3782156, НКИ 72-59, 1974 г. описан способ изготовления тонкостенных сильфонов, включающий в себя предварительное образование витков на внешней и внутренней поверхностях трубных заготовок, обработку роликом внутренней их поверхности, прессование с образованием гофр и термообработку для снятия напряжений в металле. Однако известная технология требует сложного специального оборудования и больших затрат времени на изготовление сильфона.

В авторском свидетельстве СССР N 1076166, МПК B 21 D 15/00, 1984 г. предложено изготавливать сильфоны путем механогидравлической формовки кольцевых гофр на трубчатой заготовке с последующим дорекристаллизационным отжигом при температуре 680±10^oC. Использование этого способа позволило снизить трудоемкость изготовления и повысить эксплуатационную надежность сильфонов.

В авторском свидетельстве СССР N 1292870, МПК B 21 D 15/00, 1987 г. описан способ изготовления многослойных тонкостенных сильфонов из нержавеющей стали, включающий формирование трубной заготовки, вытяжку за несколько операций трубной заготовки до заданных размеров, гофрирование заготовки с образованием сильфона и термическую обработку сильфона. В соответствии с известным способом трубные заготовки деформируют путем вытяжки с помощью пуансонов через матрицы с изменением диаметра, затем вставляют заготовки друг в друга (собирают пакет) и подвергают гофрированию с последующими операциями поверхностного деформирования и термической обработки дорекристаллизационного отжига.

Операция вытяжки каждой заготовки перед сборкой в пакет позволила повысить качество изделий за счет увеличения прочности при циклическом нагружении.

Однако при использовании в качестве материала заготовок сплавов, претерпевающих структурные изменения при нагреве, например дисперсионно-твердеющих сплавов на никелевой основе, в процессах вытяжки и гофрирования заготовок возможно образование на их стенках таких дефектов, как трещины, вследствие низкой пластичности этих сплавов. Кроме того, из-за повышенной склонности сплавов к окислению возникает возможность появления в изготовленных из них сильфонах при их сварке с арматурой таких дефектов, как трещины и несплавления. Это обстоятельство ограничивает использование таких сильфонов в условиях высоких температур, давлений, агрессивных сред в течение продолжительного времени.

Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание способа изготовления многослойных тонкостенных сильфонов из дисперсионно-твердеющих сплавов на никелевой основе, способных к работе в течение длительного времени в экстремальных условиях, например, газовой окислительной среде при высоких давлениях и температурах.

Техническим результатом изобретения является предотвращение образования трещин на стенках заготовок и сильфона, а также повышение стабильности механических свойств, особенно пластичности.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе изготовления многослойных тонкостенных сильфонов, включающем формирование трубных заготовок, вытяжку за несколько операций каждой трубной заготовки до заданных размеров, сборку вытянутых трубных заготовок в пакет, гофрирование пакета с образованием сильфона и термическую обработку сильфона, формируют каждую трубную заготовку из дисперсионно-твердеющего сплава на основе никеля, содержащего упрочняющую фазу, подвергают трубную заготовку вытяжке, нагревают трубную заготовку до температуры 1000-1130^oC, выдерживают трубную заготовку в защитной среде при указанной температуре до полного растворения упрочняющей фазы в сплаве, охлаждают трубную заготовку до температуры окончания фазового превращения в сплаве, после чего повторяют указанные операции вытяжки, нагрева, выдержки и охлаждения до достижения каждой трубной заготовкой заданных размеров, собирают вытянутые трубные заготовки в пакет, затем гофрируют пакет с образованием сильфона, термическую обработку сильфона ведут путем нагрева до температуры 1000-1130^oC, выдержки сильфона в защитной среде при этой температуре до полного растворения упрочняющей фазы в сплаве и последующем охлаждении до температуры окончания фазового превращения в сплаве.

Кроме того, в качестве защитной среды используют разряженную воздушную среду при давлении 1·10^-4 - 1·10^-3 мм рт. ст.

Кроме того, охлаждение трубной заготовки и сильфона ведут в потоке инертного газа.

Кроме того, в качестве защитной среды применяют инертный газ.

Кроме того, в качестве инертного газа используют аргон.

Кроме того, в качестве упрочняющей фазы применяют элементы: ниобий, титан, вольфрам, молибден.

Кроме того, перед гофрированием на периферийные участки наружной и внутренней поверхностей каждой вытянутой трубной заготовки наносят слой никелевого покрытия толщиной 5-15 мкм.

Заготовки из дисперсионно-твердеющего сплава на никелевой основе подвергают многократной вытяжке, причем после каждой операции вытяжки заготовки термообрабатывают в защитной среде при температуре полного растворения упрочняющей фазы в сплаве с последующим охлаждением, обеспечивающим образование в нем однофазной структуры. На заготовки на периферийные участки наружной и внутренней поверхностей наносят слой никелевого покрытия, затем заготовку гофрируют, а после гофрирования в сильфон осуществляют термообработку по режиму термообработки, аналогичному режиму термообработки трубных заготовок после каждой операции вытяжки. Указанные операции характерны в том числе и для изготовления однослойных тонкостенных сильфонов.

При этом достигается предотвращение образования трещин на стенках заготовок при каждой операции вытяжки и на стенках сильфона при гофрировании за счет увеличения пластичности сплава, а также предотвращение его окисления при сварке сильфона к арматуре за счет наличия на его стенках защитного покрытия, приводящего к увеличению длительной прочности узла при эксплуатации.

Согласно изобретению способ осуществляют следующим образом. Трубные заготовки из дисперсионно-твердеющего сплава на никелевой основе подвергают вытяжке с помощью штампа.

Вытяжку проводят за несколько операций, количество которых зависит от соотношения длины заготовки к ее диаметру. Последняя операция вытяжки заканчивается получением тонкостенной трубной заготовки заданного размера.

После каждой операции вытяжки заготовку подвергают термической обработке в печи. Нагрев производят до температуры 1000-1130^oC, при которых обеспечивается растворение легирующих элементов, таких как титан, ниобий, вольфрам, молибден и др. , выполняющих функцию упрочняющей фазы. Кроме того, нагрев до указанной температуры позволяет сохранить мелкое и однородное зерно. Выдержку производят в вакууме или в среде инертного газа. Фиксируют однофазную структуру сплава охлаждением потоком инертного газа. Выбор температурного режима зависит от химического состава сплава. Указанная термообработка позволяет повысить пластичность дисперсионно-твердеющего сплава, а также ее стабильность за счет фиксации однофазной однородной мелкозернистой структуры, в основе которой - однофазный γ-твердый раствор, а выполнение термообработки после каждой операции вытяжки возвращает сплав в исходное пластичное состояние, необходимое для штамповки. Операции вытяжки и термообработки повторяют несколько раз в зависимости от размеров и материала заготовок. Получают заготовки с толщиной стенок 0,1-0,16 мм.

Полученные заготовки покрывают слоем никеля толщиной 5-15 мкм. Покрытие наносят на периферийные участки как наружных, так и внутренних поверхностей заготовок, предназначенные под сварку будущего сильфона к арматуре. Никелевый слой менее 5 мкм не защитит сварное соединение от окисления в процессе сварки сильфона с арматурой, а слой более 15 мкм изменит химический состав сварного шва, что может вызвать снижение его прочности при эксплуатации. Процесс нанесения покрытия осуществляют гальваническим методом. Далее заготовки собирают в пакет и подвергают пакет гофрированию на прессе с образованием сильфона. Процесс осуществляют при давлении, определяемом экспериментальным путем в зависимости от заданного напряжения, размера гофр. После гофрирования проводят термообработку полученного сильфона по режиму термообработки, аналогичному режиму термообработки трубных заготовок после каждой операции вытяжки, то есть осуществляют нагрев и выдержку при температуре полного растворения упрочняющей фазы в сплаве с последующим охлаждением, обеспечивающим образование в нем однофазной структуры. Такая термообработка позволяет снять внутренние напряжения в сильфоне и исключить возможное появление в нем дефектов.

Способ согласно настоящему изобретению применим для изготовления как однослойных сильфонов, выполненных из одной трубной заготовки, так и многослойных, выполненных из нескольких, по меньшей мере из двух, трубных заготовок, вставленных одна в другую, благодаря разности заданных диаметров.

Ниже приведены примеры осуществления способа для изготовления многослойных сильфонов.

Изготавливали сильфоны из дисперсионно твердеющих сплавов на основе никель - хром и легирующих элементов, включающих ниобий, титан, вольфрам, молибден и др. Указанные легирующие элементы образуют упрочняющую фазу.

Примеры реализации
Пример 1
Трубную заготовку толщиной 1 мм и диаметром 75 мм из дисперсионно-твердеющего никелевого сплава, содержащего упрочняющие элементы ниобий, титан, подвергали вытяжке из листа с помощью пуансона с коэффициентом вытяжки 0,62. Полученную заготовку нагревали в вакуумной печи при разрежении 1·10^-4 - 1·10^-3 мм рт. ст. до температуры 1000^oC и выдерживали до полного растворения упрочняющей фазы. Далее охлаждали потоком аргона с целью фиксации однофазной структуры сплава. Подачу газа прекращали и дальнейшее охлаждение проводили в застойной зоне аргона. После термообработки осуществляли вторую операцию вытяжки с коэффициентом 0,8, а затем заготовку снова термообрабатывали по описанной ранее технологии. Операции вытяжки и термообработки чередовали 15 раз до получения заготовки заданных размеров:
толщина стенки - 0,16 мм, наружный диаметр - 62 мм.

Таким же образом были обработаны еще три трубные заготовки, но с достижением при этом другого заданного диаметра, соответственно, 60, 58 и 56 мм.

В таблице приведены механические свойства сплава после термообработки.

Как следует из таблицы, механические свойства сплава свидетельствуют о его высокой пластичности, а низкий разброс свойств - об их высокой стабильности, что позволяет говорить о высокой технологичности сплава.

Отформованные указанным выше способом четыре трубные заготовки покрывали слоем никеля гальваническим методом. Слои толщиной 5 мкм наносили на предназначенные под сварку к арматуре периферийные участки обеих поверхностей каждой заготовки, за исключением наружной поверхности заготовки с максимальным диаметром и внутренней поверхности заготовки с минимальным диаметром. На наружную поверхность заготовки с максимальным диаметром и внутреннюю поверхность заготовки с минимальным диаметром наносили слои никеля толщиной 15 мкм. Трубные заготовки с нанесенным никелевым покрытием собирали в пакет, вставляя заготовки последовательно одна в другую и подвергали гофрированию на прессе в один переход. Процесс осуществляли при давлении 145 атм. Сформованный сильфон подвергали термообработке. Его нагревали в печи до температуры 1000^oC в атмосфере аргона и после выдержки охлаждали потоком аргона.

После каждой операции вытяжки и после гофрирования проводили контроль по выявлению трещин методом капиллярной дефектоскопии. На всех этапах контроля трещины на стенках заготовок и сгофрированного сильфона не обнаружены. Не обнаружены трещины и в сварном шве после приварки сильфона к арматуре. Изготовленные описанным выше способом сильфоны после их приварки к арматуре были подвергнуты испытанию на длительную прочность в высокотемпературном потоке газовой среды, содержащей до 80% кислорода. Испытания показали, что потеря прочностных свойств конструкции происходила позже, чем установлено нормой, а именно через 4 часа, при норме не менее 3 часов.

Пример 2
Четыре трубные заготовки из никелевого сплава с такими же, что и в примере 1, легирующими добавками, толщиной 1,0 мм и диаметром 165 мм подвергали вытяжке с помощью пуансона с коэффициентом вытяжки 0,693. Полученные заготовки термообрабатывали по технологии, описанной в примере 1. Операции вытяжки и термообработки чередовали 15 раз до получения заготовок длиной 550 мм, диаметром 88, 85, 82 и 79 мм соответственно, и толщиной стенки - 0,16 мм. Температура нагрева и выдержки при термообработке составляла 1130^oC. Отформованные заготовки покрывали слоем никеля, который наносили на периферийные участки поверхностей так, как описано в примере 1. Собранные в пакет заготовки подвергали гофрированию на прессе в один переход. Процесс осуществляли при давлении 145 атм. Сформованный сильфон подвергали термообработке по режиму, описанному выше.

Был проведен контроль по выявлению трещин после каждой операции вытяжки, после гофрирования пакета заготовок и после приварки сильфона к арматуре. Трещины на стенках заготовок сильфона, а также сварном шве не обнаружены. Испытания на длительную прочность проводили аналогично примеру 1. Потеря прочностных свойств происходила позже чем через 4,5 часа, при норме не менее 3 часов.

Таким образом, указанный технический результат был достигнут за счет использования в способе сочетания термической обработки как трубных заготовок, так и сильфона и нанесения защитного покрытия на его стенки.

Способ включает формирование трубных заготовок, вытяжку за несколько операций каждой трубной заготовки до заданных размеров, сборку вытянутых трубных заготовок в пакет, гофрирование пакета с образованием сильфона и термическую обработку сильфона, каждую трубную заготовку формируют из дисперсионно-твердеющего сплава на основе никеля, содержащего легирующие элементы из группы: ниобий, алюминий, титан, вольфрам, молибден, подвергают каждую трубную заготовку вытяжке, нагревают трубную заготовку до температуры 1000-1130°С, выдерживают трубную заготовку в защитной среде при указанной температуре, охлаждают трубную заготовку, после чего повторяют указанные операции вытяжки, нагрева, выдержки и охлаждения до достижения каждой трубной заготовкой заданных размеров, собирают вытянутые трубные заготовки в пакет, затем гофрируют пакет с образованием сильфона, термическую обработку сильфона ведут путем нагрева до температуры 1000-1130°С, выдержки сильфона в защитной среде при этой температуре до полного растворения упрочняющей фазы в сплаве и последующем охлаждении до температуры окончания фазового превращения в сплаве. В качестве защитной среды используют разряженную воздушную среду или аргон. Техническим результатом изобретения является предотвращение образования трещин на стенках заготовок и сильфона, а также повышение стабильности механических свойств, особенно пластичности. 7 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ изготовления многослойных тонкостенных сильфонов, включающий формирование трубных заготовок, вытяжку за несколько операций каждой трубной заготовки до заданных размеров, сборку вытянутых трубных заготовок в пакет, гофрирование пакета с образованием сильфона и термическую обработку сильфона, отличающийся тем, что каждую трубную заготовку формируют из дисперсионно-твердеющего сплава на основе никеля, содержащего легирующие элементы, образующие упрочняющую фазу, после каждой операции вытяжки трубную заготовку нагревают до температуры 1000 - 1130^oC, выдерживают ее в защитной среде при указанной температуре до полного растворения упрочняющей фазы в сплаве, охлаждают трубную заготовку до температуры окончания фазового превращения в сплаве с повторением указанных операций вытяжки, нагрева, выдержки и охлаждения до достижения каждой трубной заготовкой заданных размеров, а термическую обработку сильфона ведут путем нагрева до температуры 1000 - 1130^oC, выдержки сильфона в защитной среде при этой температуре до полного растворения упрочняющей фазы в сплаве и последующем охлаждении до температуры окончания фазового превращения в сплаве. 2. Способ изготовления тонкостенных сильфонов по п.1, отличающийся тем, что в качестве защитной среды используют разряженную воздушную среду при давлении 1 · 10^-4 - 1 · 10^-3 мм рт.ст. 3. Способ изготовления тонкостенных сильфонов по п.1, отличающийся тем, что охлаждение трубной заготовки и сильфона ведут в потоке инертного газа. 4. Способ изготовления тонкостенных сильфонов по п.3., отличающийся тем, что в качестве инертного газа используют аргон. 5. Способ изготовления тонкостенных сильфонов по п.1 и 3, отличающийся тем, что в качестве защитной среды применяют инертный газ. 6. Способ изготовления тонкостенных сильфонов по п.5, отличающийся тем, что в качестве инертного газа используют аргон. 7. Способ изготовления тонкостенных сильфонов по п.1, отличающийся тем, что в качестве легирующих элементов применяют элементы: ниобий, титан, вольфрам, молибден. 8. Способ изготовления тонкостенных сильфонов по пп.1 и 8, отличающийся тем, что перед гофрированием на периферийные участки наружной и внутренней поверхностей каждой вытянутой трубной заготовки наносят слой никелевого покрытия толщиной 5 - 15 мкм.