СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОЛЬЦЕВЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ СТАРЕЮЩИХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2003 года по МПК B21D7/14 C21D9/40 C22F1/10 

Изобретение относится к обработке металлов давлением и сварке, в частности к способам изготовления сварных кольцевых заготовок для деталей газотурбинных двигателей, и может найти применение в отраслях промышленности, где изготавливаются различные кольцеобразные изделия из стареющих никелевых сплавов.

Известен способ изготовления кольцевых заготовок из горячекатаных профилей стареющих никелевых сплавов, включающий резку профилей на штанги мерной длины, нагрев до 1000...1200^oС, охлаждение с печью до температуры на 90... 200^oС выше температуры оптимального старения, выдержку при этой температуре в течение 0,5..7 ч, охлаждение в воде, гибку в кольцо в холодном состоянии, стыковую контактную сварку, горячую калибровку и окончательную термообработку [1].

Недостатком этого способа является то, что ступенчатый режим термообработки штанг перед гибкой довольно трудоемок и сложен в исполнении, а также, как правило, не обеспечивает равномерную пластичность (или твердость) по длине штанг из-за трудности обеспечения равномерного понижения температуры по длине печи, перестаривание металла штанг при охлаждении с печью и при последующей выдержке получается неравномерным (один конец штанги может иметь одну твердость, а другой - на 0.2...0,5 мм отличную от первого). В результате получается, что один конец штанги (более мягкий) по своему состоянию может быть близок к состоянию штанги после закалки в воде (т.е. быть термически нестабильным), а другой (более твердый) - к состоянию штанги после закалки на воздухе (т.е. быть близким к термически стабильному состоянию).

Известен способ изготовления кольцевых заготовок из горячекатаных профилей стареющих никелевых сплавов, включающий в себя резку профилей на штанги и мерной длины, смягчающую термообработку посредством закалки в воде или на воздухе, гибку в кольцо в холодном состоянии, стыковую контактную сварку сведенных торцов штанг, зачистку грата, горячую калибровку по диаметру в разжимном секторном штампе и окончательную термообработку [2] (прототип).

Недостатки этого способа заключаются в следующем.

Например, смягчающая термообработка в виде закалки в воде существенно повышает пластичность штанг и делает беспроблемной гибку в холодном состоянии (без смягчающей термообработки штанги ломаются). Однако сваренные после гибки эти кольцевые заготовки при нагреве под калибровку склонны к трещинообразованию (до 100%) в зонах перехода на прямой участок стыка и в зоне шва. Это объясняется тем, что изделия из стареющих сплавов в гомогенном состоянии с наведенными остаточными напряжениями за счет гибки и сварки при нагреве под калибровку предрасположены к интенсивному выделению γ-фазы, локализующемуся по границам зерен. Причем, чем круче изгиб (чем меньше радиус изгиба), чем толще изгибаемые штанги и чем выше температура нагрева под закалку перед гибкой, тем сильнее трещинообразование. А в связи с тем, что наиболее крутой изгиб в любой кольцевой заготовке при гибке в кольцо локализуется в зонах перехода на прямые участки стыка, именно в этих зонах преимущественно и образуются трещины.

Если смягчающую термообработку штанг из стареющих никелевых сплавов делать в виде закалки на воздухе (δ^min ≈ 10...15...20%), то пластичность металла штанг, конечно, повысится по сравнению с исходным состоянием (δ^min ≈ 5...10...15%), но будет существенно ниже, чем в случае закалки в воде (δ^min ≈ 20...40...60%), однако в таком случае после закалки на воздухе, стареющий сплав находится в достаточно термостабильном состоянии и, как следствие, трещинообразование при нагреве под калибровку полностью отсутствует. Поэтому закалку на воздухе в качестве смягчающей термообработки, как правило, можно использовать только для кольцевых заготовок с внутренним диаметром свыше 600. . . 1000 мм, с учетом толщины исходного профиля - чем толще профиль, тем больше должно быть допустимое значение внутреннего диаметра в пределах указанного интервала.

Таким образом, при изготовлении сварных кольцевых заготовок из горячекатаных профилей стареющих никелевых сплавов трудно выбрать оптимальную технологию производства с полным предотвращением трещинообразования при минимальном количестве используемых термообработок. Эту оптимальную технологию приходится подбирать между вариантом, когда штанги ломаются при холодной гибке, и вариантом, когда сваренные кольца растрескиваются при нагреве под калибровку.

Технический результат изобретения -
обеспечение возможности получения необходимого смягчения штанг перед холодной гибкой при минимальных изменениях в структуре (по величине зерна);
обеспечение возможности объективного (по параметрам кольцевых заготовок) выбора варианта смягчающей термообработки - закалки в воде или на воздухе;
обеспечение термостабильного состояния кольцевых заготовок перед сваркой и, как следствие, предотвращение трещинообразования при нагреве сваренных кольцевых заготовок под горячую калибровку (или под закалку перед холодной калибровкой).

Указанный технический результат достигается за счет подбора оптимальных параметров режимов термической обработки штанг до и после гибки, обеспечивающих необходимое смягчение и термическую стабилизацию металла штанг при сохранении мелкозернистой структуры, а также за счет использования численного критерия (по параметрам кольцевых заготовок) перехода от варианта технологии, когда используется закалка штанг в воде, к технологии, когда используется закалка штанг на воздухе.

Выбор среды охлаждения при закалке осуществляется исходя из необходимого для гибки в кольцо минимального уровня пластичности δ^min [3]:
δ^min ≥ 1:(2r_В+1), (1)
где r_B - относительный радиус изгиба по внутренней поверхности кольцевых заготовок:
r_B=D_B:2t, (2)
где D_B - внутренний диаметр кольцевой заготовки, мм (принимается по чертежу кольцевой заготовки);
t - толщина сечения кольцевой заготовки, мм (принимается по чертежу кольцевой заготовки).

Как видно из выражения (1), чем круче изгиб (чем меньше r_B), тем более высокая пластичность необходима в штангах для гибки без разрушения. Например, для гибки на r_B=10 необходим материал штанг с пластичностью δ^min не менее ≈5%, а при гибке на r_B=2 - не менее ≈20%.

Из выражения (1) следует также, что r_B при δ^min ≈ 5% должен быть не менее 9,5 (≈10). В случае меньших значений r_B штанги с пластичностью δ^min в приповерхностных слоях менее ≈5% при холодной гибке ломаются. Кроме того, приповерхностные слои могут иметь риски, зазубрины и различные неровности - чистота и гладкость их поверхности существенно ниже, чем у стандартных разрывных образцов. Поэтому относительное удлинение в приповерхностных слоях штанг фактически может быть на ≈5% и более меньше, чем было бы у стандартных разрывных образцов из этих же слоев для испытания на растяжение. В связи с этим, для гарантированного предотвращения разрушений штанг при холодной гибке их в кольцо с r_B<10 исходные профили должны по возможности иметь несколько большую пластичность, чем δ^min ≈ 5%, например, ≥≈10% - не менее минимального значения возможного разброса пластичности штанг, закаленных на воздухе (см. выше)). Поэтому кольцевые заготовки с r_B<10 нужно гнуть в состоянии после закалки в воде (когда, как правило, δ^min ≥ 20%). Кольцевые заготовки с r_B>10 можно гарантированно гнуть в холодном состоянии без разрушений, используя в качестве смягчающей термообработки только закалку на воздухе.

Температура нагрева штанг под закалку в воде должна быть на 20...30^oС ниже температуры полного растворения γ^′-фазы данного стареющего сплава. Эта температура выбрана исходя из того, чтобы структура в штангах не огрублялась, т. к. в случае полного растворения γ^′-фазы (в результате нагревов при температурах, превышающих температуру полного растворения γ^′-фазы) барьерное влияние ее на рост зерна утрачивается и структура огрубляется. Грубая структура увеличивает вероятность трещинообразования кольцевых заготовок при нагреве под горячую калибровку. Оптимальная продолжительность нагревов под закалку - 0,5... 2 ч.

В случае использования закалки в воде штанг из стареющих никелевых сплавов необходимо иметь в виду, что металл в них в таком случае обретает термически нестабильное состояние и при любом последующем нагреве в напряженном состоянии склонен к интенсивному распаду и, как следствие, к охрупчиванию. Всевозможные напряжения (наведенные, остаточные и пр.) способствуют активизации этого распада и усилению трещинообразования. Именно поэтому происходит трещинообразование кольцевых заготовок при нагреве под калибровку в случае изготовления их по существующей технологии (с использованием холодной гибки штанг после закалки в воде, независимо от размеров конечных изделий). Положение в данном случае усугубляется упругим догибанием кольцевых заготовок в процессе сварки (за счет оплавления и высадки металла на величину припуска на сварку при сведении торцов стыка) и замыканием контура. Именно этот фактор имеет решающее значение в формировании условий трещинообразования. Для того чтобы этот фактор сварки не накладывался на кольцевые заготовки одновременно с интенсивным распадом, их после гибки (перед сваркой) необходимо закалить на воздухе, что приведет металл заготовок в термостабильное индифферентное состояние вне воздействия напряжений замкнутого контура кольцевых заготовок, а также частично или полностью снимет остаточные напряжения от гибки. Нагрев под закалку на воздухе нужно производить до той же температуры и той же продолжительности, что и нагрев под закалку в воде.

Итак, указанный технический результат изобретения приводит к полному предотвращению трещинообразования.

Сопоставительный анализ заявленного решения технической задачи показывает, что новый способ отличается от известного тем, что штанги перед холодной гибкой закаливают в воде не с произвольной температуры в интервале 1000... 1200^oС, а с температуры, на 20...30^oС ниже температуры растворения γ^′-фазы - в заданном стареющем сплаве. Это позволяет при выборе температуры нагрева под закалку учитывать индивидуальные особенности используемых сплавов. При этом закалке в воде подвергаются только штанги, используемые для изготовления кольцевых заготовок с r_B<10, а при r_B>10 штанги закаливают на воздухе (в тех случаях, когда это возможно, закалка на воздухе предпочтительней закалки в воде, т.к. первая приводит стареющий сплав в термически стабильное состояние, не склонное к интенсивному распаду при последующем нагреве). Это позволяет при выборе среды охлаждения для закалки учитывать индивидуальные особенности (внутренний диаметр и толщину сечения) изготавливаемых кольцевых заготовок. Выбор времени нагрева под закалку осуществляется в рамках оптимального времени 0,5. . .2,0 ч (в более длительных выдержках нет необходимости).

Как видно из описания изобретения, отличительной особенностью нового способа от прототипа является также и то, что закаленные в воде штанги после гибки в холодном состоянии в кольцо (перед сваркой) подвергают закалке на воздухе, приводя тем самым металл их в термически стабильное состояние, а в конечном итоге - предотвращая трещинообразование кольцевых заготовок при нагреве под калибровку.

Таким образом, из сказанного следует, что предлагаемый способ по отношению к способу-прототипу обладает существенными отличительными признаками.

Способ-прототип сравнительно успешно реализуется преимущественно для слабостареющих и нестареющих сплавов. В случае использования стареющих сплавов с количеством γ^′-фазы 15% и более образуется большое количество брака (до 100%) в связи с трещинообразованием или даже полным разрушением. При использовании для штанг закалки на воздухе они ломаются непосредственно при гибке (особенно - кольцевые заготовки малого диаметра и большой толщины сечения). При использовании для штанг закалки в воде они очень хорошо гнутся и свариваются, но при нагреве под горячую калибровку (или при отжиге перед холодной калибровкой) растрескиваются или даже разрушаются на отдельные куски. Причем чаще всего температуру нагрева в способе-прототипе выбирают произвольно, преимущественно как среднюю в указанном интервале 1000...1200^oС и даже несколько более высокую, т.е. 1100... 1150^oС. Для большей части стареющих никелевых сплавов эта температура превышает температуру растворения γ^′-фазы, вследствие чего нагрев при ней под закалку сопровождается огрублением структуры, способствующим усилению охрупчивания при интенсивном распаде в условиях нагрева заготовок под калибровку.

Предложенное техническое решение разрешает указанные противоречия способа-прототипа и полностью снимает проблему трещинообразования в рамках всего способа-прототипа изготовления кольцевых заготовок. Указанные отличия нового способа по сравнению со способом-прототипом свидетельствуют о новизне предложенного решения.

Изобретение иллюстрируется фотографиями общего вида заготовок, а также макро- и микроструктурой.

На фиг.1 показаны общий вид кольцевой заготовки (изготовленной по способу - прототипу) с трещинами в зоне перехода на прямой участок сварного стыка, образовавшимися при нагреве сваренных заготовок под калибровку (а), и сечение зоны разрушения поперек трещин (в плоскости, перпендикулярной оси вращения кольцевой заготовки) (б). На фиг.2 представлена микроструктура кольцевой заготовки, изготовленной по способу-прототипу, в зоне цельного металла (а) и в зоне устья трещины (б). На фиг.3 представлены макроструктура (поперечное сечение) (а) и микроструктура (б) в кольцевой заготовке, изготовленной по новому способу.

Предлагаемый способ опробован при изготовлении сварных кольцевых заготовок из горячекатаных профилей (с различными размерами и формой сечения типа прямоугольника, швеллера) стареющих никелевых сплавов ЭП-693ВД и ЭП-99ВД. В частности, по сплаву ЭП-693ВД в производство было запущено 19 шифров кольцевых заготовок (общее количество запущенных заготовок - около 200 штук) со значениями внутреннего диаметра (D_B) в интервале 400... 1100 мм и с толщиной сечений (t) в интервале 20...80 мм (значения r_B были в интервале 5...15). В соответствии с формулой изобретения, в зависимости от значения r_B, использовалась закалка в воде и на воздухе. Нагрев под закалку в обоих случаях проводили при 1000^oС (температура растворения γ^′-фазы в сплаве ЭП 693ВД - 1020^oС) вместо 1090^oС, используемой в способе-прототипе. Время выдержки при нагреве под закалку ~1 час. Закалка с 1090^oС, рекомендуемая по паспорту на сплав ЭП693ВД, использовалась только в качестве окончательной термообработки.

В кольцевых заготовках, изготовленных по способу-прототипу, в зависимости от значения r_B количество брака колебалось в широком диапазоне и на некоторых шифрах (при r_B<10) доходило до 100%. В 200 шт. кольцевых заготовок, изготовленных по новой технологии, независимо от значений r_B трещин не было совершенно - была 100%-ная годность.

Отличительной особенностью кольцевых заготовок, изготовленных по новой технологии, является мелкозернистая и очень однородная макро- и микроструктура (фиг. 3а, б). В кольцевых заготовках, изготовленных по способу-прототипу, макро- (фиг.1б) и микроструктура (фиг.2а, б) - грубозернистые. Кроме содействия предотвращению трещинообразования, однородная мелкозернистая структура обуславливает также более высокий уровень механических свойств, чем грубозернистая (свойства не приведены).

Итак, на примере стареющего никелевого сплава ЭП-693ВД показано, что разработка технологии изготовления сварных кольцевых заготовок с учетом влияния термической обработки на величину и однородность зерна в металле штанг и на его пластичность, а также с учетом основных параметров кольцевых заготовок (D_B и t) позволяет полностью предотвратить образование трещин.

Использование предложенного способа изготовления кольцевых заготовок из стареющих никелевых сплавов позволяет:
- предотвратить образование брака;
- повысить качество продукции за счет улучшения структуры и повышения уровня механических свойств.

Источники информации
1. Патент РФ 792953.

2. Прогрессивные заготовительно-штамповочные процессы. Сборник технологических материалов. М., НИАТ, 1969, с. 141.

3. Процив Ю. В. , Волков С.Н. Критерий определения возможности гибки в холодном состоянии. - Авиационная промышленность, 1986, 1, с. 42, 43.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и сварке, в частности - к способам изготовления сварных кольцевых заготовок для деталей ГТД. Предложен способ изготовления кольцевых заготовок из стареющих никелевых сплавов, включающий резку горячекатаных профилей на штанги мерной длины, нагрев штанг под закалку в воде или же воздухе, гибку в кольцо в холодном состоянии, стыковую контактную сварку, горячую или холодную калибровку по диаметру и окончательную термическую обработку, при этом нагрев штанг под закалку производят до температур на 20...30^oC ниже температуры полного растворения γ′-фазы стареющего сплава. Изобретение направлено на создание способа изготовления кольцевых заготовок из никелевых сплавов, позволяющего получить качественные (без трещин) сварные кольцевые заготовки с однородной мелкозернистой структурой. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ изготовления кольцевых заготовок из стареющих никелевых сплавов, включающий резку горячекатаных профилей на штанги мерной длины, нагрев штанг под закалку в воде или на воздухе, гибку в кольцо в холодном состоянии, стыковую контактную сварку, горячую или холодную калибровку по диаметру и окончательную термическую обработку, отличающийся тем, что нагрев штанг под закалку производят до температур на 20 - 30°С ниже температуры полного растворения γ'-фазы стареющего сплава.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для кольцевых заготовок с относительным радиусом изгиба r_в<10 штанги закаливают в воде, а относительный радиус изгиба r_в определяют из соотношения

r_в = D_B:2t,

где D_B - внутренний диаметр, определяемый по чертежу кольцевой заготовки, мм;

t - толщина сечения, определяемая по чертежу кольцевой заготовки, мм.