Способ изготовления лопаток из двухфазного титанового сплава Российский патент 2021 года по МПК B21K3/04 B22F5/04 

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при изготовлении авиационных деталей, в частности, таких как лопатки без припуска по профилю пера из титановых сплавов с применением методов аддитивного производства.

Известен способ изготовления кованных продуктов, по которому методом аддитивного производства получают металлическую заготовку, затем осуществляют ковку предварительно нагретой металлической заготовки с истинной деформацией 0,05-1,10 (Патент РФ № 2701774 от 09.07.2014, МПК B23K3/04, опубл. 15.08.2017, бюл № 23).

Недостатками данного способа является то, что при осуществлении данного способа получают лопатку с неоднородной структурой с внутренним дефектом в виде светлых полос «линий сдвига», наличие внутренней неоднородной структуры снижает эксплуатационные свойства лопатки в целом. Так же заготовка, полученная путем наплавки проволоки, повлечет за собой добавление операций механической обработки заготовки, что тем самым увеличит количество операций в технологическом процессе. Обработка поверхности получаемой заготовки методом аддитивных технологий без обработки не может быть использована в дальнейшем процессе, так как при деформировании на поверхности будут возникать дефекты характерные для штамповочных операций.

Также известен способ изготовления деталей из металла и металлического материала, включающий получение заготовки методом аддитивного производства из металлического сплава с добавлением порошка и последующую ковку заготовки между двумя пресс-формами (Патент РФ № 2696108 от 22.04.2015, МПК B21J5/02, B22F3/17, опубл. 27.04.2018, бюл. № 12).

Недостатками данного способа являются получение неоднородной структуры лопатки и ее механических свойств, связанное с тем что, не гарантировано обеспечение вакуума внутри оболочки, которая формируется с заключенным в нее порошком. При этом спекание в аддитивном производстве и при подготовке поверхности для последующих операций ковки может являться причиной окисления или наводораживания порошка внутри оболочки при нагреве заготовок и в процессе операций ковки. В виду особенностей процессов лазерного сплавления, которые проходят в среде инертного газа, полученная фасонная заготовка подвергаемая штамповке. Штамповка содержит внутри себя, в объеме не связанного между собой металлического порошка газ, который в процессе деформации не уходит, а остается внутри штамповой заготовки, что ведет к получению дефектов, таких как пористость и снижает качество получаемых деталей. Исключить возможные дефекты при штамповке заготовок в один этап с содержанием внутри, газа - не возможно.

Наиболее близким является способ изготовления штамповок лопаток из двухфазного титанового сплава, включающий получение фасонированной заготовки, последующую штамповку предварительно смазанной и нагретой фасонированной заготовки, обрезку облоя полученной штамповки лопатки, размерное химическое травление альфированного слоя на поверхности штамповки лопатки и ее вакуумную термообработку, последующую изотермическую термофиксацию предварительно нагретой штамповки (Патент РФ № 2525961 от 06.05.2013, МПК B21K3/04, B21D53/78, B21D3/16, опубл. 20.08.2014, бюл. № 23).

Недостатками данного способа являются низкие эксплуатационные свойства лопаток, связанные с неоднородной структурой лопатки.

Техническим результатом заявленного изобретения является получение лопатки с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами, обладающей большей ударной вязкостью и усталостной прочностью, и однородной структурой, достигающиеся методом послойного селективного электронно-лучевого сплавления, позволяющего получить предварительно фасонированную заготовку с отсутствием пор и с минимальными внутренними напряжениями, и применением пропорционального припуска по всему телу лопатки, обеспечивая равномерность деформации и температуры по всему профилю пера при штамповке и не вызывая деформационного перегрева лопатки.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления лопаток из двухфазного титанового сплава, включающем получение фасонированной заготовки, последующую штамповку предварительно смазанной и нагретой фасонированной заготовки, обрезку облоя полученной штамповки лопатки, размерное химическое травление альфированного слоя на поверхности штамповки лопатки и ее вакуумную термообработку, последующую изотермическую термофиксацию предварительно нагретой штамповки в отличие от известного фасонированную заготовку получают методом послойного селективного электронно-лучевого сплавления при температуре в рабочей камере 700-1000ºС, при этом штамповку предварительно смазанной фасонированной заготовки осуществляют со степенью деформации 10-60% с заложением пропорционального припуска по профилю пера от хвостовика к концевой части по каждому сечению лопатки, штамповку предварительно смазанной фасонированной заготовки осуществляют предпочтительно со степенью деформации 20-40%.

Способ осуществляется следующим образом.

Исходным сырьем для изготовления штамповок лопаток является металлопорошковая композиция из двухфазного титанового сплава (альфа+бета). Сначала из порошка изготавливают фасонированную заготовку методом аддитивного производства. Фасонированная заготовка представляет собой один из переходов высадки, выдавливания или предварительный ручей штамповки.

Методом аддитивного производства, применяемым в данном способе, является метод послойного селективного электронно-лучевого сплавления в вакууме. Данный метод основан на испускании нитью накала разогретой до 2500°С электронов проходящих через анод разгоняющий их до 1/2 скорости света. Пучок электронов фокусируется магнитным полем, другим магнитным полем контролируется его отклонение. При достижении электронами порошка кинетическая энергия превращается в тепло, и металлический порошок сплавляется. Мощность регулируется количеством электронов.

Особенностью технологии является то, что поскольку газовая среда создает слишком высокое сопротивление электронному лучу, процесс построения детали происходит в рабочей камере, предварительно отвакуумированной и при повышенных температурах. Это позволяет синтезировать детали с минимальными внутренними напряжениями, без пор с однородной микроструктурой. Селективное электронно-лучевое сплавление (СЭЛС) в отличие от селективного лазерного сплавления (далее СЛС), позволяет получать заготовки с минимальными внутренними напряжениями и наименьшей стоимостью за счет применения металлопрошковой композиции большей фракции (45-106 мкм в процессе СЭЛС и 20-45 в процессе СЛС), получаемой по PREP технологии (Plasma Rotating Electrode Process). Технология PREP основана на плавлении металлического прутка высокоскоростным потоком ионизированного инертного газа. Данная технология применяется для получения особо чистых мелкодисперсных порошков сферической формы.

Температура в рабочей камере при осуществлении СЭЛС должна составлять 700-1000ºС.

Если температура в рабочей камере будет меньше 700ºС, то процесс синтеза может прерваться в виду нехватки кинетической энергии для расплавления порошка в рабочей камере установки.

Если температура в рабочей камере больше 1000ºС, то это приведет к деформации синтезируемых деталей и образованию дефектов типа пор в процессе изготовления.

В результате получаем фасонированную заготовку под штамповку.

Затем фасонированную заготовку смазывают, нагревают до температуры штамповки и осуществляют объемную штамповку со степенью деформации 10-60%.

Если степень деформации будет меньше 10%, то происходит недостаточная проработка материала при пластическом деформировании, что приводит к увеличению размера зёрен и соответственно, ухудшению механических свойств готовой лопатки.

Если степень деформации будет больше 60%, то в результате пластического деформирования возникают внутренние зоны интенсивного течения металла склонные к деформационному перегреву выше температуры полиморфного превращения материала лопатки, что приводит к образованию светлых индикаций в виде полос «линий сдвига» на границах зон интенсивного течения металла, а это увеличивает структурную неоднородность, снижают пластичность и усталостную прочность.

Предпочтительно степень деформации должна быть 20-40% с целью оптимального формирования структуры (требования класса А по DMF 90527-01) без образования светлых индикаций в виде полос «линий сдвига», что позволяет достичь уровня высоких механических свойств готовой лопатки.

При этом по всему телу лопатки от хвостовика до концевой части и по каждому сечению лопатки закладывается пропорциональный припуск, обеспечивающий при штамповке лопатки однородную структуру, а так же повышение коэффициента использования материала.

Объемную штамповку нагретой заготовки осуществляют на прессе, например на электровинтовом прессе.

После объемной штамповки осуществляют обрезку облоя отштампованной заготовки, затем размерное химическое травление альфированного слоя на поверхности штамповки лопатки с последующей вакуумной термической обработкой с целью получения комплекса механических свойств лопатки (таких как предел прочности, предел текучести, относительное удлинение, относительное сужение), требуемой макро- и микроструктуры, а так же удаления водорода с поверхности штамповки.

Затем выполняют изотермическую термофиксацию штамповки лопатки на гидравлическом прессе с обеспечением геометрии профиля пера штамповки и снятия внутренних напряжений.

Пример осуществления способа

Исходной заготовкой является фасонированная заготовка, полученная в процессе послойного селективного электронно-лучевого сплавления из двухфазного титанового сплава марки ВТ6 с размерами соответствующими расчетным величинам компьютерного моделирования, учитывающими пропорциональный припуск под общую степень деформации 35% по максимальной толщине профиля пера (С_max) от 1 мм до 1,8 мм с припуском размерного травления не менее 0,15 мм на сторону, а также закладывается в площадь сечения припуск на облой.

Для достижения необходимой шероховатости поверхности заготовки под бесприпусковую штамповку необходимо провести доработку поверхности заготовок после получения методом ЭЛС, во избежание брака, связанного с поверхностными дефектами получаемыми в окончательных заготовках. Доведение шероховатости поверхности предложено выполнять путем безразмерной обработки (например, виброгалтовки, гидроабразивной обработки и электро-химической обработки).

Затем осуществляют нанесение смазки, нагрев заготовок в печи при температуре 930±10°С и последующую объемную штамповку на электровинтовом прессе в подогретых штампах до 300°С со степенью 35% .

После чего выполняли обрезку облоя, обдувку для снятия остатков смазки, размерное химическое травление для удаления альфированного слоя и вакуумную термообработку отштампованных заготовок при температуре 700±10°С. После этого осуществляли изотермическую.

Штамповки лопаток проверялись на состояние макро- и микроструктуры, которая регламентируется конструкторской документацией.

Для признания пригодности макроструктуры, имеющей светлые индикации в виде полос «линий сдвига», проверяли микроструктуру в соответствии с металлургическим требованиям для производства по металлографическому стандарту для лопаток из α и β титанового сплава (DMF 90527-01) на класс «А», «В» или «С».

Проведенная работа позволила обеспечить требуемую макро- и микроструктуру достижением расчетной геометрии сплавленной заготовки, что позволяет с высокой точностью проводить объемную штамповку по заданным степеням деформационного процесса во всем объеме лопатки.

В результате осуществления технологического процесса по предложенному способу изготовили лопатку из титанового сплава, удовлетворяющую требованиям нормативной и конструкторской документации с минимальными внутренними напряжениями и однородной структурой.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при изготовлении авиационных деталей из титановых сплавов с применением аддитивного производства. Лопатку из двухфазного титанового сплава изготавливают из фасонированной заготовки, полученной методом послойного селективного электронно-лучевого сплавления при температуре в рабочей камере 700-1000ºС. Предварительно смазанную и нагретую заготовку подвергают штамповке со степенью деформации 10-60%. Затем осуществляют обрезку облоя полученной штамповки лопатки, размерное химическое травление альфированного слоя на ее поверхности, вакуумную термообработку и последующую изотермическую термофиксацию предварительно нагретой штамповки лопатки. Фасонированную заготовку получают с размерами, учитывающими припуск по профилю лопатки от хвостовика до концевой части под степень деформации при штамповке, припуск на облой и припуск на размерное химическое травление. В результате обеспечивается получение лопатки с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами. 1 з.п. ф-лы, 1 пр.

1. Способ изготовления лопатки из двухфазного титанового сплава, включающий получение фасонированной заготовки, последующую штамповку предварительно смазанной и нагретой фасонированной заготовки, обрезку облоя полученной штамповки лопатки, размерное химическое травление альфированного слоя на поверхности штамповки лопатки, ее вакуумную термообработку и последующую изотермическую термофиксацию предварительно нагретой штамповки лопатки, отличающийся тем, что получение фасонированной заготовки осуществляют методом послойного селективного электронно-лучевого сплавления при температуре в рабочей камере 700-1000°С, а штамповку предварительно смазанной фасонированной заготовки осуществляют со степенью деформации 10-60%, при этом фасонированную заготовку получают с размерами, учитывающими припуск по профилю лопатки от хвостовика до концевой части под степень деформации при штамповке, припуск на облой и припуск на размерное химическое травление.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что штамповку предварительно смазанной фасонированной заготовки осуществляют со степенью деформации 20-40%.