Способ изготовления лопаток газотурбинных двигателей из деформированных заготовок сплава на основе орторомбического алюминида титана Российский патент 2023 года по МПК C22F1/18 B21K3/04 

Описание патента на изобретение RU2790704C1

Изобретение относится к области обработки металлов и сплавов давлением, а именно к технологии обработки давлением интерметаллидных сплавов на основе орторомбического алюминида титана и может быть использовано в аэрокосмической промышленности для получения из этих материалов деталей газотурбинных двигателей с регламентированной структурой и заданными механическими свойствами.

Интерметаллидные сплавы на основе орторомбического алюминида титана обладают такими свойствами как высокая термическая стабильность, высокие удельные прочностные характеристики при достаточном уровне пластичности. Сочетание таких характеристик позволяет применять их в газотурбинных двигателях в качестве деталей с рабочей температурой до 650°С. Однако, сдерживающим фактором для применения данных сплавов является сложность обеспечения баланса между прочностью, пластичностью и вязкостью разрушения при комнатной и рабочей температуре. В данных сплавах в ходе кристаллизации формируются крупные зерна размером до нескольких миллиметров, что затрудняет пластическую деформацию и не позволяет реализовать весь потенциал материала. Хотя в ходе горячей прокатки микроструктура существенно измельчается, однако из-за узкого температурного интервала процесса не удается получить требуемую для обеспечения высокого комплекса свойств структуру. Термическая обработка также не дает возможности в полной мере улучшить механические свойства. Решением данной проблемы может быть применение сочетания изотермической штамповки и термической обработки, что позволяет помимо получения конечной формы изделия сформировать требуемую структуру в заготовках лопаток из интерметаллидных сплавов на основе орторомбического алюминида титана.

На данный момент известно несколько способов обработки интерметаллидных сплавов на основе орторомбического алюминида титана методами горячей деформации.

Известен способ проведения горячей деформации сплава на основе орторомбического алюминида титана Ti-11,4Al-1,31Zr-0,7V-39,9Nb-0,85Mo-0,14Si-0,065C масс. %) с целью получения прутковых заготовок [Патент РФ № RU 2644830 C2 от 26.06.2017 «Способ изготовления прутковых заготовок из сплавов на основе интерметаллида титана с орто – фазой»] включающий нагрев и предварительную деформацию слитка с получением заготовки, промежуточную и окончательную деформацию заготовки и заключительную термообработку, отличающийся тем, что промежуточную деформацию заготовки осуществляют от 2 до 5 осадок со степенью 25-40%, совмещенных с прессованием со степенью 55-70%, при этом нагрев заготовки перед первой из промежуточных деформаций проводят ступенчато до температуры Тпп+(100-200)°С, где Тпп температура β↔α2 превращения с выдержкой 2-3 часа, а каждую последующую из промежуточных деформаций проводят при температуре на 50-100°С ниже предыдущей с выдержкой на 0,5-1 час меньше, чем на предыдущей, а последнюю из промежуточных деформаций проводят при температуре Тпп-(20-50)°С, причем окончательную деформацию заготовки осуществляют со степенью не более 30% при Тпп-(80-120)°С. После деформации заготовку подвергали двухступенчатой термической обработке: 1. нагрев до Т=900°C выдержка 2,5 часа с последующим охлаждением на воздухе до комнатной температуры; 2. нагрев до Т=850°C выдержка 12 часов с последующим охлаждением на воздухе до комнатной температуры. Механические характеристики при T=20°C: σ0,2=1040 МПа; σВ=1110 МПа; δ=7,0 %; ψ=7,5%; при T=650°C: σ0,2=860 МПа; σВ=890 МПа; δ=13,0 %; ψ=25,0%. Недостатком данного способа являются высокие температуры деформации, приводящие к значительным энергозатратам и трудоемкости процесса, а также низкая прочность после термической обработки.

Известен способ проведения горячей деформации сплава на основе орторомбического алюминида титана для получения поковок [Патент РФ № RU 2 520 924 С1 от 27.06.2014 «Способ изготовления поковок дисков из сплава алюминия титана на основе орто – фазы»], заключающийся в многостадийной деформации слитка с подогревами выше, а затем и ниже температуры полиморфного превращения (Тпп) и последующей термической обработке. Кроме того, слиток подвергается предварительной высокотемпературной газостатической обработке выше температуры Тпп. Механические характеристики при T=20°C: σВ~1200 МПа; δ=6-7 %; при T=650°C: σВ~1000 МПа; δ=9-12 %. Недостатком данного способа являются высокие температуры деформации на начальных этапах, что приводит к повышению требований к штамповым материалам и дополнительным затратам на нагрев до более высоких температур.

Известен способ проведения горячей деформации сплава на основе орторомбического алюминида титана ВИТ1 [Патент РФ № RU 2 761 398 C1 от 08.12.2021 «Способ обработки прутков из орто-сплавов титана для получения лопаток компрессора газотурбинного двигателя» с целью повышения механических характеристик, который включает нагрев прутка до 1100°С, плющение со степенью деформации не менее 0,5, повторный нагрев до 1100°С и выдавливание заготовки в закрытом штампе с формированием поковки с замком и пером лопатки. Затем поковку нагревали до 1100°С, подвергали сначала черновой, а затем чистовой штамповке лопаток. После низкого отжига были получены следующие свойства при температуре 20°С: предел прочности σв =1230 МПа; относительное удлинение δ=20,5% и относительное сужение ψ=46,3%. Недостатком данного способа является высокая температура ковки и последующей штамповки, что существенно повышает требования к штамповым материалам и удорожает производство. Кроме того, отсутствуют данные о жаропрочных характеристиках полученного состояния, что не позволяет в полной мере оценить разработанный способ.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей изобретения является обеспечение высокого комплекса механических характеристик заготовок лопаток газотурбинных двигателей из сплава на основе орторомбического алюминида титана сочетающих в себе высокую прочность и жаропрочность при достаточном уровне низкотемпературной пластичности.

Технический результат изобретения заключается в получении высоких механических свойств заготовок лопаток газотурбинных двигателей из сплава на основе орторомбического алюминида титана как при комнатной температуре: σ0,220 =1000-1300 МПа; σВ20 =1150-1400 МПа; δ20 =3-8 %; ψ20 =3-5%; так и при рабочей температуре: σ0,2650 =1030 МПа; σВ650 =1120 МПа; δ650 =6 %; ψ650 =4%, за счет заявленного способа изотермической штамповки и последующей термической обработки.

Задача изобретения решается применением предложенного способа изготовления лопаток газотурбинных двигателей из сплава на основе орторомбического алюминида титана, включающего штамповку лопаток со степенью деформации не менее 50% при температуре ниже Тпп на 50-200°С, где Тпп-температура β↔α2 превращения, термическую обработку, включающую две ступени: закалку на воздухе с температуры ниже Тпп на 50-150°С с выдержкой не менее 0,5 часа и старение при температуре ниже Тпп на 200-300°С с выдержкой от 1 до 36 часов.

Новизна и изобретательский уровень предложенного изобретения заключается в том, что изотермическая штамповка заготовок лопаток и двухстадийная термическая обработка при температуре существенно ниже Тпп, где Тпп температура β↔α2 превращения, обеспечивает высокий комплекс механических характеристик как при комнатной, так и при рабочих температурах сплава ВИТ1.

Осуществление изобретения на примере сплава на основе орторомбического алюминида титана ВИТ1. Температура β↔α2 превращения (Тпп) определена с помощью дифференциально сканирующей калориметрии и составила 1100°С. Штамповку заготовок лопаток проводят при температуре на 50-200°С ниже Тпп со степенью деформации от 50%. После чего заготовки подвергают двухстадийной термической обработке:

- закалка на воздухе с температуры на 50-200°С ниже Тпп, выдержка от 0,5 часа, но не более двух часов, т.к. более длительная выдержка экономически не целесообразна;

- старение при температуре на 200-300°С ниже Тпп, выдержка 1-36 часов, охлаждение с печью.

Изобретение охарактеризовано на следующих изображениях.

Фигура 1 – Микроструктура заготовки сплава ВИТ1 после деформационно-термической и термической обработки по режиму: изотермическая штамповка при T=950°С со степенью деформации 50%, закалка на воздухе с 1000°С, выдержка 1 час; старение при T=800°С, выдержка 6 часов (а - сканирующая электронная микроскопия, б - просвечивающая электронная микроскопия).

Фигура 2 – Таблица «Механические свойства сплава ВИТ1 после изотермической штамповки и термической обработки»

Возможность осуществления изобретения поясняется следующими примерами технологического процесса изотермической штамповки заготовок лопаток из сплава на основе орторомбического алюминида титана ВИТ1. Механические испытания полученных сплавов проводили с использованием следующих установок: универсальная электромеханическая испытательная машина Instron 5882.

Пример 1.

Проведена деформационно-термическая обработка заготовок сплава ВИТ1 на основе орторомбического алюминида титана ВИТ1. Заготовки подвергали изотермической штамповке при 950°С со степенью деформации 50%. После чего заготовки подвергали термической обработке: закалка на воздухе с температуры T=1000°С, выдержка 1 час, старение при 800°С, выдержка 6 часов. Микроструктура полученной штамповки представлена на фигуре 1. Результаты механических испытаний представлены в таблице на фигуре 2.

Пример 2.

Проведена деформационно-термическая обработка заготовок сплава ВИТ1 на основе орторомбического алюминида титана ВИТ1. Заготовки подвергали изотермической штамповке при 1050°С со степенью деформации 80%. После чего заготовки подвергали термической обработке: закалка на воздухе с температуры T=1050°С, выдержка 0,5 часа, старение при 800°С, выдержка 6 часов. Результаты механических испытаний представлены в таблице на фигуре 2.

Пример 3.

Проведена деформационно-термическая обработка заготовок сплава ВИТ1 на основе орторомбического алюминида титана ВИТ1. Заготовки подвергали изотермической штамповке при 900°С со степенью деформации 50%. После чего заготовки подвергали термической обработке: закалка на воздухе с температуры T=1000°С, выдержка 0,5 часа, старение при 800°С, выдержка 6 часов. Результаты механических испытаний представлены в таблице на фигуре 2.

Пример 4.

Проведена деформационно-термическая обработка заготовок сплава ВИТ1 на основе орторомбического алюминида титана ВИТ1. Заготовки подвергали изотермической штамповке при 900°С со степенью деформации 50%. После чего заготовки подвергали термической обработке: закалка на воздухе с температуры T=950°С, выдержка 1 час, старение при 800°С, выдержка 6 часов. Результаты механических испытаний представлены в таблице на фигуре 2.

Пример 5.

Проведена деформационно-термическая обработка заготовок сплава ВИТ1 на основе орторомбического алюминида титана ВИТ1. Заготовки подвергали изотермической штамповке при 1000°С со степенью деформации 50%. После чего заготовки подвергали термической обработке: закалка на воздухе с температуры T=1000°С, выдержка 0,5 часа, старение при 900°С, выдержка 6 часов. Результаты механических испытаний представлены в таблице на фигуре 2.

Пример 6.

Проведена деформационно-термическая обработка заготовок сплава ВИТ1 на основе орторомбического алюминида титана ВИТ1. Заготовки подвергали изотермической штамповке при 950°С со степенью деформации 50%. После чего заготовки подвергали термической обработке: закалка на воздухе с температуры T=975°С, выдержка 2 часа, старение при 850°С, выдержка 1 час. Результаты механических испытаний представлены в таблице на фигуре 2.

Пример 7.

Проведена деформационно-термическая обработка заготовок сплава ВИТ1 на основе орторомбического алюминида титана ВИТ1. Заготовки подвергали изотермической штамповке при 900°С со степенью деформации 50%. После чего заготовки подвергали термической обработке: закалка на воздухе с температуры T=1000°С, выдержка 1 час, старение при 800°С, выдержка 36 часов. Результаты механических испытаний представлены в таблице на фигуре 2.

Приведенные примеры подтверждают достижение заявленного технического результата изобретения, заключающегося в том, что предложенные режимы термической и деформационно-термической обработок, обеспечивают высокие механические свойства сплава на основе орторомбического алюминида титана ВИТ1 σ0,220 =1000-1300 МПа; σВ20 =1150-1400 МПа; δ20 =3-8 %; ψ20 =3-5%; σ0,2650 =1030 МПа; σВ650 =1120 МПа; δ650 =6 %; ψ650 =4%.

Похожие патенты RU2790704C1

название год авторы номер документа
Способ изготовления лопаток газотурбинных двигателей из деформированных заготовок сплава на основе орторомбического алюминида титана 2022
  • Соколовский Виталий Сергеевич
  • Волокитина Елена Ивановна
  • Салищев Геннадий Алексеевич
  • Быков Юрий Геннадьевич
  • Кярамян Карен Абовович
RU2790711C1
Способ изготовления лопаток газотурбинных двигателей из интерметаллидного сплава на основе орторомбического алюминида титана 2022
  • Соколовский Виталий Сергеевич
  • Волокитина Елена Ивановна
  • Салищев Геннадий Алексеевич
  • Быков Юрий Геннадьевич
  • Кярамян Карен Абовович
RU2800270C1
Способ изготовления лопаток газотурбинных двигателей из сплава на основе алюминида Ti2AlNb 2022
  • Соколовский Виталий Сергеевич
  • Волокитина Елена Ивановна
  • Салищев Геннадий Алексеевич
  • Быков Юрий Генадьевич
  • Кярамян Карен Абовович
RU2801383C1
Способ изготовления прутковых заготовок из сплавов на основе интерметаллида титана с орто-фазой 2015
  • Веселков Михаил Михайлович
  • Ночовная Надежда Алексеевна
  • Скворцова Светлана Владимировна
  • Тимербаев Денис Александрович
  • Умарова Оксана Зияровна
  • Хлобыстов Дмитрий Олегович
  • Худяков Дмитрий Аркадьевич
RU2644830C2
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРУТКОВЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА ТИТАНА С ОРТО-ФАЗОЙ 2022
  • Онищенко Анатолий Кондратьевич
  • Максимов Андрей Викторович
  • Осечкин Вячеслав Сергеевич
  • Джус Александр Сергеевич
RU2807232C1
СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПРУТКОВ ИЗ ОРТО-СПЛАВОВ ТИТАНА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ 2021
  • Онищенко Анатолий Кондратьевич
  • Барков Максим Геннадьевич
  • Джус Александр Сергеевич
  • Сивцова Марина Васильевна
RU2761398C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОКОВОК ДИСКОВ ИЗ СПЛАВА АЛЮМИНИЯ ТИТАНА НА ОСНОВЕ ОРТО-ФАЗЫ 2013
  • Ваулин Дмитрий Дмитриевич
  • Зенина Марина Валерьевна
  • Клевков Павел Анатольевич
  • Саленков Виктор Сергеевич
  • Мочалова Олеся Николаевна
RU2520924C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СОСТАВНЫХ ЗАГОТОВОК ТИПА "ДИСК-ДИСК" И "ДИСК-ВАЛ" ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ ТИТАНОВЫХ И НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ 2015
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Скугорев Александр Викторович
  • Шпагин Александр Сергеевич
  • Шишков Станислав Юрьевич
  • Сидоров Сергей Анатольевич
RU2610658C2
ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ γ-TiAl ФАЗЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛОПАТКИ ТУРБИНЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАГОТОВКИ ЛОПАТКИ ИЗ ИНТЕРМЕТАЛЛИДНОГО СПЛАВА НА ОСНОВЕ γ-TiAl ФАЗЫ 2021
  • Мулюков Радик Рафикович
  • Иноземцев Александр Александрович
  • Чинейкин Сергей Владимирович
  • Имаев Ренат Мазитович
  • Имаев Валерий Мазитович
  • Черкашнева Наталья Николаевна
  • Бекмансуров Рустам Фанильевич
  • Назарова Татьяна Ивановна
RU2777775C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИСТОВОГО ПРОКАТА ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА МАРКИ ВТ8 2018
  • Калиенко Максим Сергеевич
  • Волков Анатолий Владимирович
  • Ледер Михаил Оттович
  • Плаксина Елизавета Александровна
  • Водолазский Валерий Федорович
RU2691471C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 790 704 C1

Реферат патента 2023 года Способ изготовления лопаток газотурбинных двигателей из деформированных заготовок сплава на основе орторомбического алюминида титана

Изобретение относится к металлургии, а именно к обработке давлением интерметаллидных сплавов на основе орторомбического алюминида титана, и может быть использовано в аэрокосмической промышленности для получения изготовления деталей газотурбинных двигателей с регламентированной структурой и заданными механическими свойствами. Способ деформационно-термической обработки заготовок лопаток газотурбинных двигателей из сплава на основе орторомбического алюминида титана включает штамповку заготовок лопаток при температуре ниже Тпп. Штамповку заготовок лопаток проводят со степенью деформации не менее 50% при температуре ниже Тпп на 50-200°С, после чего осуществляют термическую обработку, включающую две ступени, на первой из которых проводят закалку на воздухе при температуре ниже Тпп на 50-150°С с выдержкой не менее 0,5 часа, а на второй - старение при температуре ниже Тпп на 200-300°С с выдержкой от 1 до 36 часов, где Тпп - температура превращения β↔α2. Обеспечиваются высокие механические свойства сплава на основе орторомбического алюминида титана σ0,220=1000-1300 МПа; σВ20=1150-1400 МПа; δ20=3-8 %; ψ20=3-5%; σ0,2650=1030 МПа; σВ650=1120 МПа; δ650=6 %; ψ650=4%. 2 ил., 7 пр.

Формула изобретения RU 2 790 704 C1

Способ деформационно-термической обработки заготовок лопаток газотурбинных двигателей из сплава на основе орторомбического алюминида титана, включающий штамповку заготовок лопаток при температуре ниже Тпп, отличающийся тем, что штамповку заготовок лопаток проводят со степенью деформации не менее 50% при температуре ниже Тпп на 50-200°С, после чего осуществляют термическую обработку, включающую две ступени, на первой из которых проводят закалку на воздухе при температуре ниже Тпп на 50-150°С с выдержкой не менее 0,5 часа, а на второй - старение при температуре ниже Тпп на 200-300°С с выдержкой от 1 до 36 часов, где Тпп - температура превращения β↔α2.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2023 года RU2790704C1

СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПРУТКОВ ИЗ ОРТО-СПЛАВОВ ТИТАНА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ 2021
  • Онищенко Анатолий Кондратьевич
  • Барков Максим Геннадьевич
  • Джус Александр Сергеевич
  • Сивцова Марина Васильевна
RU2761398C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОКОВОК ДИСКОВ ИЗ СПЛАВА АЛЮМИНИЯ ТИТАНА НА ОСНОВЕ ОРТО-ФАЗЫ 2013
  • Ваулин Дмитрий Дмитриевич
  • Зенина Марина Валерьевна
  • Клевков Павел Анатольевич
  • Саленков Виктор Сергеевич
  • Мочалова Олеся Николаевна
RU2520924C1
Способ получения многослойного защитного покрытия лопаток турбомашин из титановых сплавов 2017
  • Абраимов Николай Васильевич
  • Иванова Анна Юрьевна
  • Козлов Дмитрий Львович
  • Лукина Валентина Васильевна
  • Яковлев Максим Григорьевич
RU2667191C1
Способ изготовления прутковых заготовок из сплавов на основе интерметаллида титана с орто-фазой 2015
  • Веселков Михаил Михайлович
  • Ночовная Надежда Алексеевна
  • Скворцова Светлана Владимировна
  • Тимербаев Денис Александрович
  • Умарова Оксана Зияровна
  • Хлобыстов Дмитрий Олегович
  • Худяков Дмитрий Аркадьевич
RU2644830C2
US 20170081751 A1, 23.03.2017.

RU 2 790 704 C1

Авторы

Соколовский Виталий Сергеевич

Волокитина Елена Ивановна

Салищев Геннадий Алексеевич

Быков Юрий Геннадьевич

Кярамян Карен Абовович

Даты

2023-02-28Публикация

2022-06-15Подача