Способ изготовления лопаток газотурбинных двигателей из сплава на основе алюминида Ti2AlNb Российский патент 2023 года по МПК C22F1/18 B21K3/04 

Группа изобретений относится к области обработки металлов и сплавов давлением, а именно к технологии обработки давлением интерметаллидных сплавов на основе алюминида Ti₂AlNb и может быть использовано в аэрокосмической промышленности для изготовления 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 № 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 Т_пп+(100-200)°С, где Т_пп 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 Т_пп-(20-50)°С, причем окончательную деформацию заготовки осуществляют со степенью не более 30% при Т_пп-(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: σ_0,2=1040 МПа; σ_В=1110 МПа; δ=7,0 %; ψ=7,5%; при T=650°C: σ_0,2=860 МПа; σ_В=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 № 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 (Т_пп) и последующей термической обработке. Кроме того, слиток подвергается предварительной высокотемпературной газостатической обработке выше температуры Т_пп. Механические характеристики при T=20°C: σ_В~1200 МПа; δ=6-7 %; при T=650°C: σ_В~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 группы изобретений является обеспечение высокого комплекса механических характеристик заготовок лопаток газотурбинных двигателей из сплава на основе алюминида Ti₂AlNb, сочетающих в себе высокую прочность и жаропрочность при достаточном уровне низкотемпературной пластичности.

Технический результат изобретений заключается в обеспечении высоких механических свойств заготовок лопаток газотурбинных двигателей из сплава на основе алюминида Ti₂AlNb: σ_0,2²⁰ =950-1250 МПа; σ_В²⁰ =1050-1350 МПа; δ²⁰ =4-6 %; ψ²⁰ =4-6%; σ_0,2⁶⁵⁰ = 950 МПа; σ_В⁶⁵⁰ = 1100 МПа; δ⁶⁵⁰ =5 %; ψ⁶⁵⁰ =5% за счет применения предложенного способа изотермической штамповки и последующей термической обработки, обеспечивающих высокие механические свойства

Задача решается применением предложенного способа изотермической штамповки и термической обработки сплава на основе алюминида Ti₂AlNb на примере сплава ВИТ1, включающего штамповку лопаток со степенью деформации не менее 50% при температуре ниже Т_пп на 50-200°С, где Т_пп - температура β↔α₂ превращения, закалку при температуре ниже Т_пп на 50-150°С, выдержку не менее 0,5 часа с последующим печным охлаждением до температуры образования фазы Ti₂AlNb и дальнейшее охлаждение на воздухе, старение при температуре ниже Т_пп на 200-300°С и времени выдержки 1-36 часов.

Технический результат также достигается при условии совмещения стадии закалки с операцией изотермической штамповки, т.е. когда сразу после штамповки при температуре ниже Т_пп на 50-150°С осуществляют старение при температуре ниже Т_пп на 200-300°С в течение от 6 до 36 часов.

Новизна и изобретательский уровень предложенной группы изобретений заключается в деформационно-термической обработке заготовок сплава на основе алюминида Ti₂AlNb при температуре существенно ниже Т_пп, где Т_пп - температура β↔α₂ превращения. Такой подход позволяет обеспечить высокий комплекс механических характеристик как при комнатной, так и при рабочих температурах указанного сплава.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Деформационно-термическую обработку заготовок сплава на основе алюминида Ti₂AlNb провели на примере сплава ВИТ1. Температура β↔α₂ превращения (далее Т_пп) определена с помощью дифференциально сканирующей калориметрии и составила 1100°С. Температура образования фазы Ti₂AlNb определена тем же способом и составила 950°С. Изотермическую штамповку заготовок лопаток проводят при температуре ниже Т_пп на 50-200°С со степенью деформации от 50%. После чего заготовки подвергают термической обработке:

- закалка при температуре ниже Т_пп на 50-150°С, выдержка от 0,5 часа;

- охлаждение с печью до температуры 950°С, затем охлаждение на воздухе;

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

Кроме того, заявленный технический результат достигается и в случае, когда первая стадия термической обработки закалка совмещена с операцией изотермической штамповки при температуре ниже Т_пп на 50-150°С со степенью деформации от 50% , после которой заготовки подвергаются старению при температуре ниже Т_пп на 200-300°С с выдержкой от 6 до 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 при T=1000°С, выдержка 0,5 часа, охлаждение с печью до 950°С, охлаждение на воздухе; 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 группы изобретений поясняется примерами технологического процесса изотермической штамповки заготовок лопаток из сплава ВИТ1. Механические испытания полученных сплавов проводили с использованием установки универсальная электромеханическая испытательная машина Instron 5882.

Пример 1.

Проведена деформационно-термическая обработка заготовок сплава ВИТ1 на основе алюминида Ti₂AlNb . Заготовки подвергали изотермической штамповке при 950°С со степенью деформации 50%. После чего заготовки подвергали закалке при T=1000°С, выдержка 0,5 часа, охлаждение с печью до Т=950°С, охлаждение на воздухе; старение при 800°С с выдержкой 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 алюминида Ti₂AlNb . Заготовки подвергали изотермической штамповке при 900°С со степенью деформации 50%. После чего заготовки подвергали закалке при T=975°С, выдержка 0,5 часа, охлаждение с печью до Т=950°С, охлаждение на воздухе; 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 алюминида Ti₂AlNb. Заготовки подвергали изотермической штамповке при 1050°С со степенью деформации 50%. После чего заготовки подвергали закалке при T=1050°С, выдержка 0,5 часа, охлаждение с печью до Т=950°С, охлаждение на воздухе; старение при 900°С, выдержка 6 часов. Результаты механических испытаний представлены в таблице на фигуре 2.

Пример 4.

Проведена деформационно-термическая обработка заготовок сплава ВИТ1 на основе алюминида Ti₂AlNb. Заготовки подвергали изотермической штамповке при 950°С со степенью деформации 50%. После чего заготовки подвергали закалке при T=975°С, выдержка 0,5 часа, охлаждение с печью до Т=950°С, закалка на воздухе; старение при 850°С, выдержка 1 час. Результаты механических испытаний представлены в таблице на фигуре 2.

Пример 5.

Проведена деформационно-термическая обработка заготовок сплава ВИТ1 на основе алюминида Ti₂AlNb. Заготовки подвергали изотермической штамповке при 1000°С со степенью деформации 50%. После чего заготовки подвергали термической обработке: старение при 800°С, выдержка 6 часов. Результаты механических испытаний представлены в таблице на фигуре 2.

Пример 6.

Проведена деформационно-термическая обработка заготовок сплава ВИТ1 на основе алюминида Ti₂AlNb. Заготовки подвергали изотермической штамповке при 1000°С со степенью деформации 50%. После чего заготовки подвергали термической обработке: старение при 800°С, выдержка 36 часов. Результаты механических испытаний представлены в таблице на фигуре 2.

Пример 7.

Проведена деформационно-термическая обработка заготовок сплава ВИТ1 на основе алюминида Ti₂AlNb. Заготовки подвергали изотермической штамповке при 1000°С со степенью деформации 50%. После чего заготовки подвергали термической обработке: старение при 900°С, выдержка 6 часов. Результаты механических испытаний представлены в таблице на фигуре 2.

Пример 8.

Проведена деформационно-термическая обработка заготовок сплава ВИТ1 на основе алюминида Ti₂AlNb. Заготовки подвергали изотермической штамповке при 1000°С со степенью деформации 50%. После чего заготовки подвергали термической обработке: старение при 900°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 Ti₂AlNb: σ_0,2²⁰ =950-1250 МПа; σ_В²⁰ =1050-1350 МПа; δ²⁰ =4-6 %; ψ²⁰ =4-6%; σ_0,2⁶⁵⁰ = 950 МПа; σ_В⁶⁵⁰ = 1100 МПа; δ⁶⁵⁰ =5 %; ψ⁶⁵⁰ =5%.

Изобретение относится к области обработки металлов и сплавов давлением, в частности к способу изготовления лопаток газотурбинных двигателей из сплава на основе алюминида Ti₂AlNb. Может использоваться в аэрокосмической промышленности для изготовления деталей газотурбинных двигателей. При получении заготовок лопаток из сплава на основе алюминида Ti₂AlNb осуществляют штамповку со степенью деформации не менее 50% при температуре ниже Т_пп на 50-200°С, где Т_пп-температура β↔α₂ превращения. После чего проводят закалку при температуре ниже Т_пп на 50-150°С с выдержкой не менее 0,5 часа и с последующим печным охлаждением до температуры образования фазы Ti₂AlNb. Затем охлаждают на воздухе и проводят старение при температуре ниже Т_пп на 200-300°С и временем выдержки от 1 до 36 часов. Или проводят штамповку при температуре ниже Т_пп на 50-150°С со степенью деформации от 50%, после чего осуществляют старение при температуре ниже Т_пп на 200-300°С с выдержкой от 6 до 36 часов и охлаждение с печью. Обеспечиваются высокие механические свойства. 2 н. п. ф-лы, 2 ил., 8 пр.

1. Способ изготовления заготовок лопаток газотурбинных двигателей из сплава на основе алюминида Ti₂AlNb, включающий штамповку и термическую обработку, отличающийся тем, что штамповку проводят со степенью деформации не менее 50% при температуре ниже Т_пп на 50-200°С, где Т_пп - температура β↔α₂ превращения, а при термообработке проводят закалку при температуре ниже Т_пп на 50-150°С с выдержкой не менее 0,5 часа с последующим печным охлаждением до температуры образования фазы Ti₂AlNb, после чего осуществляют охлаждение на воздухе и старение при температуре ниже Т_пп на 200-300°С и временем выдержки от 1 до 36 часов.

2. Способ изготовления заготовок лопаток газотурбинных двигателей из сплава на основе алюминида Ti₂AlNb, включающий штамповку и термическую обработку, отличающийся тем, что штамповку проводят со степенью деформации не менее 50% при температуре ниже Т_пп на 50-150°С, где Т_пп - температура β↔α₂ превращения, а термообработку проводят путем старения при температуре ниже Т_пп на 200-300°С и временем выдержки от 6 до 36 часов.