СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИСКОВ С ЛОПАТКАМИ Советский патент 1994 года по МПК B22F3/20 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к изготовлению методом горячего изостатического прессования (ГИП) изделий сложной формы типа дисков с лопатками, и может быть использовано при изготовлении роторов турбин и компрессоров реактивных авиационных двигателей.

Известен способ получения горячим изостатическим прессованием заготовки ротора, состоящего из порошкового диска и литых лопаток (см. авт. св. N 1088428, кл. B 22 F 5/00, 1982). Горячему изостатическому прессованию подвергают заготовку, состоящую из металлической капсулы, в которой размещен венец из чередующихся литых лопаток и прокладок (керамических закладных элементов), а свободный объем заполнен сферическими гранулами.

Применение этого способа позволяет получать порошковые диски с литыми лопатками. Недостатком этого способа является наличие зоны соединения литых лопаток с порошковым диском, качество которой зависит от многих факторов и не поддается надежному контролю неразрушающими методами.

В процессе изготовления ротора на поверхности литых лопаток могут попадать загрязнения, которые препятствуют надежному соединению в процессе ГИП литых лопаток с гранулами, что приводит к браку, выявляемому лишь в процессе эксплуатации.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ изготовления деталей со сложными полостями путем горячего изостатического прессования заготовки, состоящей из капсулы, в которой размещены керамические стержни (закладные элементы) и сферические гранулы прессуемого металла, заполняющие свободный объем капсулы (см. заявку ФРГ N 0034330, кл. В 22 F 5/00, 1981, прототип).

Недостатком данного способа получения дисков с лопатками является низкий выход годного из-за образования трещин на лопатках. Причина образования трещин на лопатках обусловлена взаимодействием материала керамических закладных элементов с гранулами прессуемого металла в процессе ГИП при высоких температурах. Глубина взаимодействия (образование окисленных гранул) достигает 300-500 мкм и тонкие кромки пера лопатки (0,8-1 мм) практически полностью окисляются и охрупчиваются. В этом случае не представляется возможным изготовление дисков с тонкими лопатками. Кроме того, в процессе заполнения гранулами капсулы и их виброуплотнения происходит истирание поверхности керамических закладных элементов и попадание керамических частиц в объем гранул, что приводит к браку изделий по неметаллическим включениям.

Целью изобретения является увеличение выхода годного и расширение номенклатуры изготавливаемых деталей.

Поставленная цель достигается тем, что в способе горячего изостатического прессования дисков с лопатками используется заготовка, состоящая из металлической капсулы, в которой размещены керамические закладные элементы с полостями, соответствующими конфигурации лопаток, и сферические гранулы прессуемого металла, а керамические закладные элементы выполнены из материала с пределом прочности на сжатие, равным 1,2-1,5 величины давления прессования, с нанесением на них поверхностного слоя из металла основы сплава гранул толщиной 0,2-0,8 наименьшего диаметра прессуемых гранул.

Применение материала керамических закладных элементов, имеющего предел прочности на сжатие, равный 1,2-1,5 величины давления прессования, обеспечивает получение заданной геометрии лопаток и диска, при этом увеличивается выход годного.

Экспериментально установлено, что в процессе горячего изостатического прессования керамический закладной элемент, имеющий предел прочности на сжатие, равный 1,2-1,5 величины давления прессования, не деформируется и не разрушается, обеспечивая заданную геометрию лопатки. При прочности на сжатие керамического закладного элемента менее 1,2 величины давления прессования происходит уплотнение самого керамического закладного элемента (более 1% ) и увеличение диаметральной усадки при ГИП, что приводит к отклонению от заданных геометрических размеров диска с лопатками, т. е. к браку. Венец из керамических закладных элементов с пределом прочности на сжатие более 1,5 величины давление прессования обладает значительной жесткостью и в процессе ГИП не обеспечивает равномерной усадки (в диаметральном направлении усадка значительно меньше), в результате чего наблюдаются отклонения от заданной геометрии диска, что приводит к браку.

Применение металлического покрытия на поверхности керамических закладных элементов обеспечивает защиту гранул от взаимодействия с керамикой в процессе ГИП при высоких температурах (1200^оС), а также в процессе засыпки и виброуплотнения гранул и предохраняет от попадания керамических частиц в объем засыпки, что обеспечивает получение чистых и качественных изделий.

Экспериментально установлено, что металлическое покрытие толщиной 0,2-0,8 от наименьшего диаметра прессуемых гранул обеспечивает уменьшение глубины взаимодействия гранул с материалом керамических закладных элементов до 30-50 мкм, а при толщине покрытия более 0,8 от наименьшего диаметра прессуемых гранул взаимодействие практически отсутствует, оно локализуется в слое покрытия. Дальнейшее увеличение толщины покрытия экономически не целесообразно. Металлическое покрытие толщиной менее 0,2 от наименьшего диаметра прессуемых гранул не обеспечивает надежной защиты от взаимодействия (глубина взаимодействия более 50 мкм), что приводит к образованию трещин по кромкам лопаток и снижает выход годного.

П р и м е р. Изготовление рабочего колеса турбины (диск с лопатками). Количество лопаток 84 шт. , диаметр дисковой части 166 ± 1,5 мм, диаметр бандажного кольца 192,6 мм, толщина кромки лопатки 0,8-1 мм, длина лопатки 10 ± 0,4 мм. Сплав ЭП741НП.

Капсула состоит из двух половинок, изготовленных точением из малоуглеродистой стали с толщиной стенки от 6 до 20 мм, в верхней половине капсулы имеется патрубок для засыпки гранул.

Керамические закладные элементы изготавливают из керамики на основе оксида магния (периклазовые порошки марки ПППЛ-95-08) методом горячего литья пластифицированного шликера. После прессования керамические закладные элементы подвергают обжигу в засыпке из глинозема для удаления технологической связки и предварительного спекания при 1350^оС. Для окончания спекания и придания необходимой прочности проводят обжиг в вакууме при 1650-1750^оС, при этом прочность на сжатие керамических закладных элементов зависит от температуры вакуумного обжига, например при температуре обжига 1650^оС прочность на сжатие 15 кг/мм², при температуре обжига 1750^оС прочность на сжатие 24 кг/мм².

На поверхность керамических закладных элементов наносится покрытие методом ионно-плазменного напыления на установке "Булат-3". Изменением времени напыления добиваются требуемой толщины покрытия.

В кольце малоуглеродистой стали (20) собирают венец из 84 лопаток. Собранный венец помещают в капсулу и сваривают половинки капсулы аргонно-дуговой сваркой. После сварки капсулу подвергают вакуумному отжигу при 1000^оС 5 ч для дегазации внутренней поверхности капсулы и керамических закладных элементов. Далее свободный объем капсулы заполняют гранулами сплава ЭП741НП с размером 50-200 мкм, дегазируют и герметизируют капсулу электронно-лучевой сваркой, после чего ее подвергают горячему изостатическому прессованию по режиму: давление 14 ± 0,1 кг/мм², температура 1200 ± 10^оС, время выдержки 1 ч.

После горячего изостатического прессования капсулу и керамические закладные элементы удаляют травлением в растворе азотной кислоты. Оценку качества полученных заготовок проводят по результатам определения геометрических размеров, ЛЮМ-контролю и цветной дефектоскопии.

Для сравнительной оценки применяют 6 вариантов предлагаемого способа горячего изостатического прессования дисков с лопатками и два варианта известного способа.

Данные по результатам эксперимента приведены в таблице.

Из анализа таблицы следует: применение известного способа горячего изостатического прессования практически не дает возможности изготовить диск с тонкими лопатками (толщина кромки 0,5-1 мм) вследствие образования трещин на кромках лопаток, отклонений от геометрических размеров и загрязнения компактного материала керамическими частицами;
предлагаемый способ позволяет повысить выход годного на 40-50% .

Таким образом, сравнение табличных данных и их анализ показывают, что применение предлагаемого способа позволяет расширить сортамент изготавливаемых изделий на диски с лопатками и увеличить выход годного до 80-95% при 40-50% в случае применения известного способа. (56) Авторское свидетельство СССР N 1088428, кл. В 22 F 5/00, 1982.

Заявка ФРГ N 00034330, кл. В 22 F 5/00, 1981.

Сущность: в металлической капсуле размещают керамические закладные элементы с полостями, соответствующими конфигурации лопаток, и заполняют ее сферическими гранулами прессуемого материала. Закладные элементы выполняют из материала с пределом прочности на сжатие, равным 1,2 - 1,5 величины давления прессования, с предварительным нанесением на них поверхностного слоя из металла основы гранул толщиной 0,2 - 0,8 от наименьшего диаметра прессуемых гранул, после чего производят горячее изостатическое прессование. 1 табл.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИСКОВ С ЛОПАТКАМИ, включающий размещение в металлической капсуле керамических закладных элементов с полостями, соответствующими конфигурации лопаток, заполнение капсулы сферическими гранулами прессуемого материала и горячее изостатическое прессование, отличающийся тем, что, с целью увеличения выхода годного и расширения технологических возможностей за счет изготовления дисков с тонкими лопатками, закладные элементы выполняют из материала с пределом прочности на сжатие, равным 1,2 - 1,5 величины давления прессования, с предварительным нанесением на них поверхностного слоя из металла основы гранул толщиной 0,2 - 0,8 от меньшего диаметра прессуемых гранул.