×
20.12.2015
216.013.9c70

Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РОТОРА ТУРБИНЫ ИЗ НИКЕЛЕВОГО ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА

Вид РИД

Изобретение

Аннотация: Изобретение относится к области изготовления ротора турбины газотурбинного двигателя, состоящего из двух и более деталей, изготовленных преимущественно из никелевого жаропрочного сплава с применением электронно-лучевой сварки. Способ включает получение по меньшей мере двух заготовок компонентов ротора из высокопрочного деформируемого никелевого сплава, предварительную термическую обработку заготовок, их соединение посредством электронно-лучевой сварки с формированием сварного шва и окончательную термическую обработку сварной конструкции ротора. Формирование сварного шва производят путем перемещения свариваемых заготовок относительно источника излучения со скоростью 5-30 м/ч, заготовки компонентов ротора получают из жаропрочного деформируемого никелевого сплава, содержащего, мас.%: углерод 0,05-0,07, хром 14-16, кобальт 15-17, молибден 4,5-5, вольфрам 1-1,8, ниобий 4,2-4,7, суммарное содержание алюминия и титана 2,5-3, цирконий 0,5-0,8, бор 0,001-0,003, магний 0,01-0,03, лантан 0,01-0,03 и неизбежные примеси и никель - остальное. Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение работоспособности конструкции ротора при температуре до 750°C, повышение надежности сварных соединений, повышение прочности сварного шва и основного металла заготовок. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к области изготовления роторов, например ротора турбины газотурбинного двигателя, состоящего из двух и более деталей, изготовленных преимущественно из никелевого жаропрочного сплава с применением электронно-лучевой сварки.

Развитие конструкции газотурбинных двигателей предполагает снижение веса узлов, в том числе, благодаря внедрению неразъемных соединений роторных конструкций компрессоров и высокого давления и турбин. Для этого требуется применение материалов, сочетающих в себе высокие характеристики прочности и жаропрочности, при сохранении высоких показателей технологической пластичности и свариваемости.

Детали ротора, изготовленные из известных никелевых труднодеформируемых жаропрочных сплавов, применяемых в настоящее время, не могут быть соединены между собой сваркой плавлением с обеспечением отсутствия дефектов при сварке и последующей термической обработке.

При изготовлении роторных узлов из деформируемых никелевых сплавов, а также при использовании разнородных материалов в различных сочетаниях, может быть использована ротационная сварка трением, в том числе, с применением проставок из материалов, менее склонных к образованию дефектов при воздействии нагревов.

Известные никелевые свариваемые сплавы, стали и титановые сплавы не могут быть применены в конструкции ротора турбины ввиду низких характеристик прочности и жаропрочности при температурах 650-700°C.

Известный никелевый свариваемый сплав (патент US 3046108, опубл. 27.04.1962), применяемый для изготовления деталей ротора, не работоспособен выше температуры 700°C, ввиду ограниченной термической стабильности упрочняющей его фазы γ″ на основе Ni3Nb, а также ограничен в применении из-за недостаточных характеристик жаропрочности при температуре 650-700°C.

Из предшествующего уровня техники (патент US 4743165, опубл. 10.05.1988) известен способ соединения деталей ротора через промежуточный узел, состоящий из двух деталей менее легированного никелевого сплава, при котором диск и промежуточный узел соединяются между собой посредством сварки трением, а детали, составляющие промежуточный узел, соединяются между собой электронно-лучевой сваркой.

Недостаток такого способа заключается в увеличении веса ротора из-за необходимости промежуточного узла между соединяемыми дисками. Кроме того, использование сварки трением наряду с электронно-лучевой сваркой повышает трудоемкость изготовления узла.

Из уровня техники известен способ соединения деталей электронно-лучевой сваркой, изготовленных из разнородных материалов (заявка EP 2617512 (A1), опубл. 24.07.2013). В данном способе крыльчатки из деформируемого никелевого сплава или литейного никелевого сплава, соединяемых с валом, изготовленным из стали, и способ, заключающийся в формировании шва при сварке плавлением преимущественно в сечении детали, выполненной из никелевого сплава, таким образом, чтобы химический состав расплавленного и кристаллизовавшегося в результате сварки металла шва был наиболее близок по характеру кристаллизации к материалу крыльчатки, изготовленной из литейного или деформируемого никелевого сплава, благодаря чему обеспечивается отсутствие дефектов в зоне сварного шва и повышенная надежность сварного соединения.

К недостаткам такого способа следует отнести технологическую сложность обеспечения точного позиционирования электронного луча при сварке, а также сохраняющуюся вероятность образования дефектов при последующей термической обработке ввиду существенных различий структуры литого шва, деформированной структуры вала, выполненного из стали и отсутствия переходной зоны, релаксирующей сварочные напряжения.

Наиболее близким аналогом является способ изготовления ротора с применением электронно-лучевой сварки (заявка EP 2725214 (А1), опубл. 30.04.2017). Согласно известному способу получают две и более заготовки компонентов ротора из высокопрочного деформируемого никелевого сплава, проводят предварительную термическую обработку заготовок, затем их соединение посредством электронно-лучевой сварки и окончательную термической обработку. Детали ротора изготовлены из разнородных материалов, например диски турбины из свариваемого жаропрочного сплава и вала ротора, выполненного из стали, при котором применяются проставки, выполненные из менее жаропрочного, чем материал диска, сплава, имеющего лучшую способность к соединению со сталью.

Недостаток способа заключается в том, что эксплуатационные свойства такой конструкции определяются условиями работоспособности материала с наименьшими механическими характеристиками, а также повышенная трудоемкость ввиду необходимости использования 2-3 марок разнородных материалов, и, как следствие этого, неоптимальная термообработка.

Технической задачей настоящего изобретения является разработка способа изготовления ротора, в частности ротора газотурбинного двигателя, обеспечивающего повышенную надежность сварного ротора и температуру работы до 750°C.

Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение работоспособности конструкции ротора при температуре до 750°C, повышение надежности сварных соединений, повышение прочности сварного шва и основного металла заготовок (составляет от 1 до 0,9 во всем диапазоне предполагаемых температур эксплуатации сварного узла).

Для достижения поставленного технического результата предложен способ изготовления ротора турбины из никелевого жаропрочного сплава, включающий получение по меньшей мере двух заготовок компонентов ротора из жаропрочного деформируемого никелевого сплава, предварительную термическую обработку заготовок, их соединение посредством электронно-лучевой сварки с формированием сварного шва и окончательную термическую обработку полученной сварной конструкции, отличающийся тем, что заготовки компонентов ротора получают из жаропрочного деформируемого никелевого сплава, содержащего, мас.%:

углерод 0,05-0,07,

хром 14-16,

кобальт 15-17,

молибден 4,5-5,

вольфрам 1-1,8,

ниобий 4,2-4,7,

суммарное содержание алюминия и титана 2,5-3,

цирконий 0,5-0,8,

бор 0,001-0,003,

магний 0,01-0,03,

лантан 0,01-0,03,

неизбежные примеси и никель - остальное,

выполняют их предварительную термическую обработку путем закалки на воздухе с температуры, на 40-60°C превышающей температуру полного растворения упрочняющей фазы γ', осуществляют сварку с перемещением свариваемых заготовок относительно источника излучения со скоростью 5-30 м/ч, а затем выполняют окончательную термическую обработку сварной конструкции путем закалки на воздухе с температуры, на 40-60°C превышающей температуру полного растворения упрочняющей фазы γ' или путем закалки и старения с выдержкой при температуре на 120-320°C ниже температуры полного растворения γ'.

Предпочтительно, заготовки ротора выполняют с сечением от 5 до 30 мм и с припуском толщиной от 0,2 до 0,8 от сварочного сечения, выполненным на одной из заготовок компонентов ротора.

Предпочтительно, получают кольцевые заготовки и электронно-лучевую сварку проводят по окружности соединения упомянутых заготовок компонентов ротора непрерывно за один проход.

Предпочтительно, электронно-лучевую сварку выполняют с формированием сварного шва с внешней стороны свариваемых заготовок по плоскости их сопряжения.

Для практического осуществления представленного способа, из высокопрочного никелевого сплава были изготовлены заготовки деталей ротора в форме колец наружным диаметром 750 мм путем ковки слитка, полученного вакуумно-индукционной выплавкой с электрошлаковым переплавом, осадки полученной поковки на шайбу, ее прошивку и раскатку на кольца. Кольца подвергали термообработке - закалке на воздухе с температуры, на 40-60°C превышающей температуру растворения упрочняющей фазы γ'. В данном примере осуществления брали сплав, содержащий 0,05-0,07% углерода, 14-16% хрома, 15-17% кобальта, 4,5-5% молибдена, 1-1,5% вольфрама, 4,2-4,5 ниобия, алюминия и титана общим количеством 2,7-3%, 0,5-0,8% циркония, 0,001-0.003% бора, 0.01-0.03% магния, 0.01-0.03% лантана. Из колец механической обработкой получали заготовки компонентов ротора, которые соединяли между собой коаксиально оси вращения колец путем стыковки по поверхностям, имеющим сечение 16 мм. Дополнительно на одной из заготовок выполнялся припуск толщиной 5 мм и расположенный перпендикулярно плоскости формирования сварного шва. Соединение кольцевых заготовок осуществляли электронно-лучевой сваркой с перемещением свариваемых заготовок компонентов ротора относительно источника излучения по линии сварного соединения со скоростью 10-20 м/ч, при этом обеспечивая формирование сварного шва по всей плоскости стыкового соединения заготовок компонентов ротора с окончанием в зоне припуска, образующего замковое соединение заготовок. Ускоряющее напряжение и ток сварки выбирали исходя из условия получения в указанном сечении соединяемых деталей проплавления на всю глубину с формированием корня сварного шва в зоне припуска. После соединения кольцевых деталей электронно-лучевой сваркой проводили термообработку сварного роторного узла, заключающуюся в закалке на воздухе с температуры, на 40-60°C превышающей температуру полного растворения упрочняющей фазы γ', и старении, заключающемся в выдержках при температурах выделения упрочняющей фазы γ', проводимых последовательно в три стадии при каждой из выбранных температур в диапазоне на 120-320°C ниже температуры полного растворения γ'-фазы. После проведения термической обработки сварного узла ротора, осуществляли его механическую обработку с удалением технологического припуска, содержащего дефекты сварки. Для определения механических характеристик неразъемного соединения конструкции ротора, через сварной шов в высотном направлении были вырезаны заготовки, из которых изготовлены образцы и проведены испытания (таблица 1).

Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 151-160 из 368.
13.01.2017
№217.015.8544

Способ определения предела выносливости металлических материалов

Изобретение относится к области исследования прочностных свойств твердых материалов и может быть использовано для определения усталостной прочности конструкционных материалов, работающих в условиях циклического нагружения. Сущность: осуществляют циклическое нагружение образца в условиях...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002603243
Дата охранного документа: 27.11.2016
13.01.2017
№217.015.8734

Способ термомеханической обработки полуфабрикатов из двухфазных (α+β) титановых сплавов

Изобретение относится к области металлургии, в частности к термомеханической обработке полуфабрикатов из двухфазных (α+β)-титановых сплавов, и может быть использовано в машиностроении и авиационной технике. Способ термомеханической обработки полуфабрикатов из двухфазных (α+β)-титановых сплавов...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002603416
Дата охранного документа: 27.11.2016
13.01.2017
№217.015.8740

Способ получения антифреттингового покрытия

Изобретение относится к технологиям нанесения ионно-плазменных и катафорезных покрытий, в частности к способу обработки поверхности металлического изделия, и может быть использовано для защиты от фреттинга осей поворотных лопаток направляющего аппарата из титанового сплава и болтовых...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002603414
Дата охранного документа: 27.11.2016
13.01.2017
№217.015.8771

Интерметаллидный сплав на основе системы никель-алюминий-кобальт

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам, предназначенным для деталей, работающих при температурах до 1000C в газотурбинных двигателях. Сплав на основе системы никель-алюминий-кобальт содержит, мас.%: никель 50,0-62,0, кобальт 18,0-28,0, алюминий 7,5-7,8, хром...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002603415
Дата охранного документа: 27.11.2016
13.01.2017
№217.015.882d

Присадочный материал на основе никеля

Изобретение относится к сплавам на основе никеля в качестве присадочного материала, предназначенного для изготовления деталей и узлов наиболее высокотемпературных зон горячего тракта перспективных двигателей, длительно работающих при температурах до 1200°С. Присадочный материал на основе никеля...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002602570
Дата охранного документа: 20.11.2016
13.01.2017
№217.015.8a84

Магнитотвердый материал и изделие, выполненное из него

Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к магнитотвердому материалу, содержащему железо, кобальт, бор, диспрозий, медь. При этом материал дополнительно содержит цирконий. Химический состав магнитного материала соответствует формуле, ат. доли: (PrDy)(FeCo)(ZrCu)B, где...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002604092
Дата охранного документа: 10.12.2016
13.01.2017
№217.015.8a9c

Присадочный материал на основе алюминия, легированный редкоземельными металлами

Изобретение может быть использовано при изготовлении присадочных материалов для сварки алюминиевых сплавов, в частности сварных конструкций из высокопрочных алюминиевых сплавов системы Al-Cu-Li. Присадочный материал содержит компоненты в следующем соотношении, мас. %: медь 5,0-12,0, цирконий...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002604084
Дата охранного документа: 10.12.2016
13.01.2017
№217.015.8bd7

Композиция для соединения керамических композиционных материалов на основе карбида кремния

Изобретение относится к области соединения керамических материалов с образованием керамического соединительного слоя и может быть использовано при производстве сложнопрофильных керамических конструкций для энергетического машиностроения, двигателестроения, аэрокосмической техники. Композиция...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002604530
Дата охранного документа: 10.12.2016
13.01.2017
№217.015.9116

Элинварный сплав с высоким модулем упругости и изделие, выполненное из него

Изобретение относится к области металлургии, а именно к элинварным сплавам, и может быть использовано при изготовлении деталей упругочувствительных элементов точного приборостроения, силовых пружин и конструкционных деталей специального назначения. Дисперсионно-твердеющий сплав с малым...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002605732
Дата охранного документа: 27.12.2016
24.08.2017
№217.015.955b

Резиновая смесь

Изобретение относится к резиновой промышленности, в частности к разработке эластомерных материалов уплотнительного назначения, и может быть использовано для изготовления резиновых деталей уплотнительных узлов наружного и внутреннего контуров машин и механизмов, работающих в среде воздуха во...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002608399
Дата охранного документа: 18.01.2017
Показаны записи 151-160 из 352.
13.01.2017
№217.015.8544

Способ определения предела выносливости металлических материалов

Изобретение относится к области исследования прочностных свойств твердых материалов и может быть использовано для определения усталостной прочности конструкционных материалов, работающих в условиях циклического нагружения. Сущность: осуществляют циклическое нагружение образца в условиях...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002603243
Дата охранного документа: 27.11.2016
13.01.2017
№217.015.8734

Способ термомеханической обработки полуфабрикатов из двухфазных (α+β) титановых сплавов

Изобретение относится к области металлургии, в частности к термомеханической обработке полуфабрикатов из двухфазных (α+β)-титановых сплавов, и может быть использовано в машиностроении и авиационной технике. Способ термомеханической обработки полуфабрикатов из двухфазных (α+β)-титановых сплавов...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002603416
Дата охранного документа: 27.11.2016
13.01.2017
№217.015.8740

Способ получения антифреттингового покрытия

Изобретение относится к технологиям нанесения ионно-плазменных и катафорезных покрытий, в частности к способу обработки поверхности металлического изделия, и может быть использовано для защиты от фреттинга осей поворотных лопаток направляющего аппарата из титанового сплава и болтовых...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002603414
Дата охранного документа: 27.11.2016
13.01.2017
№217.015.8771

Интерметаллидный сплав на основе системы никель-алюминий-кобальт

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам, предназначенным для деталей, работающих при температурах до 1000C в газотурбинных двигателях. Сплав на основе системы никель-алюминий-кобальт содержит, мас.%: никель 50,0-62,0, кобальт 18,0-28,0, алюминий 7,5-7,8, хром...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002603415
Дата охранного документа: 27.11.2016
13.01.2017
№217.015.882d

Присадочный материал на основе никеля

Изобретение относится к сплавам на основе никеля в качестве присадочного материала, предназначенного для изготовления деталей и узлов наиболее высокотемпературных зон горячего тракта перспективных двигателей, длительно работающих при температурах до 1200°С. Присадочный материал на основе никеля...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002602570
Дата охранного документа: 20.11.2016
13.01.2017
№217.015.8a84

Магнитотвердый материал и изделие, выполненное из него

Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к магнитотвердому материалу, содержащему железо, кобальт, бор, диспрозий, медь. При этом материал дополнительно содержит цирконий. Химический состав магнитного материала соответствует формуле, ат. доли: (PrDy)(FeCo)(ZrCu)B, где...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002604092
Дата охранного документа: 10.12.2016
13.01.2017
№217.015.8a9c

Присадочный материал на основе алюминия, легированный редкоземельными металлами

Изобретение может быть использовано при изготовлении присадочных материалов для сварки алюминиевых сплавов, в частности сварных конструкций из высокопрочных алюминиевых сплавов системы Al-Cu-Li. Присадочный материал содержит компоненты в следующем соотношении, мас. %: медь 5,0-12,0, цирконий...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002604084
Дата охранного документа: 10.12.2016
13.01.2017
№217.015.8bd7

Композиция для соединения керамических композиционных материалов на основе карбида кремния

Изобретение относится к области соединения керамических материалов с образованием керамического соединительного слоя и может быть использовано при производстве сложнопрофильных керамических конструкций для энергетического машиностроения, двигателестроения, аэрокосмической техники. Композиция...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002604530
Дата охранного документа: 10.12.2016
13.01.2017
№217.015.9116

Элинварный сплав с высоким модулем упругости и изделие, выполненное из него

Изобретение относится к области металлургии, а именно к элинварным сплавам, и может быть использовано при изготовлении деталей упругочувствительных элементов точного приборостроения, силовых пружин и конструкционных деталей специального назначения. Дисперсионно-твердеющий сплав с малым...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002605732
Дата охранного документа: 27.12.2016
24.08.2017
№217.015.955b

Резиновая смесь

Изобретение относится к резиновой промышленности, в частности к разработке эластомерных материалов уплотнительного назначения, и может быть использовано для изготовления резиновых деталей уплотнительных узлов наружного и внутреннего контуров машин и механизмов, работающих в среде воздуха во...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002608399
Дата охранного документа: 18.01.2017
+ добавить свой РИД