Результат интеллектуальной деятельности: Способ изготовления лопаток газотурбинных двигателей из сплава на основе орторомбического алюминида титана

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 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 № 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 (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 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: σ_0,2²⁰ =1000-1300 МПа; σ_В²⁰ =1150-1400 МПа; δ²⁰ =3-8 %; ψ²⁰ =3-5%; так и при рабочей температуре: σ_0,2⁶⁵⁰ =1030 МПа; σ_В⁶⁵⁰ =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 Т_пп, где Т_пп 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 (Т_пп) определена с помощью дифференциально сканирующей калориметрии и составила 1100°С. Штамповку заготовок лопаток проводят при температуре на 50-200°С ниже Т_пп 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 σ_0,2²⁰ =1000-1300 МПа; σ_В²⁰ =1150-1400 МПа; δ²⁰ =3-8 %; ψ²⁰ =3-5%; σ_0,2⁶⁵⁰ =1030 МПа; σ_В⁶⁵⁰ =1120 МПа; δ⁶⁵⁰ =6 %; ψ⁶⁵⁰ =4%.