автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Исследование и разработка технологии изготовления изделий с внутренними полостями сложного профиля и пористых материалов из гранул титановых сплавов

ВОЕРОССйПСКйП ШСТИТУТ ЛЁГКИХ СПЕАБОЗ

m ирз:-ззх рукописи дог? crjT.eúiaro пользования

ДОЛЕНКОЗ ГЕОРГИЙ ГГЭТОРЬЕЕ-ГЧ

"ИССЛЕДОВАН! 13 И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГ0Т0ШЕШ1Я издай С ВНУТРЕННИЕ П010СТЯШ СЛОХНОГО ПРОФИЛЯ И ПОРИСТЫХ 1.1АТЕИШ103 ИЗ ГРАНУЛ ТИТАНОШХ СПЛАВОВ"

Специальность "Порошковая металлургия и кклсзздсппыв материалы" (05.16.06).

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических нрук

.Москва, 1998 г.

Работе Бнполиена во Всероса&ехом институте легки:: сплч -

ВОВ.

Научный руководитель: доктор технических наук ?,1.И. Мусатов

Официальные оппонента: доктор технических наук В.Т. 1\<усиешсо

кендидат технических наук ТД. Бармина

Ведущее предприятие - НЛП завод зм. Б.Я. Климова г, С. Петербург •

Ззкитз дассэртацан состоится _ 1998г.

СО 'Э —— ——————

в /е/-~ щооз нз саседании дисоэртационного совета и 141.12.02 при ЕШСе: Москва, ул. Горбунова, 2,

С дяссертацизй моано овнакоМВтьоя в библиотеке института. .Автореферат разослан " я 1938г.

Ученый секретарь диссертационного совета ЕИЛСа

кендидат технических наук , В.Г. Квзаков

ОЗЩЙЯ ХДРАШШГШЗА ?йБОШ

АКТуб^лЬНОЗТЬ Щ)СбЯ31.К„

Созр?:л5Е2К9 дагзггхЕ еэрсясомачзокой гзхгшш осн^э~! даскаШо глгзсаш с жолатка^, гфззй,чаикг.5Я1 рззетчисй степам; ожншоста, ргботаззснл в виеоконагрукгюшх режйп.

Одам яз путей поекеоншт ресурса работа,, КЦД, надежности двигателя язляевся использование з их конструкции колес с лопатками, закрыта* покрквнкм длском. ВозкогнЕУа способащ вх изготовления по традацноиноЗ технологии является литье или диффузионная огарка отдельных элементов. Однако изготовленные этга способами колоса но всегда вндержиЕавт требуемые нагрузки при испытаниях.

Гранульная металлургия титановых сплавов открывает возможность ретгатъ весьма слс~1ыо задачи при создании и совершенствовании изделий новой техники, в том числе и выкзназванную. Получаемые из сферических гранул монолитнне изделия изотропны по сечению и имеют свойства не нине деформированного металла.

Пористые изделия из титановых сплавов так го пспойьзуются в ряде отраслей промнтяленнссти. Современное состояние порошковой металлургии позволяет получать весьма широкий спектр фильтров, которые изготавливается из порошков неправильной.форма, что в отдельных случаях создает затруднения в их эксплуатация. Так наличие тупиковых пор, слухашлх место;.! скопления загрязнении, ограничивает применение таких фильтров в медицинской, пищевой , молочной, фармацевтической отраслях промышленность. Использование сферических гранул позволяет устранить этот недостаток, а также улучшить ряд других показателей'фильтров.

Решение названных выше проблем весьма актуально, что поз-

2оли5? значительно расширить сбяаси. применения гранулируемых титановых сплавов,

Цзль работы.

Исследование и разработка параметров процесса изготовления монолитных слоанопрофялышх изделий с внутренними полостями и филыров в виде труб широкого диапазона размеров из гранул титановых сплавов в оснастке многоразового использования.

Основные задачи работа,

I Исследование механизма формирования ко/лпак-гного материала з аолостях рэйизчного сечения закладной матраца в зазиси-«оси ог давления и времена горячего газостатического прессования зсапоуа: с гранулаш титанового сплава.

■ 2, Разработка вришщпоз конструирования капсул, позводязз-щгх подучггь т гранул титанохых оплавоз заготовки деталей с кзутрекншш полосхяж сложного профиля.

3, Анализ процесса образования соединения мазду монолитным елеменхеи ш грацуйаш из яитааоаих. сплавов в уояоваях 1Ш1.

4. Реврзбогка способа изготовления пористая. из тита-

нозах гранул в оснастке шогорззового использования.

&

Научная нощзна.

1. Установлен механизм формирования компактного материала-в полостях различного сечения закладной матрица в процессе горячего изостатичеокого прессования капсул о гранулаш. Образование компакта в етих полостях происходит под воздействием дефор-шрувдейся матрица в основном из гранул, заполняющих эти полости.

2. Обоснован и экспериментально подтвержден принцип изготовления методом ГИП деталей с внутренними полостями сложной конфигурации и уровнем свойств деформированного материала, в котором точность геометрических размеров достигается за■счет применения закладных элементов из титановых сплавов, максимально сокращающих объем капсулы, заполненной гранулаш.

3. Разработан способ конструирования многоразовой оснастки для вакуумного спекания трубчатых фильтров из гранул титановых

сплавов, оснсззша;3 на подбор-з гаторпалоз сснгст:-сг, яьт&рх определенные коэффициент термического ргсапрештя гтс огсожстгк ч гранулам.

'/ракткчесхзя зка^'^счл.

На основании нрс~'ед21шых исследовании разработано технология К ИЗГ0Т0ВЛЗШ ОШЛ'Н'.'З И 0ЛНТ110-ЛрС.'.?ХС,-ЗЕН»е парта« колю о закрутя лспаткаг.и. которые кезозмозио получить гвсодвда традиционной технологии о требуемый уровнем свойств.

Использование ь 1РД изделия "228" крыльчатки с проточгшмз " копалагд позволило увеличить ресурс ряботы двигателя и повнечтл в 1,5 раза величину разрушающих оборотов, Крыльчатка удачно работала в составе дгагатедя рэкети-ноептеля„

Усовершенствованные цоятробеише коязса закрытого тяпа лз гранул гсярспрочного титанового сшгага изготовлены для аяиэщотг-ного дзигатета ТВ7-П7С для лсшглеиия ого ресурса.

Изготовленные по предлояенной тохнолегзз тятэяоЕне №льтра в виде труби ^ 40 га, /, = 600 ш использовались з устанотзх - очистки молока и обеспечивала в процессе эксплуатации пертг/в группу чистота моло:а по ГОСТ 8210-89. Эта фильтру, с возможностью многократной рвгеяерзцпх, нечасто прзвосходдт по сроку акс-нлуатецнз ишортлые лапссновне (Тчльтра одноразового испсльзовз-ния.

Публикация и апробация работы.

Оеновкяе полозская дассэртациснной рзбеш взлогссв з 12 печатнях работах п 8 авторских свядзгельстазг на язобрэтэния. .

По материалам дассэртацйсгпой рзботн сделано 15 докладов на отраслевых, общесоюзных и кездушредаг: кеяфэрзшдаях по ис-релкозей мзталлурпм титановых сюкзов.

■ ' Разработанные' в изготовленные пэдолия аз греяуд гвгеждоп сплавов отмзчег^:

- Дипломом I стопег-п изЕогрзслззого воащгрса, 1232

- Золотой кэдалыо ЩИ, 1984 г.

- Золотой: иэдальэ ЕВД0 1534 г.

C'^pyHT^S S обйбM PSÔOEÎ,

¿йссерязвдв coosoa* hs заедала?, шетв глаз» oâssx выводов ¡а clec^s исзользовашой ¿¡иерэтурн.

Ишвюяа не стршшызеенояиского текста, ооквршр 53 paojmss s оаксск аггйрй5гу2(а иа 128 ншмэноаанцй. •

СОДЁРШЖЕ РАБОШ.

Бэ взвД8Е22 сфорйулирозжяа актуальность рееввкой пробяеш, цель работа9 кратко описано содержание диссертации а такав сведения о реализации результатов s неродном хозяйстве.

Гжава I. Состояние вопроса к постановка задачи.

Металлургия гранул титановых сплавов -нашла достаточно широкое приискание, ь основном» при изготовления изделий авиакосмической техники. Из анализа публикаций следует» что'номенклатура деталей разнообразна, однако большее предпочтение оказывается деталям двигателя - дискам, колесам, крыльчаткам. Формущим инструментом прн изготовлении•деталей из гранул ввлязтея капсула, внутренняя поверхность которой определяет контур будущей детали.

К коменту^постановки работы однозначных рекомендаций по расчету капсул для контактирования деталей из гранул титановых сплавов, принятых для разработки в настоящей работе, не имелось. При разработке капсул использовали, в основном, зависимости размеров от лаие&шх-п объемных усадок с привлечением при расчетах статистических данных экспериментальных работ.

Однако веоьма часто конфигурация и размеры получаемых заготовок отличаится от ожидаемых. Это связано с тем, что в процессе ЩИ капсула, а в особенности капсула сложной конструкции, испытывает действие многих факторов, которые слотю учесть при расчете и, кроме того, сведения о физических характеристиках материалов в условиях ПШ весьма ограничены.

Представленная в публикациях технология изготовления деталей из гранул титановых сплавов преследует основную цель - снижение оебестоимооти продукции и экономию титана. Однако металлургия гранул обладает большими возможностям для получения

весьма слогных изделий, в частности колес со скрыты»! лопатками олошого профиля. По расчета!.«, конструкторов это могло бы значительно улучшить характеристики двигателей.

, Относительно пористых изделий моя-ю отметить, что современное состояние порошковой металлургии позволяет получать весьма широкий спектр фильтрол практически для всех отрзслсЛ хозяйства. Однако эти фильтр« изготавливаются, а основном, из порошков осколочной формы, что а отдельных случаях создает затруднения в вх эксплуатация. Причина в том, что э фильтрах из порошков присутствуй тупикоЕие пор'Л5 канала по длин® кмозт переменное сечение, а в отдельных случаях не удается обеспечить точность геометрических размеров детзгзЗ. Эти проблемы решаются с использованием сферических гранул„ однако технология изготовления сложных изделий, типа труб о еще имзет ряд нерешенных вопросов.

Для изготовления методом металлургии гранул титановых сагалов слоиннх деталей типа колес с закрытая лопатками и пористых изделий в виде труб необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать методику конструирования капсул для горячего газостатического прессования гранул с целью получения заготовок деталеЛ с внутренними полостями сложного профиля.

2. Для достижения необходимого уровня свойств изделий определить оптимальные режимы ГШ.

3. Изучить механизм формирования компактного материала з полостях различного сечения закладной матрицы б зависимости от ре-омов ШП.

4. Исследовать процесс образования диффузионного соединения в капсуле мевду деформированным материалом и гранулам! из титанового сплава в услозиях ШП.

5. Разработать оснастку многоразового использования для получения методом спекания в вакууме пористых труб широкого диапазона размеров из титановых гранул.

Глава П. Материалы и методика экспериментов з исследований

В качестве исходных.матералов для получения гранул использовали заготовки титановых сплявоз ВГ5-1кт, ВГ25У, ВТ8„ ВТ22, БТ23 и ВТ1-0, отвечающих по химическому составу требованиям 0СТ1-90013-81.

Сферические гранулы получали на установке Л1Р-3 распылением в гелии по рекиму: ток плазмотрона 0,6 - 0,7 кА; напряаение дуги 50 В; частота вращения заготовки от 8000 до 10000 об/мин.

Эксперименты но исследованию процессов формирования компактного материала из гранул методом ГИЛ проводили на сплаве ЕГ5-1кт е модельных капсулах.

Материалом для различных капсул служила горячедеформирован-еоя сталь 20, в отдельных случаях сталь 12Х18Н10Т. Дея закладных матриц - сталь 20.

Дегазацию и герметизацию капсул с гранулаш проводили на установках ЭЗУ-Т или УЗКГ3 в ПШ в гэзостатических установках КП-379» 320/550, Н1Р-2000.

Химическое фрезерование осуществляли в раствора азотной и фтористоводородной кислот по разработанной методике.

' Пористне труба опекали в оснастке, для изготовления которой использовали молибден, графит и сталь, покрытую диоксидом циркония.

Плотность компактных заготовок определяли расчетом на осно-вагага результатов взвешивания образцов в дистиллированной воде при фиксированной температуре и на воздухе.

Макроструктуру оценивали визуально, сравнивая с эталонной структурами стандартной десятибальной шкалы макроструктур. Исследования микроструктур производили на оптических микроскопах" ШМ-8 и "Неофот", 8 строение пористых материалов ка бинокуляр-, ном шкроскопе Е.1-2.

Изучение строения изломов и зоны контакта титана со сталью проводили на растровом электронном микроскопе М5М-5 и микроана-лззатора ЛА-733. Определение параметров решетки С термодатчиков осуществляли лорентгеннограммам» снятым на установке УРС-60. Микротвердость измеряли прибором ШТ-3.

Уровень механических свойств определяли на разрывных, ударных и жаропрочных образцах при комнатной, криогенной и повышенной температурах. Количество образцов на каждый вид испытаний от 2 до 6.

Размер пор, общую пористость и коэффициент проницаемости определяли расчетным путем.

Производительность и минимальное критическое давление трубчатых фильтров оценивали на стендах по специальным методикам.

Глава Ш. Экспериментальные исследования процесса

формирования компактов из гранул титановых сплавов в условиях ШП.

Изучение механизма формирования компактного материала из гранул сплава ВТ5-1кт в зависимости от режимов газостатирования проводили на модельной капсуле с закладным кольцом (рис. I), имитирующим закладную матрицу в капсуле, для получения колес с закрытым лопатками. Роль полостей выполняют отверстия (Д) диаметром 5, 7, 10 и 20 мм, просверленные в кольце.

д

.Дцишгвг 1

'ш, Sa о г?" CV'

6 I6U

/ 200

d 240

4 270

Рис. I. Модельная капсула, тин I

Газостатирование проводили по режимам:

- температура 960 + 15 °С;

- давление 30, 50, 90, 130, 170 МПа;

- выдержка при каждом давлении 0,5, 2, 8 час.

В результате ГИП радиальная усадка по наружному диаметру закладного кольца составила от 4,6 до 6 %, а в высотном направлении размер колец не изменился. Скомпактированные в отверстиях стержни имели примерно одинаковые усадки по среднему диаметру для определенного режима ШП, при этом по высоте усадок не произошло. Объемные усадки скомпактированных стержней оказались равными 32 - 35 %, что примерно соответствует полному устранению

межгранульных пустот при плотности засыпки гранул 64-66/5. Взвешивания компактных стержней и гранул, заполняющих соответствующие отверстия, выявили идентичность их масс. Следовательно, образование компактного материала в отверстиях кольца (или матрицы) происходит, в основном, при радиальных усадках и за счет гранул, находящихся в отверстиях.

На металле центральной части компактов и стержней проводили . исследования механических свойств и плотности.

Уровень механических свойств (табл. I) достигает значений, соответствующих деформированному материалу, при давлении 1ИП 50 МПа и времени выдержки 2 час. К этому моменту заканчивается процесс залечивания межгранульных пустот и металл имеет уже сформировавшуюся мелкозернистую глобулярную микроструктуру.

Исследования плотности компактов показали (рис. 2), что в объеме капсулы материал достигает плотность, близкую к теоретической при давлении 90 МПа и выдержке 0,5 час, что хорошо согласуется с механическими свойствами (табл. I). Несколько по иному' происходит образование компактов в отверстиях закладного кольца, и чем меньше их сечение, тем при более высоких значениях давления и времени выдержки ПШ металл достигает максимальной плотности. Так в отверстиях диаметром 5 мм плотный материал формируется при давлении ПШ не менее 130 МПа для любого значения выдержки.

Исследование времени прогрева капсул с гранулами в процессе ПШ проводили с использованием измерителей максимальной температуры типа ИМТК с термометрическим веществом, представляющим собой облученный нейтронами карбид кремнияуЗ -модификации. Установлено, что действительное время прогрева капсул по всему объему несколько больше, чем по показаниям контрольных термопар гэ-зостата.

Изучение процесса диффузионного соединения гранульного и'деформированного материалов из титановых сплавов проводили на комбинированных заготовках, полученных в процессе 1ИП капсул с помещенными в них закладными элементами из сплава ВТ5-1кт и заполненных гранулами того же сплава.

Процесс образования единого материала между гранулами и закладным элементом при температуре ГИЛ 960 °С протекает достаточ-

Brasses £S3£%S¿* х nçeweass одеззйгсу: T7-.1Z?:-: Т = ?бО ка кехгякческге 320ЙСТВ31зггдасгси so Tztzya сшгеа ЗТЗ-Íkt {Теюгк^зяура кскетгкяй - 20

■э - > кЛа МЛа -з л> Т - s, ^ ; ::vC"\/, ! ."{ДзкЛ.-С2 J

= = Ç,S«E£3 1

39 734 13,5 ¡ 34,2 : <099 í

50 336 759 M i 35 1 520 »

90 335 753 15,3 ! 35,6 í 635 ¡

330 024 793 " 15,6 36/. i¡ ¿V fV A !

170 324 793 15, S 35,3 1 7ВЭ S

^ВКД. = 2 -.ts

30 §25 746 14,5 35,5 1 61Э

50 335 753 15,5 . 36 j 700

90 334 753 16,1 36,2 j 710

120 335 793 15,4 36,7 í 770

170 333 sai 16 25,5 S i

= 8 Ч2С

30 §2! 781 ¡- 15 35,4 I 710

50 S34 800 15,4 36,5 1 740

90 345 793 1 16,2 . 37,1 ¡ 720

130 836 81 i 1 15,8 36,9 750

170 848 808 16,0 36,8 1 79©

¿c46 :

4044

4,42

jP, r/cií* 4,45

4¡>40

035

4,30

-L

40

80

_1

120 160 P, f.ffla

Peo.2. Зависимость плотности компактов из гранул сплава ВГ5-1кт в отверстиях ° - i 5 мм; Д - í> IG мм;

D - i 20 мм; о - вне матрицы от давления ШП. Время выдержки; 1-8 час, П - 0,5 час. Т = 9S0 °С.

но активно. На г^кроструктургх гагогозок, "ог^еянкх дг-этз-низ 30 № к вддерзке 8 час„ четкой граните; рзздеяа ута ко наблюдается.

Кгханзчйсягге оМскз досхз-готео гсрж» со

структурой (табл. 2). Испытания ори яскягззсЗ таштгаггсе псз£ -зэлн, что начиная с рэ;"жоз ПЩ при дззк"пт30 Шз п п^ерже 0,5 чао разрушение образцов происходят вне зоны ссздпмзнпя ггзте-риалоа, в основном по дефоршровэнном/ металлу. При пошгтснялж с крзогенной тегаерзтуроЗ это? рубек достигается с регата ПШ при том ¿е давлении и времени видерж: 0 час.

Таблица 2

Мяшхстззяе сгойстзг гоны ссъмхежя гтамгуя « закладным даментсм сти.иа ВТ5-1гсг

Рсшта ПИПП

Ниа = 20 °€

= -253 "С

цикла Р. МПа и, ес 1Г, час Оп, МПа Род, МПа * % V, % Он, МПа ----,-1 МПа 1 % | % |

11 35 970 0,5 711 651 5,2 1 5,9 1251 1189 | 1,6 \ 2,1 \

2 35 570 800 753 11,2 28,4 5479 1297 | 4,3 \ 15,3 |

1 3 90 | 970 0,5 806 750 | 10,2 | 30,5 1477 1342 { 4,0 | 16 \

4 90 970 { 8 302 741 | 12,6 29,7 1464 | 1327 ¡ 3,3 | 17,6 |

5 170 97Э | 0,5 £03 | 747 | 12,1 30,2 1473 | 5325 | 3,3 | 16/1 |

6 170 '970 С 303 744 13,7 30,3 | 1502 1313 | 8,6 \ 19,2 |

] ТУ1-809-737-34 2: ! ИЬ | 687 12 20 | 1324 и22601 8 | 15 {

В процессе ПШ из-за постоянного контакта гранул с элементам капсулы на поверхности изделий образуется измененный слой, толщина которого мокет зависеть от режимов ШП, термообработки и титанового сплава."Шкрорентгеиоспектралънш анализ гранульного компакта сплава ВТ5-1кт, получешсго газостатпрованием по реши у Т = 960 °С, Р = 160 МПа, X = 8 час, выявил на его поверхности, находившейся в контакте со сталью, слой, обогащенный железом на

толщину до 75 мкм. Шкротвердоссь этого слоя оказалась равной 244 - 268 кг/мм2.

Исследование поверхности контакта стали 20 с компактом, полученным гвзоотатированием гранул сплава НГ25У а капсуле, также выявило наличие измененного слоя. Ширина этого слоя составляет 200 - 300 мил, а максимальная микротвердость 430 кг/мм*" (рис. 3). На поверхности компактов трещин и другах дефектов обнаружено не было.

©

Рис» 3. Изменение шкротвердости компакта ВГ25У от поверхности контакта со сталью вглубь образца.

Глава ГУ". Разработка принципа проектирования капсул для изготовления деталей с внутренними полостями аз гранул титановых сплавов.

Типичным представителем деталей с внутренними полостями является крыльчатка (рио. 4)..Она имеет три типа скрытых профильных лопаток с толщинами от 4 до 7,5 мм.

Для оформления проточного тракта и расположенных в нем лопаток была спроектирована закладная матрица, расчет ширины пазов в которой, производили с использованием соотношения

& + О,С

0,7

мм,

где ил , ш - толщина лопатки;

0,6 - припуск с двух сторон на химическое фрезерование; 0,7 - коэффициент, учитывающий усадку при плотности засыпки гранул 65 - 66 %.

Рис. 4. Эскиз крыльчатки ЖРД.

Закладную матрицу изготавливали целиковой, методом литья из стали 20..

При разработке капсулы опробовали несколько вариантов конструкций и в процессе поиска было найдено принципиально новое решение компоновки кэпсулы, заключающееся в размещении Енутри нее закладного элемента из того не титанового сплава,.что и сама деталь (рис. 5).

I 2

Рис. 5. Капсула для изготовления крыльчатки из гранул сплава ВТ5-1кт

Основное назначение закладного элемента (поз. I) - свести к минимуму перемещения и искакенпя закладной матрицы (поз. 2). С этой целью поверхность закладного элемента полностью повторяет конфигурацию поверхности матрицы и располагается от нее на расстоянии 4,5 мм. Такое взаимное расположение капсулы, матрицы и закладного элемента предопределяет компактировэнпе гранул преимущественно в одном направлении. Поэтому указанный принцип был назван принципом направленной деформации.

Конфигурация полученной в этой капсуле крыльчатки оказалась практически соответствующей расчетной. Матрица равномерно переместилась к закладному элементу, без искажений оформив проточный тракт. Толщины лопаток, размеры входных и выходных окон отвечали требованиям чертежей. В полученной крыльчатке закладной элемент является основанием колеса.

. Взяв за основу принцип расчета и компоновки капсулы крыльчатки (шифр ЛДТ37)„ были разработаны следующие капсулы:

■ а) Капсула ДПТ63 для изготовления заготовки закрытого колеса. Колесо тлеет-34 елохяопрофнлъин'е Лопатки толщиной от 1,5 до 2,0 гтт. Закладная матрица была, выполнена в виде сегментов. Между. закладным элементом из титанового сплава'ЗТЗ-1 и матрицей-тзкае был обеспечен постоянный зазор величиной 4 мм.

. б) Капсула ДПТ54 для заготовки центробежное колесо. Деталь имеет еще меньшее сечение лопаток от 007 до 1,3 мм, поэтому шт-рица была выполнена в-виде сегментов, с высокой точность!) закрепленных внутри капсулы. Закладной элемент был выполнен из штамповки сплава ВТ25У. '

в) Капсула ДПТ47 для заготовки нзпра^тетщий''аппарат, имеющий сложнопрофильный проточный канал с расположенными в нем лопатками, многократно меняззгпй свое направление. Дзя этой детали капсула .была изготовлена нз штамповки сплава ВГ5-1кт с помещенными вкутраг-вставками из этого кй сплава а закладной матрица!из сталя.

Полученные в разработанных капсулах еаготовки деталей имели конфигурацию и размбры скрытых протсгашх каналов0 с располоаен-ными в них лосзткзмн, отвечающие требованиям чертежей заказчика.

Исследования полученных заготовок показали, что механизм формирования скрытых лопаток из гранул в пазах матрица подченя- . ется закономерностям, вскрытым при кошактированиз экспериментальных капсул.

Кромб того, были спроектированы и изготовлены капсулы направленной деформации дая получения заготовок деталей из гранул с внутренними полостями и без них. Изготовленные в этих капсулах детали имели КИМ в 3 - 6 раз превышающий зтот показатель у аналогичных деталей, полученных по традиционной технологии.

Глава У. Разработка технологии изготовления деталей о внутренними полостями из гранул титановых сплавов и исследование их свойств.

На основании проведенных исследований и проработок была разработана технология, по которой изготовлены заготовки деталей с проточными каналами из гранул различных титановых сплавов.

Разработанные и изготовленные капсулы заполнялись гранулами

(ДПТ37 и ДГ1Т47 сплав ВГ5-1кт; ДПТ54 сплав ЗТ25У; ДПТ63 сплав ВТ8), гер8'етпзировались к компактировэлпсь ш газостэте в (еС + J3) области вблизи Тп п при давлении 150 + 10 Шэ, 2Г= 4-6 час. Термическую обработку, проводили по стандартным рзш.ам.

Исследования полученных заготовок показала, что механические свойства при комнатной, поваазшюЗ и криогекяол тешературах отвечают требованиям заказчика (табл. 4). На микроструктурах -компактов наследственных границ гранул обкарукено не было и они достаточно хорошо коррелируются со свойствами. Характер разрушений образцов, в основном, вязкий, меазереяный.

Исследования зоны диффузионного соединения деформированного элемента и компакта из гранул показали, что граница раздела размыта как для материалов из одного сплава, так и для различных, в случае колеса ДДТ63. При разгонных испытаниях крыльчаток (ДПТ37) и закрытого колеса (ДПТ63) ни одного случая разрушения по месту соединения штамповки и компакта из гранул отмечено не было.

Предетавленные здесь колеса с лопатками и покрывным диском были изготовлены впервые по разработанной в настоящей работе технологии и получить их с требуемым уровнем свойств способами традиционной технологии весьма проблематично.

Кроме того, бит разработаны капсулы,,в которых изготовлен ряд деталей целиком из гранул сплавов ВГ22, ВГ23, ВТ8 (табл. 3, рис. 6), Детали имели высокий КИМ и уровень свойств не ниже деформированного металла (табл. 4).

Удаление с поверхностей деталей обогащенного железом слоя осуществляли с использованием химического фрезерования. Для сплава ВТ5-1кт по методЗлсе организации КШ, а для сплава ВТ25У'В соответствии с разработанным в ШЛСе процессом (КО-68, ВИС, 1996 г.).

Для опробования в изделиях были изготовлены и поставлены заказчикам следующие заготовки деталей со скрытым рабочим трактом:

- Крыльчатка из сплава ВТ5-1кт.

Заказчик КШ, г. Воронеж. Поставлено более 700 деталей. На стадии опробования прошли всесторонние исследования. "Различные иопытания на автономных стендах показали, что крыльчатки из гра-

Таблица 3

Заготовки деталей, изготовленные горячим газостатическим прессованием из гранул титановых сплавов

№ п.п. Название детали Шифр Конструкция детали Размер заготовки, мм КИМ Назначение детали

гран, мет. тра-диц. техно л

1* Крыльчатка ДПТ 37 штамповка и гранулы -ВТ5-1кт 0312 h - 190 0,53 ЖРД ракетоносителя, и="253 °С

2 Колесо центробежное ДПТ 54 штамповка и гранулы -ВТ25У 0 381 h - 219 0,45 К.В.Д. двигателя ТВ7-117. Цб=400 °С

3" Колесо ДПТ 63 штамповка - ВТЗ-1 гранулы-ВТ8 0 245 h-150 0,25 Перспективный гтди=зоо- 350 °С

4 Направляющий аппарат ДПТ 47 штамповка и гранулы -ВТ5-1кт 0 540 h-120 Опытный образец для КБХА ^ =-253 °С

5 Корпус сателлитов ДПГ 65 гранулы ВТ8 0 300 h- 100 0,54 <0,1 Редуктор авиационного двигателя НПО им. Климова

6 Корпус перебора ДПТ 64 гранулы ВТ8 0 400 h - 140 0,46 <0,1 -II-

7 Диск ДПТ 40 гранулы ВТ25У 0 640 h - 250 0,53 0,3 Ш ступень кздгтд изделия «20»

8 Днище ДПТ 29 гранулы ВТ22 0 285 h - 140 0,64 0,22 • 'Д изделия «160»

9 Крышка ДПТ 38 гранулы ВТ23 0 380 h -140 0,53 0,2 ГТД изделия «56»

* Крыльчатка успешно работала в агрегате подачи топлива ЖР"

** Колесо выдержало разгонные испытания в МКБ г. Омск. ''

I

Таблица 4

Механические свойства заготовок, полученных из гранул титановых сплавов

Сплав Темпера- Он, Оо,2, 5, КСУ, «>,

тура, °С МПа МПа % % кДж/'м2 МПа

ВТ5-1КГГ 20 815 760 15,2 32 550 -

-253 1420 1240 9,5 21 130 -

ВТ8 20 1080 1000 14 27 420 -

450 705 617 13 28 - 605

ВТ22 '-"-.о • 1170 1127 10 25 250 -

300 980 843 13 38 - 930

ВТ23 20 1145 1117 12 25 350 -

300 930 8?3 13 36 - 910

ВТ25У 20 1110 1027 11 24 320 -

,л .зоо 835 686 11 15 - 665

Рис. 6. Заготовки деталей из гранул титановых сплавов

пул .обеспечивают работоспособна:) сь энергетических установок на режимах, превышающих 100 Крыльчатка.использовалась в агрегате подачи топлива ЖРД косшческого аппарата.

- Колесо из.сплава ВТ8.

Заказчик МКБ, г. Омск, Предназначалось для малогабаритного перспективного авиационного двигателя. Усдашно прошло разгонные испытания.

- Колесо центробежное из сплава ВТ25У.

. Заказчик НПЗ завод им. В.Я. Климова, г. С. Петербург.

Предназначено для КВД двигателя TB7-II7C. Поставлены в 1996 г. для- проведения разгонных испытаний.

Глава У1. Исследование и разработка технологических параметров получения пористых изделий из титановых гранул.

В процессе вакуумного спекания в графитовых формах свободно насыпантшх'гранул BTI-0 удовлетворительную прочность спек приобретает после спекания при 800 °С, а после 1200 °С его прочность позволяет проводить механическую обработку.

Для изготовления трубчатых фильтров из титановых гранул бы-? ла разработана.оснастка многоразового использования (пвтент J5 2083329), принцип конструкции которой заключается в разнице коэффициентов термического расширения ее элементов по отпсшспию к титану. Так наружную поверхность пористой трубы формирует элемент оснастки из графита, а внутреннюю - из стали с покрытием диоксидом циркония. При такоЗ комбинации титановые гранулы в процессе спекания даке подпрессовываются, а при охлаждении между элементами оснастки и спеченной' трубой образуется зазор.

Размер и конфигурация труб удовлетворяют поставленным требованиям.

Определенный замером размер пор соответствует расчетным значениям.

Пористость труб составляла 34 - 37 % в зависимости от раз-_ мера исходных гранул.

Коэффициент проницаемости при увеличении размера пор также растет, а по сравнению с фильтрами из несферических порошков он

оказался значительно выше, что подтвергдается и в других источниках.

По разработанной технологии были изготовлены следующие виды трубчатых фильтров:

1) Длар#= 40 ш, Ig¡It= 34 ш, 610 мы, размер пор 100 -150 mkí.I.

Фильтрэлементы были переданы в ШЖ01.Е, занимающийся проблемами животноводства и кормопроизводства, и прошли испытания в условиях фермы, -показав положительные результаты при фильтрации молока, обеспечив в процессе эксплуатации I- группу чистоты молока* Этот фильтр, до регенерации, выдеркивйёт ь Дйа раза циклов Дойкй больше, чем импортной лйвсзновый фильтр одноразового использования 4

2) Дддр = 10 км, Дщд = 6 мм, ¿~ 500 ш, сечение пор 40,60 клал. Фильтры были переданы в ШИШ для оценки возможности их использования при фильтрации твороженной сыворотки. .

3) Дддр = 6 юл, ^ = 4 мм, ¿- 100 мгл, сечение пор 20 - 30 мкм. Фильтрэлементы были "переданы НШХИЫМЛШу, где проводятся исследования с целью использования их для разделения газожидких смесей в системе жизнеобеспечения космонавтов.

Кроме названных был изготовлен целый ряд других пористых деталей:

труба Лдар^ 120 мм, Ддд = 114 мм, ¿~ 450 мм; конические нйсадки для аэрации воды на водоочистной станции; толстостенные ЁИулки с 60 мм, 100 мм для Щ-IAf.ía и плоские фильтры

йрямоутояьнои и цилиндрической формы различных размеров.

' осноше итога и шводц.

I. На основании кошлекса выполненных исследований разработана технология изготовления из гранул титановых сплавов деталей с внутренними полостями сложной геометрической формы, которые невозможно получить методами традиционной технологии с требуемым уровнем свойств.

Решена задача изготовления из титановых гранул трубчатых фильтров методом вакуумного спекания в оснастке многоразового использования.

. 2. Установлено, что при контактировании гранул в капсуле с закладной матрицей, содержащей каналы различных сечений, плотность компакта повышается с увеличением сечения канала при фиксированных, значениях давления п времени выдержки процесса. С увеличением давления и времени выдержки горячего изостатического прессования плотность компакта а каналах всех сечений асимптотически приближается к теоретической.

3. Доказано,, что- в процессе ШП капсул с закладными матрицами, .содержащими полости, образование компакта в них происходит под воздействием деформирующейся матрицы в основном из? гранул, заполняющих эти полости.

4. Установлены оптимальные режимы компактирования гранул Л. (В15-1кт) Vi сС .у Jb сплавов (ВТ25У, BI8) в капсуле с закладным элементом из титановых сплавов, обеспечивающих надежное диффузионное соединение компонентов; Механические испытания комбинированных образцов показали, что разрушение происходит вне зоны соединения деформированного элемента и компакта из гранул.

5. Разработан и опробован метод определения времени прогрева капсулы с гранулами в процессе ШП по всему объему до заданной температуры с использованием измерителя максимальной температуры типа ИМГК.

6. Проведенные исследования компактов из гранул сплавов BT5-ikt, ВТ8, ВТ257, ВТ23, полученных методом горячего изостатического прессования в J, + Ji области вблизи температуры полиморфного превращения'показали, что механические свойства при комнатной, криогенной, и повышенной температурах находятся на уровне деформированного материала.

7. На основании исследования процесса формирования компактного материала из гранул и установленного принципа проектирования разработаны конструкции капсул и технологический процесо, позволившие изготовить из титановых сплавов ответственные детали авиационных и ракетных двигателей типа крыльчаток с закрыты- . ми лопатками сложного профиля и толщинами от 0,7 до 7,5 ш, удовлетворяющих требованиям заказчика.

Поставлены опытные и промышленные партии заготовок:

- Предприятию КБ Химавтоматика заготовки "крыльчатка" шифра ДПТ-37 из титанового сплава ВТ5-1кт в количестве свыше 700

штук для работы в агрегате подачи криогенного топлива. Детал:; успешно работали в составе двигателя ракеты-носителя. ■.

- Предприятию ШП завод им. В.Я. Климова заготовки центробежных колес закрытого типа шифра ДПТ54-2 из титанового сплава ВТ25У для авиационного двигателя TB7-II7C, которые прохода? стендовые испытания.

- Предприятию 1ЖБ (г. Шок) заготовки закрытых колес шифра ДПТ63, у которых основание выполнено из аталповкп сплава БТЗ-1,

а лопатки и покрывной диск из гранул сплава ВТ8. Деталь предназначалась для унифицированного авиационного двигателя и успешно выдержала разгонные испытания.

8. Разработан способ (пат. J5 2083329, B22F 3/11) спекания из титановых гранул пористых труб широкого диапазона размеров в оснастке многоразового использования. Способ основан на изготовлении оснастки из материалов, имеющих различные коэффициента термического расширения.

Изготовлены и поставлены организации ШШК01.Е Фильтрэлемен-тн, состоящие из пористой трубы с дном и фланцем, которые успешно прошли испытания в условиях фермы на оборудовании фильтрации молока. Эти фильтрэлементы, с возможностью многократной регенерации, немного превосходят по сроку эксплуатации импортные лавсановые фильтры одноразового использования.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах.

■I. Ii5yc8TOB U.U., Демченков Г.Г., Кузин В.Ф. и др., "Получение заготовок диоков и конструкционных деталей из титановых сплавов методом горячего нзостатического прессования", труды I Всесоюзной конференции по металлургии гранул, М. БШС, 1983г.

2. Исаревич И.Г., Кузин В.Ф., Демченков Г.Г., Капуткин Е.Я., "Способ контроля максимальной температуры внутри капсулы с гранулами из титановых сплавов при отработке режимов в процессе горячего нзостатического прессования с помощью измерителей максимальной температуры кристаллического типа И1.ТГК". Метрологическая рекомендация М1Р 7-5-84, 32 стр. (ДСП).

3. Кузин В.Ф„, Ьлошенко В.В., Демченков Г.Г., Цветкова Г.А., ^Производство заготовок крыльчаток из титанового сплава ВТ5-1кт

методом металлургии гранул". Технологическая рекомендация ТР 406-25-86, 10 стр. (ДСП).

4. Цгсатов-М.И.» Демченков Г.Г., Кузин В.Ф., Блошенко В.В., "Получение точных заготовок деталей с внутренними полостями из гранул титановых-сплавов", труда П Всесоюзной конференции по металлургии гранул, U. Н1ЛС, 1987 г.

5„ Де!,пенков Г.Г., Цусатов Г.1.1Г. "Принципы конструировав капсул для получения заготовок деталей из гранул титановых сплавов", Сб. Металловедение и обработка титановых и жаропрочных сплавов, И., ВИС, 1991 г., с. 277 - 283.

6. Демченков Г.Г.., Цусатов М.И., Блошенко В.В., Зишбех Л.В., "Изготовление заготовок деталей сложной конфигурации из гранул титановых сплавов", труды И Всесоюзной конференции по металлургии гранул, И., ННС, IS9Î г.

7. Демченков Г.Г., Борзецовская К.М., Цветковэ Г.А., "Изготовление деталей сложной <$ормн из гранул титановых сплавов", труды конференции "Пути повышения качества и надежности деталей из порошковых материалов", Алтайский политехнический ин-т, г. Барнаул,' 1991 г.

8. Аноиктг Н.Ф4, Г.^гсатов М.И., Кононов И.А., Бочвар Г.А., Демченков Г.Г., *^учурк1кин А.Д., "Развитие методов порошковой металлургии титановых сплавов применительно к крупногабаритным тяжелонагрукенйш деталям", Титан, 3 3, М. ШНС, 1993, с. 44-49.

9. Аношкия Н.Ф., Демченков Г.Г., Тспользование металлургии гранул титановых сплавов при изготовлении изделий широкого назначения", труды I Международной научно-технической конференции по титану стран СНГ, М., ШЛС, 1994, с. 330 - 338.

10. Кондаков Б.П., Родионов В.Л., Земцов И.А., Демченков Г.Г. и др. "Направления работ института в области применения титана™, труды I Международной научно-технической конференции по титану стран СНГ, И., ВИС, 1994, с. 1003 - 1013.

11. Анопкия Н.Ф., Демченков Г.Г., "Использование мёталлур-гии гранул титановых сплавов для изготовления изделий широкого назначения", Цветные металлы, ?» 5, М., Металлургия, 1995 г.,

с. 56-59.

12. Демченков Г.Г. "Исследование и разработка технологии производства монолитных и пористых изделий широкого назначения из гранул титановых сплавов", ТЛС ?» 6, М., ШЛС, 1995г., с.36-39.

13. A.C. ::> I0I9734 "Способ вибрационного уплотнения гранул и устройство для его осуществления", Блошенко В.В., Демчен-ков Г.Г., Галь В.В. и др.

14. Патент й 2038193 "Способ -получения кошактного материала", Демченков Г.Г., Цветкова Г.А.

15. Патент S 2083329 "Устройство для изготовления спеченных пористых труб из сферических металлических гранул", Демченков Г.Г., Аношкин Н.Ф., Зекрин С.Ф., Краснокутский Ю.В.

16. A.C. ß I3I7774 "Способ горячего газостатического прессования металлических порошков", ГДусатов М.И., Демченков Г.Г.,' Кузин В.Ф., Блошенко В.В.

17. A.C. й 204322

18. A.C. К 267192

19. A.C. II 215936

20. A.C. ü 276416