автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Исследование, разработка и внедрение новых металлургических процессов производства заготовок из жаропрочных никелевых сплавов для авиационного моторостроения

МАТИ - РСШЙСИЙ ГОСУДАРСТВЕННА ттолошчЕСЮй УНИВЕРСИТЕТ им. К.Э. ЩЮШВСКОГО

РГ5 од

ц - [."¡Г '

п На правах рукэтшсп

Е&ТЛШ Алэковй Иванова

ЙССВДШАШШ, РАЗРАБОТКА Н БВДДРШВ ЕСВН1 НШДЯТЕШЧЕСШ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА ЗАГОТОВОК ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ НЯКВЯЕШ

сшвов для шифонного гаторостгожя

Спэтсмяьносяь 05.15.05 Обрабогса кэталлсв наалаписз

АВТОРЕФЕРАТ..

дасзэрташт ш сохюкаиээ ученой сгегкэия доктора тохшпосши паув

Москва 1398

Работа шподвейа в ОАО "Отупинсюй; катаялургптеоклй комбинат"

Офациалмые «ппоионтн:

доктор техшгтвокях наук, профеооор • Ерманов М.З.

доктор технических наук, профасоор Смирнов 0.UJ

доатор гехвичеоаих наук, профоооор Шелест A.B.

Ведущее предприятие - ГЩ БИАМ

Защита соотоитоя "_"_ 1998 года s 15 чаоов

на заседании Совета Л 053.Б6.Ш в МАТИ - Российском Гооударсг-вэнзои Технологическом УшшероЕЧоге шС К.Э, Цнол8ово«ого во адресу: 121552, ул. Орзаасвая, 3, аул. ЗШ.

С нзооерзавдеЗ исжпо оэвакоадтьея s байвнотеко упивероитета.

Ваш 0TSHB Е& автореферат в I-ы йкаешмре, ваворзшшй петатьп оргаляяация, прост направлял со уздзашгоцу адресу sa xaw yva-soro секретаря спецваливированного Совета;

Автореферат pasowtan *" ' * августа 1998 года

Ученый секретарь Совета ДО .63.56ICE- '

д.т.н., проф. ' A.M. Надеин

ОНДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работа

В ускорении научно-технического прогресса при производстве авиационной техники вааяое место принадлежит созданию эффективных технологических процессов и совзртенствованив действующих. Одним из главннх направленна в этой области является повышение технического уровня заготовительного производства, интенсификация его. При агон должен обеспечиваться сущэст-. венная экономя конструкционных материалов, сокращенно трудоемкости обработки заготовок, повашние их экетиуагацнонннх характеристик и надежности.

Создание новых авиационных двигателей требует ввадрзния внсоаоааропрочзшг материалов для тлаадонагрукешах деталей та-вотурбашшх двигателей — дисков турбгаа. Иришедсза в авзацзэ новые сплпкг - ЗП 741, ЭП 962, ЗП 975, 3*. 79 практически во удается деформировать молотовоЗ втиаговаой о связи о пагкоЗ . пластичностью при тешературах обработет, обусловленной васо-киа уровнен легирования.'

В паотсяг^а время работа по получений гзгелаЕ из этих сплавов развивается по двум яапразлбнада;

- тагаадургня гранул, осаозаяпоЭ на расшлошш еидких сплавов, обеспечении затвердевания их о больной споростьэ в виде, гранул с последующи» компактироваяиеа в заготовки;

- горячего объемного деформировалия иэталла, полученного высокоэффективными методами индукциозноЗ и дуговой плавка.

Большой вклад в решение научши и технологических задач внесли известные учения А.Ф. Балов, С*.Т.; Кншкот, В .'А.1 Ливанов,

Н.ф; Аношкин и другие;

Однако рассматриваемые процессы имеют ряд нерешенных вопросов, связанных оо значительным расходом металла, необходимостью создания специального оборудования и относительно невысокой его производительность».

Поэтому оовершанствование производства заготовок дисков турбин и других деталей газогурОядшх двигателей посредством разработки, освоения и внедрения в промышленность прогрессивных технологических процессов имеет ваяное народно-хозяйственное значение.

Цель работы:

Настоящая работа сг-авит свое! целью анализ, теоретическое обобщение результатов исследований, направленных на взыскание новых процессов горячего деформирования жаропрочных никелевых сшавов, и,'на основе ©того, совершенствование действупднх и разработку новых промышленных технологий изготовления прогрессивных заготовок из отих сплавов..

Научная новизна

Теоретически обоснована, аналитически и вкспвримёнтально исследована и практически решена задача обеспечения изотермических 'условий деформации жаропрочных никелевых сшшвов в штампах о использованием гопдоизолирущаг катерзалов. Продло-Еоявач шзодаша расчета теплового баланса системы "заготовха-иястрткглг" соизраш* аналитические аавзсЕлости, удобные дая инженерного использования. Аналитически и экспериментально исследовала сЕоростше, ояергосилокго параметр а процессы яон-

тактпого теплообмена меаду заготовок и инструментом при осадке п штамповке, что позволяет с учетом свойств сплавов обоснованно назначать технологические реаинн деформации.

0<5основана .целесообразность пярокого применения волокнистых минеральных сверхтаплоизоляторов в технологических процессах обработки металлов давлением.' Установлена закономерности изменения их физико-химических свойств в процессо воздействия на них высоких температур и удельных усилий. Определены границы структурных превращений у каолина и базальта, переходы из аморфного состояния в кристаллическое.

Разработана схема деформации гранулированных материалов с использованием в качество среди, поредаадей давление, пластичной металлической оболочки, предложена штоднка определения основ шгх параметров процесса."

Теоретически обосновано использование труднодгфоретруегах алшиниевых сплавов типа АМгб в качестве модельных при деформации гаропрочных никелевих сплавов, что позволяэт упростить окс-перттонт н значительно снизить затраты на него, Проведено еоьйг-•дексное модельное исследование кинематики течения металла при деформация осейшиотрютих изделий с использованием экопвримзп-тально-расчагяоЯ методики, основанной на применении координат-гшх сетоа на разрезах и поверхности обрабатывает^ заготовки.'

Показало влпязиз растяггвшнпх папрякоппй в начальной п 'заключительной стадиях otspntoü Еигашошт на качество поковок. Установлено, что зароздениэ трегцян обусловлено локальшм напря-яенно-дефорлированшш состоянием. Предложена методика, конотру- ' ирования деформирущего инструмента, поствоенная на предельном ■ уменьшении уровня растягиващих напряжений на поверхности штак-

пуомого изделия.

Практическая ценность

Создана новая технология изотермической штамповки - дефор- ' ьшровааио термостатированного объема металла, позволяицая эффективно использовать тепло деформации с обеспечить получение изделий из труднообрабатываемых материалов о требуешш свойствами, используя существугцие шташовые материалы на действующей оборудовании.

Разработала п внедрены новые теплозащитные смазочные покрытия для процессов горячего дефоршрования жаропрочных никелевых сплавов, поэЕолящзе обеспечить изоляция поверхности нагреваемого ыэгалла от окисления и существенно снизить коэффициент трения ира деформации."

Разработаш и внедрена в прошшлепзое производство новые сил вен для деформирующего пнструкэнта на основе никеля с высокой саропрочностью п твердостью при гемпоратурах 1000-1200°,. предназначенные для использования в процессах внсокотешоратурного изотермического деформирования.

Разработана г внедрена тсхполоз^ея вташовки дисков слссзоВ гоклотраи на гранул харопрочнкг щшолекис сплавов путец котах-гаровання кратаизрвиапша пралоаенпеа гасоких давлений к капсула» в&вра&логноЁ деформации в птаггах па иощша гидравлических . срэеесх.'

дассертащзонная рабога сзязгаа о ияегеш НИР и совой техники ОАО СМК и производсяззнннш планами.

Реализация работы

Полученные результата использована при разработке, совершенствовании и внедрении в промышленность процасоов производства заготовок турбинных и компрессорных дисков из яаропрочнпх никелевых сплавов для предприятий авиационного иоторостроеяня иэ сплава ЭП 742 - для "Салюта" (г. Москва), из сплава ЭК 79. для "Сатурна" (г. Москва) и Куйбышевского моторного завода, нэ сплава Э1Г74Ш для "Красного Октября" (г. Москва) .

Апробация работы •

Основные полохения а отделите результата работа бала доложена на:

71 отраслевом научно-техническом совегдшпт по кузкочно-пташговочноиу производству, Каионск-Уральвкпй, 1Э7Э г.';

научно-техничвскоа секзиарэ "Созераеягтвовзшга пред*сооз обьекзса птамговки" 1ДЩПП, ИссЕваТ 1980 г.';

кегограолввоЗ налао-гехшпэоЕоЗ ¿ефренцая "Заропрэчггао сплаиг п технология производства иэ них пташюзоя для ооврегэЕг них и сорспрюгшшш: ПД", ШАГ,!, Москва", 1980 г.®;

втором Всесоюзном совещазяя ?3адаглнэ тохнолспгчвсхщэ покрытия металлов", Москва, 1981 г?;

Пйучно-тоигачзсЕсЗ конференции МГАТУ, Москва, 1995 г.1; • . научно-иетодичеокой конфэрешиш, посвяценной 25-детна Ступинского филиала МАТЙ, г. Ступино, 1981 г.';

второй Всеоопзно! научно-технической конференции "Сверхпластичность металлов", Москва, 1981 г.";

научно-техническом сестнаре "Изотермическая штамповка и сверхпластЕчность металлов", Москва, 1983 г.';

научно-технической конференции по литъа и обработке легких

в специальных оплавов, посвященной 50-летию металлургии легких сплавов, Верхняя Савда, 1983 г.; '

Теш "Высокозаропрочныэ сплавы ЗП 741, ЭП 962, ЭП 975 и разработка технологии штамповки дисков" отмечена в 1982 году медалями ВДНХ;

Автору за участив в выполнении работы "Создание и внедрение в народное хозяйство высокоэффективной малоотходной металлургической технологии выплавки, пластической деформации и тор-шчеокой обработки особотрудаодефорьшруешх жаропрочных сплавов типа ЭП 742 для современных высоконагруженных газотурбинных двигателей" присуждена Государственная премия СССР 1985 года в области неуки и техники.

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 51 статье в научных периодических изданиях в сборниках. Технологические и конструкторские разработки, приведенные в диссертации, защищены 32 авторскими свидетельствам на изобретения."

Структура и объем диссертации

Диссертация состой? из введения, 6 глав машинописного текст, иадоаена на 358 страницах, вшшчазг 46 таблиц, 115 иллюстраций, 9 прилогеяий. Библиографический список содерзит 174 ' ИсточнрКаТ •

Во ввояани'и обоснована актуальность теин, определены цели и задачи исследования/ показана научная новизна и практическая значимость результатов работы.

В наввой главе рассмотрено соврекзняое состояние производ-

ства заготовок из каропрочпых никелевых сплавов. Сделан вывод о необходимости изыскания.новых производств горячего деформирования и, на основе втого, разработан новпх прсгтятйонпнх технологий изготовления прогрессивных заготовок." Сформулирована цель работы, обоснованы главные исправления исследования.

Во второй главе показано влияние теглюратуряо-скоросгшгг условий деформации и предварительной торьшчоской обработки на технологические свойства современных гаропрочшх сплавов. Установлено, что для мелких и средних поковок дисков оптимальной является техйология штамповки па гидравлических прессах из прессованного прутка, для крупных поковок - птамповка на гидравлических прессах из шайб,

В третьей главе исследована кинематика течения металла пря штамповке осесшллетрпчннх изделий, рассмотрена силовые условия деформирования, проанализирована теплоЕздодеяпа а теплоотвод при горячей обработке гаропрочнлх сплавов." Разработала два аналитик ческих метода расчета толщины тошюизоляцяоншх прокладок при изотермическом деформировании."

В четвертой главе приводится обоснование и разрабатываются средства обеспечения изотермических услозяй деформации - горячие штампы, использование волокнистых теплопзоляторов, новые теплозащитные смазочные покрытия. Исследуется эффективность теплоизоляции при горячей штамповке.

Пятая глава посвящена разработке и исследованию процесса горячей изостатической штамповка. Прздлогена новая схема - ком-пакткровшше дисков в капсулах направленной деформации, обоснована конструкция капсул и предложена технология горячей изоста-

тической штамповки,

В шестой главе приведены даяние о внедрении предложенных технологических процессов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЗАНИЕ РАБОТЫ

I ^ Состояние производства заготовок из жаропрочных сплавов и задачи повышения его сффективности

При обработке давлением слоанолегироватшт жаропрочных никелевых сшшзов проявляется р;зд особенностей: высокое сопротивление деформации, зизвая технологическая пластичность при температурах гррячей обработки, низиая теплопроводность, узкий температурный интервал деформации, поваленная склонность к образованию трещин и разнозернистооти. Вследствие перечисленных и других •особенностей изготовление шташованных поковок из этих сплавов предотавдяет слояную задачу, так как требуется подучить не только заданную геометрию (зачастую слоаиой конфигурации), обеопе-. чить отсутствие дефектов ковочного проасховдения, но и гарантировать не обходимую структуру и свойства при кошагяой и повышенной температурах. - '

В настоящее время молотовая штамповка остается основным технологический процессом дефоршрования изделий типа дисков из аа-ропрочных' ашшовТ

Ряд факторов сшшаот зкоиошчномь этого процесса:

- зшсолая ткгдоэшсость получения дисков при самой штамповке, связанная с необходимостью прииэаения внсокой дробности деформации;

- значительный расход металла га изделие, что диктуется не-обхрДимосгью обеспечения плавных переходов, припусков и напусков в поковке.

В го же время при конкретных условиях производства штам-" пованных заготовок есть пути и способа существенного повышения эффективности их деформирования, обоснованные при выполнении настоящей работы."

Штамповка на прессах - более прогрессивный способ получения заготовок.' Прессы имеют преимущества конструктивного характера, в том числе безударное приложение нагрузки, наличие выталкивающих устройств и тГд., что позволяет при деформации уменьшить штамповочные уклоян, припуски и напуски и, тамш об--разом, повысить точность размеров поковок а снизить расход натаяла.

При шьашювке на прессах депортирование заготовки производится за один ход, что резко повышает производительность процесса. Главный ге преимуществом япляатся ааштноэ снижение скорое-ти деформации.

При штамповке на молото вследствие больших скоростей деформации скорость увеличения плотности дислокаций больше скорости рекристаллизации, поэтояу не успевапт проходить процессы разупрочнения и сопротивление деформации остается высоким.

При прессойой штш.пшзке формируется динамвчооки рэкристал-лизуемая структура, процессы разупрочнения протекают более полно. По результатам проведенных исследований сделан вывод, что снижение скорости деформации при переводе с молотов на прессы' уменьшает сопротивление деформации ааропрочнах сплавов в 3 и ' более раз.

Наибольшими возможностями для решетя задачи итамповки дисков из жаропрочных сплавов обладают гидрагтичэские прессы с их высокими силовыми параметрами, регулированием скоростей деформп-

рования в любой момент, достаточно свободным рабочим пространством в зоне, деформации, позволяющим применять средства механизации,. выдвижные столы и*.1.д. Реализация процесса изотермического деформирование при температурах до П00-1150°С требует решения серьезных технических проблем: разработки новых иташо-вых материалов, способных работать в условиях длительного нагрева до высоких температур, создания.специальных устройств для нагрева нксгрумэнта и рабочей зоны до температуры деформации и поддержания её постоянной в течение всего : жла шталшов-ки.

Однако, до начала проведения настоящей работы отсутствовала сведения о внедрении эффективных технических решений по штамповке оредннх и крупных дисков 1ТД во внсокогаропрочшг ннкеле-£шс «тазов на гидравлических прзосах,'

В 1979 году под руководством автора на ОАО "Ступинский ме-. талдургический комбинат" (совместно 6 ГВД ВИАМ) была проведена работа по изготовлении штампованных поковок дисков из серийного высоколаропрочного сплава ЭП 742 на гидравлическом прессе усилием 294 МН. Показана значительная эффективность этого направления, позволяющего добиться экономии металла, анергоресурсов и трудовых затрат при получении высоких служебных характеристик изделий. В основу технологии бшш полодены новые технические решения, обеспечивалцие защиту штампового инструмента от воздействия высоких температур и создание изотермических условий де-форыаыди, что является предметом рассмотрения в диссертации.

В нашей стране и за рубежом в последние годы интенсивно разрабатывается прогрессивный технологически!; процесс производства изделяЗ - металлургия гранул - основанный на распылении

жидких сплавов и затвердевании с большой скоростью в виде частиц малых размеров о последующим компактированием их в заготовки под деформацию и готовые детали.

Коми актирование проводится двумя основными методами:

- в газостатах, где воздействие на горячую капсулу осуществляется нейтральными сжатыми газами (аргоном, азотом), нагретыми до температуры контактирования - процесс называют горячим газостатическим прессованием (ГШ);

- горячих гидростатах (контейнерах) о использованием в ка^ честве рабочей среды, например, расплавленного'стекла, этот процесс обычно называют горячим прессованием в сраде расплавленного стекла (ПЮ).-

В диссертации предлогэпя новые репгзния, позволяющие, интенсифицировать процесс компактирования.

2. Исследование и оишшгация условий горячего деформирования жаропрочных никеловнх сплавов.

В работе представлены результаты исследования пластичности и сопротивления деформации наиболее ааропрочного трудноде-формируемого сплава ЭП 975 промышленной выплавки в диапазоне температур 1000-1200°С и скоростей деформации Ь = 0,1-25 сек.""1 Указвшше режима горячей деформации охватывая? практически все принятые для высокожаропрочных сплавов предельные процессы обработки давлением - ковку, штамповку, выдавливание.

Исследовались следущие состояния сплава:

-литое,

- отожженное (после литья),

- предварительно деформированное (с различными степенями деформации).

При температурах существующих режимов обработки давлением жаропрочных сплавов (выше ИОО°С) сопротивление деформации предварительно продефориированного .сплава заметно ниже, чем для литых материалов. На основании этого можно сделать вывод, что для сплава ЭП 975 целесообразно применять предварительную подпрессовку металла.

Результаты исследований использованы при назначении технологических режимов горячей обработки давлением изделий из сплава Ш 975.

Заготовки крупных дисков из гнсоколаропрочних сплавов, ис-.пользуемые при горячей штамповке, обычно получают из слитков, выплавляемых вакуушо-индукциошой + электроннолучевой плавка-.1,ш или вакуумно-индукционной + вакуумно-дуговой плавками с последующей деформацией до определенного размера.'

Главным вопросом в технологии обработки сплавов ЭП 742, •ЭП 741, ЭП 962, ЭП. 975 и других, близких к ним по свойствам, является рациональное сочетание предварительной термической обработки слитков, степеней деформадаи,на промежуточных этапах дафоршровашя п терьшчеспоа сбрабомп на порэдедах,-Бое зто хааето вэзяоэ сэдазо <3а?ь нацелено па получение в заготовках пород ЕоаочшЕП олорацшза (осадков rasr штамповкой) необходимой структуры, возводящей качественно провести деформации и обесшчить получение пеобхедашого кокаяекса свойств б изделиях..

Эти вопросы ревеин при разработке и освоении комплексной

промышленной технологии производства штампованных заготовок дисков П7и

.Для сплава ЭП 742 подготовка структуры под окончательную

деформации состоит в ковке металла на заводе-изготовителе по ' схеме: осадка - протяжка - осадка." Перед окончательной деформацией в двухфазной области проводится гомогенизирующий отжиг.

Джя более легированного сплава ЭП 741 были исследованы заготовки из промышленных слитков ЭХП /I 380"мм, промышленные шайбы / 380 ым.

Й результате выполненных исследований и деформации в реальных производственных условиях было установлено:

- перед доосадкой шайб необходимо проводить предварительную термическую обработку, обеспечивающую при нагреве до температуры выше температуры растворения упрочняющей ¿''-фаза прохождение процесса рекристаллизации, а при медленном охлаждении--коагуляцию -фазы;

- деформация при каждой доосадке не должна превышать 30&

- при осадках следует применять нагретые вмвоте с шайбой металлические пластина для лучшей проработки центральной и пра-контактной зон;

- между операциями необходимо применять промежуточную обработку - отжиг в двухфазной области (Н30°С) для снятия деформационно: напряжений, снижения твердосутг металла и дополнительной коагуляции, -фазы{

- перед окончательной деформацией требуется отжиг при температуре, близкой к температуре полного растворения у' «фазы (1160 -П70°С).

3. Течение металла й энергосиловые параметры процессов

В диссертации обосновывается возможность физического моде-

лирования процесса штамповки типового изделия поковки диска шифра ТР—162 из жаропрочного сплава на никелевой основа с использованием в качестве модельного.сплава АЫгб (труднодеформи-руемого сплава на алюминиевой основе), который весьма технологичен при механической обработка, позволяет получать высококачественные контрастные координатные сетки.

Проведенный теоретический анализ показал, что при моделировании должны быть обеспечены следующие условия:

- равенство отновений сходственных размеров .ютурной и модельной заготовил, рабочих элементов инотрументальной оснастки;

- равенство степеней деформаций в сходственных точках натуры и модели и коэффициентов тренпя между заготовкой и инстру-.ментом, контролируемое величиной бочкообразносги прп открытой осадке;

- равенство гомологических температур нагрева заготовок; нндентичяоеть кривых зависимости напряжения текучести от

температуры в нормированных координатах;

- подобие уоловий теплообмена, которое достаточно точно описывается уравнением теплопроводности.

Исследованиями установлено, что при использовании в качестве модельного сплава с иными тегшофизическими свойствами для обеспечения идентичности теплообмена необходимо увеличить скорость деформирования модели по сравнению о натурой во столько • раз, во сколько коэффициент температуропроводности модели больше

коэффициента температуропроводности натуры.

■ На этой основе в диссертации выполнено комплексное модель-ноо исследование кинематики течения жаропрочных материалов при

открытой штамповке о использованием прэдварятвльно осаженных заготовок размером d 250 х 50 к», в плоскости разъема которых наносилась координатная' сетка с тагом 5 ым и таких же сплошных заготовок о нанесенными на горцах кольцевой и радиальной коор-' дзнатншли сетками с тем же шагом.' Штамповку осуществляли на гидравлическом прессе усилием 10000 т.е. (98 Ш).

Исследование кинематики точения металла с использование^ такого'сочетания координатных сеток выполнено впервые и позволяет подойти к изучении особенностей открытой штамповки при де-* тальном анализе четырех характерных стадий процесса. Первая стадия штамповки осесимметричннх изделий, характеризующаяся свободной осадкой заготовки, хорошо изучена и выданной работе не рассматривается. Все исследования проводились по второй, третьей и четвертой стадиям. С целью повышения точности эксперимента и снижения влияния сдвягових деформаций, еоявляшпхся на предыдущих стадиях, координатную сетку наносили на предварительно осаженную заготовку, а для последней, четвертой стадии -па диаметральную плоскость заготовка, предварительно отштампованной до Форш, соответствующей 3-й стадии.

Исследование точения в диаметральной плоскости выполнено экспериментально-аналитическим методом, основании на использовании дефоргяфовадаых координатных сеток. Локальная аппроксимация поля перемещений узлов сотки позволила определить компоненты скоростей перемещений осевой V и радиальной IX составляющих скоростей".'

Скорости деформаций определены дифференцированием скоростей

перемещений по координатам (радиальной R и осевой 2 ):

с -Ш с j ъу ^ 'bv "mi - ЪК , > + (!)

Среднее значение тангенциальной соотавлявдей скорости деформации определено из соотношения

' (2)

Эффективная скорость дефориацин определялась по ооотноше-иив: , . --——-----

Исследование кишонепга поверхностно! дефориаяри для различив! стадий процесса проводилось путей сопоставления размеров ячеек сетзи а положения об узлоь s'-различнве ыомонтн вреиеня?

Во всех случаях обработка результатов измерений координат делительной сетки я раочег параметров, харакмряяупцих кинемати-• ку процесса, проведена на ЭВМ EC-I033.

Изл стенные результата исследования кинематики течения металла поковок аша диоков использованы при конструировании штампов с целы) исключения образования дефектов и обеспечения благоприятных условий заполнения граварн.'

В общей случае штшшовки ва молоте работа, необходимая для деформирования детали, осуществляется 33 несколько ударов, причел прилагаемое усилие постепенно увеличивается.

.В результате для окончательного оформления диска из шайбы зачастую требуется вести пташовку с 2-3 подогревами^ при этом каздый раз наносится 10-40 ударов, (а для ряда дисков приценяется ещё и предварительная штамповка). Многократное ударное цри-логение нагрузок вызывает'скоростное упрочнение, в результате повышается и (Зез того высокое сопротивление деформации обрабаты-

■ L8

ваемого материала.

Очевидны исключительная энергоемкость и трудоемкость молотовой штамповки. Так, при обработке диска из сплава ЭП 742 диаметром 580 мм и высотой по ободу 116 ым на молоте с массой падающих частей 16 тонн на осуществление деформации из шайбы высотой 120 мы до окончательного оформления поковки (толщина полотна 50 мм, высота по ободу 116 ым) требуется обработка в предварительном и окончательном штампе (по 2 подогрева) .с общим числом ударов до45.

Штамповка дисков из жаропрочных сплавов на гидравлических прессах является прогрессивным технологическим процессом и дает возможность осуществить деформацию изделия от заготовки .до полного оформления за один рабочий (или двойной ход: жим-дожим). При этом обеспечиваются все требуемые качественные показатели изделия.

На рно.' I показано изменение усилия но ходу при штамповке диска из ааройрочного сплава ЭП 742 на гидравлическом пресое усилием 30000 т.е. (294 МП). Работа деформации, подсчитанная.' •планимогрированием индикаторной диаграммы, равна 3822 КДя, что существенно меньше, чем при молотовой штамповке.

Учитывая, что в основном вся работа пластической деформации переходит в теплоту, среднее по объецу погашение температуры металла в течение адиабатического процесса деформирования' оценивается: Д

ЛТ= (4)

где: AI - повышение температуры от тепла деформации, °С;

V - объем заготовки, н3;

Рко." I Диаграмма изменения усилия по пути шташовки на прессе 30000 т.е. (294 МН) (житдожин).'

Р» плотное» гатадла; кг/ы3:

' КДя .

Ср • удельная теплоемкое» металла, ^ °С » Д - работа пластической деформации, КЦж. Интенсивность тепловыделения от деформации может бить приравнена в мощности процесса в данный момент: •

N = 0,00982 РУ ' (5)

гдё: - мощность процесса, КЛл/о;

Р — усилие прессования, То;

V - скорость деформирования, мм/с.' На рис. 2 на индикаторной диаграмме штамповки диска ТП-8 из сплава ЗП 962 показан расчетный характер изменения мощности (интенсивности тепловыделения),' что позволяет анализировать процесс по энергозатратам в каждой точке рабочего хода. Общее энерговыделение в этом случае (по результатам планиметрирования индикаторной диаграммы) равно 5768 КДк, что при продолжительности де-20

формации 15 секунд дает среднш интенсивнооть тепловыделения • 384 ВДж/о.. .

При подсчете общей за цикл величина повышения•температуры поковки о использованием зависимости (4)ЛХ= 48,06°С. Учитывая, что в течение цикла незначительная доля тепла отбирается на расплавление части теплоизоляционного слоя и имеют шсто некоторые потери при неплотной изоляции, создается возможность-их компенсировать за счет тепловыделения при деформации, и, таким образом, обеспечить изотермичность процесса."

Рис. 2 Изменение усилия Р, скорости деформирования V и

мощности N при шташовке диска шифра ТП-8 из сплава ЭП 962 (Т заг = 1(770°С, заготовка теплоизолирована , Т штампа = 420°С).

Соотношения (4,5) могут быть использованы при расчетах процессов деформации в условиях отсутствия теплообмена с окружавшей средой. Как будет показано ниже, ато применимо в условиях термостатирования металла при деформировании жаропрочных сплавов.

Для обеспечения изотермических усилий при штамповке применяют теплоизоляционные прокладки. В общем случае они соотоят из двух слоев разнородного материала. Один слой, обращенный к нагретой заготовке, помимо теплоизоляционных свойств, должен еще обладать, свойствами смазки, облегчающей процесс деформации. Внешний слой изоляции (слой, обращенный к инструменту) должен обладать антиадгезионныыи свойствами, т.е. предотвращать налипание изолятора на инструмент. Соотношение толщин того и другого . материала могут быть выбраны из ооображений наиболее благоприятных условий деформации, тогда как их общая толщина должна обеспечивать 'изотермичное» процесса - задачи, решаемой в настоящей работе." •

Тепловой баланс системы "заготовка-инструмент".формулируется в предложении, что температура заготовки в период штамповки остается неизменной или изменяется в пределах, допустимых температурным интервалом деформации. Это условие выполняется подбором соответствующей термической проводимости прослойки теплоизо-лятора или изменением времени деформации.

Решение задачи обеспечивается с учетом температурного и

теплоемкостного сопротивления тешюиаолятора одновременно. Это достигается'эквивалентным утолщением поверхностного слоя инструмента. однородной (с материалом инструмента) прослойкой толщиной

h. экв.

В результате аналитически разработок получено вярахвнив дм подсчета температуря в ям)о& точке инструмента 'в процессе деформащпг." В частное»,' если подставить X hwsa, то »тот случай будет соответствовать температуре ва пвверхнооти гастру-кевта

- £35' sk -

где: roii - " 4510X0 Фурье» отнесенное в параметрам isоля»

^ ционяой прослойки oin, ¿v ;

К£ =* д-]коэффициент взаимной тепловой активнооти иа-тариала инструмента и слоя тепловой изоляция; \ - коэффициент теплопроводности однородного изолятора; - текущее время;

fl-j (ttt- соответственно коэффициенты температурспровод-j. ности металла а инструмента;

; Ою - толщина теплоизолятора.

Значения интервала Fpy^ » при котором температура инструмента практически не изменяется, позволяю сфорцуяировать требования к теплоизоляционной прослойке и времени деформации, руководствуясь соображениями минимального стока тепла от деформируемой заготовки в инструмент. Поскольку число включает в себя и теплофизические параметры изоляции (. GLu. , (Ти-. ) я время деформации « то эффект минимального стока тепла может быть достигнут подбором как параметров изоляции ( (tvu, ),

гак и подбором соответствующего времени деформации." Важно, чтобы било соблюдено соотношение

/ /г ] , -^Г^ ^ ; С7)

где: (Гоц^/фА-- допустимое значение числа Фурье, удовлетворяющее требованию минимального стока тепла.

В диссертации аналитически исследовано:

1) Конкретное условие обеспечения изотермичности процесса: поток тепла, отводимый от заготовки в инструмент в процессе штамповки, компенсируется выделяющимся в заготовке теплом дефор-

Цицсгр (8)

2) Эксперишнтатьно-расчотная методика оценки толщины' теплоизоляции с использованием индикаторных диаграмм деформации (определяется работа деформации и приравнивается к тепловыделению, определяется время деформации)По условиям сохранения неизменной температуры на заготовке рассчитывается средняя плот- . ность теплового потока С^ деф.

Приведены примеры расчетов по получаемым аналитическим зависимостям, в том числе построен график изменения среднего теплового потока ф в зависимости от толщины изоляции (рис. 3).

Таким образов, разработаны два аналитических метода расчета т'сшцщш теплоизоляционных прокладок при'изотермическом дефор-; мировании." Оба они в равной' мере пригодны для практического ис~ йользоваппя, причем партий метод даот значение верхнего предела •голодны теплоизоляционной прокладки, а второй - низшего.

Использование методики расчета прокладок позволяет о доета-

Рис." 3 Изменение теплопередачи в инструмент в зависимости от толщины теплоизоляции.

точной точностью выбирать их толщины, ч?о подтверздаэтся практикой изотермической штамповки никелевых спдавоат

4ф Разработка основных принципов интепсифякацст процзссоз производства дсфкетровапетх заготовок

Анализ аналитических, экспзржзптальнпх доследований, поисковых работ,' изложенных ¿.предыдущих главах, позводяэт сформулировать основные направления интенсЕфшшцях процессов горячего деформирования заготовок из яаропрочныг никелевых сплавов для авиационного моторостроения.

1) Уменьшение скорости деформации. Высокая чувствительность жаропрочных сплавов к скорости деформации, необходимость обеспечить наиболее полное протекание процессов рекристаллизации и разупрочнения предопределяет необходимость развития этого направления.

2) Предварительная подготовка структуры о целью повышения

пластичности металла, что позволяет повысить степень деформации 8а передел. Часты) такой подготовки является термическая обработка литого материала, а также промежуточные отжиги,

' 3) Использовании при деформации горячих штампов. Осадка и деформирование в штампах, нагретых до температур, близких к температурам деформации. (900-1250°С) позволяет стабилизировать температурный режим, уменьшить охлаждение контактных зон, снизить неравномерность деформации.

4) Изотермическая штамповка с использованием термостатирова-нпя деформируемого объема металла. Это новое направление, возводящее использовать в полной мере тепло деформации и обеспечить иаотермические условия процесса на действующем оборудовании и существущих штамповых материалах.

5) Увеличение суммарной степени деформации за один нагрев за счет использования специально созданных теплозащитных смазочных покрытий, что является важным направлением интенсификации процесса, особенно при молотовой штамповке.'

6) Снижение уровня поверхностных растягивающих напряжений при деформировании за счет совершенствования конструкций штампо-вого инструмента, уменьшающего изгиб заготовок в начальный пери* од деформации. .

В диссертации приведены разработки по всем перечисленным направления».'

Автором с сотрудниками била создана установка для деформирования жаропрочных сплавов в горячих штампах.' По простоте технических решений и достигнутому эффекту созданный йлок-штамп выгодно отличается от других конструкций, направленных на решение

этих же целей. Штамп предназначен доя деформирования крупных дисков, например, шифра ТР-164 (сплав Ш 742ИД). Диск имеет размеры: диаметр 456 мм, высота 102 ми, масоа 130 кг.

В процессе выполнения работ по совершенствованию изотермического деформирования и обработки в горячих штампах были созданы 2 новых шеокожаропрочных сплава для инструмента. Сплав ВКВД-З используется при изготовлении оснастки для деформации материалов при 1200-1250°С, в особенности для жаропрочных титановых и никелевых сплавов, что позволяет увеличить выход годных деталей с повышенным качеством. На сплав имеются технические условия и начато его серийное производство. Дальнейшим развитием этих работ явилась разработка и создание нового сплава ВКНА-2ЛК, . также внедренного в производство.

Известно, что относительно постоянная температура в пластической зоне деформируемого объема металла может быть достигнута при использовании теплового эффекта деформации. Найдены технические решения, позволяющие.термоътатировать металл при .температурах обработки 1050-1200°С в условиях контакта со штампами, нагретыми до низких температур (350-450°С) я даже находящимися.' при комнатной температуре» '

Это достигается за очет применения прокладок из волокнистых сверхтеплоизоляторов на базальтовой и каолиновой основе.При этом температура размяг,чения теплоизолирующего слоя, обладающего к тому же смазочными свойствами, превышает температуру штампов, во ниже температуры заготовки. В результате волокнистый базальт со стороны заготовки расплавляется (рис. 4), а со стороны штампа прокладка остается твердой. Трение при деформации осу-

щвствляется в жидком расплавленном теплоизолирующим слое, что . онижает усилие деформации, сохраняет высокую стойкость штампов, -изготовленных из обычных штамповых сталей (5ХШ) и обеспечивает практически изотермический режим штамповки!

Рис.' 4 Схема осуществления теплоизоляции при штамповке: I - верхний штамп; 2 - теплокзолятор; 3 - поковка; 4 - нижний штамп; 5 - твердый слой теплоизолятора со стороны теша; б - расплавленный слой - смазка со стороны поковки;

Общая схема теплового взаимодействия при штамповке приведена рис. 5 в координатах "температура металла, °С - время деформации . с. ".

Важным свойством волокнистых тешгоизоляторов являются практически стабильные значения теплопроводности при температурах . деформации. На ОАО "Ступинский металлургический комбинат" впервые в практике обработки металлов давлением применены волокнистые теплоизолятора и в работе показана эффективность их использования.

Основные свойства теплоизоляторов на основе базальтового и каолинового волокна - низкая теплопроводность в широком интервале температур: для'базальтового волокна от -200 до +900°С, для

Ряо. 5 Схема обеспечения изотермических условий деформации: I - рос! температуры металла за счет выделения тепла деформации; 2 - резулыатиругщая постоянная температура; 3 - уменьшение температуры за счет потерь тепла при контакте с воздухом; 4 - уменьшение температуры за счет отбора тепла при расплавлении часта слоя теплоизоляции.

каолинового от -70 До 1200°С, что определяется их физнчеокшп свойствами: высокой отражательной способностью волокон и их большой удельной поверхностью.

Проведено исследование структуры смазочно-пзолпрухщих материалов с использованием гравиметрического и фазового рентгепо-структурпого анализа. Появление кристаллических фаз в волокнистых каолине и базальто и изменение цвета базальта указывает на то, что во время деформации при температура заготовки ПОО°С под воздействием высоких удельных усилий в теплоизолирующем "слое базальта развиваются температуры не низе 1050-Ш0°С, при которых происходит ого оплавление и размягчение," что"обеспечивает но только теплоизолирующее, но и смазыващез действие.

С целью интенсификации молотовой штамповки разработано но-

вое технологическое покритяе на основе стекла с введением тугоплавких, адгезионных, теплоизоляционных, вспенивающих и других добавок, позволяющее повысить надежность защиты поверхности металла от окисления, снизить дополнительные потери тепла при деформировании, уменьшить напряжения трения.

Шхавповка с применением этого теплозащитного смазочного покрытия показала, что оно способно выдерживать 4-6 выносов-подогревов при штамповке, хорошо сохраняться иа повэрхности, уменьшать потери тепла, а также являться хорошей смазкой.

Применение защитно-смазочного покрытия при молотовой штамповке позволяет сократить количество промежуточных нагревов металла в 2,0-2,5 раза, повысить степень деформации при штамповке за I нагрев, сократить в 1,2-1,5 раза количество переходов деформации, уменьшить трещияообразование.

Итоговые; результаты разработок по главе 4 представлены в таблице I.

5. Разработка и исследование процесса горячей изостатической штамповки

Одним из направлений снижение расхода металла при производстве дисков методом металлургии гранул является использование капсул направленной деформация, обеспечивающих в условиях изоста-тического нагружения направленное (как правило по высоте) формоизменение гранулированного материала при условии его уплотнения до беспористого состояния.

Применение капсул направленной деформации позволяет резко повысить точность и воспроизводимость процесса получения дисков сложной конфигурации за счет снижения абсолютных величин ради-

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ, СРВДСТВА, ПРИШЫ И ЭФШШВДОСТЪ СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ ПРОЦЕССОВ ГОРЯЧЕЙ ДЕЖОЙШЩ ЖАШ1Р0ЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ

Основные '' Средства Г ' -;-- ; Технологические приемы при деформации } Эффектив-

направления | совершенствования ! на прессах ! на молотах $ ность

Повышение ■Предварительная подготовка Термообработка и деформация заготовок перед 1

пластичности структуры штамповкой

Штамповка в условиях. г

близких к сверхпластич-

-- ности

Снижение

сопротивления

деформации

Уменьшение скорости деформации

Стабилизация температурного поля при деформации Уменьшение неравномерности деформации в процессе штамповки___

Изотермическая штамповка с использованием минеральных тепло-изоляторов

Применение теплоизолирующих обмазок

Совершенствование конструкции штампов

I 3 г

У меныление сил

контактного трения

Совершенствование схем деформации

Оптимизация условий трения на контактных поверхностях

Увеличение степени деформации за один нагрев

, Осадка заготовок в условиях высокого гидростатического давления

Деформация с применением сыазочнотеплоиэолкрующих материалов___

I. Обеспечение возможности деформации высокожаропрочных сплавов с содер-ЭФФШИВНОСТЬ: ясанием -фазы более 30%

'¿. Уменьшение брака,вызванного трещинс-образованиеы, повышение КШ

3. Экономия энергии за счет уменьшения количества подогревов металла в печи

4. Снижение трудоемкости обработки

со

адьных деформаций о 70-100 мм в тонкостенных капсулах до 15-20 мм и, следовательно,' уменьшения влияния факторов нестабильности.

Отличительной, принципиальной особенность!) капсулы направленной деформации является то, что лишь внутренний ее контур выполняется соответствующим слодной конфигурации детали, наружный же контур представляет собой простую поверхность плоского цилиндра. Для заготовок дисков ГГД отношение габаритного диаметра к высоте обода обычно равно 8-10 и в случае использования для их получения капсул направленной деформации суммарная площадь торцевых поверхностей составляет 80-9055 общей площади поверхности. Поэтому для создания изостатических условий уплотнения гранул достаточно обеспечить гидростатический подпор стенок капсулы лишь на 10-2$ ее поверхности. На остальной части поверхности необходимые условия нагрухения могут быть созданы путем воздействия на капсулу обычного штампового инструмента.

Реализация такой схемы была осуществлена в процессе горячей изостатической штамповки (ГШ), разработанным и внедренным в последний период сотрудниками ОАО "Ступинский металлургический комбинат" и ВЭДСа.1

Силовое воздействие на уплотняемый порошок в этом процессе осуществляют через материал капсулы в замкнутом инструментальном наборе на гидравлическом прессе.

Вомишная короткая продолжительность выдержи под давлением также является нетипичной для известных процессов контактирования жаропрочных никелевых сплавов, но характерна для процесса штамповки. Все это в совокупности позволяет рассматривать предложенный процесс применительно к получению заготовок дисков ГТД 32

как специфическую разновидность процесса штамповки. Наиболее полно его сущность мояет быть охарактеризована как "горячая изостатическая штамповка дисков из гранул жаропрочных никелевых сплавов в капсулах направленной деформации" (рио. 6).

Рис. б Схема способа и устройства для осуществления горячей изостатической штамповки изделий из металлических порошков:

I - пуансон; 2 - штамп; 3 - выталкиватель; 4 -опорный участок штампа; 5 - капсула; 6 - заготовка; 7 -кольцевой бандаж; 8 - компенсационный прилив; 9 -теплоизолирующие прокладки; 10 - их слой, контактирующий с капсулой.

Рассмотрим основные закономерности формоизменения в процессе горячей изостатической штамповки (рио, 8).

Условия пластического формоизменения бандажа в замкнутом объеме дают:

Учитывая, что сС^ = ^ сСц,, где - коэффициент формоизменения в диаметральном направлении, получим:

Pao. 7 Схема формоизменения ори горячей изостатпческой . штамповке: D — диаметр штампа; df - исходный диаметр капсулы; ois, - его окончательный размер после доотижения I005Í плотности; H,h - соответственно исходная и окончательная высота капоулн; А - ширина бандажа; д H - дополнительная высота бандажа для компенсации газора.

откуда находим

(19)

Обозначая Н/^ = Кд, получаем:

2 Ь-ЯьУШ^ • СП)

Величина К. Кц определяет степень объемного формоизменения

капсулы и является для данной капсулы константой:

к>к,- к®, ю

где: р - относительная плотность засыпки гранул (для сплава типа ЭП 741 р = 0,64 - 0,65);

. М - масса металла собственно капсулы;

Тогда

Рк - плотность материала капсулы (для стали Ст. 20 РК* 7»8 г/см8).

Это соотношение позволяет для заданной конструкции капсулы 34

и выбранной схемы ее формоизменения (К^ , Кд) определить необходимую ширину деформирующего бандажа Д :__

Проведенный анализ показывает, что формоизменение капсул в процессе горячей изостатической штамповки'полностью определяется ограниченным количеством параметров, в которые входят: исходная плотность засыпки р , масса и плотность металла капсулы М , р к, диаметр штампа X) и ширина Д пластичного деформирующего бандажа.

На практике высоту бандажа Н, определенную соглаоно величине Кя, нужно увеличить на ДН, необходимую для заполнения зазора между нагретой капсулой и стенкой штампа,

. На основе проведенных аналитических и экспериментальных данных исследований была разработана технология горячей изостатической штамповки дисков различных наименований из гранул сплава ЭП 741П на гидравлических прессах ОАО "Ступинский металлургический комбинат".

Разработанная технология обеспечивает пе меньшую производительность, чем любой процесс компактирования полуфабрикатов из гранул1* По расходу жаропрочных металлов горячая изостатическая штамповка одинакова с.горячим газостатическлм прессованием и экономичнее горячего гидростатического прессования. Кроме того, использование имеющегося куэвечно-пресоового оборудования не требует создания уникальных газостаических установок.

В таблице 2 приведены усредненные свойства по результатам контрольных и всесторонних испытаний.

Другие свойства диской (качество поверхности, макро и микроструктуры и т.д.) полностью соответствуют техническим условия«.

35

Механические свойства компактного материала (сплав ЭП 741П), полученного при горячей изостатической штамповке и газостатическом прессовании

Способ

ции

} кгс/ым2 ! (МПа)

!

!

«Каропроч-^сш2|Нос;ь при

Л, б"=6-Ю* МПа С1Н (60 кгс/м!,?У, { чао

«1'лад-( и над-|кие | резом

140 (1372)

Горячая изостати-ческая штамповка

Газостатическое прессование

ТУ 1-801-357 125,0 (1225>

97 (892)

28. 28

8,5

135-140 90-95 25-28 20-28 8-9 (1323-1372) (882-931)

80,0 (784>

13,0 15,0 5-0

100 100

100 100

100 100

6. Внедрение результатов работы и повышение эффективности производства заготовок для авиационного моторостроения

Принципиальным для интенсификации молотовой штамповки является:

- обеспечение значительного снижения уровня поверхностных растягивающих напряжений на заготовке при деформации;

- увеличение суммарной степени деформации за один нагрев.

Реализация этих направлений в производстве достигнута в результате применения новых конструкций молотовых штампов, существенно уменьшающих изгиб заготовки за счет симметричного ее на-

гружения при деформации и использования специально созданних теплозащитных смазочных покрытий.' В результате создается возможность уменьшения трещинообразования при штамповке, повышения КИМ из-за снижения массы исходных заготовок, экономии энергии за счет сокращения количества подогревов (2-3 выноса из печи вместо 4-5), снижения трудоемкости.

Осадка и штамповка поковок дисков на гидравлических прессах позволяет сочетать целый ряд важных направлений интенсификации: уменьшить скорости деформации на несколько порядков по сравнению с молотовой штамповкой, использовать заготовки с предварительно подготовленной структурой, применять деформацию в изотермических условиях о термостатированием металла.

В результате существенно снижаются энергозатраты, в основном, вследствие исключения дополнительных подогревов изделий, сокращаются технологический цикл штамповки, ее трудоемкость, в результате лучшго заполнения гравюра штампа поковка приближается к конфигурации конечного.изделия. Сравнительные параметры молотовой и пресоозой штамповки диска ТР 162 из сплава ЭП 742 приведены в таблице 3."

На предприятии в кузнечно-прессовоа цехе созданы промышленные участки штамповки дисков, оснащенные унихальвш термическим и гидропрессовнм оборудованием (прессы 42,1 1Ш, 294 Ш, 98 Ш). Настоящая работа является существенным вкладом в создание современной базовой технологии производства птамповок из труднодефор-мируемнх высокожаропрочных сплавов типа ЭП 742 (табл. 4). При штамповке поковок дисков сплава ЭП 742 я других на молотах и прессах внедрены изобретения:

Сравнительные энергосиловые и технико-экономические ' параметры молотовой и прессовой штамповки диска TP-I62 из сплава ЭП 743

1-f ; 1 I-1 ■1 ' :']-1'

Вид . j Опбра-1Усилие|Удвль-!Колич. 0бпая1Колич. lOdnpie ¡Трудо-

обору- i ция (штат- 5ноё !Уда- pad о- j натре- j затра- ¡емкость

дова- j штам- jhobkh, {усилие j ров та jbob {ты на ¡штам-

ния I повки j (МН) [(МПа) | дефорт (нагрев, гповки,

I II! мари] | кДж ¡ст/чао

.......\_\ i 1_кД* t 1_1

Молот с предва- 75,4 - 250 20 1840 . 2 II9000 0,3 массой рит. падающих-;:оаонч. 75,4 250 25 2260 2 63000 0,3 частей 16

тонн Итого:__■ 45 4100 4 182000 0,6

Пресс оконч. 220,5 730 I 3900 I 104000 . 0,1

294 МН ; . (30 тыс.

т.о.)_~ _- _

- а.о. 810790"Концентрат смазки для горячей обработки металлов?;'

- а.с. 862597 "Защитно-смазочное покрытие для горячей обработки металлов";

- а.с. 978455 "Способ штамповки заготовок из жаропрочных сплавов";

- а.с. 1027912 "Смазочно-теплоизолирупцая прокладка для горячей деформации";

- а.с. II678I5 "Способ подготовки заготовок для труднодефор-мируемых высокожаропрочных сплавов к горячему деформированию".

При механической обработке штамповок дисков внедрено изобретение:

- а.с. 811834 "Смазочно-охлаждащая жидкость для механической обработки металлов".

.еОВШЗННАЯ ЕА20ВАЯ 1ЕХН010ПЯ ПЯШЕОДРТВА ШТАМПОВОК ДОКОВ ПД ИЗ ТРУДК0Д220Ш1РЛ£Л1Х ШСОКОДАРОПРОЧШа СПЗАВОВ ( типа £П 742 )

Таблица 4

юшашс

ШШЕШ! НА ЗАВОДАХ шт

шгшьзовжз стшни а ЮНА

Д2Я ЕШШДЕШ СП2ЙЕА

-

рг

сл со

ВШАЕСА СШАЕОВ ПЕТО ДОИ ЕИ + ВД С ВУСОШ И СТАБ5ШШ ЗПРОШЕН СЕШСТВ ( разрейотела технология производства марочной лигатуру, сбсспзчиващая испольэовенпз отходов в объема тс образовшгал - 60 % )___

ДЕЗОКШЩЯ СЛИТКОВ НА ШАЙШ ( сетдгл ковоща.-й инструмент дяя работы при 800 20043, вдзрг&э осуществлена протлхха слитков из сплавов такого класса )

ЕЕШЮЕСА БОЛЕЗ 45 НАИШОШИЙ ДОКОВ НА Ш10ТА1. И ПРЕССАХ

( осущсстпясд гйгогенкзирувций отхиг заготовок, поклеп Щи! до 0,43 а штучяый выход годного до 93& )

ЕЗШЯЕСШ СЕРШЛНА ША1ШОВОК ДЖКОВ ( сргскизЕцгя специального участка с йсподьзованвем созргхслиях стакхов )

1ЕВ2ЮЕРАЕ0Ш ПТАШОВОК ДЖКОВ ( ссуцбсетлсза езткаязация температура захалкя с учлтси температуры полного растворения упрочнзпхцвй фазы, дкгвидйрован брак пи разиозерннстости и ызхгзпгчеегкм спойстзам )

10(Й КОНТРОЛЬ 1ЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ, ДШХЛЬЧОЙ ЖАРО-ПгСШКТИ, УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНТРОЛЬ, ШШШЬ МЕТОДОМ

ЦЕЕвай дашосшш

( щжхензш ав""С^ат1аароваинка устсновга УЗК, создал участок цветного контроля рэторкого типа )

Разработана технология изготовления поковок и штамповок дисков ГГД из труднодеформируемых, высокожаропрочных сплавов ЭК79, ЭП741, ЭП962, ЭП975 позволила освоить опытно-прошшлен-ное производство широкого круга наименований заготовок для различных предприятий.

Технология горячей изостатической штамповки внедрена на ОАО "Ступинский металлургический комбинат" о использованием вертикальных гидравлических прессов. Компакгированте ведется в штампах, изготовленных из обычных шташовых сталей. Применение высокотемпературных теплоизоляторов позволяет обеспечить 'изотер-мичьость процесса, сохранить качество поверхности гравюры, обеспечить стойкость штампа.

В таблице 5 приведены сравнительные данные технологических параметров при различных способах компактирования.

Таблица 5

Сравнительные характеристики процесса при компактировании заготовок дисков различными способами

Технологические параметры

ТТЛ

ГПС

ГШ

Вид оборудования газостат гидравлич. пресс + стеклостат гидралич. пресс + штамп .

Среда, передающая давление горячий газ расплав стекла пластичный нагретый металл

Удельное усилие, НПа 130-150 150-200 650-800

Продолжительность предварительного нагрева, час. холодная загрузка 15-20 • 6-9

Продолжительность выдержки под давлением, мин. 60 30-60 5-6

Общая продолжительность цикла компактирования,час. 30-40 1,0-1,5 0,2-0,3

Количество одновременно обрабатываемых дисков,шт. до 14 До 4 I

4Л

В целом внедрение процесса горячей изостатической штамповки по сравнению с горячим гидропрессованием в стекле обеспечивает:

- увеличение КИМ в 1,2 раза за счет снижения объема засыпки при ликвидации радиусов на переходах;

V

- экономию стеклогранулата - 120 кг на I диск;

- увеличение производительности нагревательных печей в 2 раза за счет снижения времени нагрева и более полной загрузки;

- снижение энергозатрат в 2 раза вследствие устранения операции плавки стеклогранулата и уменьшения времени нагрева под компактирование.

ГНЦ ВИАМ провел паспортизацию сплава ЭП 741П, полученного методом горячей изостатической штамповки (ГКШ). Полученные поло-яигельные результаты внесены в паспорт Л 1375. Заводом "Красный Октябрь" проведен?! 300$ длительные стендовые оквпвалентно«цикли-ческие испытания изделий с использованием заготовок СДД-2 и СДП-З, полученных методом ПЕЛ. Результаты испытаний удовлетворительные и изготовление дисков из заготовок СДП-2 и СДП-З допущено в серию.

Внедрение результатов работы в промыиленность позволило обеспечить экономический эффект более 1,0 млн. рублей.

ОСНОВНЫЕ ИТОГИ И вшодн

I. На основе выполненных исследований осуществлено теоретическое обобщение основных закономерностей изменения теплообмена, кинематических и энергооиловых условий при горячем дсфорглирова-нии высокожаропрочных никелевых сплавов, что позволило разработать и внедрить .в промышленность новне технологические процессы

производства заготовок для газотурбинных двигателей.

2. Решена задача обеспечения изотермических условий горячей деформации жаропрочных сплавов в штампах о использованием двухслойной разнородной теплоизоляции. При этом слой, обращенный к нагретой заготовке, при штамповке расплавляется и, кроме теплоизолирующих функций выполняет роль смазки, облегчая условия деформации. Слой, обращенный к инструменту, обладает антиадгезионным и высокими теплоизоляционными свойствами, защищая поверхность штампа.

Создан новый способ изотермической штамповки - деформирование термостатированного объема металла, позволяющий эффективно использовать тепло деформации и обеспечить получение изделий из труднообрабатываемых материалов с требуемыми свойствами, с использованием существующих шташовых материалов и действующего оборудования,

3. Разработан аналитический метод расчета условий теплообмена при горячей штамповке, обеспечивающих изотермичность процесса/ Температурное я теплоемкостное сопротивление изолирующих материалов одновременно учитывается эквивалентным утолщением поверхностного слоя инструмента однородной с его материалом прослойкой.

Предложенная методика расчета содержит аналитические зависимости, удобные для инженерного использования.

4. Разработаны, исследованы и внедрены новые теплозащитные смазочные покрытия для процессов горячего деформирования жаропрочных никелевых сплавов, позволяющие за счет применения тугоплавких, антиадгезионных, теплоизоляционных, вспенивающих и других добавок обеспечить изоляцию поверхности нагреваемого ме-

талла от окисления, сократить количество нагревов, повыоить степень деформации и производительность процессов обработки.

5. Теоретически обоснована схема деформации гранулированных материалов о использованием в качестве среды, передающей давление, пластичной металлической оболочки, аналитически и экспериментально исследованы основные парататры процесса, разра^ ботана и внедрена технология производства заготовок дисков слоеной геометрии и гранул жаропрочных никелевых сплавов путем контактирования кратковременным приложением высоких давлений к капсулам направленной деформации в штампах на мощных гидравлических прессах.

6. Исследованы физико-химические характеристики минеральных волокнистых сверхтеплоизоляторов в процессе воздействия на них высоких температур и удельных усилий, их свойства после деформации. Установлены границы структурных превращений у каолина и базальта, переходы из аморфяого состояния в кристаллическое. Обоснована целесообразйооть широкого применения волокнистых сверхтеплоизоляторов в технологических процессах обработки металлов давление?,!.

7. Комплексное модельное исследование кинематики точения металла прл деформации ососишвтрпчшпс изделий о использованием экспериментально^расчетноЗ методики, основанной на применении метода координатной сетки на разрезах и поверхности обрабатываемой заготовки показало возможность использования трудноде-

формяруемых алюминиевых сплавов типа АМгб в качестве модальных пря изучении кинематики течения жаропрочных никелевых сплавов. Аналитические и экспериментальные данные, полученные при анализе

и исследовании скоростных и силовых параметров при осадке и штамповке позволяют с учетом свойств сплавов обоснованно назначать основные технологические режиш деформации.

8. Разработаны, опробованы, внедрены новые жаропрочные никелевые сплавы для деталей газотурбинных двигателей, позволяющие уменьшить массу, повысить ресурс высоконагруженных изделий ц рабочую температуру двигателя, а также сплава для деформирующего инструмента при температурах эксплуатации 1000-1200°С по своим физико-механическим и технологическим свойствам они могут широко использоваться при осуществлении процессов высокотемпературного изотермического дефордирования.

. 9. Внедрение разработанных процессов позволило повысить коэффициент использования металла, существенно улучшить экономические показатели технологий, освоить металлургическое производство заготовок дисков различных размеров и других деталей из новых высокожаропрочных никелевых сплавов для авиационного моторостроения.

Таким образом, в работе на основании анализа теоретических обобщений результатов исследований решена крупная научно-техническая проблема, имеющая важное народнохозяйственное значение -усовершенствованы действупцие и разработаны новые промышленные технологии изготовления заготовок из жаропрочных никелевых сплавов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Батурин А.И.', Ятвецкий А.Ю. Особенности горячей штамповки поковок из жаропрочных сплавов. Сб. Совершенствование процессов объемной штамповки, ВДНТП, М, I960, с. 51-57.

2. Батурин А.И., ЩербаВ.Н., Данилин В.Й.', Ефремов Д.Б., Недугов A.B.' Исследование температурных условий работы инструмента при прессовании и штамповке, "Известия вузов. Черная металлургия", 1980, № 5, о. 74-79.

3. Батурин А.И. Энергосиловне параметры горячей штамповки жаропрочны* сплавов. "Технология легких сплавов", 'Л 8, 1980, о." 54 - 56.

4. Батурин А.И.', Разуказв E.H., Герасимов Д.Е., Яоыберг B.C., Как овин В.М. Изготовление штамповок дисков из . j.выоокоааропроч-ного сплава ЭИ 975, "Технологи легких оплавов", Л 5, 1980, о. 60 - 65.

5. Батурин А.И., Герасимов J.E., Ломберг B.C., Каковин В.М. Осадка выоокояаропрочннх никелевых сплазов на гидравлических прессах. "Технология легких сплавов", № 7, X98I, о. 32-35.

6. Батурин А.И., Юшкин М.П., Кравцов В.П. Теплозащитное смазочное покрытие для горячей обработки труднодефорштруемых жаропрочных сплавов. "Технология легких сплавов", ü 8, 1981, с. 36 - 39.

7. Батурин А.И., Гусарев В.Б. Развитие процессов злектро-конгактной обработки при производстве полуфабрикатов из жаропрочных сплавов. Сб. "Процессы обработки легких и жаропрочных сплавов", М., Ilayica, 1981, о. 198-205. ■

8. Батурин А.И. Влияние технологических факторов на структуру и служебные свойства при деформировании авиационных материалов. Сб. "Совершенствование связей высшей школы с производством", МАТИ-СМК, 1982, Ступино, с. 58-59.

9. Батурин А.И., Мартынов А.И. Пластичность и сопротивление деформации сплаза ЭП 975 при горячей обработке давлением. "Иззеотия вузов. Черная металлургия", 1982, 16 5, о. 44-48.

10. Батурин А.И., Семин В.А. Контактный теплообмен между заготовкой и инструментом при осадке жаропрочных сплавов. "Технология легких оплавов", 1982, й 4, с. 27-32.

11. Батурин А.И., Куликов А.Ф., Костомаров Н.С. Теплоизоляционные материалы в конструкциях тепловых агрегатов и технология обработки металлов давлением. "Технология легких сплавов", 1982, * 4, о. 46-50.

12. Батурин А.И., Юткин Ю.Ф., Каковин В.М. Участок штамповки дисков ГТД ид высокожаропрочных никелевых сплавов на гидравлических прессах. "Технология легких сплавов", 1982, № 6, с.29-31.

13. Батурин А.И. Комплексное моделирование исследований кинематика течения жаропрочных материалов при открытой штамповке осесимметричных поковок. "Кузнечно-штамповочное производство", 1983, К 8, с. 20-23.'

14. Батурин А.П., Ефремов Д.Б., Белицкий В.П. Моделирование поверхностной деформации заготовки при открытой штамповке жаропрочных материалов. "Известия вузов. Черная металлургия", 1983, й 7, о. 68-73.

15. Батурин А.И., Гун А.Я. К математическому моделированию процессов штамповки осесимметричных заготовок. "Технология лег-

ких сплавов", 1983, о. 17-19. .

16. Батурин А.И., Гун "А.Я. Организация вычислительного процесса в комплексе программ математической модели процессов' штамповки. "Технология легких сплавов", 1983, й 7, о." 30-32.

17. Батурин А.И." Совершенствование горячей штамповка жаропрочных никелевых сплавов. Сб. "Металлургия легких сплавов",

М., Металлургия, 1983, о. 128-130.

18. Батурин А.И., Гун А.Я. Модуль определения температурных полей в составе хомплеиоа программ расчета нестационарных процессов штамповки. "Технология легких сплавов", 1984, $ I, с. 29-33.

19. Батурин А.И., Старовойтенко Е.И. К выбору теплоизоляционных прокладок между заготовкой и инструментом при изотермическом деформировании заготовок. "Технология легких сплавов", 1984, Л 5, с;'56-61.

20. Батурин А.И., Куликов А.Ф. Использование сверхтеплоизо-ляторов для обеспечения изотермических условий при штамповке аа-ропрочных никелевых сплавов. "Технология легких сплавов", 1985, И 2, с. 53-54.

21. Батурин А.И., Морозов В.А. Соотояяяе и перспективы развития процесса метачлургии гранул на ÖA0 "Ступинский металлургический комбинат". "Технология легких сплавов", 1986, J5 2, с.13-17.

22. Батурин А.И. Горячая изостатяческая штамповка гранул жаропрочных никелевых сшхавозз. В кн. "Металлургия гранул", ВМС, 1986, вып. 3, с. 96-106.

23. Батурин А.И., Кольцов А.Т. и др. Разработка процессов горячей изостатической штамповки гранулированных материалов. В кн. "II Всесоюзная конференция по металлургии гранул", 1987,

с. 303 - 305. 47

24а Батурин А.И., Кольцов А.Т." и др.' Промышленное опробыва-ние горячей изостатической штамповки дисков из жаропрочных никелевых сплавов..В кн. "П Всесоюзная конференция по металлургии

гранул", 1987, с. 305-308.

25. Батурин А.Й.:, Старовойтенко Е.К. Обеспечение изотерми-часких уоловий деформации при горячей штамповке высокопрочных сталей и сплавов. "Кузночно-штамповочное производство", 1989,

й 9, с. 5 - 6.'

26. Батурин А.И., Казаков В.М. Совершенствование условий изотермической деформации. Сб. "Листовая п объемная штамповка?

М., 1991, о. 26-30.

27'. Батурин А.И.'', Казаков В.М. Эффективность использования теплоизоляторов при деформации высокопрочных сплавов. Сб. "Процессы обработки металлов давлением в автомобилестроении", М., 1993, с. 18-23.

28. Батурин А.И. Экспериментальное обоснование процесса изотермической деформации жаропрочных никелевых сплавов. Российская научно-техническая конференция, МГАТУ, 1995, с. 15-16.

2С-60. Авторские.свидетельства на изобретения:

№ 756869, 764846, 772266, 782411, 784137, 801594, 810790, 811834, 818192 , 837537 , 862597 , 862611, 898769', 902486, 925505, 938630, 978455, 986027, 1027912, 1132583, 1140341, 11475501, 1153571, 1167815, 1170796, 1187357, 1213600, 1216885, 1218701, 1228506, Г499956, 1582443', ' "



• ?

I

// 1 / ^ т

правах рукописи

л......■■

Экз. Ш

БАТУРИН ШМНШЩОВЩ

ИССЛЕДОВАНИЕ, РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ НОВЫХ ШТАПЛУРГЖЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА ЗАГОТОВОК ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ ДШ АВИАЩОШОГО МОТОРОСТРОЕНИЯ

Специалъность 05.16.05 "Обработка металлов давлением"

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЩЕНИЕ .............................................. 6

ШВА I. СОСТОЯНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ЗАГОТОВОК ИЗ ЖАРОПРОЧНЫ!

СПЛАВОВ И ЗАДАЧИ ПОВЫШЕНИЯ ЕГО ЭФФЕКТИВНОСТИ ...... 9

1.1. Специфика горячего деформирования, жаропрочных никелевых сплавов.................................................9

1.2. Анализ и технико-экономическая оценкапроце с с о в штамповки....................................................17

1.2.1. Молотовая, штамповка............................ 17

1.2.2. Прессовая штамповка ............................ 22

1.3. Получение заготовок методом металлургии гранул........ 27

1.3.1. Технология горячего изостатического

прессования .......................................27

1.3.2. Деформирование порошковых никелевых сплавов .... 36

1.4. Оценка возможностей изотермического деформирования .... 39

1.5. Задачи повышения эффективности производства металлургических заготовок......................................................42

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ УСЛОВИЙ ГОРЯЧЕГО

ДЕФОРМИРОВАНИЯ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ...... 45

2.1. Эволюция сплавов для дисков ГТД и новые разработки .... 45

2.2. Пластичность, сопротивление деформации и предварительная термическая обработка высокожаропрочных

сплавов ... ..................................................54

2.2.1. Влияние температурно-скоростных условий деформирования на технологические свойства сплава

Ш 975 ......................................... 54

2.2.2. Исследование влияния предварительной термической обработки на пластичность сплава ЭП 975 ........ 64

2.3, Обоснование условий горячего деформирования,

разработка основных технологических схем ............... 75

2.3.1. Метод последовательной деформации при обработке заготовок из сплава ЭП962 и ЭП975 ............... 75

2.3.2. Новый сплав ЭК-79 и совершенствование схемы получения поковок из крупных шайб............... 86

2.4. Влияние высокотемпературного окисления при технологических нагревах на структуру и свойства жаропрочных сплавов 96

ГЛАВА 3. ТЕЧЕНИЕ МЕТАЛЛА И ЭНЕРГОСИЛОВЫЕ

ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССОВ ................................ 106

3.1. Кинематика течения металла при штамповке осесимметрич-

ных изделий ........................................... 106

3.1.1. Разработка методики моделирования процессов деформирования жаропрочных материалов........... 106

3.1.2. Кинематика течения жаропрочных сплавов при открытой штамповке ............................. ИЗ

3.2. Силовые условия деформирования................................130

3.2.1. Особенности энергосиловых параметров деформации . 130

3.2.2. Исследование силовых и скоростных условий деформирования цри осадке, штамповке и выдавливании на гидравлических прессах............... 135

3.3. Тепловыделение и тегоюотвод при горячей обработке

жаропрочных сплавов .................................... 149

3.3.1. Исследование тепловых условий при деформировании 149

3.3.2. Контактный теплообмен между заготовкой и инструментом при осадке ............................... 154

3.3.3. Температурные изменения при выдавливании........ 165

3.3.4. Методика расчета теплоизоляционных прокладок

при изотермическом деформировании ............... 171

ГЛАВА 4. ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ

ИЗОТЕРМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ДЕФОРМАЦИИ КРУПНЫХ ЗАГОТОВОК 186 4Л. Основные направления разработки..............................186

4.2. Оптимизация скоростей деформации ...................... 187

4.3. Деформирование в горячих штампах...................... 189

4.3.1. Конструкция штампового инструмента............. 189

- 4.3.2. Новые материалы для штампов© ................... 192

4.4. Изотермическая штамповка с термометрированием металла

и новые теплозащитные смазочные покрытия .............. 199

4.4.1. Основы термостатирования цри деформации ........ 199

4.4.2. Свойства волокнистых теплоизоляторов и

технология их использования.................... 208

4.4.3. Исследование структуры сма з очно -и з олиру юшдх материалов..................................... 216

4.4.4. Разработка новых теплозащитных смазочных

покрытий ....................................... 223

4.5. Экспериментальное исследование эффективности теплоизоляции при горячей штамповке ........................ 232

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГОРЯЧЕЙ

И30СТАТИЧЕСК0Й ШТАМПОВКИ.......................... 240

5.1. Особенности компактирования ,дисков в капсулах направленной деформации............................... 240

5.2. Обоснование технологической схемы процессов и

разработка конструкций капсул ......................... 246

5.3. Определение рациональных технологических параметров нагрева капсул с гранулами и компактирования дисков ... 265

5.4. Разработка технологии горячей газостатической

штамповки порошковых никелевых сплавов................ 270

5.5. Анализ геометрических параметров и исследование

качества материала изготовленных дисков.............. 276

ГЛАВА 6. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА ЗАГОТОВОК ДЛЯ АВИАЦИОННОГО МОТОРОСТРОЕНИЯ...................... 288

6.1. Интенсификация технологического процесса молотовой штамповки ,........................................... 288

6.2. Освоение производства поковок ГТД в изотермических условиях на вертикальных гидравлических прессах........ 289

6.3. Горячая, изостатическая штамповка............................307

ИТОГИ И ВЫВОДЫ ........................................... 318

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ................................. 321

ПРИЛОЖЕНИЯ ............................................... 340

ВВЕДЕНИЕ

В ускорении научно-технического прогресса, при производстве авиационной техники важное место принадлежит созданию эффективных технологических процессов и совершенствованию действующих.

Одним из главных направлений в этой работе является повышение технического уровня производства, интенсификация его, которая состоит прежде всего в том, чтобы результаты производства росли быстрее, чем затраты на него, постоянно повышалась бы фондоотдача. 3а, счет широкого внедрения прогрессивных технологических процессов, высокопроизводительного современного оборудования, комплексной механизации и автоматизации производства. /I/ должны обеспечиваться существенная экономия конструкционных материалов, сокращение трудоемкости обработки заготовок, повышение 'эксплуатационных характеристик и надежности.

Предприятиями авиационной промышленности в последние годы разрабатывались комплексные долгосрочные программы экономии металлов, которые предусматривали дальнейшее снижение металлоемкости изделий на стадии их создания, сокращение расходов металла при изготовлений продукции, техническое перевооружение производства., совершенствование системы нормирования расхода, металла и др. /2/.

Создание новых авиационных двигателей требует внедрения

высокожаропрочных материалов для тяжелонагруженных по температуре и напряжениям деталей ГТД - турбинных дисков.

Разработанные в последние года новые сплавы - ЭП741, ЭП962,

rj

ЭК-79 и ЭП975 практически не удается деформировать молотовой штамповкой в связи с их высоким уровнем легирования и низкой пластичностью при температурах обработки /3, 4/.

Работы по получению изделий из этих и других сплавов являются сверх актуальным и развиваются в настоящее время по двум направлениям:

- металлургии гранул /5/, основанной на распылении жидких сплавов,и их затвердевании с большой скоростью в виде гранул с последующим компактированием в заготовки;

- горячему объемному деформированию металла, полученного высококачественными методами индукционной и дуговой плавки.

Это направление, основанное на результатах работ, проведенных Ступинским металлургическим комбинатом, ВИАМом, ВМС ом в последние годы (впервые крупногабаритные диски из высокожаропрочного сплава ЭП742 были обработаны на гидравлическом прессе усилием 30000 т.е. (294 МН) на СМК в 1979 году под руководством автора), показало большие возможности совершенствования действующей технологии, а также интенсификации в целом производства деформированных заготовок посредством изыскания и применения прогрессивных технологических решений.

До этого работы по горячей деформации сре/^них и крупных дисков на гидравлических прессах не осуществлялись из-за невозможности обеспечить стойкость штампового инструмента в течение времени деформации при высоких температурах.

Работы, проведенные автором с сотрудниками по исследованию физико-химических свойств волокнистых еверхтеплоизоляторов при воздействии на них высоких температур и удельных усилии, выявление границ структурных превращений позволили обосновать целесообразность их широкого применения в технологических процессах

обработки металлов давлением.

В диссертации изложены новые технические решения, обеспечивающие на этой основе защиту штампового инструмента от воздействия высоких температур и создание изотермических условия деформации .

Теоретическое обоснование схемы деформации гранулированных материалов с использованием в качестве среды, передающей давление, пластичной металлической оболочки позволило эффективно сочетать элементы технологии металлургии гранул и горячего объемного деформирования и создать новый технологический процесс - горячую изостатическую штамповку (ГШ) дисков сложной геометрии из гранул жаропрочных никелевых сплавов путем компактирования кратковременным приложением высоких давлений к капсулам направленной деформации в штампах на мощных гидравлических прессах.

При осуществлении этих процессов достигнуты важные экономические показатели - повышение коэффициента использования металла, экономия дорогостоящих элементов - никеля, кобальта, хрома, вольфрама и других, повышение служебных характеристик турбинных дисков.

В данной работе на основе выполненных исследований осуществляется теоретическое обобщение основных закономерностей процессов горячего деформирования жаропрочных никелевых сплавов, что позволило разработать и внедрить в промышленность новые металлургические процессы производства заготовок для авиационного моторостроения.

Экспериментальные исследования и разработку методик их выполнения автор проводил совместно с сотрудниками Ступинского металлургического комбината, ВИАМа и БИЛСа: т.т. Юшкиным М.П., Ятвецким А.Ю., Гороховым В.П., Морозовым В.А., Кольцовым А.Т., Карповым В.Б., Юткиным Ю.Ф., Каковиным В.М., Кулико-

вым А.Ф., Ломбергом Б.С., Герасимовым Д.Е., Маркиной Л.С., Анош-киным Н.Ф., Самаровым В.-Н,, Краттом Е.П. и др.

В диссертации использованы также материалы работ, выполненных автором с сотрудниками комбината и других предприятий. Во всех работах, выполненных совместно с другими исследователями автор участвовал в формулировке целей, определении способов их достижения, выполнении и обсуждении экспериментов, оценке достоверности полученных результатов и путей их дальнейшего использования.

В работах по внедрению результатов диссертации на предприятии автор принимал непосредственное участие, а также разрабатывал, утверждал и контролировал организационно-технические мероприятия, содержащие диссертационные разработки.

На защиту выносятся следующие основные положения, характеризующие научную новизну диссертационной работы:

- теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение возможности обеспечения изотермических условий деформации в штампах с использованием волокнистых теплоизолирующих материалов;

- способ изотермической штамповки - деформирование термостатированного объема металла с эффективным использованием тепла деформации в инструменте из существующих штамповых материалов и на действующем оборудовании;

- новый процесс компактирования гранулированных металлических материалов с использованием в качестве среды, передающем давление, пластичной металлической оболочки;

- методика использования труднодеформируемых алюминиевых сплавов типа АМгб в качестве модельных при деформации жаропрочных никелевых сплавов.

Авиационная промышленность принимает непосредственное участие в 20 научно-технических программах, разрабатываемых и реали-

зуемых на различных предприятиях в последние годы. Одной из главных комплексных программ является: - создание новых материалов, технологий ж оборудования и экономия сырьевых ресурсов.

Решению важнейших задач этой программы посвящена настоящая работа.

ГЛАВА I. ПРОИЗВОДСТВО ЗАГОТОВОК ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ И ЗАДАЧИ ПОВЫШЕНИЯ! ЕГО ЭФФЕКТИВНОСТИ

1.1. Специфика горячего деформирования жаропрочных сплавов

Пластическая деформация нолик ри с таллич е ск их тел, какими являются жаропрочные сплавы, может осуществляться с помощью внутри-зеренного и межзеренного механизмов скольжения. Протекание того или иного механизма и его доля в общей деформации определяются условиями обработки и природой металла, его структурным состоянием, размером зерен и др. Чем больше механизмов одновременно участвуют в процессе, тем вше пластичность деформируемого тела.

Деформация жаропрочных сплавов протекает локально, неравномерно, это проявляется как внутри зерен, так и в объеме группы зерен, а также между отдельными частями деформируемого тела.

По мере нарастания деформации возрастает сопротивление ей и прочность кристаллического тела, т.е. происходит деформационное упрочнение. Кривую возрастания напряжения при деформации кристалла с гранецентрированной кубической решеткой по современным представлениям / 6,7 / подразделяют на три стадии (рис.1.1).

На стадии I (область легкого скольжения) деформация кристалла характеризуется наименьшим напряжением и малой интенсивностью его роста. Результаты экспериментов свидетельствуют о том, что с уменьшением температуры область легкого скольжения растет.

Влияние химического состава в этом случае во многом зависит от того,в какой форме находятся введенные примеси. При образовании мелкодисперсной фазы область легкого скольжения может полностью отсутствовать и упрочнение интенсивно возрастает с самого начала деформации. Этим объясняется высокое сопротивление деформации и низкая пластичность жаропрочных сплавов.

Рже Л.2. Форма радиальных сечений дисков /12/:

а - постоянной толщины; б - прямой клин; в - клин с гиперболоидальней образующей; г - клин с образующей, обеспечивающей равнопрочность сечения.

На стадии П (область линейного упрочнения) коэффициент упрочнения более высокий. Влияние температуры такое же, однако она не влияет на величину самого упрочнения.

На стадии Ш (область параболического упрочнения) величина упрочнения возрастает по мере понижения температуры.

При упрочнении изменяются л ряд других физических свойств металла: форма отдельных зерен, образуется текстура деформации, создается ориентировка зерен, уменьшается теплопроводность. Деформационное упрочнение повышает уровень внутренней энергии за счет аккумулирования в металле части энергии деформации, благодаря чему повышается химическая активность металла / 8 /. Деформационное упрочнение является необходимым условием протекания всех процессов разупрочнения и в том числе процесса рекристаллизации / 9 /.

Рекристаллизационная способность у жаропрочных никелевых сплавов наступает после малых деформаций в но высокая темпе-

ратура и малые скорости ее протекания препятствуют завершению динамической рекристаллизации и, чтобы ее ускорить, металл отжигают с продолжительной выдержкой. Малые скорости динамического разупрочнения ограничивают применение высоких скоростей деформации вследствие интенсивного деформационного разогрева, который может вывести металл из области максимальной (для данного сплава) пластичности и, вследствие этого, привести к образованию трещин / 10,11 /.

Условия эксплуатации дисков требуют, чтобы они обладали оптимальным комплексом механических характеристик на различных участках /12,13 /, важное значение имеет форда радиального сечения (рис.1.2).

Анализ основных разновидностей выпускаемых серийно авиационной металлургической промышленностью штампованных поковок турбинных дисков позволяет ввести их классификацию,приведенную на рис.1.3,

т

X

V/

Щ

Марки сплаЬоЬ

ЭИ1137 БУ-ВД, ЭИ Б98-ВД.ЭИ 767-ВЦ, ЭП 674, ЭИ 9БШ, ЭИШ, ЭИв67, ДИ- Ш, ЭПЗЗ-ВД, ЭП 742ИД.

Основные размеры, мм.

20-№00

15

и

ЗБ-Зйб

12- 70

Масса, пг.

/6-6Ю

Рис.1.3. Классификация основных видов серийно выпускаемых заготовок турбинных дисков.

Обработка давлением сложнолегированных жаропрочных сплавов имеет ряд особенностей, важнейшими из которых являются следующие /14/.

I. Сопротивление деформации значительно выше, чем у конструкционных легированных сталей (таблица 1.1.).

Таблица 1.1. Предел прочности сталей и сплавов цри температурах штамповки /14/.

Материал

Температурный

интервал

штамповки

Предел прочности при температуре окончания штамповки кгс/мм2 (МПа) (ориентир)

Сталь 45 30ХГСН2А ЭП 437 БУ-БД ЭИ 698 - БД ЭП 742 - ИД

1200-750 1180-850 1150-980 1160-1030 1080-1020

5,0 (49)

8,0 (78,4)

18,0 (176,4)

21,0 (205,8)

28,0 (274,4)

2. Низкая технологическая пластичность при температурах горячей деформа