способ изготовления раскатных кольцевых заготовок

Формула изобретения

Способ изготовления раскатных кольцевых заготовок и стареющих никелевых сплавов, включающий изготовление исходных колец прямоугольного сечения, сварных или бесшовных, теплую раскатку в условиях, близких к изотермическим, до получения простых или фигурных сечений со степенью деформации не менее 10% после нагрева в интервале температур гетерогенного состояния и последующую термообработку, отличающийся тем, что процесс раскатки осуществляют в две стадии в двух отдельных калибрах, образуемых деформирующими валками, причем первую стадию раскатки заготовок осуществляют в черновом калибре со степенью деформации 20 40% на второй стадии заготовку дополнительно нагревают при тех же условиях, что на первой стадии, а раскатку осуществляют в чистовом калибре до получения параметров профиля готовых изделий.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к способам изготовления кольцевых заготовок для деталей газотурбинных двигателей, и может найти применение в отраслях промышленности, где изготавливаются различные кольцеобразные изделия из стареющих никелевых сплавов, в особенности со сложноступенчатыми сечениями малой толщины.

Известен способ изготовления кольцевых заготовок из стареющих никелевых сплавов, содержащий нагрев исходных заготовок до температуры гомогенного состояния и последующую раскатку [1]

Недостаток этого способа заключается в том, что вследствие очень низкого резерва пластичности в атермических условиях деформации, этим способом можно изготовить только заготовки с простейшими компактными сечениями типа "прямоугольник" и "швеллер" причем в сечениях второго типа допустимые соотношения параметров весьма ограничены, в частности отношение толщины бурта (гребня) к высоте его должно быть не менее единицы, а сама высота бурта не должна превышать 50 мм. Минимальная толщина сечения при этом ограничивается величиной порядка 20 мм. Все эти ограничения резко повышают металлоемкость кольцевых заготовок для деталей ГТД и понижают коэффициент использования металла (КИМ) при их выточке.

Известен способ изготовления кольцевых заготовок из горячекатаных профилей стареющих никелевых сплавов, содержащий изготовление сварных колец прямоугольного сечения, теплую раскатку их в условиях, близких к изотермическим, до различных сечений четырех типов со степенью деформации не менее 10 после нагрева в интервале температур гетерогенного состояния и последующую термообработку, режим которой определяется параметрами раскатки. В этом способе используется эффект существенного повышения деформируемости стареющих никелевых сплавов в условиях деформации, близких к изотермическим, за счет формирования дуплекс-структуры при нагреве под раскатку. Все это в конечном итоге позволяет резко расширить возможности изготовления кольцевых заготовок из стареющих никелевых сплавов методом раскатки и в определенных пределах снять ограничения по конфигурации и параметрам их сечения [2]

Недостатком указанного способа является то, что используемые в качестве исходного полуфабриката для раскатки сварные кольца из горячекатаных профилей имеют, как правило, разнозернистую структуру с зонами крупных зерен в сечениях. В связи с этим дуплекс-структура, формирующаяся при нагреве под раскатку в этом способе, представляет собой сочетания крупных зерен твердого раствора и крупных частиц - фазы. Стареющие сплавы с такой структурой характеризуются повышенным резервом пластичности по сравнению с состоянием после обычного нагрева (при температурах нижней части температурного интервала деформирования после нагрева в зоне температур гомогенного состояния). Однако максимальным резервом пластичности при этих температурах стареющие сплавы с дуплекс-структурой обладают тогда, когда эта структура представляет собой сочетание очень мелких зерен твердого раствора и крупных частиц -- -фазы. Этот нюанс имеет особенное значение, когда нужно раскатывать кольцевые заготовки второго и третьего, а особенно четвертого типа сечений, в которых общая степень деформации может быть довольно большой и вследствие ступенчатости сечения неравномерной: при ограниченном начальном резерве пластичности могут быть разрушения в процессе раскатки.

Технический результат изобретения оптимизация условий перехода прямоугольного сечения исходных заготовок в сложноступенчатое сечение в конечных изделиях, а также повышение деформируемости за счет увеличения резерва пластичности металла деформируемых заготовок.

Этот результат достигается тем, что процесс раскатки осуществляют в две стадии в двух отдельных специальных калибрах, образуемых деформирующими валками, первый из которых имеет промежуточную конфигурацию между прямоугольным сечением исходной заготовки и сложноступенчатым сечением конечного изделия, формируемым вторым калибром. Первую стадию раскатки осуществляют на 20 40 (не менее 20). Затем частично раскатанные заготовки снова нагревают по способу-прототипу и доводят раскатку во втором калибре до окончательных размеров изделий. При этом нагрев частично раскатанных заготовок при температуре первой ступени двухступенчатого нагрева (в области температур гомогенного состояния стареющих сплавов) обусловливает рекристаллизацию структуры металла после теплой деформации, а при температуре второй ступени (в области температур гетерогенного состояния стареющих сплавов) и в результате последующего подстуживания формируются крупные частицы g -фазы. В результате двухступенчатого нагрева частично раскатанных заготовок в низ формируется дуплекс структура, представляющая собой сочетание мелких зерен твердого раствора и крупных частиц -фазы. Такая структура характеризуется существенно большим резервом пластичности, чем дуплекс-структура, представляющая собой сочетание крупных зерен твердого раствора и крупных частиц -фазы (которая формируется при первом двухступенчатом нагреве исходных заготовок под раскатку).

Таким образом, в результате частичной деформации и последующего повторного двухступенчатого нагрева под раскатку по способу-прототипу металл кольцевых заготовок обретает более высокий резерв пластичности, чем в результате первого нагрева, и поэтому заготовки могут подвергаться при повторной раскатке большим степеням деформации без риска разрушений.

Степенной интервал деформации на первой стадии в 20 40 принят из следующих соображений. Во всех случаях деформации по способу-прототипу не менее, чем на 20% при последующем высокотемпературном нагреве в заготовках обеспечивается полная рекристаллизация структуры с получением очень мелких зерен твердого раствора. Второй предел степени деформации в 40 принят факультативно, так как он определяется исходя из конкретных производственных обстоятельств (главное, чтобы предварительная деформация была не меньше 20) и зависит от начального резерва пластичности металла заготовок после первого нагрева по способу-прототипу. Учитывая то, что во второй стадии раскатки деформационные возможности заготовок существенно повышаются, большую часть дефоpмации следует проводить именно в этой стадии. Поэтому требование по степени предварительной деформации может быть представлено иначе: не менее 20

В тех случаях, когда сечение конечного изделия хоть и ступенчатое, но относительно простое по конфигурации, двухстадийную деформацию кольцевых заготовок можно осуществлять и в одном калибре.

Данный способ опробован при изготовлении кольцевых заготовок с сечением четвертого типа (по классификации, предложенной в способе-прототипе) из горячекатаных профилей сплава ЭП 199 ВД (ВЖ 101 ВД). Были изготовлены исходные сварные кольцевые заготовки с прямоугольным сечение (60 х 40 мм) диаметром 400 мм. Их нагревали и раскатывали по способу-прототипу на степень 23 Затем снова нагревали при таких же условиях, как и в первом случае, и деформировали до получения конечного сечения. При этом габаритная (максимальная) толщина конечного сечения была равна 20 мм, а минимальная (в зонах наложения впадин в сечении изнутри и снаружи кольцевых заготовок) 10 мм, т.е. минимальная степень деформации (по изменению толщины) была равна 50 а максимальная 75

Одна из раскатанных кольцевых заготовок была разрезана на образцы для механических испытаний (в том числе и образец со сварным швом посредине) и на темплеты для исследования макроструктуры. Структура исследовалась как в состоянии непосредственно после прокатки, так и после закалки с различных температур в интервале 1150 1200^oC. Общая характеристика и закономерность изменения структуры в зависимости от температуры нагрева под закалку аналогичны таковым в способе-прототипе. Механические свойства основного металла и сварного соединения характеризуются высокими и стабильными значениями показателей и с запасом отвечают требованиям ТУ на основной металл. Все показатели механических свойств и параметры структуры в полученных кольцевых заготовках соответствуют таким же характеристикам кольцевых заготовок, полученным по способу-прототипу.

Для иллюстрации различия уровня начального резерва пластичности в исходных сварных кольцевых заготовках и в таких же заготовках после предварительной деформации на степень 20 25 и повторного нагрева под раскатку по способу-прототипу были проведены сравнительные исследования. Сварные кольцевые заготовки прямоугольного сечения из сплавов ЭП199 ВД и ЭП 708 ВД были изрезаны на образцы и испытаны на растяжение при температурах 850 1000^oС (через каждые 50^oС) как в состоянии до раскатки, так и в состоянии после раскатки на 20 25 с повторным нагревом по способу-прототипу.

Интервал колебаний значений относительного удлинения в испытанных образцах (по 6 шт. на каждую температуру в заданном состоянии для каждого сплава) показаны в таблице. Из таблицы видно, что начальный резерв пластичности в новом способе в среднем не менее чем в два раза выше, а интервал колебаний существенно уже, чем в способе-прототипе.

Использование данного способа, по сравнению с известными, позволит исключить возможность разрушений из-за недостаточного начального резерва пластичности, например, при изготовлении кольцевых заготовок четвертого типа, а также обеспечит расширение возможностей раскатки кольцевых заготовок из стареющих никелевых сплавов.