способ изготовления изделия из титанового альфа-бета-сплава путем ковки

Классы МПК:B21K1/32 дисков, например дисков колес 
C22F1/18 тугоплавких или жаростойких металлов или их сплавов 
Автор(ы):
Патентообладатель(и):ДЖЕНЕРАЛ ЭЛЕКТРИК КОМПАНИ (US)
Приоритеты:
подача заявки:
2003-11-11
публикация патента:

Изобретения относятся к области обработки металлов давлением и могут быть использованы при изготовлении изделий из сплавов на основе титана, например дисков вентилятора и компрессора крупных газотурбинных двигателей. Исходный слиток толщиной по меньшей мере около 20 дюймов из сплава на основе титана последовательно подвергают первой ковке в области бета-фазы и второй ковке в области альфа-бета-фаз. После последующего нагрева полученной заготовки до температуры в области бета-фазы осуществляют третью ковку при температуре от около 1550°F до около 1725°F. При этом производят ковку от первой поковочной толщины не менее около 15 дюймов до второй поковочной величины не более около 13 дюймов. Для образования получистового изделия осуществляют четвертую ковку в закрытом штампе при температуре от около 1550°F до около 1725°F. Затем производят термообработку получистового изделия. При изготовлении диска газовой турбины после третьей ковки заготовку разделяют на секции с получением секционированной заготовки, которую затем плющат. В результате обеспечивается получение крупных изделий с однородной хорошо контролируемой мелкозернистой структурой. 4 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил. способ изготовления изделия из титанового альфа-бета-сплава путем   ковки, патент № 2329116

способ изготовления изделия из титанового альфа-бета-сплава путем   ковки, патент № 2329116 способ изготовления изделия из титанового альфа-бета-сплава путем   ковки, патент № 2329116 способ изготовления изделия из титанового альфа-бета-сплава путем   ковки, патент № 2329116

Формула изобретения

1. Способ изготовления изделия (20) из сплава на основе титана, включающий стадии:

получения исходного слитка (60), имеющего толщину по меньшей мере около 20 дюймов, при этом исходный слиток (60) изготавливают из сплава на основе титана, имеющего диаграмму состояния в координатах температура-состав с областью бета-фазы и областью альфа-бета-фаз; после этого

первой ковки исходного слитка (60) в области бета-фазы для образования обрабатываемой заготовки (64); после этого

второй ковки обрабатываемой заготовки (64) в области альфа-бета-фаз; после этого

нагревания обрабатываемой заготовки (64) до области бета-фазы для рекристаллизации обрабатываемой заготовки (64); и после этого

третьей ковки обрабатываемой заготовки (64), при этом стадия третьей ковки включает в себя стадию ковки обрабатываемой заготовки (64) от первой поковочной толщины не менее около 15 дюймов до второй поковочной толщины не более около 13 дюймов при температуре третьей ковки от около 1550°F до около 1725°F.

2. Способ по п.1, включающий в себя после стадии третьей ковки дополнительную стадию четвертой ковки обрабатываемой заготовки (64) в закрытом ковочном штампе для образования получистового изделия (82), при этом стадию четвертой ковки выполняют при температуре четвертой ковки от около 1550°F до около 1725°F.

3. Способ по п.2, включающий в себя после стадии четвертой ковки дополнительную стадию термической обработки получистового изделия (82).

4. Способ по п.3, в котором стадия термической обработки включает в себя стадию термической обработки на твердый раствор получистового изделия (82) при температуре термической обработки на твердый раствор от около 1550°F до около 1725°F.

5. Способ по п.3, в котором стадия термической обработки включает в себя стадию снятия напряжения в получистовом изделии (82) при температуре снятия напряжения от около 1000°F до около 1300°F.

6. Способ изготовления изделия (20) из сплава на основе титана, включающий стадии:

получения исходного слитка (60), имеющего толщину по меньшей мере около 20 дюймов, при этом исходный слиток (60) изготавливают из сплава на основе титана, имеющего диаграмму состояния в координатах температура-состав с областью бета-фазы и областью альфа-бета-фаз; после этого

первой ковки исходного слитка (60) в области бета-фазы для образования обрабатываемой заготовки (64); после этого

второй ковки обрабатываемой заготовки (64) в области альфа-бета-фаз; после этого

нагревания обрабатываемой заготовки (64) до области бета-фазы для рекристаллизации обрабатываемой заготовки (64); после этого

третьей ковки обрабатываемой заготовки (64), при этом стадия третьей ковки включает в себя стадию ковки обрабатываемой заготовки (64) от первой поковочной толщины не менее около 15 дюймов до второй поковочной толщины не более около 13 дюймов при температуре третьей ковки от около 1550°F до около 1725°F; после этого

четвертой ковки обрабатываемой заготовки (64) в закрытом ковочном штампе для образования получистового изделия (82), при этом стадию четвертой ковки выполняют при температуре четвертой ковки от около 1550°F до около 1725°F; и после этого

термической обработки получистового изделия (82).

7. Способ по п.6, в котором стадия термической обработки включает в себя стадию термической обработки на твердый раствор получистового изделия (82) при температуре термической обработки на твердый раствор от около 1550°F до около 1725°F.

8. Способ по п.6, в котором стадия термической обработки включает в себя стадию термической обработки на твердый раствор получистового изделия (82) при температуре термической обработки на твердый раствор от около 1550°F до около 1725°F и в течение времени от около 1 до около 4 ч.

9. Способ по п.6, в котором стадия термической обработки включает в себя стадию термической обработки на твердый раствор получистового изделия (82) при температуре термической обработки на твердый раствор от около 1600°F до около 1700°F.

10. Способ по п.6, в котором стадия термической обработки включает в себя стадию снятия напряжения в получистовом изделии (82) при температуре снятия напряжения от около 1000°F до около 1300°F.

11. Способ по п.6, также включающий в себя после стадии термической обработки дополнительную стадию механической обработки получистового изделия (82).

12. Способ по п.6, в котором стадия четвертой ковки включает в себя стадию четвертой ковки обрабатываемой заготовки (64) в форме диска (22) газовой турбины.

13. Способ изготовления диска газовой турбины из сплава на основе титана, включающий стадии:

получения исходного слитка (60), имеющего толщину по меньшей мере около 20 дюймов, при этом исходный слиток (60) изготавливают из сплава на основе титана, имеющего диаграмму состояния в координатах температура-состав с областью бета-фазы и областью альфа-бета-фаз; после этого

первой ковки исходного слитка (60) в области бета-фазы для образования обрабатываемой заготовки (64); после этого

второй ковки обрабатываемой заготовки (64) в области альфа-бета-фаз; после этого

нагревания обрабатываемой заготовки (64) до области бета-фазы для рекристаллизации обрабатываемой заготовки (64); после этого

третьей ковки обрабатываемой заготовки (64), при этом стадия третьей ковки включает в себя стадию ковки обрабатываемой заготовки (64) от первой поковочной толщины не менее около 15 дюймов до второй поковочной толщины не более около 13 дюймов при температуре третьей ковки от около 1550°F до около 1725°F; после этого

четвертой ковки обрабатываемой заготовки (64) в закрытом ковочном штампе для образования получистового диска (82), при этом стадию четвертой ковки выполняют при температуре четвертой ковки от около 1550°F до около 1725°F; и после этого

термической обработки получистового диска (82), при этом стадия термической обработки включает в себя стадии термической обработки на твердый раствор получистового диска (82) при температуре термической обработки на твердый раствор от около 1550°F до около 1725°F, и затем снятия напряжения в получистовом изделии (82) при температуре снятия напряжения от около 1000°F до около 1300°F.

14. Способ по п.13, также включающий в себя после стадии термической обработки дополнительную стадию механической обработки получистового диска (82).

15. Способ изготовления диска газовой турбины из сплава на основе титана, включающий стадии:

получения в основном цилиндрического исходного слитка (60), имеющего диаметр по меньшей мере около 30 дюймов и цилиндрическую поверхность, при этом исходный слиток (60) изготавливают из сплава на основе титана, имеющего диаграмму состояния в координатах температура-состав с областью бета-фазы и областью альфа-бета-фаз; после этого

первой ковки исходного слитка (60) в области бета-фазы для образования в основном цилиндрической обрабатываемой заготовки (64) путем приложения исходного усилия проковки первой ковки; после этого

второй ковки обрабатываемой заготовки (64) в области альфа-бета-фазы путем приложения основного усилия проковки второй ковки; после этого

нагревания обрабатываемой заготовки (64) до области бета-фазы для рекристаллизации обрабатываемой заготовки (64); после этого

третьей ковки обрабатываемой заготовки (64) путем приложения основного усилия проковки третьей ковки, при этом стадия третьей ковки включает в себя стадию ковки обрабатываемой заготовки (64) от первой поковочной толщины не менее около 15 дюймов до второй поковочной толщины не более около 13 дюймов при температуре третьей ковки от около 1550°F до около 1725°F; после этого

секционирования обрабатываемой заготовки (64) перпендикулярно к продольной оси в основном цилиндрической обрабатываемой заготовки (64) для образования секционированной обрабатываемой заготовки (64);

плющения секционированной обрабатываемой заготовки (64) путем приложения основного усилия плющения в направлении, параллельном продольной оси, для образования сплющенной обрабатываемой заготовки (64); после этого

четвертой ковки сплющенной обрабатываемой заготовки (64) в закрытом ковочном штампе путем приложения основного усилия проковки четвертой ковки в направлении, параллельном продольной оси, для образования получистового диска (82), при этом стадию четвертой ковки выполняют при температуре четвертой ковки от около 1550°F до около 1725°F; и после этого

термической обработки получистового диска (82), при этом стадия термической обработки включает в себя стадии термической обработки на твердый раствор получистового диска (82) при температуре термической обработки на твердый раствор от около 1550°F до около 1725°F, и после этого снятия напряжения в получистовом диске (82) при температуре снятия напряжения от около 1000°F до около 1300°F.

16. Способ по п.15, также включающий в себя после стадии термической обработки дополнительную стадию механической обработки получистового диска (82).

17. Способ по п.15, в котором стадия четвертой ковки включает в себя стадию четвертой ковки сплющенной обрабатываемой заготовки (64) до в основном цилиндрически симметричного, в основном дисковидного изделия (20), имеющего толщину по меньшей мере около 6 дюймов и диаметр по меньшей мере около 30 дюймов.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к изготовлению путем ковки изделия из титанового альфа-бета-сплава, а более конкретно к изготовлению изделия, имеющего небольшой размер зерен во всей крупноразмерной поковке.

Уровень техники

В газотурбинном (реактивном) двигателе летательного аппарата воздух, всасываемый в переднюю часть двигателя, сжимается установленным на валу компрессором и смешивается с топливом. Смесь сжигается, и горячие газообразные продукты сгорания проходят через турбину, установленную на том же самом валу. Поток рабочего газа вращает турбину при столкновении с участком аэродинамической поверхности лопастей и лопаток турбины, которые вращают вал и приводят в действие компрессор. Горячие газообразные продукты сгорания вытекают из двигателя назад, продвигая его и летательный аппарат вперед.

Некоторые ответственные детали гражданских и военных газотурбинных двигателей изготавливают из титановых альфа-бета-сплавов. Примеры таких деталей включают в себя диски вентилятора и диски компрессора. Эти детали поддерживают лопасти соответственно турбины и компрессора и во время эксплуатации газотурбинного двигателя вращаются вокруг своих валов с высокой скоростью.

Диски вентилятора и компрессора обычно изготавливают путем расплавления титанового сплава соответствующего состава, литья титанового сплава с получением слитка и преобразования слитка в заготовку. Исходный слиток может быть толщиной вплоть до 30 дюймов, а в некоторых случаях и больше. Механическим способом заготовку преобразуют путем ковки в заготовку меньшей толщины и в конце подвергают горячей штамповке в закрытом штампе, чтобы получить диск вентилятора или компрессора в почти завершенном виде, который затем подвергают термической обработке и конечной механической обработке. В завершенном виде диски вентилятора и компрессора, предназначенные для крупных газотурбинных двигателей, могут быть в диаметре вплоть до 40 дюймов или более и толщиной вплоть до 6 дюймов или более.

Некоторые из важных механических характеристик крупноразмерных кованых изделий не являются столь же хорошими, как характеристики, достигаемые для аналогичным образом обработанных, изготовленных ковкой или другим способом изделий небольшого размера. Например, в одном из испытаний усталостное разрушающее напряжение поковки толщиной около 6 дюймов было около 23 килофунта/дюйм2 (от англ. ksi, т.е. streugth-kilo-pounds per squere inch), а усталостное разрушающее напряжение прутка диаметром 1,75 дюймов было около 36 килофунтов/дюйм 2. Поэтому для получения таких же усталостных характеристик в большем изделии, как и в меньшем изделии, приходится проектировать большое кованое изделие, такое как диск вентилятора или компрессора, более крупным и более тяжелым, чем это требуется.

Несоразмерность характеристик является следствием невозможности получения такой же тонкой микроструктуры во всей толстой поковке, какая получается в более тонком прутке. То есть из-за наличия нескольких факторов обработка толстых изделий качественно отличается от обработки более тонких изделий. Например, центральная часть толстого изделия не может быть нагрета столь же быстро в печи или охлаждена столь же быстро при закалке, как наружная часть толстого изделия или все тонкое изделие. Пластическое течение металла в центральной части толстого изделия не столь высокое, как на наружной поверхности толстого изделия или во всем тонком изделии. Суммарная величина обжатия (коэффициента уковки) для двух размеров также различается. По толщине изделия могут иметь место градиенты состава и микроструктуры. Следовательно, многие характеристики, которые без труда достигаются в тонких и по существу однородных изделиях, не могут быть получены в более толстых изделиях.

Существование этой проблемы давно признается, и поэтому делались различные попытки улучшить характеристики толстых изделий. Для улучшения таких характеристик, как сопротивление усталости, можно использовать поверхностную обработку. Толстое изделие можно изготавливать в виде двух или более небольших изделий, которые затем соединять друг с другом. Можно использовать другие сплавы, для которых слабее зависимость характеристик от толщины. Все эти способы являются дорогими в реализации, неприменимыми при некоторых условиях ограниченного доступа и т.п., а в некоторых случаях являются источником создаваемых ими новых проблем, которые необходимо преодолевать.

Таким образом, сохраняется необходимость в способе изготовления толстых изделий из титановых альфа-бета-сплавов, в которых достигаются структуры и характеристики, более близкие к структурам и характеристикам, достигаемым в тонких изделиях. Настоящим изобретением удовлетворяется эта необходимость и обеспечиваются дополнительные, связанные с этим преимущества.

Сущность изобретения

Согласно настоящему изобретению разработан способ изготовления толстых изделий, выполненных из титановых альфа-бета- сплавов, таких как диски вентилятора и компрессора крупных газотурбинных двигателей. Этот способ позволяет получать более мелкие зерна с более однородными размерами и более желательную микроструктуру в толстых изделиях по сравнению с предшествующими способами. Механические характеристики толстых изделий более близки к характеристикам тонких изделий того же самого состава. Применение настоящего изобретение приводит к повышению стоимости завершенного изделия на относительно небольшую величину.

Способ изготовления изделия из сплава на основе титана включает в себя получение исходного слитка, имеющего толщину по меньшей мере около 20 дюймов, при этом исходный слиток изготавливают из сплава на основе титана, имеющего диаграмму состояния в координатах температура - состав с областью бета-фазы и областью альфа-бета-фаз. Затем способ включает в себя первую ковку исходного слитка в области бета-фазы для образования обрабатываемой заготовки, после этого вторую ковку обрабатываемой заготовки в области альфа-бета-фаз, затем нагревание обрабатываемой заготовки до области бета-фазы для рекристаллизации обрабатываемой заготовки, и после этого третью ковку обрабатываемой заготовки. Стадия третьей ковки включает в себя стадию ковки обрабатываемой заготовки от первой поковочной толщины не менее около 15 дюймов до второй поковочной толщины не более около 13 дюймов при температуре третьей ковки от около 1600°F до около 1700°F. Необязательно, но предпочтительно, чтобы способ включал в себя после стадии третьей ковки дополнительную стадию четвертой ковки обрабатываемой заготовки в закрытом ковочном штампе для образования получистового изделия, при этом стадию четвертой ковки выполняют при температуре четвертой ковки от около 1600°F до около 1700°F.

Кроме того, необязательно, но предпочтительно, чтобы после стадии четвертой ковки была выполнена дополнительная стадия термической обработки получистового изделия. Стадия термической обработки может включать в себя стадию термической обработки на твердый раствор получистового изделия при температуре термической обработки на твердый раствор от около 1550°F до около 1725°F, более предпочтительно при температуре термической обработки на твердый раствор от около 1600°F до около 1700°F. Если требуется, стадия термической обработки может включать в себя снятие напряжения в получистовом изделии при температуре снятия напряжения от около 1000°F до около 1300°F после стадии термической обработки на твердый раствор.

После стадии термической обработки необязательно, но обычно выполняется дополнительная стадия механической обработки получистового изделия. В наиболее интересной области применения кованое получистовое изделие имеет общую форму диска вентилятора или компрессора, и это получистовое изделие механически обрабатывают до получения конечной конфигурации и размеров завершенного диска вентилятора или компрессора. Получистовой диск вентилятора или компрессора, предназначенный для использования в крупном газотурбинном двигателе, обычно имеет толщину 6 дюймов или более и диаметр 30 дюймов или более.

Более конкретно, в случае изготовления диска вентилятора или компрессора газовой турбины из сплава на основе титана сначала получают в основном цилиндрический исходный слиток, имеющий диаметр по меньшей мере около 30 дюймов и цилиндрическую поверхность. Исходный слиток изготавливают из сплава на основе титана, имеющего диаграмму состояния в координатах температура - состав с областью бета-фазы и областью альфа-бета-фаз. Способ изготовления включает в себя стадии первой ковки исходного слитка в области бета-фазы для образования в основном цилиндрической обрабатываемой заготовки путем приложения основного усилия проковки первой ковки, после этого второй ковки обрабатываемой заготовки в области альфа-бета-фаз путем приложения основного усилия проковки второй ковки, затем нагревания обрабатываемой заготовки до области бета-фазы (и необязательной обработки обрабатываемой заготовки) для рекристаллизации обрабатываемой заготовки, необязательного резкого охлаждения (закалки) нагретой до бета-фазы обрабатываемой заготовки и затем третьей ковки обрабатываемой заготовки путем приложения основного усилия проковки третьей ковки. Стадия третьей ковки включает в себя стадию ковки обрабатываемой заготовки от первой поковочной толщины не менее около 15 дюймов до второй поковочной толщины не более около 13 дюймов при температуре третьей ковки от около 1550°F до около 1725°F. После этого обрабатываемую заготовку секционируют перпендикулярно к продольной оси в основном цилиндрической обрабатываемой заготовки для образования «элементов кратной заготовки». Способ включает в себя плющение (штамповку осадкой) элемента кратной заготовки путем приложения основного усилия плющения (осадки) в направлении, параллельном продольной оси, для образования сплющенной обрабатываемой заготовки, затем четвертую ковку сплющенной обрабатываемой заготовки в закрытом ковочном штампе путем приложения основного усилия поковки четвертой ковки в направлении, параллельном продольной оси, для образования получистового диска компрессора или вентилятора, при этом стадию четвертой ковки выполняют при температуре четвертой ковки от около 1550°F до около 1725°F и после этого термическую обработку получистового диска компрессора или вентилятора. Стадия термической обработки включает в себя стадии термической обработки на твердый раствор получистового диска компрессора или вентилятора при температуре термической обработки на твердый раствор от около 1550°F до около 1725°F, и после этого снятия напряжения в получистовом изделии при температуре снятия напряжения от около 1000°F до около 1300°F. После стадии термической обработки обычно имеется дополнительная стадия механической обработки получистового диска компрессора или вентилятора. Желательно получистовое изделие, получающееся в результате выполнения стадии четвертой ковки, представляет собой в основном цилиндрически симметричное, в основном дисковидное изделие, имеющее максимальную толщину по меньшей мере около 6 дюймов и диаметр по меньшей мере около 30 дюймов.При использовании настоящего изобретения получается завершенное кованое изделие с однородными мелкими зернами во всем крупном толстом изделии. Обычно размер зерен составляет порядка около 5 мкм или менее. Результатом этого являются улучшенные, более равномерные механические характеристики всех частей толстого изделия. Получающиеся механические характеристики более близки к характеристикам тонких изделий. Это приводит к тому, что толстое изделие можно рассчитать заново и уменьшить массу.

Другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут понятными из нижеследующего более подробного описания предпочтительного варианта осуществления, приведенного в сочетании с сопровождающими чертежами, которыми иллюстрируются, в качестве примера, принципы настоящего изобретения. Однако объем изобретения не ограничен этим предпочтительным вариантом осуществления.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - перспективное изображение диска вентилятора или компрессора газовой турбины;

фиг.2 - наглядная схема последовательности операций способа изготовления диска вентилятора или компрессора газовой турбины; и

фиг.3 - схематичное изображение необходимой для пояснения части диаграммы состояния титанового альфа-бета-сплава.

Подробное описание изобретения

На фиг.1 изображено изделие 20, которое может быть изготовлено в соответствии с настоящим изобретением. В данном случае изделие 20 представляет собой диск 22 газовой турбины. Показанный диск 22 газовой турбины является диском вентилятора или диском компрессора. В рассматриваемом типичном случае диск газовой турбины представляет собой в основном цилиндрически симметричное, в основном дисковидное изделие, имеющее толщину t F в наиболее толстом месте от около 2 до около 12 дюймов и диаметр DF от около 20 до около 50 дюймов. Однако следует отметить, что предложенный в настоящем изобретении способ не ограничен изготовлением дисков газовой турбины, а может быть использован для других пригодных к эксплуатации изделий, таких как, например, роторы, состоящие из выполненных как единое целое дисков и лопаток (от англ. blisks, integrally bladed rotors); валы, монтажные опоры двигателя и лопасти.

На фи.2 наглядно показан способ изготовления диска 22 газовой турбины из сплава на основе титана. Изображения заготовки, получистового изделия и завершенного изделия являются характерными для предпочтительного применения способа к изготовлению диска 22 газовой турбины, но изобретение не ограничено этим случаем.

На стадии 30 получают в основном цилиндрический исходный слиток 60, имеющий длину L O, диаметр DO и цилиндрическую поверхность 62. В области применения, представляющей интерес, L о составляет около 120 дюймов, а Dо около 30 дюймов. Исходный слиток 60 может быть получен любым существующим способом, при этом предпочтительным является литье расплава желаемого состава. Титановые сплавы обычно доводят вакуумной дуговой плавкой и отливают. Исходный слиток 60 изготавливают из сплава на основе титана, имеющего диаграмму состояния в координатах температура - состав с областью бета-фазы, областью альфа-фазы и областью альфа-бета-фаз. На фиг.3 показана такая диаграмма состояния. (Существует большое количество других характерных особенностей слева и справа от показанного на фиг.3 участка, но они не имеют отношения к данному обсуждению и для исключения путаницы опущены). "X" может быть любым элементом или сочетанием элементов, добавляемых к титану для получения титанового сплава, имеющего такую диаграмму состояния с областями альфа (способ изготовления изделия из титанового альфа-бета-сплава путем   ковки, патент № 2329116 )-, бета (способ изготовления изделия из титанового альфа-бета-сплава путем   ковки, патент № 2329116 )- и альфа-бета (способ изготовления изделия из титанового альфа-бета-сплава путем   ковки, патент № 2329116 +способ изготовления изделия из титанового альфа-бета-сплава путем   ковки, патент № 2329116 )-фаз. Линия, отделяющая область бета-фазы от области альфа-бета-фаз, называется линией бета-трансуса. Конкретный рассматриваемый состав указан как состав X1. Примеры сплавов на основе титана, которые имеют такую диаграмму состояния, и их номинальные составы в массовых процентах включают в себя Ti-6Al-4V (иногда называемый Ti-64), Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (иногда называемый Ti-6242) и Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr (иногда называемый Ti-17). В настоящем изобретении можно использовать любой из этих сплавов, но оно не ограничено этими сплавами, и в нем могут быть использованы другие существующие титановые сплавы с альфа-бета-структурой. В последующем описании для определенности в отношении температуры и времени в качестве примера будет использоваться предпочтительный титановый сплав Ti-6Al-4V с альфа-бета-структурой, но изобретение не ограничено этим случаем.

Затем на стадии 32 исходный слиток 60 первый раз куют в области бета-фазы для образования в основном цилиндрической обрабатываемой заготовки 64 путем приложения основного усилия проковки первой ковки к цилиндрической поверхности 62 в основном цилиндрического исходного слитка 60, как схематично указано стрелками 66, и/или в продольном направлении к торцам исходного слитка 60, как схематично указано стрелками 67. Получающаяся обрабатываемая заготовка 64 обычно является в основном цилиндрической, но меньшего диаметра и большей длины по сравнению с исходным слитком 60. Для исходного слитка 60 из Ti-6Al-4V типичная температура первой ковки на стадии 32 первой ковки составляет от около 1900°F до около 2100°F.

Далее на стадии 34 обрабатываемую заготовку 64 подвергают второй ковке в области альфа-бета-фаз путем приложения основного усилия проковки второй ковки к цилиндрической поверхности 62 в основном цилиндрической обрабатываемой заготовки 64, как схематично указано стрелками 68, и/или в продольном направлении, как схематично указано стрелками 69. В обычном случае обрабатываемая заготовка 64 становится еще длиннее и еще меньшей в диаметре по сравнению с обрабатываемой заготовкой, полученной на стадии 32. Для обрабатываемой заготовки 64 из Ti-6Al-4V типичная температура второй ковки на стадии 34 второй ковки составляет около 1750°F.

После этого на стадии 36 обрабатываемую заготовку 64 нагревают до области бета-фазы для рекристаллизации микроструктуры обрабатываемой заготовки 64. На стадии 34 второй ковки в обрабатываемую заготовку 64 вносится механическое напряжение, и это внесенное механическое напряжение используется в качестве движущей силы для рекристаллизации. Результат рекристаллизации заключается в уменьшении размера зерен, который обычно равен около 0,1 дюйма в обрабатываемой заготовке 64 по сравнению с размером зерен порядка около 1 дюйма в исходном слитке 60. Для обрабатываемой заготовки 64 из Ti-6Al-4V типичная температура на стадии 36 нагревания в центральной части заготовки составляет около 1900°F, а типичная продолжительность составляет около 1-2 часов. При необходимости стадия 36 нагревания может сопровождаться дополнительной обработкой в области бета-фазы, такой как приложение дополнительного усилия проковки к цилиндрической поверхности 62 и/или в продольном направлении к торцам обрабатываемой заготовки 64. Желательно в заключение стадии 36 нагревания с рекристаллизацией резко охладить обрабатываемую заготовку 64 от температуры области бета-фазы до комнатной температуры.

Затем на стадии 38 обрабатываемую заготовку 64 подвергают третьей ковке путем приложения исходного усилия проковки третьей ковки к цилиндрической поверхности 62 в основном цилиндрической обрабатываемой заготовки 64, как схематично указано стрелками 70, и/или в продольном направлении, как схематично указано стрелками 71. В обычном случае обрабатываемая заготовка 64 становится еще длиннее и еще меньшей в диаметре по сравнению с обрабатываемой заготовкой, получающейся на стадии 36. Стадия 38 третьей ковки включает в себя стадию ковки обрабатываемой заготовки 64 от первой поковочной толщины (в данном случае диаметра) не менее около 15 дюймов до второй поковочной толщины (в данном случае диаметра) не более около 13 дюймов при температуре третьей ковки от около 1550°F до около 1725°F, более предпочтительно от около 1600°F до около 1700°F. В типичном случае при третьей ковке 38 в области альфа-бета-фаз обрабатываемую заготовку 64 подвергают ковке от диаметра около 20-25 дюймов до диаметра около 10 дюймов.

Практический результат стадий 32, 34 и 38 ковки и необязательной обработки, которая может быть выполнена на стадии 36, заключается в уменьшении толщины (в рассматриваемом случае диаметра) исходного слитка 60 и обрабатываемой заготовки 64. Однако может быть желательной большая механическая обработка исходного слитка 60 и обрабатываемой заготовки 64, чем возможная в ходе непосредственного уменьшения толщины. В таком случае сжатия в продольном направлении, обозначенные стрелками 67, 69 и 71 (и рассмотренная необязательная обработка на стадии 36), могут осуществляться при выполнении соответствующих операций ковки в дополнение к уменьшениям толщины, обозначенным стрелками 66, 68 и 70. В качестве примера исходный слиток 60 может иметь диаметр DO, уменьшаемый на стадии 32 до диаметра DB обрабатываемой заготовки. Однако при этом непосредственном уменьшении диаметра от D O до DB структура титанового сплава не подвергается механической обработке в достаточной степени. Для осуществления обработки в большей степени слиток 60 диаметром DO можно сначала сжать в продольном направлении с помощью усилия 67 проковки до получения диаметра D U (который больше DO), а затем с помощью усилия 66 проковки уменьшить диаметр D U до желаемого диаметра DB заготовки. Или, в качестве другого примера, вся стадия 32 первой ковки может быть сжатием в продольном направлении с помощью усилия 67 проковки, а стадия 34 второй ковки может быть радиальным сжатием с помощью усилия 68 проковки. Задание этих деталей последовательности ковки зависит от ряда обстоятельств, таких как размеры исходного слитка и завершенного изделия, желаемые размеры обрабатываемой заготовки, а также материал и его желательная микроструктура.

По усмотрению, но желательно после стадии 38 третьей ковки выполнить ультразвуковой и/или иной контроль обрабатываемой заготовки 64.

Затем в конкретном случае изготовления диска 22 газовой турбины на стадии 40 обрабатываемую заготовку 64 секционируют перпендикулярно к продольной оси 72 в основном цилиндрической обрабатываемой заготовки 64, чтобы образовать группу элементов 74 кратной заготовки. («Элемент кратной заготовки» представляет собой термин из уровня техники, используемый для описания каждого из секционированных отрезков, получаемых в результате секционирования обрабатываемой заготовки 64). Каждый из элементов 74 кратной заготовки имеет тот же самый диаметр, что и обрабатываемая заготовка 64 до секционирования, но меньшую длину при измерении параллельно продольной оси 72.

После этого по усмотрению на стадии 42 элемент 74 кратной заготовки сплющивают путем приложения основного усилия осадки, указанного схематично стрелками 76, в направлении, параллельном продольной оси 72, для образования сплющенной обрабатываемой заготовки 78. Предпочтительно, чтобы стадия 42 плющения выполнялась при температуре плющения от около 1550°F до около 1725°F, более предпочтительно от около 1600°F до около 1700°F. В типичном случае элемент 74 кратной заготовки сплющивают от длины около 50 дюймов до длины около 40 дюймов. Стадия 42 плющения является необязательной, принимая во внимание то, что она вообще может не проводиться, и также учитывая ряд отдельных операций осадки давлением, которые выполняют для получения суммарного уменьшения длины.

Затем на стадии 44 сплющенную обрабатываемую заготовку 74 подвергают четвертой ковке в закрытом ковочном штампе путем приложения основного усилия 80 проковки четвертой ковки в направлении, параллельном продольной оси 72, для образования получистового диска 82 компрессора или вентилятора. Стадию 44 четвертой ковки выполняют при температуре четвертой ковки от около 1550°F до около 1725°F, более предпочтительно от около 1600°F до около 1700°F. В типичном случае на стадии 44 четвертой ковки сплющенную обрабатываемую заготовку 78 штампуют до получения в основном цилиндрически симметричного, в основном дисковидного изделия 82, имеющего толщину по меньшей мере около 6 дюймов и диаметр по меньшей мере около 30 дюймов.

Выше были заданы допустимые диапазоны температур при выполнении операций на различных высокотемпературных стадиях 32, 34, 36, 38, 42 и 44. Обработка в пределах этих диапазонов может быть по существу изотермической, как, например, нагревание на стадии 36 в печи с постоянной температурой без дополнительной обработки. В отношении крупных заготовок, используемых в предложенном технологическом процессе, в промышленной практике более типично в рамках этих стадий выполнять горячую штамповку в ковочных штампах, то есть при более низкой температуре, чем в случае свободной ковки изделия, и в воздухе при температуре окружающей среды. В результате этого во время выполнения операции горячей штамповки температура заготовки может медленно падать, что допустимо до тех пор, пока температура остается в заданном диапазоне. Если температура заготовки упадет ниже заданного диапазона, ее можно удалить из штамповочного пресса, поместить в подогревательную печь, подогреть до более высокой температуры в пределах заданного диапазона и затем возвратить в штамповочный пресс для дополнительной обработки.

Допустимо охлаждение обрабатываемой заготовки 64 в течение ковки. Например, третью ковку 38 осуществляют при температуре третьей ковки от около 1550°F до около 1725°F. Однако температуру третьей ковки необходимо лишь удерживать в пределах этого температурного диапазона, а не сохранять постоянной. Например, третью ковку 38 можно осуществлять при нагреве обрабатываемой заготовки 64 до начальной температуры третьей ковки, близкой к верхнему концу диапазона, а затем проводить ковку при охлаждении обрабатываемой заготовки 64 в пределах температурного диапазона третьей ковки. Если температура станет слишком низкой, то перед продолжением третьей ковки 38 обрабатываемую заготовку 64 можно подогреть до температуры, находящейся в пределах температурного диапазона третьей ковки.

После этого на стадии 46 получистовой диск 82 компрессора или вентилятора подвергают термической обработке. Термическая обработка 46 включает в себя необязательную стадию 48 термической обработки на твердый раствор, на которой получистовое изделие 82 нагревают до температуры термической обработки на твердый раствор выше температуры четвертой ковки, но все же в пределах диапазона от около 1550°F до около 1725°F, более предпочтительно от около 1600°F до около 1700°F, в течение интервала времени от около 1 часа до около 4 часов. Термическая обработка 46 включает в себя стадию 50 снятия напряжения путем прогревания получистового изделия 82 при температуре снятия напряжения от около 1000°F до около 1300°F в течение интервала времени от около 1 часа до около 8 часов. Термическую обработку 46 обычно выполняют изотермически и проводят в печи, хотя, как рассматривалось ранее, допустимо падение температуры в течение термической обработки до тех пор, пока она остается в пределах заданного диапазона.

Термическую обработку 46, рассмотренную в предыдущем абзаце, выбирают с учетом получения в законченном изделии конкретного диапазона размера зерен. Для получения других результатов термическую обработку 46 можно изменить. Например, если желательно получать различные объемные долевые концентрации фаз, разные размеры зерен или другие различные микроструктуры можно соответственно изменить термическую обработку путем изменения температур, интервалов времени или последовательности стадий.

При необходимости на стадии 52 производят окончательную механическую обработку получистового диска 82 компрессора или вентилятора для образования завершенного диска 22 газовой турбины. Порядок выполнения стадий 46 и 52 может быть изменен на обратный целиком или частично, при этом часть или вся механическая обработка может предшествовать термической обработке 46 или может быть включена в дополнительные стадии термической обработки 46.

Кроме того, предложенный способ может быть осуществлен на практике при использовании уплотненного порошкового исходного материала, а не отлитого слитка. В этом случае уплотненный порошковый исходный материал обычно имеет меньший размер зерен, чем материал, полученный литьем. В случае уплотненного порошкового исходного материала могут не потребоваться стадии 32, 34 и 36, а вместо этого он сразу подается на стадию 38.

Предложенный способ позволяет изготавливать изделие 20, в данном случае диск 22 газовой турбины, которое является большеразмерным, но все же имеет однородные мелкие зерна. Предпочтительно, чтобы размер зерен был около 5 мкм при соответствующих размерах изделий, таких как диски компрессора или вентилятора, рассмотренные в описании. Если обрабатываемую заготовку подвергнуть дополнительной обработке для получения меньшего размера на стадии 38 третьей ковки в области альфа-бета-фаз и на стадии 44 четвертой ковки, как в случае, когда к примеру изготавливаемым изделием является лопасть компрессора, то можно ожидать, что размер зерен будет еще меньшим - порядка 1 мкм.

Как отмечалось ранее, более трудно получать однородные, хорошо контролируемые микроструктуры с характерными особенностями мелкозернистости в толстых изделиях по сравнению с тонкими изделиями. Поэтому изменения обработки, в основу которых положены изменения степени нагрева и охлаждения и/или изменения рабочих операций, обеспечивают весьма ограниченный успех при достижении таких результатов в крупных изделиях, хотя они могут очень хорошо работать для менее крупных изделий. В предложенном способе эти ограничения преодолены для крупных изделий, вследствие чего достигаются желаемые механические и микроструктурные характеристики крупных изделий.

Хотя с целью иллюстрации был подробно описан конкретный вариант осуществления изобретения, различные варианты и усовершенствования могут быть сделаны без отступления от сущности и объема изобретения. Поэтому изобретение не должно ограничиваться ничем, кроме как приложенной формулой изобретения.

Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2329116

patent-2329116.pdf

Класс B21K1/32 дисков, например дисков колес 

способ изготовления поковок дисков из сплава алюминия титана на основе орто-фазы -  патент 2520924 (27.06.2014)
способ изготовления дисков с лопатками типа "блиск" (bарианты) и штамп для осуществления способа -  патент 2450883 (20.05.2012)
способ изготовления диска газотурбинного двигателя -  патент 2374028 (27.11.2009)
способ изготовления сложнопрофильных осесимметричных деталей из труднодеформируемых многофазных сплавов и устройство для его осуществления -  патент 2187403 (20.08.2002)
способ изготовления осесимметричных деталей и способ получения заготовок для его осуществления (варианты) -  патент 2119842 (10.10.1998)
способ эксплуатации оборудования при осадке заготовок -  патент 2105629 (27.02.1998)
способ изготовления литых дисков автомобильных колес -  патент 2101119 (10.01.1998)
способ комбинированного изготовления колес из легких сплавов -  патент 2095184 (10.11.1997)
способ штамповки дисков колес -  патент 2092263 (10.10.1997)
способ изготовления фрикционных дисков -  патент 2075879 (20.03.1997)

Класс C22F1/18 тугоплавких или жаростойких металлов или их сплавов 

способ комбинированной интенсивной пластической деформации заготовок -  патент 2529604 (27.09.2014)
способ изготовления заготовок из титана -  патент 2529131 (27.09.2014)
сплав на основе алюминида титана и способ обработки заготовок из него -  патент 2525003 (10.08.2014)
способ изготовления тонких листов -  патент 2522252 (10.07.2014)
способ изготовления поковок дисков из сплава алюминия титана на основе орто-фазы -  патент 2520924 (27.06.2014)
сплав на основе гамма алюминида титана -  патент 2520250 (20.06.2014)
способ изготовления каркасов искусственных клапанов сердца из технически чистого титана -  патент 2514765 (10.05.2014)
способ ковки термомеханической детали, выполненной из титанового сплава -  патент 2510680 (10.04.2014)
способ получения трубы из технически чистого титана с радиальной текстурой -  патент 2504598 (20.01.2014)
способ термической обработки литых заготовок из заэвтектоидных интерметаллидных сплавов на основе фаз -tial+ 2-ti3al -  патент 2503738 (10.01.2014)
Наверх