Исследование и разработка технологического процесса изготовления штамповок лопаток газотурбинного двигателя с защитным слоем

Актуальность темы

В современном авиадвигателестроении наблюдается тенденция к повышению рабочих температур в турбине и компрессоре газотурбинного двигателя (ГТД), что приводит, соответственно, к увеличению мощности самого двигателя. Это достигается за счет повышения рабочей температуры сжигаемого топлива в. камере сгорания и в свою очередь требует повышения' жаропрочности для деталей, как турбины, так и компрессора, основными1 из которых являются лопатки различных конструкций. Лопатки турбины работают в тяжелых условиях при высоких температурах, испытывая высокие растягивающие и изгибающие напряжения. Поэтому лопатки турбин-изготавливают из. жаропрочных сплавов на никелевой основе: таких как ХН77ТЮР, ЖС6К и*др.

Лопатки компрессора изготавливают из алюминиевых сплавов (например, АК4−1, ВД17), титановых сплавов (например, ВТ6, ВТ 10) и сплавов1 на основе железа. Рабочая температура сплавов на основе алюминия составляет 300.350 °С, титановых — 600.650 °С. Для-изготовления лопаток турбины используют жаропрочные сплавы на никелевой основе. Самый жаропрочный сплав. ЖС6У работает при температуре не более 1040 °C и имеет предел прочности 100.150 МПа. Для увеличения рабочих температура используют охлаждение лопаток за счет продувки воздуха через внутренние каналы лопаток. Применение жаропрочных сплавов на основе тугоплавких металлов позволяет существенно увеличить рабочую температуру лопаток. Однако при работе в> условиях высоких температур на поверхности этих сплавов образуются легкоплавкие окислы, что требует надежно защищать рабочие поверхности лопаток. В" качестве защиты поверхности лопаток используют защитные покрытия, которые наносят различными способами: методом плазменного напыления, методом электронно-лучевого напыления, методом катодного распыления, методом лазерного осаждения, диффузионным методом. Однако стойкость данных покрытий низкая, и для защиты лопаток из тугоплавких металлов они находят ограниченное применение. Основными недостатками методов нанесения. защитных покрытий являются: низкая стойкость покрытий,. длительное время осуществления способа, высокая стоимость оборудования, необходимого для осуществления процесса.

Способы получения защитного слоя методами обработки металлов давлением не обладают вышеперечисленными недостатками. Применение в качестве защитного покрытия жаростойких сплавов на основе никеля позволит повысить рабочую температуру на турбине до 1200 °C, снизить расход воздуха, направленного на охлаждение.

Получением биметаллических изделий" методами обработки металлов давлением занимались, многие ученые, одними из которых были Л. Н: Могучий и М. С. Гильденгорн. Авторы определили допустимые соотношения: между прочностными характеристиками слоев биметаллической заготовки при выдавливаниипри которых произойдет соединение двух металлов. Но выполненные исследования не позволяют охарактеризовать, достаточно полно процессы, происходящие внутри каждого из слоев, и не позволяют определить силу выдавливания биметаллической заготовки.

Таким образом, тема исследования и разработка технологического процесса изготовления штамповок лопаток ГТД с защитным слоем является актуальной и требует дальнейшей разработки.

Цели и задачи работы. Целью работы является исследование и разработка технологического процесса изготовления штамповок лопаток ГТД с защитным слоем методом выдавливания биметаллической заготовки.

Дляреализации этой цели необходимо решить следующиенаучно-технические задачи.

1. Исследовать процесс совместного выдавливаниядвух разнородных материалов и разработать математическую модель совместного выдавливания. Определить напряженно-деформированное состояние в выдавливаемой заготовке при установившемся процессе.

2. Определить силу выдавливания в зависимости от параметров технологического процесса выдавливания биметаллической заготовки.

3. Исследовать процесс изотермической штамповки лопатки из биметаллической заготовки. Определить зависимости между напряжениями и деформациями при различных температурах деформации в зависимости от соотношения толщин слоев в биметаллической заготовке при изотермической штамповке. I.

4. Разработать опытный технологический процесс изготовления штамповки лопатки ГТД с защитным слоем, получить опытный образец лопатки и исследовать его свойства и структуру.

•5. Апробировать установленные закономерности при производстве данным способом штамповки лопатки ГТД с защитным слоем.

Методы исследования. Теоретическое исследование процесса прямого выдавливания биметаллической заготовки проводили на основе совместного решения уравнений равновесия и условия пластичности. Экспериментальные исследования проводили в лабораторных условиях кафедры «Обработка материалов давлением» РГАТА имени П. А. Соловьева на прессе LITOSTROJ HVC 2 25 и гидравлическом прессе ПГ-60. Микроструктурные исследования проводились на электронном микроскопе Nikon EPIPHOTO 200.

Автор выносит на защиту:

1. Результаты теоретических исследований, полученных при анализе напряженно-деформированного состояния при выдавливании биметаллической заготовки.

2. Результаты экспериментальных исследований, полученные при штамповке биметаллической заготовки.

3. Разработанный технологический процесс изготовления штамповок лопаток ГТД с защитным слоем методом выдавливания биметаллической заготовки.

4. Практические рекомендации для получения соединения двух разнородных металлов: металла основы и металла защитного слоя.

Достоверность результатов и выводов диссертации обеспечивается использованием апробированных методов исследования пластической деформации и структуры. Оценка параметров механического поведения^ материалов проведена в соответствии с требованиями стандартов. Анализ микроструктуры проводился на электронном микроскопе Nikon EPIPHOTO 200.

Научная новизна работы состоит в исследовании и разработке технологического процесса изготовления штамповок лопаток ГТД с защитным слоем методом выдавливания биметаллическойзаготовки, а именно:

1. Выявлены теоретические зависимости для определения напряженно-деформированного состояния в* слоях биметаллической заготовки при прямом выдавливании.

2. Определена зависимость силы выдавливания биметаллической заготовки от размеров оснастки и от сопротивления деформации сплавов слоев.

3. Разработана зависимость для определения" коэффициента вытяжки, необходимого для схватывания, от высоты пояска матрицы.

4. Выявлены зависимости для отношения деформаций мягкого и твердого слоев в зависимости от отношения1 сопротивлений деформаций твердого и мягкого слоев-при различных процентных соотношениях между их толщинами при выдавливании и изотермической’штамповке.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Разработаны рекомендации по расчету технологического процесса изготовления штамповок лопаток газотурбинного двигателя с защитным слоем методом выдавливания биметаллической заготовки, обеспечивающие получение надежного покрытия для лопаток, работающих в агрессивных средах. Также они позволяют существенно повысить рабочую температуру лопаток благодаря применению в качестве покрытия жаростойких сплавов, и, как следствие, повысить мощность авиационного двигателя за счет уменьшения расхода воздуха на охлаждение.

2. Разработан опытный технологический процесс изготовления штамповки лопатки ГТД с защитным слоем методом выдавливания.

Реализация работы. Для реализации процесса изготовления штамповок лопаток ГТД с защитным слоем были спроектированы и изготовлены штампы для получения биметаллической заготовки, в том числе штамп для прямого выдавливания с разъемными матрицами. Результаты работы опробованы и внедрены при изготовлении штамповок лопаток с защитным слоем на «ОАО «НПО САТУРН» (г. Рыбинск).

Теоретические результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров, обучающихся по специальности 150 400 «Технологические машины и оборудование» и 150 700 «Обработка металлов давлением», инженеров, обучающихся по специальности 150 201 «Машины и технология обработки металлов давлением» при чтении лекций по дисциплинам «Технология ковки и объемной штамповки», «Технологии производства авиационных материалов», что подтверждено актом о внедрении результатов диссертационной работы.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на 5 Международных и Всероссийских конференциях, в том числе на Первой и Второй Всероссийской научно-технической конференции «Студенческая научная весна машиностроительные технологии» (Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008 г., 2009 г.), XXXVI, XXXVII Гагаринские чтения Международная молодежная научная конференции (г. Москва, МАТИ, 2010 г., 2011 г.), Третьей Всероссийской Конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана 2010 г.). Материалы работы были представлены на «Concours Lepine Le’alon Europeen de l’invention» (г.Страсбург, Франция, 2010 г.) и получены Бронзовая медаль и дипломна «VI Международном салоне инноваций и новых технологий «Новый час» (г. Севастополь, Украина, 2010 г.) и отмечены Золотой медалью и дипломна «XI Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи"-2011 (Москва, ВВЦ) и получен дипломна «X Московском международном салоне инноваций и инвестиций» (г. Москва, 7−10 сентября 2010 г.) и награждены золотой медалью.

Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано.

17 статей и тезисов докладов, в том числе 1 статья в издании, рекомендованном ВАК. Получен патент РФ на изобретение № 2 374 027 от 19.02.2008, подано 2 заявки на изобретение: № 2 009 119 110 приоритет от 20.05.2009, № 201 136 442 приоритет от 01.09.2011.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, списка использованных источников в количестве 79 наименований, приложения, изложена на 150 листах, содержит 60 рисунков,.

3.3 Выводы по главе.

В ходе исследования процесса штамповки биметаллической заготовки было установлено следующее:

1. Определена зависимость между отношением сопротивления деформации твердого и мягкого слоев от отношения деформаций мягкого и твердого слоев при разных процентных соотношениях между слоями.

Зависимость позволит определить на стадии проектирования штамповки толщину защитного слоя на лопатке в зависимости от температуры штамповки и от процентного отношения между мягким и твердым слоями.

2. Установлено, что правильный выбор температурноскоростных условий штамповки способствует образованию соединения двух материалов.

3. Установлено, что при наличии загрязнений на контактных поверхностях соединения двух металлов не происходит.

4. Построен график зависимости отношений деформаций мягкого и твердого слоев от отношения толщин мягкого и твердого слоев, позволяющий определить толщины слоев на этапе проектирования штамповки.

5. Установлено, что чем больше показатель неоднородности напряжений, тем больше показатель неоднородности деформаций.

ГЛАВА 4. ОПЫТНЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ИЗГОТОВЛЕНИЯ ШТАМПОВКИ ЛОПАТКИ ГТД С НАНЕСЕННЫМ.

ЗАЩИТНЫМ СЛОЕМ.

Увеличение КПД газотурбинных двигателей связано с повышением рабочей температуры на турбине и компрессоре, что возможно только при использовании жаропрочных сплавов. Самым жаропрочным сплавом на данный момент является сплав ЖС6У с рабочей температурой до 1050 °C. Сплавы на основе тугоплавких металлов имеют более высокую рабочую температуру, но для работы при высоких температурах рабочие поверхности лопатки необходимо защищать различными методами. Для этих целей используют такие методы как диффузионное напыление, плазменное напыление на воздухе или в вакууме, катодное распыление, лазерное осаждение. Данные покрытия и методы их нанесения не обеспечивают длительную защиту поверхности деталей, поэтому их применение ограничено.

По предложенной в главе 2 технологической схеме изготовления штамповки лопатки с защитным слоем проведен эксперимент, который показывает возможность осуществления данной технологии нанесения покрытия.

В качестве материалов заготовки были выбраны два алюминиевых сплава АК6 и 1379. Данные марки сплавов уже применялись в предыдущих экспериментах, их свойства представлены в главе 2. При этом сплав 1379 является основой, то есть внутренним материалом, как более прочный, а сплав АК6 — защитным слоем, то есть наружным материалом.

Для проведения эксперимента была спроектирована и изготовлена оснастка из стали 5ХНВ ГОСТ 5950–2000 [16] (табл. 15, рис. 444), химический состав и механические свойства которой представлены в табл.: штамп для обратного выдавливания стакана, штамп для осадки, который состоит из матрицы с внутренним отверстием прямоугольного сечения и нижнего и верхнего пуансонов, которые также имеют в сечении прямоугольникштамп для прямого выдавливания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Разработана математическая модель процесса выдавливания биметаллической заготовки, состоящей из двух разнородных материалов, позволяющая определить компоненты тензоров напряжений для твердого (внутреннего) и мягкого (наружного) слоев заготовки, а так же силу выдавливания биметаллической заготовки, которая обеспечивает точность ее определения до 30%.

2. Установлена зависимость коэффициента вытяжки, необходимого для получения качественного соединения слоев заготовки при выдавливании, от размеров штамповой оснастки, показывающая, что при увеличении высоты пояска матрицы коэффициент вытяжки, необходимый для соединения металлов, возрастает.

Так же установлено, что при увеличении показателя неоднородности напряжений (отношения сопротивления деформации твердого слоя к сопротивлению деформации мягкого) слоя возрастает и коэффициент вытяжки, необходимый для соединения слоев в биметаллической заготовке.

3. В результате экспериментальных исследований установлено влияние показателя неоднородности напряжений (отношение сопротивления деформации твердого слоя к сопротивлению деформации мягкого слоя) и толщины защитного слоя при выдавливании биметаллической заготовки на показатель неоднородности деформаций (отношение деформации мягкого слоя к деформации твердого слоя), позволяющее определить размеры исходных заготовок материалов для получения штамповки лопатки с защитным слоем на стадии разработки технологического процесса.

4. На основании проведенных исследований разработан опытный технологический процесс изготовления штамповок лопаток ГТД с защитным слоем, включающий следующие операции: сборку биметаллической заготовки, осадку по образующей собранной биметаллической заготовки, осадку в штампе, прямое выдавливание биметаллической заготовки и изотермическую штамповку выдавленной заготовки. Получен экспериментальный образец лопатки из двух алюминиевых сплавов: 1379 в качестве твердого (внутреннего) материала, АК 6 в качестве мягкого (наружного) материала.

5. Проведенные исследования были апробированы при штамповке лопаток из алюминиевого сплава ВД 17 с защитным слоем из алюминиевого сплава АМц на ОАО «НПО «САТУРН».