Способ изготовления диффузионной сваркой газотурбинных лопаток из двухфазных титановых сплавов

 

Изобретение относится к способам диффузионной сварки в вакууме с нагревом соединяемых элементов полок и пера электронным лучом. Цель изобретения - повышение качества сварного соединения, снижение металлоемкости и трудоемкости. Для осуществления способа производят предварительное сжатие упругим элементом , устанавливаемым между свариваемыми деталями и ограничительными элементами оснастки. Затем осуществляют нагрев, например, электронным лучом только зоны соединения до температуры, на 80-200°С ниже температуры полиморфного превращения титанового сплава. Изотермическую выдержку производят до окончания пластической деформации, затем температуру снижают до 650-550°С и осуществляют вторую изотермическую выдержку до окончания пластической деформации, повторяя указанный цикл до получения заданной степени пластической деформации в зоне соединения . 2 ил. Ё

COIO3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИНЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

s В 23 К 20/14

ГОСУДА P СТАЕ ННЫ И КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4798916/27 (22) 08.01,90 (46) 23.01.92. Бюл. № 3 (71) Пермское производственное объединение "Моторостроитель" им. Я.М.Свердлова (72) И.И.Столяров, В.А,Рогожин, Ю.А.Зеленин и В.П.Каменев (53) 621,791.66(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1446790, кл, В 23 К 20/14, 1987. (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКОЙ ГАЗОТУРБИННЫХ JlQПАТОК ИЗ ДВУХФАЗНЫХ ТИТАНОВЫХ

СПЛАВОВ (57) Изобретение относится к способам диффузионной сварки в вакууме с нагревогл соединяемых эпементс ПGëOK и пера электронным лучом. Цель изобретения — поИзобретение относится к диффузионной сварке в вакууме с нагревом изделий из титановых сплавов и может быть использовано в авиационной и других отраслях промышленности, Известен способ нагрева в тлеющем разряде, применяемый при соединении массивных деталей с тонколистовыми, при котором равномерный нагрев деталей под сварку обеспечивается конструкцией анода и экрана. Этот способ не позволяет при изготовлении лопаток использовать вальцованое перо иэ-за деформации его при общем нагреве и потери геометрии пера.

Известен способ диффузионной сварки, согласно которому при изготовлении тавровых конструкций деформируемую часть стенки тавра выполняют толщиной, равной

0,8 — 0.95 ее толщины, а выступ выполняют на. Ж 1706811 А1 вышение качества сварного соединения, снижение металлоемкости и трудоемкости.

Для осуществления способа производят предварительное сжатие упругим элементом, устанавливаемым между свариваемыми деталями и ограничительными элементами оснастки. Затем осуществляют нагрев, например, электронным лучом только зоны соединения до температуры, на

80 — 200 С ниже температуры полиморфного превращения титанового сплава. Изотермическую выдержку производят до окончания пластической деформации, затем температуру снижают до 650 — 550 С и осуществляют вторую изотермическую выдержку до окончания пластической деформации, повторяя указанный цикл до получения заданной степени пластической деформации в зоне соединения. 2 ил. полка высотой 0,4 — 1,0 высоты деформируемой части стенки и шириной, равной толщине этой части. Сварка с высокими температура ли нагрева по данному способу вызывает перегрев титановых сплавов и рост составляющих фаэ, кроме того, в зоне стыка возникает возможность высокой степени деформации, что неприемлемо для его использования при изготовлении лопаток газотурбинных двигателей.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ изготовления диффузионной сваркой направляющих лопаток осевого компрессора, согласно которому сварку полки с пером осуществляют, сдавливая полку цапфы, в профильный паэ которой вставлено перо лопатки, Сжатие производят в стапеле, обеспечивающем при совместном его нагреве с с,16ранно«лип:- ° кои тер : на с

При такой технологии степень деформ«рованич по свар«ваемым плоскостям разл«чна что не обеспечивает надежного качества сварки по сечению шва, а применение оснастки, обеспечк1ваюш и термонатяг за счет нагрева не обеспечивает постоянство воспроизводимости процесса, Кроме того, технологическая оснастка п ри сравнительнс небольшом цикле эксплуатации выходит из строя, изменяя свои геометрические параметры.

Цель изобретения — повышение качества сварного соединения, снижение металпоемкости и трудоемкости.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу изготовления диффузионной сваркой газотурбинных лопаток из двухфазных титановых сплавов перо и перпендикулярные ему полку и цапфу устанавливают с предварительным сжатием между ограничительными элементами оснастки, нагревают их до температуры ниже температуры попиморфного превращения свариваемого материала, сдавливают за счет расширения при нагреве сBàðèваемых деталей и осуществляют «зотермическую выдержку, предварительное сжатие осуществляют упругим элементом, устанавл âàåìûм между cваринаемыми деталями и ограничительными элементами оснастки, осуществляют нагрев только зоны соединения до тел ературы на 80-200ОC ниже телпера-,уры пол«мое: н=гv прев„-аш н,: т«тан в "t" ".. .-г а,:-- ". " еск :с =-жку про з: дят до окончания пласт«ческой деформации. затем те,"пературу снижа;т до 650-6=.. " и ocy :.. -,.=-.я от вто- ю 1зотермическую выдерх,ку до окончания пгас т и ч е с к о "" д е i ; а ц 11 L и о D p:я я укаэанный ц«кл до получения заданной степени пластической дефорл1ации в зоне соединения.

При нагреве электронным лучом зоны соединения до температуры на 80-200" С ниже температуры попиморфного поевращения титанового сплава происходит удлинение нагретого участка и полка или цапфа перемещаются вдоль ос« пера, дополнительно сжимая упругий элемент. При некоторой выдержке при этой температуре за счет релаксационных и диффузионных процессов и под действием упругого элемента начинается пластическая деформация эоны соединения в режиме сверхпластичности при сравнительно незначитеяьном нагружении. После накопления определенной степени деформации процесс пластической деформации в зоне соединения прекращается, после чего снижением температуры до

ЗО

55. =G 560 С в зоне соединения и выдержкой пр« этой температуре процесс деформиро ван 1я возобновляется эа счет выделения пластичных метастабильных фаз. В ходе изотермической выдержки метастабильн ые фазы переходят в стабильное состояние и процесс пластической деформации прекращается.

Нагрев зоны соединения до температуры на 80 — 200 С ниже температуры полиморфного превращения (Тп.и.) титанового сплава обеспечивает получение равномерной структуры как в зоне соединения, так и вне ее с исключением роста структурных составляющих. При этом ограничение температуры нагрева (до Тп.п. 80 С) исключает вакуумное растравливание границ зерен и фаэ при нагреве электронным лучом, что является необходимым условием при изготовлении лопаток с бесприпусковым пером. с другой стороны снижение температуры обеспечивает выделение пластичной метастабильной фазы, ускоряющей процесс дефор;1ирования под нагрузкои.

Ограничение температуры (до Тп.п.

200 С) обусловлено замедленной скоростью пластической деформации при сварке под нагрузкой, а также ухудшением качества сварного шва. Одновременно ограничениее температуры (до Тп. п. 200" С) обусловлено тем, что нагрев до этой температуры при последующем охлаждении резко уменьшает количество метастабипьной г-,астической фазы.

Г =,; охлажден и двухи аз- к титанов=: сплавов, на-ретых до температуры на 80?00 С ниже температуры поп«морфного превраа це и пр=«сходит выпаден«е метастабильных фаэ, а при снижении темпе,".-.ту-,.ы до 650-550 С процесс выделен; с

Фаз прекращается и они фиксируются в т ердом состоянии. В ходе иэотерм«ческе« вьдержк«пр«температуре 650-550 С метастабипьные фазы переходят в стабильное состояние и процесс пластической деформации прекращается. B связи с этим снижение температуры ниже 650 — 550 С нецелесообразно из-за замедления процесса пластической деформации, На фиг.1 представлена заготовка лопатки с приваренными полкой и цапфой к перу; на фиг.2 — лопатка после сварки.

Способ осуществляется следующим образом.

Подготовленные к сварке перо и перпендикулярные ему полку и цапфу устанавливают с предварительным сжатием между ограничительными элементами оснастки.

Усилие сжатия определяют по площади подлежащей сварке, обеспечивая удельное давnerve в сопря ае лых поверхностях в пределах Р=0,8-2,0 кг/мм . Оснастку с собранными элементами лопат и помещают в камеру электроннолучевой уставов и и после ее вакуумирования осуществляют нагрев только 5 зон соединения до температуры на 80200 С ниже температуры полиморфного превращения csap aaeMoro металла, Иэотермическую выдержку при этой температуре производят в rðîöåeñå подготовки 10 материала к пластической деформации и деформации зоны соединения до момента прекращения пластической деформации, начало и конец которой фиксируют по индикатору. Затем температуру снижают до 650 — 15

550 С путем уменьшения мощности электронного луча и осуществляют вторую изотермическую выдержку (аналогично указанной) до окончания пластической деформации. Указанный цикл повторяют до 20 получения заданной степени пластической деформации в зоне. соединения, затем нагрев стыков прекращают и после охлаждения электроннолучевой установки развакуумируют камеру и извлекают из нее 25 готовую лопатку.

Пример. Элементы лопатки; полку, цапфу и перо, подлежащие сварке и обработанные с шероховатостью=40 мкм, перед сборкой под сварку подвергают травлению 30 в течение 2 — 4 мин, промывают в проточной воде. сушат горячим воздухом и собирают в оснастке, Затем производят предварительное прижатие полки к перу через упругий элемент с усилием 160-240 кг, а цапфы к 35 перу — с усилием 130-150 кг. Закрывают и вакуумируют камеру до давления Р=(2—

4) ° 10 м л ртутного столба. после чего осу-5 ществляют нагрев свариваемых зон соединения электрон ь . учом, сканируя 40 им вдоль зон, до температуры на 80-200 С ниже температуры пол глорфного превращения титанового сплава. Изотер лическую выдержку производят до окончания пластической деформации, которую фиксируют по 45 индикатору. После прекращения пластической деформации температуру снижают до

650-550 С со скоростью не более 20 С в секунду и осуществляют вторую изотерми eeêóþ выдержку до окончания пластической деформации. Указанный цикл повторяют до получения заданной степени пластической деформации, которая составляет 0,4-0,6 мм в зоне соединения. При такой технологии в зависимости от химического состава сплава процесс сварки завершается за 2-4 цикла. Время сварки соединения занимает 6-12 мин, После приварки полки и цапфы к перу камеру развакуумируют и извлекают из нее готовую лопатку.

Изобретение обеспечивает повышение качества сварного шва, снижение металлоемкости и трудоемкости.

Формула изобретения

Способ изготовления диффузионной сваркой газотурбинных лопаток из двухфазных титановых сплавов, при котором пера и перпендикулярные ему полку и цапфу устанавливают с предварительным сжатием между ограничительными элементами оснастки, нагревают их до температуры ниже температуры полиморфного превращения свариваемого материала. сдавливают за счет расширения при нагреве свариваемых деталей и осуществляют иэотермическую выдержку, отличающийся тем, что, с целью повышения качества сварного соединения, снижения металлоемкости и трудоемкости, предварительное сжатие осуществляют упругим элементом, устанавливаемым между свариваемыми деталями и ограничительными элементами оснастки, осуществляют нагрев только зоны соединения до температуры на 80-200 С ниже температуры полиморфного превращения титанового сплава, иэотермическую выдержку производят до окончания пластической деформации, затем температуру снижают до 650-550 С и осуществляют вторую изотермическую выдержку до окончания пластической деформации, повторяя указанный цикл до получения заданной степени пластической деформации в зоне Соединения.

1706811

Варной

Д а,рой

Составитель И.Столяров

Редактор С,Патрушева Техред М.Моргентал Корректор M.Дерчик

Заказ 228 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101