Элемент конструкции и способ его изготовления

 

Изобретение относится к технологии машиностроения и может быть использовано при изготовлении элементов конструкции электрических установок, например роторов турбокомпрессоров. Элемент конструкции содержит деталь из сплава на основе гамма-алюминида титана, стальную деталь и соединительную деталь из сплава на основе никеля. Через соединительную деталь деталь из гамма-алюминида титана и стальную деталь жестко связывают друг с другом. Соединение между деталью из гамма-алюминида титана и соединительной деталью осуществляют путем сварки трением. Сплав на основе никеля содержит менее 65 вес. % никеля. Таким образом достигают того, что можно осуществлять соединение за счет сварки трением детали из гамма-алюминида титана с соединительной деталью при сравнительно низких температурах. При сварке трением таким образом значительно уменьшается опасность образования трещин в склонной к охрупчиванию детали из гамма-алюминида титана. 2 с. и 9 з.п.ф-лы, 1 ил.

Настоящее изобретение касается элемента конструкции и способа его изготовления. Из патента США N 5064112 известен элемент конструкции, содержащий деталь из сплава на основе гамма-алюминида титана, стальную деталь и соединительную деталь из сплава на основе никеля, посредством которой упомянутые детали жестко соединены одна с другой, причем соединение деталей между собой выполнено сваркой трением, а также включающий последовательное соединение между собой стальной детали, соединительной детали из сплава на основе никеля и детали из сплава на основе гамма-алюминида титана сваркой трением.

Выполненный в виде ротора турбокомпрессора элемент конструкции указанного типа и способ изготовления ротора уже описаны также в Y. Nishiyama и др. "DevaCopment of Titanium Aluminide Turbocharger Roters", High Temperature Aluminides and Intermetallics", изд. S.H. Whang и др.. The Minerals, Metals and Materials Society, 1990.

Вышеуказанный ротор содержит колесо турбины из гамма-алюминида титана, которое через соединительную деталь из сплава на основе никеля с содержанием никеля свыше 70 вес.% посредством сварки трением соединено со стальным валом.

Такой ротор отличается определяемой за счет гамма-алюминида титана прочностью на срез, так как сплав на основе никеля действует как буфер и при прямой сварке трением избегают образуемых гамма-алюминидом титана и сталью хрупких фаз за счет образования непрерывного диффузионного слоя в месте соединения детали из гамма-алюминида титана и соединительной детали.

Высоколегированные сплавы на основе никеля обладают пределами плавления при сравнительно высоких температурах. Для того чтобы активировать происходящие при сварке трением диффузионные процессы, в случае этого сплава необходима сравнительно большая энергия.

В основу изобретения положена задача создания элемента конструкции указанного типа, который имеет большую механическую прочность, прост в изготовлении, и одновременно задача разработки способа, с помощью которого можно изготовлять этот элемент конструкции при относительно небольших расходах.

Для достижения поставленной задачи соединительная деталь выполнена из сплава на основе никеля, включающего менее 65 мас.% никеля и 3,7 мас.% ниобия.

Предлагаемый согласно изобретению элемент конструкции отличается высокой механической прочностью как при комнатной температуре, так и при температурах вплоть до 700^oC. Это является следствием оптимальным образом выбранного материала для соединительной детали.

Благодаря сравнительно низкой доле никеля достигают того, что можно осуществлять соединение путем сварки трением детали из гамма-алюминида титана с соединительной деталью при сравнительно низких температурах, так что при сварке трением в склонной к охрупчиванию детали из гамма-алюминида титана значительно уменьшается опасность трещинообразований.

К предпочтительным относятся соединительные детали со сравнительно большой долей железа, которое благоприятствует сварке трением при низких температурах.

Целесообразным является то, что соединительная деталь выполнена из сплава на основе никеля, содержащего дополнительно 10-30 мас.% железа.

Предпочтительным является также то, что соединительная деталь выполнена из сплава на основе никеля, содержащего дополнительно 15-25 мас.% железа.

Также целесообразным является то, что соединительная деталь выполнена из сплава на основе никеля, дополнительно содержащего хром, железо, молибден, ниобий, алюминий, титан, кремний, марганец и углерод при следующем соотношении компонентов, мас.%: Хром - 18-20 Железо - 18 - 22 Молибден - 2 - 4 Ниобий - 4 - 6 Алюминий - до 1 Титан - до 2 Кремний - до 0,4 Марганец - до 0,4 Углерод - до 0,05
Неизбежные примеси и никель - Остальное
Также предпочтительным является то, что соединительной деталью из сплава на основе никеля обеспечено расстояние между деталью из гамма-алюминида титана и стальной деталью, примерно равное 10-30 мм.

Элемент конструкции может представлять собой ротор турбокомпрессора, в котором колесо турбины выполнено из сплава на основе гамма-алюминида титана, а вал выполнен из стали.

Для достижения поставленной задачи в способе изготовления элемента конструкции при сварке трением детали из сплава на основе гамма-алюминида титана и соединительной летали из сплава на основе никеля сначала их притирают при кручении одна к другой под давлением, не превышающим заданное предельное давление, а затем при относительном покое под давлением, не превышающим второго заданного предельного давления, производят окончательную сварку с образованием содержащего по меньшей мере титан и алюминий диффузионного слоя, при этом второе заданное предельное давление при окончательной сварке выше заданного предельного давления при притирании.

Предпочтительным в способе является то, что во время притирания при кручении детали из сплава на основе гамма-алюминида титана и соединительной детали из сплава на основе никеля давление до заданного предельного значения повышают ступенчато.

Целесообразным является то, что давление притирания в первой ступени составляет не более 150 H/мм².

Предпочтительным является то, что время притирания в первой ступени составляет не более 60 с, а общее время притирания - не более 120 с.

Заданное предельное давление при притирании составляет примерно 200 H/мм², а второе заданное предельное давление составляет примерно 300 H/мм².

Предусмотренный для изготовления предлагаемого согласно изобретению элемента конструкции способ, согласно изобретению, отличается тем, что при его осуществлении требуются сравнительно небольшие энергетические затраты и, кроме того, получаются еще лишенные охрупчивания элементы конструкции даже тогда, когда значительно колеблются параметры процесса, предусмотренные при осуществлении способа. Поэтому он предпочтительно пригоден для массового изготовления элементов конструкции.

Ниже изобретение поясняется подробнее с привлечением чертежа.

При этом чертеж представляет собой вид в плане аксиально проведенного разреза, выполненного в виде ротора турбокомпрессора элемента конструкции согласно изобретению.

На чертеже показан ротор 1 турбокомпрессора с используемой в качестве вала турбокомпрессора цилиндрообразной стальной деталью 2, один конец которой несет выполненное, например, из алюминиевого сплава зубчатое колесо компрессора 3, а другой ее конец посредством соединительной детали 4 жестко связан с деталью 5 из гамма-алюминида титана.

Эта деталь 5 из гамма-алюминида титана представляет собой по меньшей мере часть подвергаемого воздействию отходящего газа машины для сожжения колеса турбины 6 турбокомпрессора. Диффузионный слой 7 способствует образованию жесткого соединения между соединительной деталью 4 и деталью 5 из гамма-алюминида титана.

Стальная деталь 2 имеет длину, например, 200 мм и диаметр, например, 45 мм. Она состоит из низколегированной стали, например, термически обработанной стали с содержанием углерода примерно 0,4 вес.%, содержанием хрома примерно 1 вес.%, а также со сравнительно незначительной долей молибдена.

Соединительная деталь 4 выполнена в виде диска с диаметром, приведенным в соответствие с диаметром стальной детали 2, например, также 45 мм, и оптимальной для обеспечения буферного действия между стальной деталью 2 и деталью из гамма-алюминида титана 5 толщиной, например, 10-30 мм, и состоит из сплава на основе никеля с содержанием никеля менее 65 вес.%.

Такой сплав может соединяться как со стальной деталью 2, так и также с деталью 5 из гамма-алюминида титана путем сварки, причем при высоких механических и термических нагрузках во время функционирования турбокомпрессора можно не опасаться разлома мест сварки или разрыва за счет охрупчивания ротора 1, в особенности в области сравнительно хрупкой по сравнению со сталью и сплавом на основе никеля детали из гамма-алюминида титана.

Особенно должен быть предпочтительным сплав на основе никеля с содержанием железа 10-30 вес.%, предпочтительно 25 - 25 вес.%, который при хороших механических свойствах к тому же имеет сравнительно низкие пределы плавления, особенно благоприятствующие процессу сварки при низких температурах.

Благодаря доле ниобия 3-7 вес.% дополнительно улучшаются механические свойства мест сварки. Особенно пригодным оказывается сплав на основе никеля следующего состава, мас.%:
Хром - 18 - 20
Железо - 18 - 22
Молибден - 2 - 4
Ниобий - 4 - 6
Алюминий - вплоть до 1
Титан - вплоть до 2
Кремний - вплоть до 0,4
Марганец - вплоть до 0,4
Углерод - вплоть до 0,05
Неизбежные примеси и никель - Остальное
Такого рода сплав представляет собой, например, сплав на основе никеля, изготовляемый под названием INCONEL 718 фирмой INCO.

Деталь 5 из гамма-алюминида титана имеет согласованный с соединительной деталью 4 цилиндрический выступ 8, например, диаметром 45 мм и образована интерметаллическим соединением на основе легированного примесью гамма-алюминида титана.

Предпочтительными при этом в качестве легирующих веществ являются прежде всего бор и кремний, а также дополнительно по меньшей мере один легирующий металл, как, в особенности, хром, гафний, марганец, молибден, ниобий, тантал, ванадий и/или вольфрам.

Особенно хорошие механические свойства достигаются с помощью гамма-алюминида титана с содержанием алюминия примерно 28-33 вес.%, содержанием вольфрама 5-15 вес.%, содержанием кремния 0,3-3 вес.%, остальное - неизбежные примеси и титан.

Ротор 1 изготавливают из отдельных компонентов следующим образом.

Сначала соединительную деталь 4 в осуществляемом обычным способом процессе сварки трением соединяют со стальной деталью 2. Затем деталь 5 из гамма-алюминида титана соединяют с полученной из соединительной детали 4 и стальной детали 2 составной частью. При этом особенно нужно обратить внимание на то, чтобы деталь из гамма-алюминида титана 5 и соединительная деталь 4 находились ровно в направлении общей оси стальной детали 2 и детали 5 из гамма-алюминида титана.

После соответствующего выравнивания приваренной к стальной детали 2 соединительной детали 4 и детали 5 из гамма-алюминида титана эти обе части жестко связывают друг с другом путем сварки трением. Для этой цели стальную деталь 2 и вместе с нею соединительную деталь 4 и деталь 5 из гамма-алюминида титана путем кручения притирают друг к другу в машине для сварки трением при числе оборотов, например, 500 в минуту при давлении трения, которое не превышает заданное первое предельное значение.

При этом в место сварки подают достаточное для последующего процесса сварки количество энергии. Затем деталь из гамма-алюминида титана 5 и соединительную деталь 4 при относительном покое под давлением прижимания, которое не превышает второго предельного значения, лежащего выше, чем первое предельное значение, сваривают друг с другом при образовании диффузионного слоя 7.

Диффузионный слой 7 образуется преобладающе на расположенной по направлению к детали из гамма-алюминида титана 5 стороне соединительной детали 4 толщиной вплоть до 100 мкм и содержит прежде всего титан и алюминий, однако также дополнительные, содержащиеся в детали из гамма-алюминида титана легирующие вещества.

При этом особым преимуществом является то, что из-за сравнительно низкоплавящегося материала соединительной детали 4 уже спустя относительно короткое время и в мягких условиях осуществляют сварку трением относительно хрупкой детали из гамма-алюминида титана.

Благодаря пригодному выбору необходимого количества времени, скорости вращения и давлению притирания в процессе притирания, а также благодаря пригодной величине давления прижимания в процессе сварки избегают охрупчиваний и образования трещин в детали 5 из гамма-алюминида титана.

Особенно благоприятных результатов при сравнительно небольших временах изготовления достигают тогда, когда давление трения (притирания) во время процесса притирания достигает примерно 200 H/мм², а давление прижима в процессе сварки в случае неподвижных деталей достигает примерно 300 H/мм².

Особенно пригодным оказывается ступенчатое повышение, вплоть до первого предельного значения, давления трения в процессе притирания во время вращения детали 5 из гамма-алюминида титана и соединительной детали 4 друг относительно друга, так как можно сваривать в наиболее щадящем по отношению к материалам. При этом давление трения (притирания) в первой степени составляет величину вплоть до 150 H/мм².

Время трения (притирания) в первой ступени составляет самое большее 60 с, предпочтительно 40 с. В целом, время притирания составляет самое большее 120 с, предпочтительно 60 - 80 с.

Полученный путем сварки трением ротор 1 после изготовления нагревают со скоростью примерно 150^oC/ч примерно до 600^oC, выдерживают несколько часов при этой температуре и затем охлаждают со скоростью примерно 50^oC/ч.

Таким образом предотвращают возможное возникновение в процессе сварки трением напряженного состояния в стальной детали 2 приводящего к охрупчиванию.

Определенные на основании испытаний на растяжение величины прочности такого рода полученных элементов конструкции составляют при комнатной температуре примерно 500 МПа, причем не происходит разрушения ни в диффузионном слое 7, ни в детали 5 из гамма-алюминида титана. Эти высокие величины прочности совершенно достаточны для бесчисленных применений элемента конструкции согласно изобретению, в особенности в качество ротора турбокомпрессора.

Формула изобретения

1. Элемент конструкции, содержащий деталь из сплава на основе гамма-алюминида титана, стальную деталь и соединительную деталь из сплава на основе никеля, посредством которой упомянутые детали жестко соединены одна с другой, при этом соединение деталей между собой выполнено сваркой трением, отличающийся тем, что соединительная деталь выполнена из сплава на основе никеля, включающего менее 65 мас.% никеля и 3 - 7 мас.% ниобия.

2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что соединительная деталь выполнена из сплава на основе никеля, содержащего дополнительно 10 - 30 мас.% железа.

3. Элемент по п.1, отличающийся тем, что соединительная деталь выполнена из сплава на основе никеля, содержащего дополнительно 15 - 25 мас.% железа.

4. Элемент по п.1, отличающийся тем, что соединительная деталь выполнена из сплава на основе никеля, дополнительно содержащего хром, железо, молибден, ниобий, алюминий, титан, кремний, марганец и углерод при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Хром - 18 - 20
Железо - 18 - 22
Молибден - 2 - 4
Ниобий - 4 - 6
Алюминий - До 1
Титан - До 2
Кремний - До 0,4
Марганец - До 0,4
Углерод - До 0,05
Неизбежные примеси и никель - Остальное
5. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что соединительной деталью из сплава на основе никеля обеспечено расстояние между деталью из гамма-алюминида титана и стальной деталью, примерно равное 10 - 30 мм.

6. Элемент по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что представляет собой ротор турбокомпрессора, в котором колесо турбины выполнено из сплава на основе гамма-алюминида титана, а вал выполнен из стали.

7. Способ изготовления элемента конструкции, включающий последовательное соединение между собой стальной детали, соединительной детали из сплава на основе никеля и детали из сплава на основе гамма-алюминида титана сваркой трением, отличающийся тем, что при сварке трением детали из сплава на основе гамма-алюминида титана и соединительной детали из сплава на основе никеля сначала их притирают при кручении одна к другой под давлением, не превышающем заданное предельное давление, а затем - при относительном покое под давлением, не превышающем второго заданного предельного давления, производят окончательную сварку с образованием содержащего по меньшей мере титан и алюминий диффузионного слоя, при этом второе заданное предельное давление при окончательной сварке выше заданного предельного давления при притирании.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что во время притирания при кручении детали из сплава на основе гамма-алюминида титана и соединительной детали из сплава на основе никеля давление до заданного предельного значения повышают ступенчато.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что давление притирания в первой ступени составляет не более 150 Н/мм².

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что время притирания в первой ступени составляет не более 60 с, а общее время притирания - не более 120 с.

11. Способ по любому из пп.7 - 10, отличающийся тем, что заданное предельное давление при притирании составляет примерно 200 Н/мм², а второе заданное предельное давление составляет примерно 300 Н/мм².

РИСУНКИ

Рисунок 1

PC4A - Регистрация договора об уступке патента Российской Федерации на изобретение

Прежний патентообладатель:
АББ Асеа Браун Бовери Лтд (CH)

(73) Патентообладатель:
АББ Швайц АГ (CH)

Договор № РД0001985 зарегистрирован 07.09.2005

Извещение опубликовано: 20.11.2005        БИ: 32/2005