спец титан. 1 Область применения титановых сплавов

• Название: 1 Область применения титановых сплавов
• Анкор: спец титан.doc
• Дата: 13.12.2017
• Размер: 8.66 Mb.
• Имя файла: спец титан.doc
• Тип: Документы; #11186
• страница: 5 из 13

1.3 Анализ изготавливаемой конструкции на технологичность

1.3.1 Обоснование выбора материала конструкции и его характеристика.

Сплав ВТ6 относится к системе Ti-6Al-V с двухфазной(+)-структурой. Аналог американского сплава Ti-6Al-4V,широко используемый для изготовления лопаток и дисков компрессора ГТД, в нашей стране для силовых сварных деталей, длительно работающих до 10000 часов при температуре 450°С. В настоящее время находит применение для изготовления лопаток компрессора. ВТ6 химический состав Ti-Al-V(+)

Содержание легированных элементов в % -м соотношении, Al 5.5…7.0

V 4.2…6.0, примеси 0,3. Режим термообработки, температура 800 ° С

Высокий отжиг, охлаждается на воздухе, температура испытуемого образца 20-450, _в=1010-560; _0,2=920-450; %-12,0-9,0; % 33,0-40,0.

Сплав ВТ 6, ВТЗ 1 – наиболее часто используют для изготовления лопаток ГТД, работающих длительное время при температурах до 400-450 ⁰С. Эти сплавы являются типичными представителями (+) сплавов -двухфазных сплавов, содержащих значительное количество  стабилизирующих элементов, не превышающее критической концентрации.

Сплав ВТ 6 имеет высокую термическую стабильность и может применяться в конструкциях, длительно работающих при температурах 400…5000 ⁰С и кратковременно – до 750 ⁰С, как жаропрочный широкого применения не получил.

Сплав типа ВТ 6 характеризуются высоким комплексом прочностных, пластических и технологических свойств. Легко подвергаются горячей обработке, свариваются всеми видами сварки и при этом сохраняют высокие механические характеристики.

Сплав ВТ 6 сваривается ручной и автоматической аргонно-дуговой под слоем флюса, контактной, стыковой, точечной и роликовой сваркой. Подварка одного и того же листа допускается один раз, в неответственных деталях два раза. В качестве присадки используется сплав ВТ 6 св. После сварки для восстановления пластичности необходима термическая обработка - отжиг при 700-800 0С. [3]
Сплав титана ВТ 6

Табл. 1.3.1.1. Химический состав, в процентах по ОСТ 90013-86 [3]

Ti	Al	V	C	Fe	Si	O2	N2	H2	Сумма прочих примесей
Основа	5,5- 7,0	4,2- 6,0	0,10	0,30	0,15	0,20	0,05	0,015	0,30

Табл. 1.3.1.2. Механические свойства [3]

Вид полуфабриката	Состояние контрольных образцов	Температура испытания, 0С	Е	пц	0,2	в			ан
			МПа				%	%
Пруток, поковка, штамповка	Отожженные	20 250 350 450	125000 - 102000 97000	780 520 350 300	900 600 450 420	1000 750 650 550	10 10 11 9	30 36 39 38	30 50 - -
Сварной шов	Отожженные	20	-	-	-	85-110	5	15	35

Табл. 1.3.1.3. Пределы длительной прочности, ползучести, выносливости [3]

Вид полуфабриката	Состояние	Температура испытания, 0С	100	1000	0,2/100	1 на базе 107 циклов
			МПа	МПа	МПа	МПа
Пруток, поковка, штамповка	Отожженные	20 200 300 350 400 450 500	- 730 640 620 600 420 270	- - - - 510 350 130	- - - - 360 140 5,5	530 - - 430 - 390 -

Табл. 1.3.1.4. Коэффициент термического линейного расширения [3]

Температура, 0С	20-100	20-200	20-300	20-400	Т, С0	100-200	200-300	300-400
1061/град	8,4	8,9	9,1	9,4	1061/град	9,3	9,8	10,1

Табл. 1.3.1.5. Коэффициент теплопроводности [3]

Температура, 0С	100	200	300	400	500	600	700
 вт\мград.	9,2	10,9	11,3	12,6	13,8	15,5	16,8

Табл. 1.3.1.6. Удельная теплоемкость [3]

Температура, 0С	100	200	300	400	500	600
С КДж\ кгград	0,545	0,587	0,670	0,712	0,796	0,880

Табл. 1.3.1.7. Рекомендуемая термическая обработка [3]

Вид термической обработки	Температура, 0С	Выдержка, час	Условия охлаждения
Отжиг	800-900	15-60 мин	На воздухе
Изотермический отжиг	850 700 800	0,5 0,5 0,5	В печи до 750 0С В печи до 500 0С, далее на воздухе На воздухе
Закалка	900-1000	5-60 мин	В воде, в масле
Старение	450-550	2-4	На воздухе

Плотность d = 4430 кг\м³; удельное электросопротивление 20 ⁰С 10⁶=Омсм.

Коррозионная стойкость: устойчив в атмосферных условиях и в морской воде.

Сплав сваривается всеми видами сварки, пригодными для титановых сплавов.

Рекомендуемый присадочный материал – проволока из сплавов ВТ 1-00, ВТ 6 С,ВТ 2, СПТ 2.

Длительная прочность сварного соединения при всех рабочих температурах составляет 0,9_т^t основного материала при соответствующей температуре.

Из рекомендуемого присадочного материала, выбираем присадочную проволоку из сплава ВТ 6 С и СПТ 2, эта проволока обладает более высокими механическими свойствами _в^м=0,9_в^св.ш., а проволдока из сплавов ВТ 1-00 и ВТ 2 обладает _в^м=0,6_в^св.ш..

Лопатки IV ступени также изготавливают из сплава титана ВТ 6, обладающего высокими прочностными характеристиками, способного работать с сохранением своих свойств в агрессивных средах с высокой температурой. Предел выносливости сплава ВТ 6 _в=950/1080 Мпа, пластичность =10%.

Табл. 1.3.1.8. Химический состав сплпва титана ВТ 6 [2]

Al	Mo	C	Si	Fe
%	%	%	%	%
6.0	2.5	2	0.3	0.5

По механическим свойствам сплав ВТ –3-1 не уступает сплаву ВТ 6, но с учетом унификации, сплав ВТ-3-1 выпускается примерно 1%, а сплав ВТ 6 40%. Следовательно, экономически целесообразнее сплав ВТ 6, т. к. стоимость его будет гораздо ниже. [2]
Ранее лопатки в двигателях II-III поколения изготавливались из стали ЭП 961.

Для изготовления рабочих лопаток используют сплав высоколегированную жаропрочную сталь ЭП 961, который обладает высокими механическими характеристиками: предел выносливости _0,2=1100 Мпа, предел текучести _т=1000 Мпа, пластичность =12%, =30%. Сплав ЭП 961 устойчив к агрессивным средам и высоким температурам, но плотность =9,0, а у Ti =4,5, по свойствам сплава ВТ 6 несколько выше свойств сплава.

ЭП 961 при гораздо более легком весе, что является немаловажным при разработке ГТД. [4]. Штампуемость, технические свойства; качество поковок из жаропрочных сплавов зависит от вида штамповочного оборудования, на котором осуществляется процесс формообразования. При этом выбор вида и параметров оборудования должен производиться не только по энергосиловым характеристикам процесса, но и с учетом влияния скоростных параметров процесса деформирования на пластичность и структурные характеристики материала заготовок. В связи с повышенными температурами и с малой скоростью протекания процессов рекристаллизации у высоколегированных сталей и сплавов при определенных значениях температур и скоростей деформации возможны изменения характера пластической деформации и ее переход из горячей в полугорячую с возникновением деформационного упрочнения в металле.

1.3.2. Применение титановых сплавов для изготовления лопаток компрессора.

В авиационной и ракетной технике наиболее целесообразно в интервале температур 250-550 ⁰С, когда легкие алюминиевые сплавы уже не могут работать, а стали и никелевые сплавы уступают им по удельной прочности.

Замена стальных лопаток компрессора титановыми, уменьшает суммарный вес лопаток в двигателе на 40…45% и на 20…25% дисков.

В процессе эксплуатации титановых сплавов в авиационных двигателях возникают определенные проблемы, к которым можно отнести проникающее окисление (охрупчивание из-за окисления, эрозию, фреттинг-коррозию, горячую солевую коррозию под напряжением и др.).

1. 
   Проникающее окисление. В процессе эксплуатации деталей из титановых сплавов при рабочих температурах и длительном ресурсе образуется окисная пленка и обогащенный кислородом слой , который распространяется на определенную глубину, в зависимости от температуры и времени нагрева, в результате снижается пластичность и термическая стабильность.
   
2. 
   Эрозия. При работе лопаток компрессора в высокоскоростном потоке газа, содержащем песок и пыль, наблюдаются небольшие изменения в размерах лопаток, что вызывает потерю тяни и скорости.
   
3. 
   Фреттинг-коррозия. При механическом способе соединения деталей, как, например, лопатка-диск, фланцевые соединения и т. д. при высоком поверхностном давлении и неизбежности некоторого относительного перемещения титановые детали способны схватываться между собой. Появляются фреттинг-коррозия, которая может снизить предел выносливости на 20-30% от его первоначального значения.
   
4. 
   Солевая коррозия под напряжением. Все титановые сплавы подвержены коррозионному растрескиванию под напряжением и охрупчиванию при температуре выше 300 ⁰С. степень коррозии зависит от сплава, уровня напряжений, времени, температуры и концентрации соли. В реальных условиях работы деталей из титановых сплавов коррозионного растрескивания нет.
   
5. 
   Возгорание. В практических условиях работы реактивного двигателя возможно возникновение трения между титановыми деталями, например несоотность ротора и статора компрессора приводит к касанию концов лопаток внутренней поверхности корпуса. Низкая теплопроводность титана способствует возникновению локальных перегревов вплоть до температуры плавления. При этих условиях возможно возгорание титановых деталей. Кроме касания, причиной модет быть обрыв одной из лопаток и втягивание ее в компрессор. [2]
   

1.3.3 Технологические особенности штамповки лопаток.

Штампуемость лопаток

Способы получения заготовок из титанового сплава “лопаток”. Марки ОТ4, ВТ3-1, ВТ5-1, ВТ6, ВТ8, ВТ9, ВТ18, ВТ18У, ВТ20, ВТ25. Нагрев титановых сплавов при температурах превышающих температуру полного полиморфного превращения (Тпп) приводят к резкому росту микрозерна до 7-8 баллов, и макрозерна до 5-7 балла десяти бальной шкалы, а также увеличению глубины альфированного слоя и толщины окалины. Глубина альфированного слоя на двухфазных титановых сплавах при нагреве -области в течении 1-4 часа в электропечи составляет 0,05-0,1 мм. Штамповку лопаток из титановых сплавов, в том числе с применением высокотемпературной термомеханической обработки ВТМО, совмещенной с высокотемпературной ступенью термической обработки с окончательной операцией штамповки – калибровкой (ТМО), изотермической штамповки (ИЗШ) в состоянии сверх пластичности (СПД).

ВТМО применяется с целью повышения статической прочности на 20-30 % и усталостной прочности на 15-20%. ТМО рекомендуется для повышения статической прочности на 5-10%, усталостной прочности 5-10% и снижения коробления штамповок.

Объемная штамповка состоит:

• 
  предварительное формообразование (ГКМ);
  
• 
  объемная штамповка на прессах;
  
• 
  обрезка облоя на прессах;
  
• 
  калибровка для ужесточения размеров и устранение корабления.
  

Точная объемная штамповка (ТОШ) состоит:

• 
  выдавливание или электровысадка;
  
• 
  штамповка, обрезка калибровка.
  

Штамповка и калибровка в изотермических условиях обеспечивают получение лопаток с припуском 0,1-1,0 мм на сторону и повышает уровень усталостной прочности на 10-15%. Штамповку лопаток проводятся на кривошипных, фрикционных, электровинтовых, гидровинтовых и гидравлических прессах. Штамповка должна иметь минимальный припуск на механическую обработку и минимальный облой по перу в соответствии с ОСТ 1.147.17-78. Штамповку лопаток на молотах и прессах рекомендуется проводить со степенью деформации по перу 30-55 % за нагрев – переход.

Штамповка заготовок из титановых сплавов.

Штамповка лопаток из титановых сплавов.

Нагрев 850-10500С, печи карусельные, камерные, имеют 2 стационарные термопары с электронным самопишущим патациометром. Перепад температур не должен превышать 20°С. Контрольно измерительную аппаратуру устанавливают на аммортизаторах в изолированном помещение, все приборы со звуковой сигнализацией, предупреждает о не поладках в работе в печи. Перед работой, печи проверяются. Печи имеют плотно- закрывающиеся двери и порог высотой70-100мм на поду, в целях ограничения пространства пода на которое могут быть уложены заготовки и уменьшение подсоса холодного воздуха. Заготовка укладывается на расстоянии 300мм от дверцы, при меньшем расстоянии от нагревателя заготовка должна быть экранирована толстыми керамическими плитами. Выгрузка заготовки из печи осуществляется по- штучно при этом дверцы печи должна автоматически закрываться. Нагрев заготовки, загрузка в печь осуществляется в таком количестве обеспечивающим их равномерный нагрев. Загрузка осуществляется в один ряд в рабочей зоне печи, с защитно-смазочными покрытиями загружается в один ряд в специальном поддоне из листовой каррозионно - стойкой стали. Загрузку можно производить при температуре 800-850°С для предварительного подогрева в течении 30-90 мин. Диаметр, мм Время температуры печи до температуры деформации, мм не более Время при температуре деформации, мм не менее Время максимальное при температуре деформации, мм не более 20 и менеее 0,8 20 70 30 25 75 50 30 80 80 0,5 40 90 100 50 100 120 60 110 150 0,3 70 130 200 100 150 250 120 170 Штамповка должна иметь минимальный припуск на механическую обработку и минимальный обмет по перу. При конструировании штампа фиксирование должно быть не менее чем в 2-х точках. Допускается штамповка осадкой в торец для лопаток с малой длиной пера. Торцы заготовки при штамповке должен контролироваться на отсутствие неровностей от резки и на наличие носок 3*45°. Калибровку лопаток рекомендуется проводить с деформацией 3-10% при температурах, не превышающих температуру верхней ступени отсчета двух фазных титановых сплавов. В случае значительного корабления лопаток после термической обработки разрешается повторная колибровкас последующим полным циклом термической обработки.

Нагрев 980-200С Перепад температуры 400С должен быть указан в технологической карте в печи не должно быть железо- содержащего шлака и окалины. Сам перепад проверяется после каждого ремонта 1 раз в 2 месяца с помощью контрольных термопар. На основание результата контроля определяется рабочая зона которая огаваривается технологической картой. На каждую печь в которой проводится нагрев заготовки из титановых сплавов составляется паспорт, в котором указывается основные характеристики печи,допустимые режимы работы, рабочая зона печи. Исправность контрольных приборов проверяется ежедневно специальной службой цеха но не реже 1 раза в 3 месяца центральной заводской службой. Заготовки загружаются в рабочую зону печи обеспечивающим равномерный нагрев. Оптимальная температура нагрева заготовки на различных стадиях технологического процесса устанавливается в зависимости от принятой схемы, так чтобы при деформации в - области она была на 20-30°С ниже температуры полного полиморфного превращения. Допустимые интервалы предварительной ковки - области температуры 20-30°С. Диаметр, мм   200 40 130 180 250 35 110 150 150 30 90 120 120 35 85 110 100 25 80 100 80 20 60 90 50 20 50 80 30 15 40 75 При штамповке  областях рекомендуемые степени находятся в пределах 20-50%, допускается снижение деформации до 10-15%. В отдельных зонах штамповки в случае использования заготовки предварительно деформирование в  областях. Штамповка в  области может применяться также для изготовления деталей неответственного назначения для которых применение титановых сплавов обусловлено в основном снижением массы конструкции. Операция передачи нагретые заготовки из печи к молоту или прессу и штамповка должны осуществлятся с минимальной затратой времени ибыстрая подача, чтобы предотвратить значительные подстывание металла.в случае недоштамповки или неоформлении штамповок за один нагрев допускается дополнительно подогрев и последующая штамповка.

1.3.4 Механическая обработка штампованных лопаток.


Механическая обработка титановых сплавов очень трудоемок по своим условиям., трудно деформируемый.

Формирование параметров лопаток 4 ступени компрессора осуществляется на механическом участке после проведения входного контроля исходных заготовок. В процессе контроля проверяются сопроводительные документы, наличие маркировочных клейм о выполнении технических требований к заготовке и осуществляется внешний осмотр. Процесс механической обработки условно можно разделить на пять основных частей:

В первой части (предварительной) технологического процесса обеспечивается формирование базовых установочных поверхностей и выполняется съем основного припуска у заготовки. Эта часть технологического процесса заканчивается проведением стабилизирующей термической обработкой и контролем качества материала заготовки.

Во второй части технологического процесса осуществляется точное ориентирование заготовки относительно профиля пера лопатки, обновляются базовые установочные поверхности и проводятся чистовые операции для основных элементов лопаток. Эта часть технологического процесса предусматривает также проведения рентгеновского контроля материала и выполнения промежуточного контроля основных параметров заготовки.

В третьей части технологического процесса производится окончательная доводка рабочих поверхностей лопаток, осуществляется контроль трещин и проводится стабилизирующий отжиг, исправляются возможные дефекты.

В четвертой части технологического процесса производится отрезка технологической прибыли, доводка различных элементов лопатки и выполняется контроль микроструктуры материала на специальных образцах. В этой части технологического процесса производится проверка собственных частот колебания лопаток и окончательный контроль геометрических параметров.

В пятой части технологического процесса осуществляется обработка рабочих поверхностей лопаток, нанесение твердосплавного покрытия на стыковые поверхности промежуточных полок и окончательная доводка ответственных элементов лопаток.

План механической обработки.

План обработки имеет такую последовательность операций.

Первая часть содержит следующие операции.

№5 заготовка (штамповка).

№10 входной контроль.

№№15-50 предварительное фрезерование свободных поверхностей.

№55 распределение припуска и зацентровка заготовки.

№№60-85 фрезерование предварительное технологической прибыли и подошвы замка.

№№90-145 фрезерование трактовых поверхностей пера лопатки со стороны спинки и корыта.

№№150-180 фрезерование профиля полок облегчений, карманов и других элементов.

№№185-195 резка подготовка образцов и термическая обработка.

Вторая часть содержит следующие операции. №200 распределения припуска и зацентровка заготовок.

№№205-225 окончательное фрезерования технологической прибыли и подготовка плоских установочных баз.

№№ 230-245 обработка поверхностей замка, входной и выходной кромок пера, скосов и других элементов.

№№250-260 фрезерование профиля замка и проведения контроля качества.

№№265-270 фрезерование профиля пера лопатки.

№№275-300 фрезерование контура промежуточной полки лопатки.

№305 шлифование профиля пера.

№№310-405 фрезерование бандажной полки и других элементов.

№410 рентгеновский контроль.

№415 промежуточный контроль геометрических параметров лопатки.

Третья часть содержит следующие операции.

№420 перенос маркировки.

№№425-430 слесарная обработка.

№435 окончательное фрезерование стыковых поверхностей промежуточных полок.

№№440-445 полирование профиля пера, травление и контроль качества.

№450 стабилизирующий отжиг.

№455 глянцевание.

№№460-470 исправление дефектов и маркировка заготовки.

Четвертая часть содержит следующие операции.

№510 аттестация дробеструйной установки.

№№515-525 обработка пера, полок, замка и других элементов лопатки.

№530 слесарная обработка.

№535 контроль упрочнения поверхностей лопатки.

№№540-565 слесарная обработка и нанесения покрытия.

№№ 570-575 шлифование стыковых поверхностей со стороны спинки и корыта лопатки.

№№580-585 контроль.

№№590-595 слесарная доводка.

№№600-610 травления исправления дефектов.

№№615-620 окончательный контроль.

Представленный план обработки показывает всю последовательность изготовления лопаток в механическом цехе и проведения сопутствующих операций в различных подразделениях производства.[5]


1.3.5 Финишно – упрочняющая обработка лопаток компрессора из титановых сплавов.

Традиционно в авиадвигателестроении широко применяют для повышения усталостной прочности лопаток компрессора методы поверхностной пластической деформации; виброгалтование, виброшлифование, упрочнение микрошариками, ультрозвуковое упрочнение, дробеструйную обработку. Данные методы внедрены в производство изделий “37”, “25”, “95”, “55”, “195Ш”, “Е”, “99”, “96”, “Д436Т1”. Данные методы исследовались, обрабатывались и внедрялись в таких крупных научно-производственных центрах, как НПО им. Кузне- цоваВ.Н.(гСамара), ЗМПО (г. Запорожье), НИИД, НИАТ, ВИАМ, ЦИАМ, УМПО. В ходе проводимых работ было установлено, что ППД способствует трансформации дислокационной структуры, создает их различные комбинации: стенки, сетчатые и клубковые формирования, блоки, что приводит к повышению плотности дислокации на 1…4 порядка и повышению усталостной прочности на 10-30 %. Глубина упрочненного слоя при этом составляет от 10 до 3000 мкм и соизмеримо с размером упрочняющих элементов. Двигатели второго поколения лопатки компрессора из сплава ЭП961, ВТ9, упрочнение происходило виброгалтовкой, третьего поколения ВТ9,ВТ3-1, виброгалтовкой, микрошариками, четвертого поколения лопатки упрочнялись виброшлифованием, виброполированием.

Данные методы являются недостаточно управляемыми, в отдельных случаях может наблюдаться превышение степени деформации поверхностного слоя (перенаклеп), неоднородность формирования остаточных напряжений (одно и двухгорбые кривые сжимающих остаточных напряжений), следы от деформирующих элементов.

Получили внедрение такие методы как холодное вальцевание пера, электороискровое легирование, закалка токами высокой частоты, лазерное и электронное упрочнение. Холодная вальцовка применима для изготовления однозамковых лопаток до 400 мм из стали, жаропрочных и титановых сплавов с достаточной пластичностью при холодной деформации. Этот метод позволяет изготавливать лопаточную заготовку без припусков по перу на механическую обработку, снизить трудоемкость, объем ручных доводочных работ, повысить коэффициент использования металла и значительно повысить их эксплуатационные свойства. Важной особенностью холодной вальцовки является возможность получения кромок любой требуемой толщины (до 0,1 мм) без последующей ручной доработки, что особенно важно для лопаток.

Технология упрочнения поверхности пополнилась методами лазерной ионно-лучевой и импульсной плазменной обработки. Эти методы схожи по своей физической сущности – взаимодействие высокоэнергетических пучков или электронов, квантов оптического диапазона или ионов с матрицей обрабатываемого материала – значительно расширили возможности формирования поверхностного слоя.

Во время лазерной закалки не образуется вредных химических продуктов, нет шумов и высоких температур на рабочих местах.

Возможности импульсной плазменной обработки сложных поверхностей опробованы на деталях из промышленных сталей и сплавов. Обработка позволяет получить поверхность с высокими эксплуатационными свойствами независимо от вида предшествующей механической обработки. Плазменная обработка изменяет исходный рельеф, уменьшает шероховатость (на деталях из сплавов ВТ3-1 R_а снизилась с 1,7…2,5 до 0,32…0,63 мкм), устраняет гребни и впадины, оставленные при обработке резанием.