CC BY
14
Ij|p tl315.fm Page 104 Friday, September 11, 2015 3:33 PM ^^
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
УДК 621.762:669.24
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ЛИСТОВЫХ КАПСУЛ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ЗАГОТОВОК ДИСКОВ ИЗ ГРАНУЛ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ
С.А. Катуков, канд. техн. наук, Э.Э. Рехвиашвили
(ОАО «ВИЛС», e-mail: info@oaovils.ru)
Приведены результаты оценки применения капсул с толщиной стенки 2 мм при изготовлении заготовок дисков из гранул жаропрочных никелевых сплавов взамен капсул с толщиной стенки 6 мм.
Полученные положительные результаты по выравниванию формоизменения, снижению расхода гранул, повышению прочностных свойств позволяют рекомендовать тонкостенные капсулы для изготовления заготовок дисков.
Ключевые слова: гранулы, жаропрочные никелевые сплавы, заготовки дисков, капсулы, механические свойства.
Appraisal of the Possibility of the Use of Thin-Walled Sheet Cans for Production of Large-Size Ni-Base Superalloy Disk Blanks. S.A. Katukov, E.E. Rekhviashvily.
The results of experimental application of 2 mm thick wall cans instead of 6 mm thick wall cans for production of Ni-base superalloy disk blanks are shown.
The positive results obtained with respect to forming equalization, a reduction in "(i?)-
powder consumption and an improvement in strength properties allow the thin-walled cans to be recommended for production of disk blanks.
Key words: powder, Ni-base superalloys, disk blanks, cans, mechanical properties.
Наряду с совершенствованием эксплуатационных характеристик изготавливаемых изделий одной из основных задач, стоящих в настоящее время перед металлургией, является снижение себестоимости изделий за счет повышения производительности труда (снижение трудоемкости), экономии основных и вспомогательных материалов, повышения коэффициента использования металла (КИМ) и т. п.
Технология изготовления дисков газотурбинных двигателей из гранул жаропрочных никелевых сплавов (ЖНС) методом горячего изостатического прессования (ГИП) предусматривает осуществление компактирования гранулированного материала в герметичных капсулах - оболочках, являющихся пластически деформируемым формообразующим инструментом. Вследствие этого конфигурация
и размеры внутреннего объема капсулы определяют размеры получаемой заготовки диска и припуски на механическую обработку, а следовательно, влияют на расход материала (гранул), КИМ, трудоемкость обработки и т. п.
При изготовлении заготовок дисков из гранул ЖНС используют капсулы, полученные холодной листовой штамповкой из малоуглеродистых сталей типа Ст20. Толщина листа при этом составляет 6 мм. К сожалению , при использовании исходной листовой заготовки такой толщины невозможно (сложно) обеспечить получение (оформление) радиусов переходов элементов капсулы менее 10-12 мм, что, в свою очередь, не позволяет приблизить конфигурацию капсулы к конечной конфигурации заготовки [1].
При этом образуется сверхнормативные припуски толщиной 5-6 мм на каждой по-
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
верхности, сопрягаемой этими радиусами (на сторону).
Кроме этого, каждый элемент капсулы имеет конусность по вертикальным поверхностям, наличие которой необходимо при холодной листовой штамповке.
При листовой штамповке капсул из тонкого листа толщиной 2-3 мм возможно достигнуть уменьшения радиусов переходов капсул до 3-4 мм, что позволит «облагородить» конфигурацию капсул относительно изготовляемой заготовки диска и, следовательно, готовой детали, тем самым повысить КИМ.
Использование тонкостенных капсул должно позволить также:
- повысить равномерность деформации (формоизменения) заготовки в высотном и диаметральном направлениях в процессе ГИП за счет снижения жесткости как стенок и углов капсул, так и уменьшения жесткости сварных узлов. При этом за счет более равномерной деформации (усадки) также возможно снижение припусков, предназначенных для устранения коробления, менисков, эллипсности и т. п., что также позволяет уменьшить расход гранул;
- снизить расход углеродистой стали;
- снизить трудоемкость практически на всех стадиях технологического цикла изготовления заготовок дисков.
Однако при использовании таких капсул могут возникнуть следующие сложности, связанные с малой толщиной стенок капсулы:
- деформация капсулы (прогиб в высотном направлении центральной части капсулы) при высокотемпературном вакуумном отжиге и проверке на герметичность, приводящие к изменению исходных размеров. В процессе вакуумного отжига при повышенной температуре (1000°С) вследствие значительного снижения прочностных свойств материала капсулы возможно смятие той поверхности капсулы, которой она опирается на подину печи. В ходе проверки тонкостенных капсул на герметичность с помощью гелиевого тече-искателя при создании внутри них вакуума происходит сжатие стенок атмосферным давлением. Максимальная величина прогиба наблюдается в центральной части капсулы и может достигать нескольких миллиметров;
- деформация капсулы при перемещении герметизированных капсул с гранулами по операциям технологического цикла при горячем изостатическом прессовании.
Отсутствие опыта работы с тонкостенными капсулами с толщиной стенки 2 мм вызывает опасения, что при перемещении герметизированных капсул с гранулами может происходить отрыв грузозахватных скоб, а при горизонтальном перемещении - деформация (прогиб) верхнего и нижнего элементов под весом гранул. В обоих случаях это может привести к браку капсул, а также к созданию аварийной ситуации.
При ГИП заготовок дисков в тонкостенных капсулах для исключения неравномерной деформации (прогиба и изгиба элементов капсулы) необходимо обеспечить равномерность распределения веса вышележащих капсул на нижележащие.
Настоящее исследование было посвящено оценке возможности использования тонкостенных листовых капсул (с толщиной стенки 2 мм) для изготовления крупногабаритных заготовок дисков (диаметром - 500 мм) из гранул ЖНС.
Исследования проводили на двух типоразмерах заготовок дисков турбины, имеющих достаточно сложную по сечению конфигурацию шифров ОП-17, ОП-18 (рис. 1).
01615
«- —
1
0488
0269,5
Рис. 1. Чертежи-нормали заготовок дисков шифров ОП-17(а) и ОП-18 (б)
а
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Материал исследуемых заготовок дисков -гранулированный жаропрочный никелевый сплав ЭП741НП фракции - 200 + 50 мкм.
Методика проведения исследований предусматривала разработку мероприятий, позволяющих преодолеть приведенные выше сложности, оценку формоизменения заготовок дисков в процессе ГИП и сравнение механических свойств материала заготовок дисков, полученных в капсулах из листа толщиной 6 и 2 мм.
Материалом капсулы служила низкоуглеродистая сталь Ст20.
При этом капсулы шифра ОП-17 и ОП-18 изготавливали холодной листовой штамповкой (рис. 2).
Заготовку дисков изготавливали по серийной технологии на промышленном оборудовании (рис. 3, 4).
Формоизменение анализировали по результатам замеров заготовок дисков после ГИП с определением коэффициентов усадки Kди Kн, которые, в свою очередь, определяли по следующим соотношениям:
^ = Dн/Dк и ^ = Hн/Hк,
где Dн, Hн и Dк, Hк- начальные и конечные диаметральные и высотные размеры капсул соответственно.
Как уже упоминалось ранее, одним из опасных моментов изготовления дисков в тонкостенных капсулах является возможность отрыва грузозахватных скоб и деформация верхнего или нижнего элемента капсулы.
Поэтому в работе был проведен расчет тонкостенных капсул и грузозахватов на прочность.
В данной задаче нижнюю половину капсулы можно представить как круглую пластину
Рис. 3. Партия капсул шифра ОП-17 перед отжигом
Рис. 2. Штампованные капсулы шифров ОП-17 (а) и ОП-18 (б)
Рис. 4. Капсулы шифра ОП-18 перед засыпкой гранулами
"Ф
-Ф-
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
толщиной Ь, закрепленную некоторым образом по контуру. Очевидно, что закрепление нельзя считать как жестким защемлением, так и свободным. Его можно считать некоторым промежуточным состоянием между ними.
При переносе (транспортировании) герметизированной капсулы в горизонтальном положении можно предложить следующую схему нагружения - выгибание (прогиб) нижней половины капсулы в центральной части под действием равномерно распределенной массы засыпки гранул д.
Если принять состояние материала нижней половины капсулы, соответствующим схеме жесткопластического тела, то в момент достижения предельной нагрузки она переходит в состояние пластического течения, и в пластических зонах выполняется условие пластичности Мизеса, можно получить предельные нагрузки для принятых схем закрепления и нагружения [2] (рис. 5).
6Мт 11,3 Мт
д = —т, д =-т, Мт=
ь ь
Ь2а
—т, д= Р-,
4 ,д пЬ2,
1 II II II II 1
02Ъ
/
02Ъ
«- -»■
Исходя из этого, подставляя значения Мт и д, определим минимально допустимую толщину пластины (стенки капсулы):
0 ,3 5 Р т Ь2 т 0 ,66 Р
па-,
па-,
где д - предельная нагрузка на пластину; Мт - момент изгиба; Ь - радиус пластины; ат - предел текучести; Ь - толщина пластины; Р - масса засыпки гранул. Так как наш случай закрепления промежуточный, то можно предельную нагрузку д оценить как:
6Мт Мт
-т < д < 11,3 — .
22 ьь
Рис. 5. Схемы закрепления и нагружения нижней половины капсулы
Принимая массу засыпки гранул Р = 100 кг и предел текучести ат = 245 МПа, получаем:
0,446 < Ь2 < 0,84 или 0,67 мм < Ь < 0,92 мм.
Таким образом, для удовлетворения вышеприведенных условий толщина пластины должна быть между 0,67 и 0,92 мм. В нашем же случае толщина стенки капсулы составляет 2 мм. Следовательно, при такой толщине стенки капсулы ее изгиба (прогиба) не произойдет. Капсулы, изготовленные из листа (Ст. 20) толщиной 2 мм, обеспечивают достаточную прочность и безопасность при работе с ними.
Расчет грузозахватов на прочность показал аналогичные результаты.
Таким образом, опасения насчет отрыва грузозахватов и деформации верхнего и нижнего элементов капсулы были сняты.
Вопрос прогиба (смятия) капсулы в процессе вакуумного отжига капсул и их засыпки гранулами, а также ГИП был решен с помощью специальных приспособлений, обеспечивающих максимально равномерное распределение веса капсулы на опору и нижележащие капсулы.
При отсутствии опыта сварки тонкостенных элементов и труб было принято решение на заготовках шифра ОП-17 осваивать новую технологию сварки тонкостенных элементов, а на заготовках шифра ОП-18 выштамповы-вать центральную часть капсулы. Такие решения позволили повысить жесткость центральной части капсул в вертикальном направлении (см. рис. 2).
По разработанной технологии были изготовлены заготовки дисков в тонкостенных капсулах шифров ОП-17 и ОП-18 и поставлены Заказчику (по 10 заготовок каждого шифра).
Заготовки дисков исследуемых шифров после ГИП представлены на рис. 6, 7.
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Рис. 6. Заготовки дисков шифра ОП-17, полученные после ГИП в капсулах с толщиной стенки 6 (а) и 2 мм (б)
Рис. 7. Партия отпрессованных заготовок дисков шифра ОП-18
Результаты анализа формоизменения заготовок дисков показали следующее.
Заготовки диска шифра ОП-17, полученные в тонкостенных капсулах (см. рис. 6, б, 7), имеют более ровную поверхность, меньшие размеры и радиусы переходов (углов) между поверхностями заготовки по сравнению с толстостенными капсулами (см. рис. 6, а). При этом на тонкостенных капсулах практически отсутствует конусность на вертикальных поверхностях. Наиболее это заметно на заготовках дисков шифров ОП-18 (см. рис. 7).
Все вышеуказанное позволило максимально приблизить геометрию капсул к геометрии конечных заготовок за счет уменьшения радиусов переходов (углов) и конусности, тем самым уменьшить исходные внутренние размеры капсул и, следовательно, снизить расход гранул и объем (трудоемкость) последующей механической обработки по удалению лишнего металла.
Анализ результатов обмеров заготовок дисков после ГИП показал, что при использо-
вании толстостенных капсул коэффициенты усадки по охватывающим наружным диаметрам составляет 1,145-1,15, а по охватываемым внутренним - менее 1,13, что свидетельствует о различной усадке этих зон (элементов) заготовки. Такая же картина характерна и для заготовок других шифров, полученных ранее в капсулах с толщиной стенки 6 мм.
При прессовании же заготовок в капсулах с толщиной стенки 2 мм происходит значительное выравнивание усадок охватываемых и охватывающих зон - в обоих случаях 1,14-1,145. Некоторое снижение усадки происходит также в высотном направлении - с 1,15 до -1,14.
Все это свидетельствует о большей равномерности усадки (формоизменения) по объему элементов заготовки (капсулы с гранулами) в процессе ГИП в случае использования тонкостенных капсул.
Для более детальной оценки формоизменения заготовок при ГИП в капсулах шифра ОП-17 с различной толщиной стенки на поверхность капсул были нанесены фиксированные точки по схеме, приведенной на рис. 8. Точки наносили керном на двух взаимно перпендикулярных диаметрах по осям капсулы. После проведения ГИП были замерены расстояния между этими точками, что позволило провести анализ формоизменения зон, равноудаленных от центра капсулы и находящихся на одной и той же линии.
Из сопоставления полученных результатов обмеров было выявлено, что в обоих случаях на заготовках наблюдается эллипсность, присущая заготовкам всех шифров, засыпанных гранулами в вертикальном направлении. В то же время обнаружилось, что при использовании тонкостенных капсул коэффициенты усадки одноименных точек (зон) по обеим осям различаются не более чем на 0,7 %, в то время как на толстостенных капсулах различие доходит до 2 %.
Результаты проведенного эксперимента также свидетельствуют о более равномерной усадке (формоизменении) в диаметральном направлении при использовании капсул с толщиной стенки 2 мм.
Более равномерная усадка заготовки в тонкостенных капсулах с гранулами объяс-
-Ф-
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Ось 2
-Ф-
в" -
Ось 1
Рис. 8. Схема обмера заготовок диска ОП-17 после ГИП:
а - по элементам заготовки; б - по фиксированным точкам
нятся следующим. Любая капсула, используемая для ГИП заготовок дисков, независимо от толщины стенки имеет естественные углы жесткости, такие как сварная отбортовка по ободу и углы переходов между поверхностями (элементами) капсулы. В случае использования толстостенных капсул (-6 мм) толщина сварной отбортовки, состоящей из двух элементов, составляет -10 мм, радиусы углов переходов -10-12 мм, а зачастую и больше. В процессе ГИП эти углы жесткости в значительной степени препятствуют усадке (перемещению) в радиальном направлении,вследствие чего превалирует высотная усадка. При использовании же тонкостенных капсул (2 мм) толщина отбортовки составляет всего 4 мм, а радиуса -3-4 мм. При этом негативное влияние углов жесткости снижается в несколько раз и усадка выравнивается по объему заготовки.
В настоящем исследовании также была проведена оценка влияния толщины оболочки (стенки капсулы) на механические свойства при комнатной температуре изготавливаемого материала (сплава ЭП741НП) заготовок дисков (см. таблицу, рис.9). Испытывали 20 заготовок дисков исследуемых шифров.
Анализ данных таблицы показывает, что при использовании тонкостенных капсул средние значения прочностных свойств материала заготовок повышаются примерно на
Средние значения механических свойств заготовок дисков шифров ОП-17 и ОП-18
Шифр заготовки Толщина стенки капсулы, мм ств, МПа ст02, МПа 8, % % ан, Дж/см2
ОП-17 6 1482 10 04 248 247 67
1417-1537 957-1042 1 72-282 1 83-308 40-78
ОП-17 2 1540 1040 235 215 67
1476-1529 1010-1062 2 16-272 186-246 60-75
ОП-18 6 1477 989 256 252 67
1448-1515 902-1044 200-300 207-294 54-77
ОП-18 2 1505 1025 246 242 66
1455-1529 989-1049 1 92-272 190-263 60-75
Примечание. В числителе приведены средние, в знаменателе min и max значения свойств.
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
40 35 30
я
й 25
20 % 15 10 5
0
40 35 30
я
0
3 25
1 20
* 15 10 5 0
20-40 МПа, в то время как пластические свойства снижаются на 1-3 %.
Изменение механических свойств объясняется тем,что при использовании тонкостенных капсул скорость охлаждения при закалке превышает скорость охлаждения материала в более толстостенных капсулах, в том числе и за счет образования на поверхности капсулы слоя окалины меньшей толщины.
Кривые распределения механических свойств заготовок дисков шифров ОП-17 и ОП-18 в капсулах с разной толщиной показывают, что при использовании капсул с толщиной стенки 6 мм значения предела прочности в интервале 1480-1500 МПа достигаются в 41 % случаев, в то время как при использовании тонкостенных капсул - в 29 % случаев.
Однако значения предела прочности выше 1500 МПа в первом случае имеет место лишь в 16 % результатов испытании, а во втором - в 50 %.
Значения предела текучести в интервале 980-1000 МПа при использовании толстостенных капсул имеют место в 36 % результатов испытаний, а при использовании тонкостенных капсул лишь в 10%. Значения же предела текучести более 1000 МПа в первом случае составляет 30 % результатов, а во втором - 90 %. При этом отмечается некоторое снижение пластических свойств материала заготовок. Так, например, при использовании капсул с толщиной стенки 6 мм устойчивое значение относительного удлинения выше 24 % имеет место в 69 % случаев испытаний, при переходе же на капсулы с толщиной стенки 2 мм наблюдается снижение этого показателя до уровня меньше 47 %.
При сравнении ударной вязкости материала заготовок, полученных в капсулах с раз-
■
/ \
/ \
р / > М
! У \ /
/ / \У
4 / \
Ь- — -ш
11111
1440-1460 1480 -1500 1520-1540
1460-1480 1500-1520
Предел прочности, МПа
д
' \
// / \
/ * ъ
/ / \
/ V
/
/
Л 1111
35
30
§ 25
|20 о
^ 15 10 5 0
920-940 960-980 1000-1020 1040-1060 940-960 980-1000 1020-1040 Предел текучести, МПа
19-22 22-24 24-26 26-28 Относительное удлинение, %
70 60
8 50 а
^ 40 с
30 20 10 0
40-50 50-60 60-70 70-8 Ударная вязкость, Дж/см2
Рис. 9. Кривые распределения механических свойств материала заготовок дисков шифров ОП-17и ОП-18, полученных в капсулах с толщиной стенки 2 (+) и 6 мм (■)
личной толщиной стенки, показатели примерно равны (превышают 60 Дж/см2 в более 80 % случаев испытаний).
Таким образом, результаты проведенного анализа влияния толщины стенки капсулы на механические характеристики материала при изготовлении 20 заготовок дисков шифров ОП-17 и ОП-18 позволяют сделать однозначный вывод, что уменьшение толщины стенки капсулы приводит к повышению прочностных характеристик свойств материала заготовок.
Все тонкостенные капсулы исследуемых шифров имели геометрию, более приближенную к контуру поставляемых заготовок, чем капсулы с толщиной стенки 6 мм. Размеры тонкостенных капсул практически по каждой плоскости на 3-4 мм были меньше, чем у толстостенных. Это стало достижимым за счет уменьшения радиусов до 4 мм и конусности на вертикальных поверхностях капсулы, при-
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
ведшего к снижению как диаметральных, так и высотных размеров сопрягаемых поверхностей элементов капсул, что, в свою очередь, способствовало снижению массы засыпки гранул при изготовлении заготовок дисков шифров ОП-17 и ОП-18. При использовании толстостенных капсул шифров ОП-17 и ОП-18 масса засыпаемых гранул составила 107 и 88 кг, а тонкостенных - 93 и 75 кг соответственно. При этом КИМ повысился на заготовках ОП-17 с 0,44 до 0,51, на заготовках ОП-18 с 0,33 до 0,39.
Таким образом, экономия гранул сплава ЭП741НП Егр на 10 запущенных в производство капсул каждого шифра составила: £гр = (107 - 93)- 10 + (88 - 75)- 10 = 270 кг или 13,8 % от запуска.
Кроме того, выявленные закономерности формоизменения заготовок в процессе ГИП позволили наметить пути рационализации размеров капсул не только по отношению к габаритным размерам, но и по всему контуру капсулы, что позволит обеспечить еще большее снижение расхода гранул.
Естественно, что уменьшение расхода гранул позволит снизить объем механической обработки и, следовательно, трудоемкость изготовления заготовок дисков. В нашем случае трудоемкость только механической обработки заготовок была снижена на 11-12%. Также при использовании тонкостенных капсул снижается расход листового стального проката примерно в 3 раза.
Заключение
1. Двухмиллиметровая толщина стенки капсул, изготовленных из малоуглеродистой стали Ст 20, обеспечивает достаточную прочность и безопасность при работе.
2. Тонкостенные листовые капсулы обеспечивают повышение равномерности формоизменения по объему изделия в процессе ГИП по сравнению с более толстостенными, что, в свою очередь, максимально приближает конфигурацию изготавливаемой заготовки к конфигурации конечной детали и устраняет сверхнормативные припуски металла.
3. При использовании капсул шифров ОП-17 и ОП-18 с толщиной стенки 2 мм достигнуты снижение расхода гранул сплава ЭП741НП на 14 и 13 кг соответственно, повышение КИМ с 0,44 до 0,51 и с 0,33 до 0,39 соответственно, снижение трудоемкости механической обработки на 11-12%.
4. Применение двухмиллиметровых капсул вместо толстостенных позволяет повысить прочностные свойства материала дисков на 20-40 МПа.
5. Полученные положительные результаты исследования позволяют рекомендовать использование капсул с толщиной стенки 2 мм при изготовлении заготовок дисков из гранул жаропрочных никелевых сплавов взамен шестимиллиметровых капсул.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кокорин В.Н. Технологические расчеты в процессах холодной листовой штамповки. - Ульяновск: УлГТУ, 2002. - 36 с.
2. Тимошенко С.П. Сопротивление материалов. -М.: Наука, 1965. - 480 с.
