Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка научных основ высокоэффективной технологии и оборудования для изготовления в условиях сверхпластичности широкой номенклатуры полых валов газотурбинных двигателей из жаропрочных сплавов и сталей

Докладчик: Утяшев Фарид Зайнуллаевич

Должность: д.т.н. чл.-корр. академии РБ, главный научный сотрудник ИПСМ РАН

Цель проекта:
Разработка научно-технических основ высокоэффективной технологии и оборудования для изготовления в условиях сверхпластичности широкой номенклатуры полых валов газотурбинных двигателей из жаропрочных сплавов и сталей. В результате реализации проекта будут получены данные, необходимы для проектирования новой технологии раскатки валов для газотурбинных двигателей из современных жаропрочных сплавов и технические требования необходимые для создания конструкторской документации на стан для раскатки широкой номенклатуры валов. Выполнены экспериментальные работы по изготовлению модельных образцов валов (отличающихся от реальных валов лишь уменьшенным масштабом) из промышленных сплавов и определены их режимы обработки, обеспечивающие им высокие механические свойства.

Основные планируемые результаты проекта:
В разрабатываемой технологии валы будут раскатываться в режиме или в состоянии сверхпластичности. В первом случае будут использованы заготовки с крупнозернистой структурой, что приведет её к измельчению в результате прохождения динамической рекристаллизации, во втором с ультрамелкозернистой структурой, что обеспечит стабильность структуры и низкое напряжение течения материала. Это наиболее прогрессивная технология, которая позволит получать валы за одну операцию с высокой точностью приближения размеров и формы раскатанной заготовки к размерам и форме чистовой детали. По сравнению с существующими технологиями, предлагаемой процесс раскатки обеспечит повышение коэффициента использования металла (КИМа) в 3-5 раз. Кроме того, процесс изотермической и сверхпластической раскатки валов обеспечит изготовление валов с высокой однородностью макро- и микроструктуры и с изотропными механическими свойствами. После термообработки комплекс механические свойств раскатанных валов повысится на 20-30 % в сравнении с обычно достигаемыми после традиционной горячей деформации и термообработки. Повышение свойств обусловлено особенностями механизмов сверхпластической деформации, обеспечивающих существенную деформационную проработку структуры и выравнивание химического, фазового и зеренного строения сплавов во всем объеме изделия. Важно отметить, что раскатка в условиях сверхпластичности позволит изготавливать валы из материалов, которые невозможно деформировать на существующих отечественных и зарубежных раскатных машинах, в принципе, из-за их труднообрабатываемости и малой пластичности, в частности, речь идет о перспективных интерметаллидных сплавах на базе (Ti-Al), отличающихся высокой удельной прочностью.
Преимуществом процесса раскатки валов в условиях сверхпластичности в сравнении с традиционными условиями горячей деформации, применяемых в той же раскатке, прессовании или ковке, является обеспечение стабильности технологических режимов по температуре, скорости, степени деформации. Это позволяет реализовать процесс формообразования деталей в автоматическом режиме с контролем и записью действительных параметров, что весьма важно для обеспечения в них стабильного заданного уровня механических свойств.
Важнейшим преимуществом предлагаемой технологии перед существующими методами, включая метод горячего изостатического прессования (ГИП), используемый в порошковой (гранульной) металлургии, является глубокая деформационная проработка материала. Значительный вклад ротационной моды деформации при раскатке обеспечивает исключительно высокую степень однородности получаемой микрокристаллической структуры, что согласно закона Холла – Петча повышение уровня прочностных и жаропрочных свойств. Последнее обусловлено тем, что верхняя температурная граница эксплуатации валов ГТД составляет 300-400о С. Эти температуры для материалов, применяемых для изготовления валов ГТД заметно ниже, так называемой, эквикогезивной температуры, при которой границы разупрочняются до уровня прочности тела зерен и материал приобретает признаки сверхпластической деформации.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Результаты проекта могут быть использованы для разработки современного оборудования и технологии, предназначенных для изготовления полых валов и обечаек для газотурбинных двигателей и аналогичных машин из труднодеформируемых и малопластичных жаропрочных сплавов.
2. Комплексная нацеленность проекта на разработку теоретических и прикладных основ технологии и оборудования, экспериментальной апробации: изготовления модельных ( в уменьшенном масштабе) образцов валов из современных сплавов и работоспособного макета раскатного стана, предоставит позволит однозначно определить и реализовать технические характеристики для промышленного раскатного оборудования. Сократить время его изготовления и освоения новых технологий.
3. Проект нацелен на разработку нового технологического направления, позволяющего организовать гибкое автоматизированное производство широкой номенклатуры валов для газотурбинных двигателей. В результате существенно снизятся энерго- материало- и трудозатраты при их изготовлении и повысится качество и ресурс этих деталей ответственного назначения. Физической предпосылкой данного прогноза является использованием новых технических решений, базирующихся на фундаментальных результатах изучения явления сверхпластической деформации металлов и сплавов и практики его применения в промышленном производстве.

Текущие результаты проекта:
Выполнен следующий перечень работ, выполняемых за счет средств субсидии:
1. Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной и методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ.
2 Проведены патентных исследований.
3. Обоснование и выбор методов и средств, направлений исследований и способов решения поставленных задач.
4. Анализ номенклатуры типовых валов, применяемых в ГТД и способов их изготовления.
5. Разработка методики выбора формы и размеров исходной заготовки для раскатки экспериментальных образцов вала.
6. Расчёт траектории, скорости перемещения инструмента и вала.
7. Разработка методики расчёта кинематических, термомеханических и энергосиловых параметров процесса раскатки.
8. Выбор и обоснование кинематической схемы раскатки валов.
9. Обоснование кинематических параметров, термомеханических и энергосиловых режимов процесса раскатки валов.
Кроме того, за счет внебюджетных средств произведена:
1. Разработка ЧТЗ на проектирование и изготовление макета технологического стана для раскатки валов в изотермических и сверхпластических условиях (далее – Макет СРВ).
2. Приобретение контрольно-измерительного оборудования для испытаний основных механических узлов Макета СРВ.