Патент на изобретение №2151027

(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОЛЕСА С ЛОПАТКАМИ

(57) Реферат:

Способ включает сборку заготовки, состоящей из капсулы с размещенными внутри прокладками, засыпку капсулы гранулами материала колеса, ее герметизацию, горячее изостатическое прессование и удаление прокладок. При сборке заготовки вначале в капсулу устанавливают закладной элемент из материала колеса с конфигурацией боковой поверхности, соответствующей поверхности корытца скрытого проточного канала готового колеса, затем вставляют прокладки в виде сегментов, закрепленных одними концами на делителе, другими – на капсуле, с обеспечением одинакового расстояния между поверхностями, образующими межлопаточное пространство, определяемое соотношением l₁ = (+0,6):K, где l₁ – расстояние между сегментами, мм; – толщина пера лопатки готового колеса, мм; К – коэффициент усадки гранул по нормали к сегментам; 0,6 – припуск на химическое фрезерование, мм, при этом сегменты выполняют с внутренней поверхностью, конгруэнтной боковой поверхности закладного элемента, и устанавливают их с зазором, определяемым из соотношения: l₁ = [(1-2)₁]:(1-K₁), где l₂ – расстояние между закладным элементом и сегментами, мм; ₁ – наибольшая толщина пера лопатки у втулки, мм; К₁ – коэффициент усадки гранул по нормали к закладному элементу, с зазором со стенкой капсулы, определяемым из соотношения: l₃ = (₂+4):K₂, где l₃ – расстояние между наружной поверхностью сегментов и капсулой, мм; ₂ – – наибольшая большая толщина покрывного диска готового колеса, мм; К₂ – коэффициент усадки гранул по нормали к сегментам; 4 – допуск на механическую обработку, мм. Изобретение позволяет снизить трудоемкость изготовления колеса, снизить себестоимость, повысить его качество и расширить номенклатуру.

Предполагаемое изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при изготовлении центробежных колес из гранул для газотурбинных двигателей и энергетических установок.

Известна конструкция заготовки для изостатического прессования ротора турбины, включающая капсулу с обрабатываемым порошковым материалом, внутри которой расположен жесткий недеформируемый обод, в фигурных отверстиях которого расположены первые части лопаток (США, пат. N 3940268, кл. 75-208, 1976 г.).

Недостатком этого способа является ограниченная номенклатура изготавливаемых колес с лопатками.

Известен способ изготовления турбинного центробежного колеса с лопатками методом горячего изостатического прессования герметичной капсулы, внутри которой расположено кольцо, состоящее из чередующихся прокладок и лопаток, хвостовые части которых направлены внутрь кольца, а свободное пространство заполнено гранулами материала колеса, причем прокладки после прессования удаляются (США, патент N 4.097276, B 22 F 3/00, 3/14, 1978 г.).

Недостатками известного способа являются высокая трудоемкость и себестоимость изготовления колес из-за необходимости предварительного изготовления лопаток и сложности сборки их с прокладками, изменение геометрии лопаток ввиду значительных перемещений элементов кольца в радиальном направлении при усадке гранул в процессе горячего изостатического прессования, ограниченная номенклатура получаемых колес.

Предлагается способ изготовления центробежного колеса с лопатками, включающий сборку заготовки, состоящей из капсулы с размещенными внутри прокладками, засыпку капсулы гранулами материала колеса, ее герметизацию, горячее изостатическое преcсование и удаление прокладок. При сборке заготовки вначале в капсулу устанавливают закладной элемент из материала колеса c конфигурацией боковой поверхности, соответствующей поверхности корытца скрытого проточного канала готового колеса, затем вставляют прокладки в виде сегментов, закрепленных одними концами на делителе, другими – на капсуле, с обеспечением одинакового расстояния между поверхностями, образующими межлопаточное пространство, определяемое соотношением:

где l₁ – расстояние между сегментами, мм;
– толщина пера лопатки готового колеса, мм;
K – коэффициент усадки гранул по нормали к сегментам;
0,6 – припуск на химическое фрезерование, мм,
при этом сегменты выполняют с внутренней поверхностью, конгруэнтной боковой поверхности закладного элемента, и устанавливают их с зазором, определяемым из соотношения

где l₂ – расстояние между закладным элементом и сегментами, мм;
₁ – наибольшая толщина пера лопатки у втулки, мм;
K₁ – коэффициент усадки гранул по нормали к закладному элементу,
и с зазором со стенкой капсулы, определяемым из соотношения

где l₃ – расстояние между наружной поверхностью сегментов и капсулой, мм;
₂ – наибольшая толщина покрывного диска готового колеса, мм;
K₂ – коэффициент усадки гранул по нормали к сегментам, мм;
4 – допуск на механическую обработку, мм.

Предлагаемый способ отличается, от прототипа тем, что при сборке заготовки вначале в капсулу устанавливают закладной элемент из материала колеса с конфигурацией боковой поверхности, соответствующей поверхности корытца скрытого проточного канала готового колеса, затем вставляют прокладки в виде сегментов, закрепленных одними концами на делителе, другими – на капсуле, с обеспечением одинакового расстояния между поверхностями, образующими межлопаточное пространство, определяемое соотношением:

где l₁ – расстояние между сегментами, мм;
– толщина пера лопатки готового колеса, мм;
K – коэффициент усадки гранул по нормали к сегментам;
0,6 – припуск на химическое фрезерование, мм,
при этом сегменты выполняют с внутренней поверхностью, конгруэнтной боковой поверхности закладного элемента, и устанавливают их с зазором, определяемым из соотношения:

где l₂ – расстояние между закладным элементом и сегментами, мм;
₁ – наибольшая толщина пера лопатки у втулки, мм;
K₁ – коэффициент усадки гранул по нормали к закладному элементу,
и с зазором со стенкой капсулы, определяемым из соотношения:

где l₃ – расстояние между наружной поверхностью сегментов и капсулой, мм;
₂ – наибольшая толщина покрывного диска готового колеса, мм;
K₂ – коэффициент усадки гранул по нормали к сегментам;
4 – допуск на механическую обработку, мм.

Технический результат – снижение трудоемкости изготовления колеса и как следствие снижение себестоимости, повышение его качества и расширение номенклатуры.

Предлагаемый способ позволяет исключить предварительное изготовление лопаток и их подгонку к прокладкам при сборке заготовки за счет того, что вместо лопаток производят засыпку гранул из материала колеса, что значительно снижает трудоемкость изготовления колеса и его себестоимость. Кроме того обеспечивается возможность получения лопаток требуемой геометрии благодаря сведению к минимуму радиальных перемещений сегментов их формующих в процессе ГИП и прочного диффузионного соединения лопаток из гранул между собой, и закладным элементом, что повышает качество колеса. Предлагаемый способ позволяет расширить номенклатуру изготавливаемых колес за счет возможности их получения со скрытыми проточными каналами и тонкостенными лопатками сложного профиля.

ПРИМЕР.

Изготавливали центробежное колесо закрытого типа из сплава ВТ25, имеющее сложнопрофильные лопатки с толщиной кромок до 0,7 мм.

Была спроектирована и изготовлена капсула размером Д=430 мм, Н=240 мм. В нижнюю стальную полукапсулу поместили закладной элемент из титана ВТ25 с боковой поверхностью, соответствующей по конфигурации корытцу скрытого проточного канала колеса и смещенной к центру на 3 мм (1,5₁, где ₁ – наибольшая толщина пера лопатки у втулки). Затем установили 32 сегмента из стали 20, у которых боковые поверхности соответствуют требуемому профилю лопаток, а расстояние между ними равно толщине лопатки, увеличенной на величину припуска под химическое фрезерование, и усадку гранул, а внутренняя и наружная поверхности соответствуют профилю скрытого проточного канала готового колеса. Эти сегменты одними концами закрепили на делителе из стали 20, а другими – на капсуле.

Далее всю сборку закрывали верхней полукапсулой, также из стали 20, и производили соединение полукапсул аргоно-дуговой сваркой. После проверки на герметичность капсулу засыпали гранулами сплава ВТ25, вакуумировали и герметизировали электроннолучевой заваркой патрубка капсулы.

Горячее изостатическое прессование капсулы с гранулами проводили на газостате по режиму: t = 960^oC, P=1500 атм, = 4 чac. После удаления стальных элементов капсулы, в том числе и сегментов, методом травления в растворе HNO₃ получили центробежное колесо с лопатками и покрывным диском, у которого профиль и размеры лопаток и межлопаточного пространства отвечают заданным требованиям. Искажений профиля лопаток не отмечалось ввиду минимального радиального перемещения сегментов в процессе ГИП (1 мм). В результате прошедших диффузионных процессов граница соединения гранульной части и закладного элемента на микрошлифах проявляется весьма слабо, что свидетельствует о высоком качестве соединения лопаток с центральной частью колеса.

Себестоимость изготовления колеса составила 57 млн.руб. ввиду исключения из технологии предварительного изготовления титановых лопаток.

По прототипу также была изготовлена капсула Д=430 мм, Н=240 мм, состоящая из нижней и верхней полукапсул из стали 20, внутри которой размещались лопатки из титанового сплава ВТ25 в количестве 32 штук с прокладками между ними из стали 20. После сварки капсулы ее засыпали гранулами сплава ВТ25 и проводили технологические операции и режимы по прототипу. В результате было получено колесо с лопатками без покрывного диска. При исследовании колеса наблюдалось искажение профиля лопаток, что явилось следствием значительных радиальных перемещений лопаток с прокладками к центру (10 мм) в процессе ГИП капсулы. Кроме того, при оценки качества колеса пришлось контролировать зону соединения каждой лопатки с гранульной частью. Себестоимость изготовленного колеса составила 79 млн. руб.

Таким образом, предлагаемый способ расширяет номенклатуру центробежных колес за счет изготовления колес с тонкостенными сложнопрофильными лопатками и с покрывным диском, что позволит в случае использования их в авиационном двигателе повысить его КПД на 10%. Кроме того, предлагаемый способ позволит уменьшить трудоемкость изготовления колеса на 48-50% и снизить себестоимость получения колес с лопатками на 25-30%, повысить качество колес за счет исключения искажений геометрии лопаток и обеспечения надежного диффузионного соединения лопаток между собой и самим колесом.

Формула изобретения

Способ изготовления центробежного колеса с лопатками, включающий сборку заготовки, состоящей из капсулы с размещенными внутри прокладками, засыпку капсулы гранулами материала колеса, ее герметизацию, горячее изостатическое прессование и удаление прокладок, отличающийся тем, что при сборке заготовки вначале в капсулу устанавливают закладной элемент из материала колеса с конфигурацией боковой поверхности, соответствующей поверхности корытца скытого проточного канала готового колеса, затем вставляют прокладки в виде сегментов, закрепленных одними концами на делителе, другими на капсуле, с обеспечением одинакового расстояния между поверхностями, образующими межлопаточное пространство, определяемое соотношением
l₁ = ( + 0,6) : K,
где l₁ – расстояние между сегментами, мм;
– толщина пера лопатки готового колеса, мм;
К – коэффициент усадки гранул по нормали к сегментам;
0,6 – припуск на химическое фрезерование, мм,
при этом сегменты выполняют с внутренней поверхностью, конгруэнтной боковой поверхности закладного элемента, и устанавливают их с зазором, определяемым из соотношения
l₁ = [(12)₁]:(1-K₁),
где l₂ – расстояние между закладным элементом и сегментами, мм;
₁ – наибольшая толщина пера лопатки у втулки, мм;
К₁ – коэффициент усадки гранул по нормали к закладному элементу,
и с зазором со стенкой капсулы, определяемым из соотношения
l₃ = (₂ + 4) : K₂,
где l₃ – расстояние между наружной поверхностью сегментов и капсулой, мм;
₂ – наибольшая толщина покрывного диска готового колеса, мм;
К₂ – коэффициент усадки гранул по нормали к сегментам;
4 – допуск на механическую обработку, мм.