Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 – Анализ технологий производства заготовок дисков с функционально-градиентными свойствами для авиационных газотурбинных двигателей (научно технический обзор) 9
1.1 Термомеханические условия работы дисков турбин высокого давления авиационных ГТД 9
1.2 Химический состав и уровень механических характеристик дисковых жаропрочных никелевых сплавов нового поколения 17
1.3 Технологии производства заготовок дисков с функционально-градиентными характеристиками по сечению
1.3.1 Особенности технологий изготовления биметаллических заготовок дисков 29
1.3.2 Особенности технологий изготовления заготовок дисков с переменной структурой 31
1.4 Выводы и постановка задач исследования 54
ГЛАВА 2 – Материал и методики проведения исследований 58
2.1 Материалы и технология их производства 58
2.2 Методы проведения исследований качества гранул различной крупности 65
2.3 Методы проведения исследований микроструктуры, уровня механических свойств и качества компактного материала из гранул различной крупности
2.3.1 Определение температур основных фазовых превращений в исследуемых гранулируемых жаропрочных никелевых сплавах 68
2.3.2 Исследование особенностей микроструктуры компактного материала 68
2.3.3 Исследование уровня механических свойств компактного материала 70
2.3.4 Анализ содержания газовых примесей в компактном материале 71
2.4 Неразрушающий контроль качества экспериментального образца диска
и опытных заготовок дисков с переменной структурой из гранулированных никелевых сплавов 71
ГЛАВА 3 Исследование модельных образцов компактного материала из гранул различной крупности 76
3.1 Исследование содержания газовых примесей 76
3.2 Исследование микроструктуры компактного материала
3.2.1 Соединение гранул различной крупности в компактное изделие с переменной структурой 78
3.2.2 Исследование влияния крупности гранул на размер зерна компактного материала после ГИП 80
3.2.3 Исследование особенностей микроструктуры переходной зоны компактного материала 81
3.2.4 Исследование влияния термической обработки на размер зерна компактного материала 86
3.2.5 Исследование микроструктуры модельных образцов компактного материала 92
3.2.6 Исследование характеристик прочности и пластичности модельных образцов компактного материала 104
3.2.7 Исследование характеристик длительной прочности модельных образцов компактного материала 107
3.2.8 Исследование характеристик МЦУ модельных образцов компактного материала 110
3.3 Выводы по главе 3 112
ГЛАВА 4 Разработка опытной технологии изготовления экспериментального образца диска с переменной структурой из гранул сплава эп741нп 114
4.1 Разработка конструкции, чертежей и изготовление капсулы 114
4.2 Заполнение, вакуумная дегазация и герметизация гранул в капсуле 117
4.3 Горячее изостатическое прессование экспериментального образца диска 122
4.3.1 Исследование формоизменения экспериментального образца диска после ГИП 123
4.4 Термическая обработка экспериментального образца диска 127
4.5 Неразрушающий контроль экспериментального образца диска 129
4.6 Всесторонние исследования материала экспериментального образца диска 130
4.7 Выводы по главе 4 138
ГЛАВА 5 – Разработка опытной технологии производства заготовок дисков твд с функционально-градиентными свойствами из гранул сплава ВВ750П 140
5.1 Разработка конструкции, чертежей и изготовление капсул 140
5.2 Выбор оптимальных фракционных составов гранул 147
5.3 Заполнение, вакуумная термическая дегазация и герметизация гранул в капсуле 148
5.4 Горячее изостатическое прессование заготовок дисков
5.4.1 Исследование образцов-свидетелей после ГИП 157
5.4.2 Исследование формоизменения заготовок дисков
5.5 Термическая обработка 161
5.6 Неразрушающий ультразвуковой контроль 163
5.7 Испытания механических и жаропрочных характеристик заготовок дисков 166
5.8 Всесторонние испытания материала заготовки диска с функционально-градиентными характеристиками 173
5.9 Выводы по главе 5 191
ГЛАВА 6 – Внедрение разработаннной опытной технологии производства заготовок дисков с функционально градиентными свойствами 192
6.1 Научно-техническая новизна решений, разработанных в диссертации
6.2 Экономическая эффективность внедрения турбинных дисков с функционально-градиентными свойствами в конструкции перспективных газотурбинных двигателей 195
6.3 Выводы по главе 6 198
Общие выводы 200
Список литературы 202
- Технологии производства заготовок дисков с функционально-градиентными характеристиками по сечению
- Методы проведения исследований микроструктуры, уровня механических свойств и качества компактного материала из гранул различной крупности
- Соединение гранул различной крупности в компактное изделие с переменной структурой
- Горячее изостатическое прессование экспериментального образца диска
Введение к работе
Актуальность диссертационной работы подтверждается тем, что разработку опытной технологии производства и изготовление турбинных дисков II ступени ТВД для двигателя ПД14 выполняли по договору №70/0304 от 13.07.12г. между ОАО «ВИЛС» и АО «Авиадвигатель» по разработке научно-технической продукции - на производство и поставку опытных заготовок дисков с переменной структурой из гранул сплава ВВ750П в рамках ФЦП «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002-2010 годы и на период до 2015 года», утверждённой Постановлением Правительства Российской Федерации от 15 октября 2001 г. №728, с Изменениями в соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации от 27 августа 2006 г. №519.
Цель работы
Провести исследования и разработать опытную технологию производства заготовок дисков с переменной структурой и функционально-градиентными свойствами из гранул жаропрочных никелевых сплавов, соответствующих реальным условиям их эксплуатации в составе ГТД, для их применения в конструкциях перспективных авиационных двигателей.
Задачи работы
Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:
-
Изготовить экспериментальные образцы заготовок с переменной структурой из гранул различной крупности и исследовать особенности их микроструктуры. Выбрать оптимальные фракции мелких и крупных гранул, режимы ГИП и термической обработки для формирования мелкого и крупного зерна в материале образцов после ГИП и сохранения мелкого зерна после последующей закалки.
-
Изготовить модельные образцы заготовок с переменной структурой, исследовать особенности их микроструктуры и комплекс механических свойств материала в мелкозернистой, крупнозернистой и переходной зонах. Оценить возможность управления размером у'-фазы за счёт частичного удаления стальной оболочки капсулы перед закалкой с целью повышения жаропрочности крупнозернистого материала.
-
Разработать опытную технологию и изготовить экспериментальный образец полноразмерного диска с переменной структурой, одним из ключевых элементов которой является конструкция капсулы с деталью «разделитель», позволяющая регламентированно заполнять ободную и ступичную области диска крупными и мелкими гранулами, предотвращая их перемешивание на стадии заполнения капсулы гранулами. Исследовать особенности микроструктуры и механических свойств экспериментального диска в различных зонах.
-
Разработать опытную технологию производства и изготовить заготовки дисков турбины II ступени ТВД с переменной структурой и функционально-градиентными свойствами из гранул различной крупности нового сплава ВВ750П для перспективного двигателя ПД14.
-
Провести исследования микроструктуры и механических характеристик материала крупнозернистой, мелкозернистой и переходной зон.
-
Исследовать возможность обнаружения зоны расположения переходной зоны методом автоматизированного УЗК.
Научная новизна
Впервые разработанная в диссертации технология доказывает принципиальную возможность изготовления из гранул одного сплава различной крупности заготовок дисков авиационных двигателей с переменной структурой и функционально-градиентными характеристиками, что позволяет существенно снижать их массу. Разработанная технология защищена Патентом РФ №2536124 от 21.08.2013.
За счёт применения гранул различной крупности узких фракционных составов можно в одном изделии получать фиксированные области, размер зерна в которых отличается примерно в два раза (28 и 53 мкм) с шириной переходной зоны 500800 мкм, стабильной по отношению ко всем видам испытаний. Разработанный способ защищён Патентом РФ №2455115 от 17.02.11.
Выявлено, что за счёт частичного удаления стальной оболочки перед закалкой можно управлять размером у'-фазы в различных областях диска, отличающимся в 1,5 раза, что существенно повышает характеристики длительной прочности крупнозернистого материала в области обода и прочности и малоцикловой усталости в области ступицы. Разработанный способ защищён Патентом РФ №2455115 от 17.02.11.
Разница в структурных шумах, образующихся от мелкозернистого и крупнозернистого материала даёт возможность использовать автоматизированный УЗК для определения координат переходной зоны в дисках с переменной структурой, изготовленных из гранул жаропрочных никелевых сплавов различной крупности.
Практическая значимость работы
1. Предложен и реализован новый способ изготовления заготовок дисков с функционально-градиентными свойствами за счёт формирования переменной структуры
посредством использования гранул различной крупности одного сплава. Разработанный способ защищён Патентом РФ №2455115 от 17.02.11.
-
В диссертации предложено новое конструкторско-технологическое решение, деталь «разделитель» в конструкции капсулы, для изготовления заготовок дисков, обеспечивающее регламентированное заполнение её разных областей мелкими и крупными гранулами, и исключающее перемешивание гранул на стадии заполнения ими капсулы, формирующими зону обода и ступицы после ГИП. Разработанное решение защищено Патентом РФ №2536124 от 21.08.2013.
-
Полноразмерные заготовки дисков II ступени ТВД с переменной структурой диаметром 510 мм, высотой 128 мм и массой 118 кг из гранул сплава ВВ750П (шифр ДП808) для турбины авиационного двигателя ПД14, изготовленные по разработанной в работе опытной технологии, проходят апробацию в АО «Авиадвигатель» г. Пермь.
Положения, выносимые на защиту:
- принципиально новая технология производства заготовок дисков ГТД с
переменной структурой и функционально-градиентными свойствами из жаропрочных
никелевых сплавов за счёт применения гранул различной крупности;
результаты исследования возможности получения единого компактного материала с существенно отличающимся размером зерна и у'-фазы из гранул жаропрочных никелевых сплавов;
возможность формирования переходной зоны в расчётных координатах за счёт конструкции капсулы с деталью «разделитель», позволяющей регламентированно заполнять её гранулами различной крупности;
определение координат формирующейся переходной зоны в заготовках дисков с переменной структуры из гранул жаропрочных никелевых сплавов автоматизированным УЗК за счёт разницы в структурных шумах, образующихся от мелкозернистого и крупнозернистого материалов.
Достоверность и обоснованность положений и выводов обеспечиваются применением современных методов исследований структуры и свойств материалов и использованием оборудования и методик, аттестованных государственной и международной службами стандартизации и метрологии.
Апробация работы
Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на:
- Всероссийской научно-технической конференции молодых учёных и специалистов
«Новые решения и технологии в газотурбостроении». - ФГУП «ЦИАМ» им. П.И. Баранова,
5-8 октября 2010г., г. Москва (Присуждён Диплом II степени).
V Международной молодёжной научно-технической конференции «Молодёжь в авиации: новые решения и передовые технологии» - г. Алушта, 16-20 мая 2011 г. (Присуждена Грамота за высокий научный и технический уровень разработки представленного доклада).
XII Международном салоне «Двигатели-2012». Научно-технический конгресс по двигателестроению (НТКД-2012). - ВВЦ, 18-19 апреля 2012г., г. Москва.
Международных молодёжных научно-технических чтениях им. А.Ф. Можайского.
- г. Алушта, 21-23 мая 2013 г., (Присуждён Диплом I степени).
- Международной конференции по горячему изостатическому прессованию HIP’14.
- г. Стокгольм, Швеция, 9-13 июня 2014 г. (Присуждён Диплом «HIP Parts of Excellence
Competition»).
- Всероссийской научно-технической конференции молодых учёных и специалистов
«Новые решения и технологии в газотурбостроении». - ФГУП «ЦИАМ» им. П.И. Баранова,
26-28 мая 2015 г., г. Москва (Присуждён Диплом II степени).
Публикации по теме диссертации
Основное содержание диссертации изложено в 10 печатных работах, включая 2 Патента РФ на изобретения, 8 научно-технических статей, в том числе в рецензируемых научных журналах и изданиях, входящих в перечень Высшей Аттестационной Комиссии РФ - 2 работы.
Личный вклад автора состоит в его непосредственном и активном участии в формировании цели и задач исследования, в проведении теоретических и экспериментальных исследований, анализе и обработке полученных результатов, их обобщении, формулировке рекомендаций и выводов по диссертации, а также написании публикаций и докладов на отраслевых научных конференциях.
Структура и объём работы
Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и приложений.
Материал работы изложен на 222 страницах машинописного текста, содержит 119 рисунков, 34 таблиц, 7 приложения и список литературы из 103 источников.
Технологии производства заготовок дисков с функционально-градиентными характеристиками по сечению
Поверхностно-активные элементы. Малые добавки Zr и В существенно улучшают характеристики ползучести и вязкости разрушения. Хотя природа этого эффекта не вполне ясна, принято считать, что эти элементы вследствие большого отличия размеров их атомов от размеров атомов матрицы сегрегируют на границах зёрен, заполняя вакансии и снижая зернограничную диффузию.
В таблице 1 указаны химические составы вышеперечисленных, зарубежных перспективных жаропрочных никелевых сплавов, так называемого 3-го поколения (ME3, LSHR, Alloy 10 и RR1000), предназначенных для изготовления дисков ТВД перспективных ГТД, а также химические составы сплавов предыдущего поколения Inconel 718, Udimet 720Li, Rene 95.
Все эти сплавы содержат высокий процент у -фазы, добавки тугоплавких элементов для достижения прочности при высокой температуре, а также углерод и бор [29, 30] - для формирования мелких зернограничных выделений карбидов и боридов, которые также, как и первичная у -фаза сдерживают рост зерна при термической обработке, что позволяет получить мелкозернистую структуру.
Стоит отметить принципиальное отличие зарубежных сплавов нового поколения от предыдущего, наличием в их составе нового элемента - тантала.
В работе [31], посвящённой роли Та в жаропрочных никелевых сплавах, говорится, что тантал является одновременно упрочняющим элементом и -фаз. Тантал распределяется между фазами в жаропрочных никелевых сплавах следующим образом. Примерно 15 % тантала образует карбиды типа МС, 70-80 % входит в состав - фазы, остаток распределяется в матрице. Таким образом, Та упрочняет - фазу и увеличивает её количество, упрочняет -матрицу и вносит определённый вклад в упрочнение карбидами. d-электронная теория легирования также делает вывод [32], что Та более эффективный упрочнитель, чем W и Мо, так как позволяет повысить фазовую стабильность и увеличить объёмную долю упрочняющей - фазы. Увеличение фазовой стабильности сплавов при замене части W и Мо на тантал заключается, прежде всего, в предотвращении образования охрупчивающих топологически плотноупакованных (тпу) фаз. Тантал также уменьшает температурный интервал плавления, уменьшая тем самым долю эвтектики - в литом состоянии. Подобное влияние тантала на состояние и поведение фаз, позволяет повысить такие механические характеристики сплава, как высокотемпературный предел прочности, длительную прочность, сопротивление ползучести, а также снизить скорость роста усталостной трещины. Поэтому, несмотря на дефицитность и высокую стоимость тантала, его введение в зарубежные жаропрочные никелевые сплавы считается оправданным.
Также следует отметить наличие в химическом составе всех сплавов повышенного содержания кобальта, не менее 15%.
Химические составы отечественных гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов (таблица 3) [33, 34, 35] несколько отличается от зарубежных, так как они изначально разрабатывались для эксплуатации при более высоких температурах. Поэтому степень их легирования, как по у - образующим элементам, так и по элементам, упрочняющим матрицу сплава, достаточно высока и, в основном, превышает степень легирования всех известных зарубежных жаропрочных никелевых сплавов, в том числе, самых последних композиций [9]. Однако, такой эффективный упрочняющий элемент, как Ta, из-за его ограниченной доступности, не был до сих пор использован в системах легирования отечественных гранулируемых сплавов. Введение Та в химический состав отечественных сплавов можно рассматривать как один из перспективных путей улучшения характеристик отечественных жаропрочных никелевых сплавов.
В таблице 4 приведены характеристики современных жаропрочных никелевых сплавов для авиационного двигателестроения, заготовки дисков из которых изготавливают по различным общепринятым технологическим схемам [36]. Сравнение прочностных характеристик заготовок дисков, изготовленных по разным технологическим схемам подтверждает, что свойства заготовок, изготовленных из гранул без использования пластической деформации (as-HIP), не уступают прочностным и жаропрочным характеристикам штамповок, а сама технология производства отличается своей экономичностью.
Однако, несмотря на то, что вновь разработанные сплавы обладают преимуществами по сравнению с существующими сплавами, постоянная потребность в высокой прочности ступицы диска, работающей при гораздо более низкой температуре, чем обод, а также в высоком пределе ползучести обода требуют, помимо оптимизации химического состава сплавов, применения инновационных методов оптимизации свойств обода и ступицы.
Методы проведения исследований микроструктуры, уровня механических свойств и качества компактного материала из гранул различной крупности
Анализ работ, посвящённых новым гранулированным жаропрочным никелевым сплавам и технологиям производства заготовок дисков с переменной структурой и функционально-градиентными свойствами, рассмотренных в настоящей главе, показывает, что эта технология характеризуется рядом особенностей, оказывающих существенное влияние на закономерности структурообразования и механические характеристики материала заготовок дисков при ГИП и термической обработке.
В связи с этим по научно-техническому обзору могут быть сделаны следующие выводы: 1. Создатели перспективных ГТД нуждаются в дисках ТВД с регламентированной переменной структурой по сечению, обладающих высокой жаропрочностью на ободе и высокой прочностью в ступице, обеспечивающих снижение массы дисков в двигателе и повышения КПД двигателей вследствие повышения температуры газа на входе в турбину. 2. Технология производства заготовок дисков, изготовленных из двух различных сплавов, может позволить достичь существенного повышения рабочей температуры на ободе, однако требует решения ряда сложных технических вопросов. 3. Ведущими фирмами США и Англии разработан ряд экспериментальных технологий термической обработки для формирования переменной микроструктуры, позволяющих достичь более высокой рабочей температуры на ободе без ухудшения характеристик материала ступицы заготовки диска. 4. Наиболее перспективной технологией за рубежом считают DMHT, которая представляет собой стабильный и экономичный способ получения регламентированной переменной структуры в заготовках дисков на существующем серийном термическом оборудовании. 5. Технология DMHT постоянно совершенствуется и применяется для опытного изготовления заготовок дисков из современных порошковых жаропрочных сплавов Rene104, Alloy 10, LSHR и RR1000, и показывает хорошие результаты для заготовок дисков, изготовленных по схеме «ГИП (или экструзия) + деформация», которая является основной для производства заготовок дисков за рубежом.
Однако данный метод имеет и ряд существенных недостатков: 1) Сложность управления тепловым процессом, и как следствие, местом расположения переходной зоны от мелкозернистой к крупнозернистой структуре. 2) Невозможность получения максимально высокого уровня характеристик в обеих частях заготовки, так как метод DMHT основан на локальном растворении первичной у - фазы, которая сохраняется в материале до нагрева ниже линии сольвуса и сдерживает при нагреве рост мелкого зерна, тем самым, при закалке уменьшается часть у - фазы, упрочняющей материал ступицы. 3) Невозможность достижения максимального уровня длительной прочности в крупнозернистой части заготовки, полученной по такой технологии, связана с тем, что для обеспечения прочности ступицы закалку заготовки вынужденно проводят в средах, обеспечивающих высокие скорости охлаждения, например, в масле, тем самым формируя в структуре материала заготовки диска по всему сечению мелкие выделения у - фазы. В то время как, для обеспечения максимальных характеристик длительной прочности при температурах выше 650 С благоприятными являются крупные выделения у - фазы. При производстве заготовок дисков по схеме «as-HIP» целесообразно рассмотреть и опробовать метод получения переменной структуры в материале, основанный на наследственном размере зерна структуры материала заготовок после ГИП применительно к новейшим отечественным гранулируемым сплавам класса ВВП, проводя моделирование процесса на серийном сплаве ЭП741НП.
Для производства заготовок дисков с функционально-градиентными характеристиками, изготавливаемыми методом «as-HIP» с управлением структурой дискового материала, необходимо проведение исследований зависимости структуры материала заготовок после ГИП и термической обработки от крупности используемых гранул:
В связи с вышеизложенным в диссертации необходимо провести следующие исследования: 1) Исследование влияния крупности используемых гранул на размер зерна в компактном материале после ГИП и выбор оптимальных фракционных составов гранул для изготовления различных частей опытных заготовок дисков с переменной структурой. 2) Выбор оптимального режима ГИП для опытных заготовок дисков с переменной структурой с целью формирования мелкого зерна в области ступицы. 3) Исследование влияния параметров термической обработки на размер зерна компактного материала из гранул различной крупности и выбор оптимального режима термической обработки опытных заготовок дисков с целью сохранения мелкого зерна в области ступицы. 4) Изготовление модельных образцов с переменной структурой из гранул сплава ЭП741НП, исследование микроструктуры и уровня механических характеристик в их различных зонах, в том числе исследование микроструктуры и комплекса механических характеристик переходной зоны. 5) Разработка конструкции капсулы для изготовления экспериментального диска с переменной структурой из гранул разной крупности. 6) Изготовление и проведение всесторонних исследований экспериментального диска с переменной структурой из гранул сплава ЭП741НП. 7) Разработка конструкции капсулы для изготовления опытных заготовок дисков турбины двигателя ПД14 с функционально-градиентными характеристиками из гранул сплава ВВ750П. 8) Изготовление и проведение всесторонних исследований опытной заготовки диска турбины двигателя ПД14 с функционально-градиентными свойствами из гранул сплава ВВ750П.
Соединение гранул различной крупности в компактное изделие с переменной структурой
Неразрушающие методы контроля чрезвычайно необходимы для роторных деталей авиационной техники ответственного назначения. Каждую заготовку диска подвергают трём видам неразрушающего контроля: ультразвуковой контроль (УЗК) – для выявления внутренних дефектов в контуре готовой детали; люминесцентный капиллярный контроль ЛЮМ-1 ОВ – на наличие дефектов поверхности типа несплошности; макротравление для выявления поверхностных дефектов (включения, локальные зоны с крупным зерном, остатки стальной оболочки на поверхности заготовок и др.).
Для обеспечения надёжности регистрации при контрольных операциях и снижения влияния человеческого фактора на результаты контроля необходимо применение автоматизированного контроля. Ультразвуковой контроль - один из примеров использования автоматизированных методов контроля в производстве. Для автоматизированного ультразвукового контроля применяют установку LS200-LP, которая хорошо зарекомендовала себя при УЗК заготовок дисков пассажирских двигателей семейства ПС90А. Для обеспечения 100% контроля контура чистовой детали разрабатывают чертёж-нормаль, припуски в котором отвечают требованию перекрытия внутренних мёртвых зон при контроле, что неминуемо влечёт за собой увеличение массы заготовки диска.
Заготовки дисков, изготовленные по серийной технологии производства гранул обладают, в достаточной степени изотропной, однородной зёренной структурой, что позволяет добиться низких уровней структурных шумов и высокой точности контроля – диаметр плоскодонного отражателя составляет 0,4–0,8 мм в диапазоне глубин залегания от 2 до 70 мм. В контролируемом объёме чистовой детали, определяемом конфигурацией заготовки, не допускается наличие эхо-сигналов от внутренних дефектов, амплитуда которых превышает амплитуду эхо-сигнала от эталонного плоскодонного отражателя диаметром 0,4–0,8 мм, залегающего на той же глубине, что и дефект.
Помимо обнаружения дефектов в объёме контура чистовой детали, в заготовках дисков с переменной структурой перед исследователями стояла задача обнаружения месторасположения переходной зоны. Как было показано в работе [96] увеличение размера зерна вызывает увеличение суммарной длительности структурных шумов и уменьшение амплитуды донного сигнала при контроле заготовок дисков из гранул жаропрочных никелевых сплавов. На основании разницы в уровнях структурных шумов в крупнозернистом и мелкозернистом материалах автоматизированный УЗК позволяет определить расположение переходной зоны (рисунок 37). Это подтверждается также в работах разных исследователей [66, 74]. Аналогичные результаты наблюдали при контроле опытных заготовок дисков с переменной структурой из гранул сплава ВВ750П (рисунок 38).
Капиллярный люминесцентный контроль предназначен для выявления дефектов, имеющих выход на поверхность, которые могут представлять собой трещины, раковины, рыхлоту, следы коррозии и другие несплошности материала. Одним из самых коварных и опасных видов дефектов являются термические трещины, которые могут образоваться в процессе закалки. Сложность обнаружения таких трещин состоит в том, что колоссальные сжимающие напряжения не дают им раскрыться.
Перед проведением ЛЮМ-1 ОВ контроля заготовки дисков подвергают нагреву в специальных печах с целью очистки поверхности от масла и других жидкостей, затем погружают в ванну с индикаторной жидкостью. Жидкость (пенетрант) под действием капиллярных сил заполняет возможную несплошность.
После извлечения заготовки диска из пенетранта с поверхности диска удаляют его избыток, смывая водой, промывкой в ванной и окунанием в очищающую жидкость. Затем поверхность заготовки протирают ветошью, удаляя влагу, и наносят слой проявителя толщиной порядка 10 мкм. Процессе этого проявитель вытягивает остатки пенетранта из несполошностей, создавая контраст на поверхности заготовок дисков при облучении ультрафиолетовыми лучами в специальной камере. На контролируемых поверхностях не допускаются линейные свечения пенетранта. Макротравление поверхности заготовок дисков проводят вручную в специальных ваннах термо-травильного участка. Состав реактива следующий: 16 кг CuSO4 + 55 л HCl + 20 л H2SO4. Диски погружают в ванну с травителем на 3–5 мин, после чего их промывают в растворе хромпика (дихромат калия K2Cr2O7) и в воде. После протирки или сушки проводят визуальный осмотр на наличие зон, отличных по виду от основного материала (рекристаллизованные зерна, текстуры). Как и при проведении УЗ- контроля заготовок дисков с переменной структурой, ряд исследователей отмечают возникновение контраста на поверхности заготовок дисков с обнаружением месторасположения переходной зоны (рисунок 39) [66]. Макротравление поверхности экспериментального диска с переменной структурой из гранул сплава ЭП741НП имела схожий внешний вид (рисунок 40).
Горячее изостатическое прессование экспериментального образца диска
После изготовления и исследований материала экспериментального образца диска из гранул сплава ЭП741НП с переменной структурой и функционально-градиентными свойствами, на котором была подтверждена возможность изготовления заготовок дисков с габаритными размерами, близкими к полноразмерным из гранул различной крупности одного сплава следующим этапом работы являлась разработка опытной технологии производства, изготовление и исследование заготовок турбинных дисков из гранул нового перспективного сплава ВВ750П, предназначенного для двигателя ПД14 (ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь) семейства ближне-среднемагистральных самолётов МС-21 (Разработка: Корпорация «Иркут», ОКБ им. А.С. Яковлева).
В согласовании со специалистами ОАО «Авиадвигатель» был разработан чертёж-нормаль заготовки диска II ступени ТВД шифра ДП808 (рисунок 86) с указанием места расположения переходной зоны (0280 мм) между крупнозернистой и мелкозернистой частями изготавливаемых заготовок и допустимое отклонение от заданного диаметра (±6 мм).
Далее, используя значения коэффициентов усадки, полученные при анализе формоизменения после ГИП экспериментального образца диска из гранул сплава ЭП741НП (таблица 17), были разработаны чертежи капсулы (рисунок 87), позволяющей заполнить капсулу соответствующими гранулами, исключая возможность их смешивания в процессе заполнения капсулы гранулами.
Для разграничения гранул двух фракций в объёме капсулы конструкторами ОАО «ВИЛС» была разработана, а технологами изготовлена деталь, названная «разделитель», которая предотвратила смешивание гранул разных фракций на операции заполнения капсулы гранулами.
В качестве тонкостенной заготовки детали «разделитель» послужила бытовая кастрюля из нержавеющей стали с внешним диаметром 322 мм и толщиной стенки 1 мм (рисунок 88). Геометрические параметры изготовленной детали «разделитель» позволили обеспечить заданное расположение переходной зоны между крупнозернистой и мелкозернистой частями заготовок дисков после ГИП.
Решение, использовать в качестве заготовки детали бытовую кастрюлю, изготовленную по технологии ротационной вытяжки значительно ускорило выполнение работы с минимизацией затрат на её реализацию с привлечением сторонней организацией на выполнение прецизионной электроискровой обработки по разработанному чертежу. Так попытка изготовить цилиндрическую заготовку на вальцовочном станке с последующей сваркой краёв листа, по технологии, используемой при изготовлении детали «разделитель» для капсулы экспериментального образца диска, не увенчалась успехом, вследствие образования эллипсности порядка 3 мм, что не позволило установить такую деталь в основание капсулы.
Попытки изготовления детали «разделитель» на заказ с «нуля» также не увенчались успехом, так как изготовление такой детали методом токарной обработки из стального прутка потребовало бы значительных временных и материальных затрат.
В результате было найдено техническое решение по использованию донной части кастрюли для надёжной фиксации детали «разделитель» в объёме капсулы для предотвращения смешивания гранул различной крупности при воздействии вибрации в процессе заполнения и виброуплотнения гранул и гарантированное извлечение детали после окончания процесса заполнения капсулы гранулами. На рисунке 89 представлен внешний вид детали «разделитель», установленной в основание капсулы после всех доработок при контрольной сборке капсулы.
В ходе выполнения работы была предпринята попытка отжечь одну из капсул при температуре 400 С, вместо 1000 С, соответствующей действующей серийной технологии производства капсул, но отжиг даже при такой, относительно невысокой температуре привёл к деформации капсулы, которая не позволила установить деталь «разделитель» во внутренний объём капсулы.
В связи с этим, после разборки деформированной капсулы, зачистки и повторной сборки и сварки, было принято решение отказаться от операции вакуумного отжига, как капсул, так и элементов капсул, ограничившись тщательной зачисткой, промывкой хладоном-113 и обдувкой элементов капсул в процессе их сборки и сварки.
Для фиксации детали «разделитель» в нижней части капсулы конструкторами было предложено оригинальное решение, заключающееся в использовании кольца для внешней фиксации детали в основании капсулы (рисунок 90).
Такое решение позволило с одной стороны упростить сборку капсулы, так как перемещение кольца перед сваркой позволяло без затруднений обеспечить необходимую ширину зазора между нижним фланцем капсулы и кольцом, тем самым формируя замок (рисунок 91 а), в котором фиксировалась деталь «разделитель» (рисунок 91 б), с возможностью механический доработки фланца, в случае недостаточной ширины зазора в образующемся замке.