Усовершенствование технологического процесса изготовления литых титановых деталей типа диск турбинного агрегата ГТД

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования Российской Федерации

Казанский Национальный Исследовательский Технический Университет им. А.Н. Туполева

Кафедра: Материаловедения, сварки и производственной безопасности

Тема диплома: «Усовершенствование технологического процесса изготовления литых титановых деталей типа диск турбинного агрегата ГТД»

Работу выполнила:

Студентка группы 1430

Полякова Ксения

Проверил: Муратаев Ф.И.

г. Казань, 2014

Цель работы: выполнить исследование титановых сплавов, проанализировать зависимость формирования структуры сплавов при кристаллизации, осуществить выбор материала для детали диск турбинного агрегата ГТД.

Задачи:

1.Разработать методику исследования микроструктур и провести оценку титановых сплавов.

2. Провести исследование и установить взаимосвязь состав сплава-микроструктура-технологические и механические свойства.

3. Выявить эксплуатационные свойства дисков турбинного агрегата, их надежность и ресурс работы, связанный с прогрессивным методом получения заготовок с минимальными внутренними дефектами и наличием методов их достоверного выявления.

4. Осуществить составление системы выборочного контроля выбранного сплава

сплав титановый турбинный

Содержание

Введение

1. Общая характеристика литейных сплавов

2. Термическая обработка титановых сплавов

3. Механические свойства отливок из титановых сплавов

4. Структурный класс, назначение и типовое применение сплава ВТ9Л, его химический состав.

5. Составление системы выборочного контроля состава сплава ВТ9Л, структуры и свойств в соответствии с ГОСТами

Вывод

Заключение

Список используемых источников

Введение

Газотурбинный двигатель за последние семьдесят лет своего существования стал основным источником энергии, как для летательных аппаратов, так и для наземных энергетических установок. ГТД- это классический пример сложнейшего устройства, детали которого работают в условиях предельно высоких температур и нагрузок.

Диски турбиннного агрегата ГТД относятся к наиболее ответственным быстровращающимся деталям (10000 об/мин) и требуют выполнения технических требований на изготовление со стопроцентной надежностью. Особенно это относится к дискам турбины, работающим при повышенных температурах. Разрушение диска, как правило, приводит к катастрофе т.к. относится к наиболее серьезному виду нелокализованного разрушения, выводящего из строя не только дефектный двигатель, но и соседние системы и агрегаты самолета.

Прогрессивный техпроцесс изготовления дисков турбин с высокой степенью надежности должен обеспечить:

- Получение заготовок с высокими механическими характеристиками, однородностью структуры, равномерностью свойств по различным направлениям и отсутствием внутренних дефектов;

- Рациональные методы обработки всех поверхностей дисков, гарантирующие высокое качество поверхностного слоя;

- Применение специальных методов отделки полотна диска, дающих сжимающие остаточные напряжения, упрочненную поверхность и отсутствие концентратов напряжений;

-Необходимо получить благоприятное качество поверхностного слоя;

1. Общая характеристика литейных титановых сплавов

Возможность получения качественных фасонных отливок из титана была продемонстрирована в США уже в первые годы его промышленного освоения (в 1950г.) Однако создание промышленной технологии производства фасонного титанового литься и соответствующего технологического оборудования потребовало много усилий и времени, главным образом из-за чрезвычайной высокой химической активности титана, особенно в жидком состоянии. К настоящему времени трудности определены. Для получения качественного фасонного титанового литья разработано специальное литейное оборудование, позволяющее осуществить плавку и разливку металла в вакууме или защитной атмосфере, а также внедрены специальные виды обработки литого металла с целью повышения уровня механических свойств.

Титан и его сплавы обладают довольно высокими литейными свойствами из малого интервала кристаллизации( не более 50-70° С). Жидкотекучесть титана примерно такая же, как у углеродистой стали. Тем не менее получить крупногабаритные титановые отливки значительно труднее, чем из углеродистой стали, из-за сравнительно небольшого теплосодержания жидкого титана и невысокого перегрева расплава в условиях дуговой плавки, что приводит к очень быстрому охлаждению и затвердеванию металла. Линейная усадка титана составляет 1,5% при литье в керамическую форм и ~ 2%- в металлическую. Объемная усадка составляет около 3%.

В Табл.1 приведен химический состав литейных сплавов с указанием структурных эквивалентов по алюминию и молибдену.

Таблица 1 Средний химический состав титановых литейных сплавов

Материалы для фасонного титанового литья представлены б-сплавами (ВТ1Л и ВТ5Л), псевдо б-сплавами (ВТ21Л и ВТ20Л); (б+в)-сплавами со сравнительно небольшим количеством в-фазы (ВТ6Л, ВТ8Л, ВТ9Л, ВТ14Л и ВТ3-1Л) и псевдо-в-сплавом ВТ35Л.

Отливки из титана ВТ1Л и сплава ВТ5Л обычно подвергают какой-либо термической обработке. Псевдо б- и (б+в)- сплавы отжигают для стабилизации структуры и снятия остаточных напряжений. Отжиг проводят по тем же режимам, которые рекомендованы для деформируемых титановых сплавов. Сплав ВТ35Л непосредственно после литья находится в закаленном состоянии, он имеет однофазную структуру, представленную метастабильной в-фазой, и обладает низкой прочностью. Для упрочнения отливки из сплава ВТ35Л подвергают старению.

2. Термическая обработка титановых сплавов

Титановые сплавы подвергают термической обработке всех видом, применяемых для сплавов на основе других металлов: отжигу разного назначения, закалке, старению и, в меньшей степени, химико-термической обработке.

Структура и механические свойства б-сплавов и сплавов с малым количеством в-фазы практически не чувствительны к скорости охлаждения после отжига. Структура и механические свойства высоколегированных (б+в)- сплавов, сплавов переходного класса и псевдо в- сплавов, напротив, сильно зависят от скорости и способов охлаждения после отжига.

Возможность эффективного влияния режимов охлаждения при отжиге на механические свойства титановых сплавов обусловлена тем обстоятельством, что полиморфное превращение вб может происходить по двум схемам:

А) путем зарождения и роста новых дисперсных частиц б-фазы и в-матрице, что приводит к упрочнению

Б) путем роста уже существующих на первой ступени отжига частиц б-фазы; при этом укрупнение частиц б-фазы вызывает разупрочнение сплава. Эти два вб превращения могут происходить одновременно или с некоторым смещением по времени.

По фазовому составу сплавов при температуре выдержки виды отжига можно разделить на б-, (б+в)- и в- отжиг.

Рис. 1 Схема политермического разреза системы Ti-Al-в-стабилизатор при постоянном содержании алюминия и температурные интервалы

Температурные интервалы всех видов отжига снижаются с увеличением содержания в-стабилизаторов при неизменном содержании алюминия. При увеличении содержания алюминия те температуру всех видов отжига приходится повышать, поскольку алюминий повышает температуру начала интенсивного развития возврата и рекристаллизации.

При необходимости повышения уровня прочности (б+в)- и псевдо-в-сплавы подвергают закалке и старению. Для (б+в)- сплавов температуру нагрева под закалку выбирают близкой к критической, при охлаждении с которой фиксируется максимальное количество метастабильной в-фазы, а мартенситное превращение подавляется

Температуру старения устанавливают с учетом кинетики и механизма распада метастабильных фаз. Если в-фаза распадается с образованием - фазы, резко охрупчивающей сплав, то температуру старения выбирают равной 500-600° С, поскольку - фаза образуется при температуре ниже 500° С, а при выше 600° С продукты распада слишком крупны, чтобы дать значительное упрочнение. Если - фаза не образуется, что характерно для сплавов с достаточно высоким содержанием алюминия и нейтральных упрочнителей, то старение можно производить и при более низких температурах (450-500° С),достаточных, однако, для значительного упрочнения за приемленое время.

Путем закалки и старения можно получить очень высокий уровень временного сопротивления разрыву титановых сплавов (1600-1800Мпа). Однако при этом почти полностью утрачиваются пластические свойства, резко падают трещиностойкость, вязкость разрушения, конструкционная прочность. Поэтому режимы закалки и старения должны обеспечить разумное сочетание уровня прочности и эксплуатационных свойств. Поэтому титановые сплавы чаще всего применяют в состоянии небольшого перестаривания.

Таблица 2 Режимы изотермического и двойного отжигов полуфабрикатов из промышленных титановых сплавов

и - температуры первой и второй ступеней;

и- время выдержки на первой и второй ступенях.

Таблица 3 Режимы упрочняющей термической обработки отечественных титановых сплавов

Отливки из титановых (б+в)-сплавов не подвергают упрочняющей термической обработке, поскольку при пластинчатой структуре, характерной для литого состояния, пластичность термически упрочненных сплавов очень низка. По этой же причине считают, что упрочняющая термическая обработка деформируемых (б+в)-сплавов возможна, если исходная структура равноосная, мелкозернистая, а не пластинчатая.

3. Механические свойства отливок из титановых сплавов

Для фасонных отливок применяют титан и его сплавы: ВТ1Л, ВТ5Л, ВТ6Л, ВТЗ-1Л, ВТ9Л, ВТ14Л. Наиболее широко используют сплав ВТ5Л с 5% Аl, отличающийся хорошими литейными свойствами, технологичностью, недефицитностью легирующих элементов, удовлетворительной пластичностью и прочностью (= 700 МПа и 900 МПа соответственно). Предназначены сплавы для отливок, длительно работающих при температурах до 400°С.

Особенность титановых сплавов в литом состоянии - высокие характеристики прочности (предел прочности, предел текучести), вполне сопоставимые с характеристиками прочности, получаемыми на деформированном металле.

Что касается характеристик пластичности (относительное сужение, относительное удлинение, ударная вязкость), то они заметно уступают значениям, получаемым на деформированном металле.

Таблица 4 Механические свойства отливок из титановых сплавов

Это объясняется влиянием крупнокристаллической литой структуры, которая отрицательно сказывается на пластичности титановых сплавов.

В пределах химических составов промышленных титановых сплавов имеется определенная тенденция к некоторому снижению характеристик пластичности литого металла по сравнению с деформированным по мере увеличения содержания в сплавах в-составляющей. Такой же характер изменения механических свойств в зависимости от состава сплава наблюдается на перегретом металле или сварном соединении, где так же имеем дело с крупнозернистой кристаллической структурой, сложившееся в результате нагрева при высоких температурах.

4. Структурный класс, назначение и типовое применение сплава ВТ9Л, его химический состав

Сплав ВТ9Л - литейный сплав, применяемый для изготовления фасонных отливок.

Таблица 5 Химический состав

Таблица 6 Механические свойства сплава ВТ9Л в зависимости от температуры испытания

Отливки из сплава отличаются меньшей пластичностью по сравнению с деформированным полуфабрикатом из этого же сплава.

Вместе с тем вязкость разрушения значительно больше, чем у деформированного.

Для сплава ВТ9Л характерен относительно низкий предел выносливости, составляющий всего около 50% от аналогичной характеристики деформированного полуфабриката.

Рис. 6 Типичные структуры титанового сплава: Пластинчатая (а) и смешанная (б)

Равноосная (в) и корзиночного плетения (г)

6. Составление системы выборочного контроля сплава ВТ9Л

Отбор и подготовку проб для определения химического состава прутков проводят по ГОСТ 24231-80

Химический состав титана и титановых сплавов определяют химическим методом по ГОСТ 19863.0-80 - ГОСТ 19863.13-80 или спектральным методом по ГОСТ 23902-79. При наличии разногласий химический состав определяют по ГОСТ 19863.0-80 - ГОСТ 19863.13-80 .

Содержание водорода определяют методом вакуум-нагрева по ГОСТ 24956-81 или спектральным методом по нормативно-технической документации. При наличии разногласий содержание водорода определяют по ГОСТ 24956-81.

Содержание азота, углерода и кислорода определяют по нормативно-технической документации.

5. Диаметр прутков измеряют микрометром по ГОСТ 6507-78 или другим мерительным инструментом, обеспечивающим необходимую точность измерения. Длину прутков проверяют рулеткой по ГОСТ 7502-80 или металлической линейкой по ГОСТ 427-75.

Вывод

Титан является очень активным металлом. Он не только коррозионно- стойкий материал по отношению ко многим агрессивным природным средам, но не реагирует и с большинством кислот. Высокая стойкость титана объясняется быстрым образованием на его поверхности окисной пленки, прочно связанной с основным металлом и исключающий непосредственный контакт металла с электролитом.

Были рассмотрены структуры технических титановых сплавов, применяемых для литья. По сравнению с деформированными сплавами литейные имеют повышенную жаропрочность.

Например, сплав титана с алюминием, молибденом и цирконием ВТ9Л обладает повышенной жаропрочностью и предназначен для изготовления литых деталей, работающих при температурах 500--550°С.

Выявлено, что линейная усадка составляет всего лишь 2%. Вследствие малого интервала кристаллизации титановый сплав имеет высокую жидкотекучесть и обеспечивает получение плотных отливок. Отливки отличаются меньшей пластичностью по сравнению с деформированными полуфабрикатами. Вместе с тем вязкость разрушения отливок значительно больше, чем у деформированных полуфабрикатов.

Горячая изостатическая обработка позволяет существенно улучшить качество литого металла и значительно повысить механические свойства и надежность деталей.

Литейные сплавы отжигают для стабилизации структуры и снятия остаточных напряжений. Отжиг проводят по тем же режимам, которые рекомендованы для деформируемых титановых сплавов.

Для сплава ВТ9Л характерен относительно низкий предел выносливости, составляющий всего около 50% от аналогичной характеристики деформированного полуфабриката с оптимальной микроструктурой.

ВТ9Л имеет существенно более низкий предел усталости по сравнению с его деформированным аналогом. Если для ВТ9Л он имеет значение 18кгс/,то для ВТ9 он равен 52 кгс/,потому что зависимость связана с содержанием кислорода. Следует отметить, что это явление возможно наблюдается из-за недостаточной отработанности технологии литья и термообработки отливок, допускающих еще более сильную сегрегацию примесных элементов в структуре отливок.

Заключение

Технология литья титановых отливок используют для получения высококачественных сложных титановых отливок. Этот способ состоит в формировании сплава с помощью литейной формы. Литейные сплавы имеют более низкие показатели механической прочности, чем сплавы, получаемые с помощью деформации.

Действующая до сих пор технология производства заготовок дисков основана на отливке массивных слитков и последующей их деформации традиционными методами с приданием заготовке формы, в той или иной степени приближающейся к форме диска. Данная технология имеет ряд существенных недостатков:

1)Наличие дефектов крупногабаритных слитков, развивающихся из-за низких скоростей охлаждения в виде литейных пор, раковин и других несовершенств строения слитка.

2) Потребность в огромных силах прессового оборудования для обжатия и залечивания внутренних дефектов литья

3) Многооперационность при изготовлении заготовок дисков со значительными потерями материала

4) Низкая точность процессов формообразования, большой и дефектный слой и, в итоге, большие припуски и низкий коэффициент использования материала при дальнейшей механической обработке

5) Высокая трудоемкость процесса получения заготовки и последующей обработки

Список используемых источников

1. Чечулин Б.Б. Титановые сплавы в машиностроении. Л., «Машиностроение» (Ленингр. Отделение), 1977, 248с.

2. Кузменко М.Л., Безъязычный В.Ф. Технологические процессы механической и физико-химической обработки в авиадвигателестроении-М.: Машиностроение, 2007.-539с

3. Борисова Е.А., Бочвар Г.А., Брун М.Я Титановые сплавы, Металлография титановых сплавов. М., «Металлургия», 1980,464с.

4. Лившиц Б.Г. Металлография.Учебник для вузов.-.:Металлургия,1990,236с

5. Г.Д.Зюков-Батырев Титановые сплавы.Плавка и литье титановых сплавов. М.,Металлургия, 1978, 384с.

6. Ильин А.А., Колачев Б.А, Полькин И.С. Титановы сплавы. Состав, структура,свойства.-М.: Вилс-МАТИ, 2009-520с.

7. Мартин Д.В. Краткая энциклопедия по структуре материалов.-М: Техносфера, 2011-608с.

8. ГОСТ 24231-80 « Цветные металлы и сплавы. Общие требования к отбору и подготовке проб химического анализа»

9. ГОСТ 19863.13-80 « Прутки катанные из титановых сплавов»

10. ГОСТ 23902-79 «Сплавы титановые. Метод спектрального анализа»

11. ГОСТ 24956-81 « Титан и титановые сплавы. Метод определения водорода»

Размещено на Allbest.ru