RU2397038C1

RU2397038C1 - Method to manufacture forged piece of disk from ingot

Info

Publication number: RU2397038C1
Application number: RU2009124995/02A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Кондратьевич Онищенко (RU); Анатолий Кондратьевич Онищенко
Original assignee: Анатолий Кондратьевич Онищенко
Priority date: 2009-07-01
Filing date: 2009-07-01
Publication date: 2010-08-20

Abstract

FIELD: technological processes. ^ SUBSTANCE: invention relates to metal forming and may be used in aviation and power industry to manufacture rotor disks for gas turbine engine, gas turbine plant and rotors of turbines in thermal and nuclear power plants. Operations of ingot heating and deformation are alternated with divergence of axes of the first order of dendrites in direction of action of maximum working stresses in part. Ingot is pulled along its axis with forging 4-11. Shear drag and bottom parts of ingot are removed. Transverse setting of stock is carried out. Then it is rolled along circle in perpendicular plane. Then stock is straightened at ends, and forged piece of disk is finally shaped. ^ EFFECT: invention provides for optimal level of physical and mechanical properties and improved operational characteristics of available steels and alloys applied in gas turbine engines and gas turbine plants. ^ 5 cl, 1 ex, 3 dwg

Description

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано в авиационной и энергетической промышленности при изготовлении дисков роторов газотурбинных двигателей (ГТД), газотурбинных установок (ГТУ) и роторов турбин тепловых и атомных электростанций.The invention relates to the processing of metals by pressure and can be used in the aviation and energy industries in the manufacture of rotor disks for gas turbine engines (GTE), gas turbine units (GTU) and turbine rotors of thermal and nuclear power plants.

Известен способ изготовления поковки диска из слитка, включающий удаление в отход дефектных прибыльной и донной частей слитка и последующую осадку заготовки на окончательные размеры поковки (см. кн. Ковка слитков на прессах / Л.Н.Соколов, Н.М.Золотухин, В.Н.Ефимов и др. Под ред. Л.Н.Соколова. - Киев.: Технiка, 1984. - С.24-39).A known method of manufacturing a forgings of a disk from an ingot, including the removal of defective profitable and bottom parts of the ingot into the waste and the subsequent draft of the billet for the final forging dimensions (see the book. Forging of ingots on presses / L.N. Sokolov, N.M. Zolotukhin, V. N. Efimov et al. Under the editorship of L.N. Sokolov. - Kiev .: Technika, 1984. - P.24-39).

Недостатком указанного способа является то, что при таком изготовлении не достигается оптимальный уровень физико-механических свойств (вязкости разрушения) и структуры обрабатываемого материала в направлении действия максимальных рабочих напряжений в готовой детали.The disadvantage of this method is that with this manufacture the optimal level of physical and mechanical properties (fracture toughness) and the structure of the processed material in the direction of the maximum working stresses in the finished part are not achieved.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ изготовления поковки диска из слитка, включающий чередование операций нагрева и деформации последнего с отклонением осей первого порядка дендритов слитка в направлении действия максимальных рабочих напряжений в детали (а.с. СССР №1747227, МКИ B21J 5/00, 1/04 / А.К.Онищенко и А.Б.Караев. Опубл. 15.07.92. Бюл. №26).Closest to the proposed invention is a method of manufacturing a forged disk from an ingot, comprising alternating the heating and deformation of the latter with the deviation of the axes of the first order of the dendrites of the ingot in the direction of the maximum operating stresses in the part (AS USSR No. 1747227, MKI B21J 5/00, 1/04 / A.K. Onishchenko and A.B.Karaev. Publish. 07.15.92. Bull. No. 26).

Недостатком указанного способа является отсутствие конкретных данных по параметрам процесса деформации слитка.The disadvantage of this method is the lack of specific data on the parameters of the process of deformation of the ingot.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение, является обеспечение оптимального уровня физико-механических свойств (в том числе вязкости разрушения) в поковке в направлении действия максимальных рабочих напряжений в детали (тангенциальном).The technical result, the achievement of which the claimed solution is directed, is to ensure the optimal level of physico-mechanical properties (including fracture toughness) in the forging in the direction of the maximum working stresses in the part (tangential).

Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления поковки диска из слитка, включающем чередование операций нагрева и деформации последнего с отклонением осей первого порядка дендритов слитка в направлении действия максимальных рабочих напряжений в детали, при этом сначала слиток протягивают вдоль его оси с уковом 4-11 и удаляют дефектные прибыльную и донную части слитка, затем производят поперечную осадку заготовки и ее обкатку на круг в перпендикулярной плоскости, после чего заготовку правят по торцам и осуществляют окончательную формовку поковки диска.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of manufacturing a forged disk from an ingot, comprising alternating the operations of heating and deformation of the latter with the deviation of the first-order axes of the dendrites of the ingot in the direction of the maximum operating stresses in the part, the ingot is first pulled along its axis with a 4- 11 and remove the defective profitable and bottom parts of the ingot, then transverse draft of the workpiece and run it into a circle in a perpendicular plane, after which the workpiece is corrected at the ends and tvlyayut final molding forged disc.

При этом перед поперечной осадкой производят промежуточную продольную осадку заготовки.In this case, an intermediate longitudinal draft of the preform is made before transverse settlement.

При этом окончательную формовку поковки диска осуществляют путем разгонки заготовки.In this case, the final molding of the forgings of the disk is carried out by distillation of the workpiece.

При этом окончательную формовку поковки диска осуществляют путем штамповки заготовки.In this case, the final molding of the forged disc is carried out by stamping the workpiece.

При этом окончательную формовку поковки диска осуществляют путем раскатки заготовки в наклонных валках-роликах.In this case, the final molding of the forgings of the disk is carried out by rolling the workpiece in inclined rolls-rollers.

Известно, что максимальный уровень механических свойств на поковках, изготавливаемых из слитков, имеет место на образцах, направление вырезки которых совпадает с направлением волокна в поковке. Сначала в 1989 г. в а.с. СССР №1747227 автором, а затем в 2002 г. в монографии Смирнова М.А., Счастливцева В.М., Журавлева Л.Г. Основы термической обработки стали. - М.: Наука и технологии, 2002. - 519 с. было показано, что волокно любой поковки, полученной из слитка промышленной выплавки, представляет собой ориентированные вдоль главной деформации при горячей обработке оси 1-го порядка дендритов исходного слитка (см. также А.К.Онищенко. Масштабные уровни пластической деформации и оптимальные параметры ковки крупных поковок. // Тяжелое машиностроение. - 2007. - №6. - С.8-12). И, следовательно, в диске ГТД, направление действия максимальных рабочих напряжений в котором является тангенциальным, направление волокна должно быть тангенциальным. При известных способах изготовления дисков этот фактор не учитывают, а поэтому и не достигают максимального уровня механических свойств в детали. Кроме того, известно, что для дисков ГТД применяют стали и сплавы высокого качества - в основном переплавных процессов (ЭШП, ВДП и ЭЛП), при которых в слитках полностью подавляется зональная ликвация и достигается высокая плотность литого металла с радиально-осевой дендритной кристаллизацией. Но так как зональная и дендритная кристаллизации слитка обратно пропорциональны между собой, то подавление зональной ликвации ведет к росту дендритной. А поэтому во всех промышленных слитках оси 1-го порядка дендритов являются не только самыми крупными, но и самыми прочными, так как в них содержится максимальное количество тугоплавких элементов сплава (W, Мо, Nb, V и др.).It is known that the maximum level of mechanical properties on forgings made of ingots takes place on samples whose cutting direction coincides with the direction of the fiber in the forging. First in 1989 in A.S. USSR No. 1747227 by the author, and then in 2002 in the monograph by Smirnov M.A., Schastlivtseva V.M., Zhuravleva L.G. Basics of heat treatment of steel. - M.: Science and Technology, 2002. - 519 p. it was shown that the fiber of any forgings obtained from an ingot of industrial smelting is oriented along the main deformation during hot processing of the first-order axis of the dendrites of the initial ingot (see also A. Onishchenko. Large-scale levels of plastic deformation and optimal forging parameters of large forgings. // Heavy Engineering. - 2007. - No. 6. - S.8-12). And, therefore, in a gas turbine drive, the direction of action of the maximum working stresses in which is tangential, the direction of the fiber should be tangential. With known methods for manufacturing disks, this factor is not taken into account, and therefore does not reach the maximum level of mechanical properties in the part. In addition, it is known that high-quality steels and alloys are used for GTD disks, mainly melting processes (ESR, VDP and ELP), in which zone segregation is completely suppressed in ingots and a high density of cast metal with radial-axial dendritic crystallization is achieved. But since the zonal and dendritic crystallization of the ingot is inversely proportional to each other, the suppression of zonal segregation leads to an increase in dendritic. Therefore, in all industrial ingots, the axis of the 1st order of dendrites is not only the largest, but also the strongest, since they contain the maximum number of refractory alloy elements (W, Mo, Nb, V, etc.).

В предлагаемом способе протяжка с уковом 4-11 обеспечивает направленную ориентацию осей 1-го порядка дендритов слитка вдоль его продольной оси. При этом меньший уков применяют к слиткам переплавных процессов, а больший - к слиткам разливаемым в изложницу. При укове меньшем 4 в слитке остается незаваренная междендритная пористость. А уков более 11 даже на слитках открытой выплавки незначительно повышает уровень свойств вдоль волокна поковки.In the proposed method, broaching with a bob 4-11 provides directional orientation of the axes of the 1st order of the dendrites of the ingot along its longitudinal axis. At the same time, smaller yields are applied to ingots of remelting processes, and larger ones are applied to ingots cast in a mold. When the yarn is less than 4, the ingot has an undeveloped interdendritic porosity. And more than 11 yards, even on ingots of open smelting, slightly increase the level of properties along the forging fiber.

Поперечная осадка с последующей обкаткой заготовки приводит к трансформации продольного волокна первоначальной заготовки в тангенциальное, которое при последующей правке и окончательной формовке поковки диска своего направления не меняет. Промежуточная продольная осадка с образованием бочки также способствует зональной переориентации продольного волокна заготовки в тангенциальное диска.Transverse sediment with subsequent run-in of the billet leads to the transformation of the longitudinal fiber of the initial billet into tangential, which does not change its direction during subsequent dressing and final molding of the forged disc. An intermediate longitudinal draft with the formation of a barrel also contributes to the zonal reorientation of the longitudinal fiber of the workpiece into a tangential disk.

Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.

Слиток вакуумно-дугового переплава жаропрочного сплава нагревают в печи до верхней температуры начала ковки, выдерживают до выравнивания, а затем подают на пресс под протяжку. Слиток протягивают в бойках с уковом (У) 4-11 (где У=F₀/F_к, a F₀ и F_к соответственно площадь сечения слитка и заготовки). Удаляют прибыльную и донную части слитка, получая мерную заготовку для поковки диска.An ingot of a vacuum-arc remelting of a heat-resistant alloy is heated in the furnace to the upper temperature of the beginning of forging, maintained until leveling, and then fed to a press for broaching. The ingot is pulled in strikers with a draft (Y) 4-11 (where Y = F ₀ / F _k , and F ₀ and F _k, respectively, the cross-sectional area of the ingot and the workpiece). The profitable and bottom parts of the ingot are removed, obtaining a measured blank for forging the disk.

Затем мерную заготовку нагревают в печи до ковочной температуры, выдерживают до выравнивания и подают к прессу на плоские бойки. Сначала осуществляют поперечную осадку - «плющение» мерной заготовки на пластину, после чего производят кантовку пластины на 90°, ее обкатку на круг, кантовку на 90° и правку торцов предварительной заготовки диска.Then the measured billet is heated in the furnace to forging temperature, maintained until leveling and fed to the press for flat strikers. First, a transverse upset is carried out - “flattening” of the measured blank onto the plate, after which the plate is turned over 90 °, run into a circle, over 90 ° over and editing of the ends of the disk pre-blank.

Полученную заготовку диска вновь нагревают до ковочной температуры и передают на окончательную формовку под ковочный или штамповочный пресс, либо на стан для раскатки.The resulting disk preform is again heated to forging temperature and transferred to the final molding under the forging or stamping press, or to the rolling mill.

Такое чередование операций обработки слитка позволяет получить ориентированное в тангенциальном направлении волокно и максимальный уровень механических свойств сплава в заданном направлении.Such an alternation of processing operations of the ingot allows you to get oriented in the tangential direction of the fiber and the maximum level of mechanical properties of the alloy in a given direction.

На эскизе представлены основные переходы изготовления поковки диска из слитка:The sketch shows the basic transitions for manufacturing a forged disc from an ingot:

фиг.1 - протяжка слитка с уковом 4-11, рубка на мерные заготовки; удаление в отход прибыльной и донной частей слитка;figure 1 - broach ingot with ukov 4-11, cutting on measured billets; removal of the profitable and bottom parts of the ingot into waste;

фиг.2 - поперечная осадка - плющение мерной заготовки, обкатка на круг и правка торцов заготовки диска;figure 2 - transverse settlement - flattening of the measured workpiece, rolling into a circle and editing the ends of the workpiece disk;

фиг.3 - окончательная формовка поковки диска.figure 3 - the final molding of the forgings of the disk.

В качестве примера осуществления способа представлено изготовление поковки диска ГТД турбины из сплава ЭП - 742ИД.As an example of the implementation of the method, the manufacture of forgings of a turbine engine disc from an EP-742ID alloy is presented.

Поковка имеет диаметр 550 мм и толщину 60 мм.The forging has a diameter of 550 mm and a thickness of 60 mm.

Слиток ВДП диметром 550 мм и длиной 2000 мм нагревали в печи до 1170°С и после 10-часовой выдержки передали на бойки гидравлического пресса 30 МН. После чего, захватив клещами манипулятора за прибыльную часть слитка, в вырезных бойках слиток по всей длине протянули на круг 220 мм с рубкой в отход донной части слитка и рубкой в меру заготовок диаметром 220 мм и длиной 400 мм каждая. Всего получили 21 заготовку. При этом уков (У) от слитка к заготовке составил 6,25 и в соответствии с формулой автора относительная деформация по сечению заготовки составляет

, где ε - относительная степень деформации в любой локальной зоне сечения поковки; и при укове 6, 25 равна 0,6. При такой деформации происходит 100% заварка пористости слитка и достигается практически полная трансформация дендритной литой структуры в деформированную волокнистую заготовки. Волокно - оси 1-го порядка дендритов слитка - направлено вдоль оси заготовки.An ingot of VDP with a diameter of 550 mm and a length of 2000 mm was heated in an oven to 1170 ° C and after 10-hour exposure it was transferred to the strikers of a hydraulic press of 30 MN. After that, capturing the manipulator with ticks for the profitable part of the ingot, the ingots were cut along the entire length in cut strikers to a circle of 220 mm with cutting into the waste of the bottom of the ingot and cutting to the extent of billets with a diameter of 220 mm and 400 mm each. A total of 21 billets were received. In this case, the yields (Y) from the ingot to the workpiece amounted to 6.25 and, in accordance with the author's formula, the relative deformation along the cross section of the workpiece is

where ε is the relative degree of deformation in any local area of the forging section; and with a bait of 6, 25 is 0.6. With this deformation, 100% ingot porosity is welded and almost complete transformation of the dendritic cast structure into a deformed fibrous preform is achieved. The fiber — 1st order axis of the ingot dendrites — is directed along the axis of the workpiece.

Полученные мерные заготовки загрузили в нагревательную печь с температурой 1170°С и после 5-часовой выдержки, на плоских бойках пресса провели поперечную осадку - плющение заготовки на пластину толщиной 100 мм и ее обкатку на диаметр 320 мм. После чего произвели правку торцов заготовки после обкатки.The obtained measured billets were loaded into a heating furnace with a temperature of 1170 ° C and after 5 hours exposure, transverse upsetting was carried out on flat presses - flattening the billet onto a plate 100 mm thick and running it into a diameter of 320 mm. After that they made the editing of the ends of the workpiece after running.

Осаженные заготовки загрузили в печь и нагрели до температуры 1150°С. На прессе установили нижнюю поворотную плиту и верхний плоский боек шириной 100 мм. После чего произвели разгонку заготовки с кантовкой на 180° до заданных размеров поковки.The deposited preforms were loaded into a furnace and heated to a temperature of 1150 ° C. The press mounted the lower rotary plate and the upper flat striker 100 mm wide. After that, the workpiece with pitching was 180 ° distilled to the specified forging sizes.

Сравнительные исследования механических свойств аналогичных материалов (ренэ 41) за рубежом показали, что при значениях предела прочности 125,2 кгс/мм², относительного удлинения 30,0% и относительного сужения 32,8% - вдоль волокна эти показатели поперек волокна значительно меньше и составляют соответственно 114,5 кгс/мм², 16,0% и 18, 2% (Жаропрочные сплавы. Симе Ч., Хагель В. Пер. с англ. М.: Металлургия. - 1976. - 568 с.).Comparative studies of the mechanical properties of similar materials (Rene 41) abroad showed that with a tensile strength of 125.2 kgf / mm ² , a relative elongation of 30.0% and a relative narrowing of 32.8% - along the fiber, these values across the fiber are much smaller and are respectively 114.5 kgf / mm ² , 16.0% and 18, 2% (Heat-resistant alloys. Sime Ch., Hagel V. Per. from English. M.: Metallurgy. - 1976. - 568 p.).

То есть предлагаемый способ изготовления позволяет существенно повысить эксплуатационные характеристики известных и применяемых в ГТД и ГТУ сталей и сплавов.That is, the proposed manufacturing method can significantly improve the operational characteristics of the steels and alloys known and used in gas turbine engines and gas turbine engines.

Claims

1. Способ изготовления поковки диска из слитка, включающий чередование операций нагрева и деформации последнего с отклонением осей первого порядка дендритов слитка в направлении действия максимальных рабочих напряжений в детали, отличающийся тем, что сначала слиток протягивают вдоль его оси с уковом 4-11 и удаляют дефектные прибыльную и донную части слитка, затем производят поперечную осадку заготовки и ее обкатку в перпендикулярной плоскости с получением круглой заготовки, после чего полученную заготовку правят по торцам и осуществляют окончательную формовку поковки диска.1. A method of manufacturing a forgings of a disk from an ingot, comprising alternating the operations of heating and deformation of the latter with the deviation of the first-order axes of the dendrites of the ingot in the direction of the maximum working stresses in the part, characterized in that the ingot is pulled along its axis with a weft 4-11 and the defective the profitable and bottom parts of the ingot, then transverse draft of the workpiece and its run in a perpendicular plane to produce a round workpiece, after which the resulting workpiece is corrected at the ends and carry out the final forming of the forging of the disc.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед поперечной осадкой производят промежуточную продольную осадку заготовки.2. The method according to claim 1, characterized in that before the transverse upsetting produce an intermediate longitudinal upsetting of the workpiece.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что окончательную формовку поковки диска осуществляют путем разгонки заготовки.3. The method according to claim 1, characterized in that the final molding of the forgings of the disk is carried out by distillation of the workpiece.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что окончательную формовку поковки диска осуществляют путем штамповки заготовки.4. The method according to claim 1, characterized in that the final molding of the forgings of the disk is carried out by stamping the workpiece.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что окончательную формовку поковки диска осуществляют путем раскатки заготовки в наклонных валках-роликах. 5. The method according to claim 1, characterized in that the final molding of the forgings of the disk is carried out by rolling the workpiece in inclined rolls-rollers.