Отчет по практике специальности «Машиностроение»

Для выбора оптимального состава органического связующего для паст порошковых припоев проведены серии экспериментов с пастами припоев, изготовленными с различными составами органического связующего. При проведении экспериментов оценивали влияние срока хранения на основные технологические характеристики паст порошковых припоев:

— скорость экструзии пасты через сопло 02 мм при усилии экструзии 2 кН/м2;

— относительный объем неизвлекаемого остатка пасты.

Рис. 4 – Зависимость скорости экструзии и объема неизвлекаемого остатка пасты

Разработанные состав связующего и технологии изготовления паст порошковых припоев, обеспечивают:

— возможность нанесения пасты шпателем или экструзией из шприца;

— низкое усилие экструзии (<2 кН/м2);

— длительный срок хранения (не менее 6 месяцев) без потери уровня технологических характеристик.

Условия работы рабочих колес турбины ГТД отличаются высоким уровнем нагрузок. Поиск путей достижения наибольшего сопротивления разрушению материала конструкции в неравномерном температурном поле привел к применению биметаллических соединений. В конструкции ротора типа «блиск» используются высокожаропрочные дисковые сплавы с рабочими температурами на ободе диска до 850°С, которые обладают повышенными надежностью и ресурсом, а для лопаток — монокристаллические жаропрочные никелевые сплавы с рабочими температурами до 1150°С, т. е. с существенно большими, чем на ободе. При изготовлении конструкций типа «блиск», когда лопатки изготавливаются заодно с диском из одной заготовки с помощью механической обработки, значительные трудности вызывает обработка профиля лопаток. Диск и лопатки работают в разных условиях, и требования к материалам, из которых они изготовлены, существенно различаются. Если такой диск с лопатками изготавливать из одного сплава (например, дискового), то придется значительно снижать температуру на рабочих лопатках. Снижение массы конструкции типа «блиск» достигается за счет снижения массы замковой части лопаток.

Основной задачей, требующей решения при создании ротора конструкции типа «блиск», является обеспечение надежного неразъемного соединения монокристаллических лопаток из никелевых литейных жаропрочных сплавов и диска из никелевых деформируемых сплавов. В настоящее время в качестве методов соединения рассматриваются следующие технологии: горячее изостатическое прессование (ГИП) порошкового диска совместно с лопатками, линейная сварка трением, диффузионная сварка и диффузионная пайка. Применение метода ГИП при создании конструкции типа «блиск» осложняется требованием к точному расположению лопаток относительно друг друга при компактировании диска и необходимостью изготовления капсул сложной геометрической формы. Реализация методов сварки в твердой фазе методами линейной сварки трением и диффузионной сварки требует приложения значительных усилий, что может приводить к деформации тонких частей лопаток и нарушению монокристаллической структуры лопаток, что неизбежно приводит к снижению значений механических характеристик материала лопаток. Этих недостатков лишен метод диффузионной пайки, немаловажным преимуществом которого является отсутствие потребности в сложном дорогостоящем оборудовании, небольших изменениях в конструкциях дисков и лопаток, а также минимальных изменениях в существующем технологическом процессе изготовления. При изготовлении конструкции типа «блиск» с применением технологии пайки в диске нарезают пазы для установки лопаток, тем самым обеспечивается точное позиционирование лопаток относительно друг друга без применения сложной оснастки. В процессе диффузионной пайки не требуется приложения дополнительных усилий к лопаткам, что исключает связанные с этим проблемы.

Для разработки технологии изготовления рабочего колеса ГТД конструкции типа «блиск» в качестве дискового выбрали деформируемый сплав ЭП975, а в качестве сплава для лопаток – интерметаллидный сплав ВКНА-25, т. е. сплавы с одними из самых высоких рабочих температур:

— 975°С – для сплава ЭП975;

— 1150°С – для сплава ВКНА-25.

В ходе проведенных работ по созданию надежного неразъемного соединения разноименных никелевых жаропрочных сплавов разработан припой и выбран режим термической обработки, которые позволяют совместить пайку с термической обработкой соединяемых материалов. Исследование микроструктур паяных соединений показало, что новый припой обеспечивает качественное формирование паяных соединений без образования пор, непропаев, эррозионного взаимодействия с паяемыми материалами. Режим термической обработки обеспечивает изотермическое отверждение паяного соединения без образования хрупких включений и диффузионной пористости. Диффузионный обмен легирующими элементами припоя более интенсивно протекает на границе со сплавом ЭП975, чем со сплавом ВКНА-25. При этом в процессе диффузионного отверждения в сплаве ВКНА-25 выделения избыточных фаз практически не происходит. В сплаве ЭП975 карбиды и бориды в основном выделяются по границам зерен, но не образуют при этом сплошной хрупкой прослойки, что не должно отрицательно сказаться на механических свойствах диффузионной зоны сплава ЭП975. Механические испытания паяных соединений сплавов ЭП975 и ВКНА-25 подтвердили правильность выбора состава припоя, режимов пайки и термической обработки паяных соединений.

Рис. 5 – Внешний вид (а) и микроструктура паяного соединения (б) образца-демонстратора конструкции типа «блиск» из сплавов ЭП975 и ВКНА-25

Разработанные состав припоя и технология пайки сплавов ВКНА-25 и ЭП975 обеспечивают:

— формирование качественного паяного соединения сложной геометрической формы (суммарная протяженность дефектов <1% даже при пайке соединяемый поверхностей, подвергнутых электроэрозионной обработке);

— совмещение пайки и термической обработки паяного соединения с термической обработкой соединяемых материалов;

— пайку зазоров большой величины (до 200 мкм) без формирования хрупких эвтектических включений в паяном соединении;

— длительную (сточасовую) прочность паяных стыжовыгх соединений на уровне 0,85-0,9 от прочности сплава ЭП975 при рабочей температуре изделия.

В АО «Климов» разработана конструкция замкового соединения применительно к ротору ГТД вертолетного двигателя конструкции типа «блиск». Изменение конструкции замкового соединения диска с лопатками без переработки конструкции самого диска обеспечило:

— снижение массы ротора на 7% на перефирической части диска;

— снижение напряжений в ступице диска на 14%;

— исключение крепежных элементов лопаток.

Оптимизация конструкции самого диска и ступицы приведет к еще большему снижению массы ротора вплоть до теоретически возможной величины 30%.

Совместно с АО «Климов» изготовлен образец-демонстратор конструкции типа «блиск» из сплавов ЭП975 и ВКНА-25. Динамические испытания опытного образца-демонстратора конструкции типа «блиск» из сплавов ЭП975 и ВКНА-25 по программе сдаточных испытаний серийных изделий подтвердили работоспособность конструкции.

КПД газотурбинных двигателей в значительной степени зависит от рабочей температуры газа в горячем тракте ГТД. Поэтому наиболее широко используемым путем увеличения мощности и экономичности ГТД является увеличение рабочей температуры газа, что приводит к соответствующему росту требований к материалам деталей горячего тракта и в первую очередь к рабочим и сопловым лопаткам. Интерметаллидные сплавы типа ВКНА и ВИН (на основе интерметаллида №3А1) обладают уникальным комплексом рабочих характеристик: низкая плотность, работоспособность до температур 1150°С и даже — до 1200°С. Основным недостатком данного типа сплавов является сложность отливки, из-за чего сложные детали (такие как блоки сопловых аппаратов) целесообразно отливать с отдельными лопатками с последующим их соединением методом пайки. Однако для реализации данного способа изготовления необходима разработка технологии пайки, обеспечивающей прочность соединения, которая близка к прочности основного материала.

В ходе сравнительных исследований для пайки сплавов ВКНА и ВИН выбран припой ВПр37, который склонен к диффузионному отверждению. При диффузионной пайке припой ВПр37 — за счет диффузионного взаимообмена легирующими элементами между припоем и паяемым материалом — теряет депрессанты (легирующие элементы, понижающие его температуру плавления), что приводит к его изотермической кристаллизации и формированию качественного паяемого шва без эвтектических прослоек. Проведено исследование влияния режима термической обработки на микроструктуру паяных соединений, выполненных припоем ВПр37, и выбран оптимальный режим термической обработки, обеспечивающий диффузионное отверждение припоя без негативного влияния на микроструктуру сплавов типа ВКНА. Микроструктура паяных соединений, выполненных припоем ВПр37 без термической обработки, представляет собой зерна у’-фазы, обрамленные значительным количеством выделений избыточных фаз. Вблизи паяного шва в основном материале наблюдается зона диффузионного взаимодействия с припоем, в которой видны игольчатые выделения избыточных фаз. После термической обработки размер и количество выделений избыточных фаз в паяном шве и околошовной зоне значительно уменьшаются, и они становятся сопоставимыми с основным материалом. Избыточные выделения в паяном шве и диффузионной зоне почти полностью отсутствуют (рис. 6).

Рис. 6 – Микроструктура (X 1000) паяных соединений сплавов ВКНА-25 (а) и ВИН3 (б) в одноименных сочетаниях

В результате проведенных исследований разработаны технологии пайки сплавов ВКНА-25, ВКНА-1ВР и ВИН3 в одноименных сочетаниях, обеспечивающие:

— качественное формирование паяных соединений с величиной сборочных зазоров от 20 до 200 мкм;

— практически полное отсутствие эррозионного повреждения основного материала при пайке (<15 мкм);

— изотермическое отверждение припоя (без образования избыточных фаз) в зазорах до 150-170 мкм;

— рабочую температуру соединений до 1150-1200°С;

— кратковременную прочность паяных стыковых соединений на уровне 0,8-1,0 от прочности основного материала.

Заключение

В ходе производственной практики (научно-исследовательской работы) были приобретены необходимые практические умения и навыки работы, которые понадобятся мне в дальнейшей деятельности. Навыки и умения, приобретенные мной путем непосредственного участия в деятельности организации.