PL238218B1 - Sposób zgrzewania blach o wysokiej wytrzymałości zwłaszcza maskownic osłaniających zamek łopatki oraz proces aluminiowania łopatek silnika odrzutowego - Google Patents

Abstract

Sposób zgrzewania blach o wysokiej wytrzymałości zwłaszcza maskownic osłaniających zamek łopatki oraz proces aluminiowania łopatek silnika odrzutowego charakteryzuje się tym, że zastosowano wydłużony czas przepływu prądu co pozwoliło na prowadzenie procesu przy zastosowaniu niższych wartości natężenia prądu zgrzewania oraz mniejszych wartości siły docisku zgrzewanych powierzchni maskownicy i zamka łopatki silnika odrzutowego, następnie maskownice z zamocowanymi w nich zamkami łopatek w procesie aluminiowania poddano nagrzewaniu w czasie 5 godzin do temperatury 1075°C, po czym prowadzono wygrzewanie w tej temperaturze w czasie 10 godzin, a następnie schłodzono powoli w czasie 8 godzin do temperatury otoczenia. Proces ten charakteryzuje większą strefą nagrzania materiału, co zapewnia wprowadzenie do obszaru zgrzewanego większej ilości ciepła, poprzez co zgrzeiny charakteryzują się większą strefą zmian mikrostruktury. Większa ilość wprowadzonego ciepła wpływa na zmniejszenie szybkości krystalizacji zgrzein i zmniejszenie szybkości ich chłodzenia w zakresie temperatur przemiany przechłodzonego austenitu.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób zgrzewania blach o wysokiej wytrzymałości, zwłaszcza maskownic osłaniających zamek łopatki - w nich zamkami łopatek silnika odrzutowego oraz proces aluminiowania łopatek silnika odrzutowego, a w szczególności dobór parametrów procesu technologicznego zgrzewania, zapewniający brak w materiale zgrzeiny produktów hartowania. Łopatka turbiny musi spełniać szereg wymagań, które wynikają ze środowiska pracy silnika odrzutowego, który pracuje w środowisku gazów spalinowych o wysokiej temperaturze, co powoduje cykliczne obciążenia cieplne w warunkach oddziaływania zawartych w gazach spalinowych agresywnych pierwiastków. W wyniku pracy w takich warunkach łopatki są narażone na działanie degradujące ich mikrostrukturę. Podczas pracy w materiale łopatki silnika odrzutowego możliwe jest pełzanie prowadzące do pęknięcia po odkształceniu. Dlatego na konstrukcję należy zastosować materiał odporny na pełzanie, odporny na utlenianie w wysokiej temperaturze, odporny na uszkodzenia dynamiczne, odporny na zmęczenie wywołane zmianami temperatury, posiadający stabilność cieplną, małą gęstość. Te wymagania spełniają do temperatury około 1100°C materiały, które obecnie stosuje się na łopatki turbin, czyli złożone stopy na osnowie niklu lub kobaltu z licznymi składnikami i dodatkami stopowymi (ti, al, mo, W, Nb, zr, b, V, y, la, re, ta i innymi). Ze względu na konieczność zwiększania temperatury gazów przed turbiną łopatki turbin współczesnych silników są zazwyczaj łopatkami chłodzonymi, a więc wykonanymi z kanałami wewnętrznymi.

Z polskiego opisu patentowego PL 217717 znany jest sposób zgrzewania blach o wysokiej wytrzymałości zwłaszcza TRIP i DP, który charakteryzuje się tym, że za pomocą dodatkowego impulsu dogrzewającego spowalnia się szybkość chłodzenia, przy czym impulsem dogrzewającym spowalnia się chłodzenie do poziomu czasu chłodzenia, korzystnie 23 sekundy dla blach TRIP i korzystnie 10 sekund dla blach DP oraz kontroluje się rozkład temperatury w trzech punktach obszaru zgrzewania, w styku elektroda materiał zgrzewany (Telektroda-materiał), osi elektrod, centralnym punkcie jądra zgrzeiny (Tjądro) i na krawędzi jądra (Tkrawędź jądra), a kontrola temperatury odbywa się w modelu obliczeniowym MES, nie w rzeczywistych warunkach.

Czasy spowolnienia chłodzenia określa się oraz wyznacza w próbach na stanowisku do symulowania cykli cieplnych, gdzie nagrzewa się próbkę do temperatury 1250°C i poddaje się kontrolowanemu chłodzeniu, w wyniku czego uzyskuje się rozkład twardości w zależności od szybkości chłodzenia, przy czym czasem odniesienia jest czas chłodzenia w zakresie 800-500°C, w skrócie t8/5, który przenosi się na dodatkowy impuls dogrzewający za pomocą oprogramowania do obliczeń MES.

Również z opisu patentowego PL228089 znany jest sposób, który polega na tym, że stosowany jest serwo mechaniczny systemu docisku elektrod, który w pierwszej fazie cyklu przed przepływem prądu zgrzewania realizuje wstępny docisk zapewniający kontakt elementów zgrzewanych (prętów), przy zastosowanej sile docisku elektrod nie większej niż 0.25d wyrażonej w kN, a w następnej fazie (drugiej) realizowany jest dosuw (przemieszczanie) elektrod i przepływa prąd zgrzewania o łącznym czasie nie większym niż 15d wyrażonym w ms, który stopniowo narasta w czasie 2-3d wyrażonym w ms, do wartości maksymalnej mniejszej o 40% niż zwykle stosowanej przy zgrzewaniu garbowym prętów z pneumatycznym systemem docisku elektrod i jednocześnie (w czasie 2-3d) elektrody (pręty) dosuwane (przemieszczane) są do siebie na odległość nie większą niż 0.005d wyrażoną w mm, dla uzyskania siły docisku w zakresie 40-50% wartości początkowej (wstępnego docisku, tj. [0.4-0.5] x 0.25d wyrażonej w kN), a następnie elektrody w czasie dalszego przepływu prądu nie krótszym niż 10d wyrażonym w ms, liczonym od początku przepływu prądu, dosuwane (przemieszczane) są do siebie na odległość nie większą niż 0.005d wyrażoną w mm, tak by utrzymać wartość siły docisku w zakresie 40-50% wartości początkowej (docisku wstępnego), tj. [0.4-0.5] x 0.25d wyrażonej w kN, po czym przez pozostały czas przepływu prądu, tj. 5d wyrażonym w ms, elektrody są nadal dosuwane (przemieszczane) do siebie odkształcając pręty na łączną odległość nie większą niż 0.15d wyrażoną w mm, tak by na zakończenie przepływu prądu wartość siły docisku nie była mniejsza niż 0.2d i nie była większa niż 0.25d wyrażona w kN, a w następnej fazie trzeciej, po zaniku przepływu prądu zgrzewania przez czas co najmniej 30d, wywierany jest docisk (siła) elektrod dla utrzymania siły o wartości takiej jak na zakończenie przepływu prądu tj. korzystnie nie mniejszej niż 0.2d i nie większej niż 0.25d wyrażonej w kN, i uzyskania odkształcenia (przenikania) prętów na łączną odległość nie większą niż 0.2d wyrażoną w mm - gdzie d to średnica prętów w mm, w zakresie średnicy prętów aluminiowych od 2 do 12 mm.

PL 238 218 Β1

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu wytwarzania maskownic techniką zgrzewania, która zapewni ukształtowanie w zgrzeinach mikrostruktury zawierającej bainit i austenit szczątkowy, zapewni wysokie właściwości materiałowe i wyjątkową odporność na pękanie.

Sposób zgrzewania blach o wysokiej wytrzymałości zwłaszcza maskownic do osłony zamka łopatki oraz proces aluminiowania łopatek silnika odrzutowego charakteryzuje się tym, że zastosowano dłuższy czas przepływu prądu co pozwoliło na prowadzenie procesu przy zastosowaniu niższych wartości natężenia prądu zgrzewania oraz mniejszych wartości siły docisku zgrzewanych powierzchni maskownicy i zamka łopatki, następnie maskownice z zamocowanymi w nich zanikami łopatek w procesie aluminiowania poddaje się nagrzewaniu w czasie 5 godzin do temp. 1075°C, po czym prowadzi się wygrzewanie w tej temperaturze w czasie 10 godzin a następnie chłodzi się do temperatury otoczenia w czasie 8 godzin. Proces ten charakteryzuje większa strefa nagrzania materiału. Proces ten zapewnia wprowadzenie do obszaru zgrzewanego większej ilości ciepła, poprzez co zgrzeiny charakteryzują się większą strefą zmian mikrostruktury. Większa ilość wprowadzonego ciepła wpływa na zmniejszenie szybkości krystalizacji zgrzein i zmniejszenie szybkości ich chłodzenia w zakresie temperatur przemiany przechłodzonego austenitu. Korzystnym tego skutkiem jest brak produktów hartowania, które są podatne do tworzenia pęknięć w materiale.

Przedmiot wynalazku został przybliżony w przykładowym wykonaniu z zastosowaniem parametrów ujętych w poniższej tabeli.

Wartości parametrów prądowych, siły docisku oraz czasu zgrzewania punktowego blach w wariantach: dwie blachy płaskie oraz w wariancie: jedna płaska a druga z garbami

Wariant parametru w procesie	Natężenie prądu, A	Siła docisku, N	Czas docisku, ms
b/achy płaskie
A	2600	200	125
B	2200
c	3000
D	2600	200	DO
E	L5O
F	2600	150	125
G	250
blacha plaska + blacha z garbami
H	2600	200	125

Do wytwarzania maskownic stosowana jest blacha w gatunku DC 01 (PN EN 1030 + Al: 1999), o grubości 0,8 mm. Skład chemiczny stali stosowanej do wytwarzania maskownic podano w tabeli 1, a wartości ich właściwości mechanicznych w tabeli 2.

Skład chemiczny stali w gatunku DC 01, stosowanej do wytwarzania maskownic

Skład chemiczny stali DC 01. % mas.
c	Mn	P	s	Fe
0,1	0.6	0,045	0,045	reszta

Właściwości mechaniczne stali w gatunku DC 01, stosowanej do wytwarzania maskownic

Właściwości mechaniczne stali DC 01
Rm, MPa	Re, MPa	Asa, %
270-410	110-280	28

Stal ta jest stosowana do kształtowania na zimno.

PL 238 218 B1

Maskownice z zamocowanymi w nich zamkami łopatek silnika odrzutowego w procesie aluminiowania poddaje się nagrzewaniu w czasie 5 godzin do temp. 1075°C, po czym prowadzi się wygrzewanie w tej temperaturze w czasie 10 godzin a następnie chłodzi się do temperatury otoczenia w czasie 8 godzin, więc w wyniku obciążeń cieplnych, w procesie aluminiowania, węgliki rozpuszczają się w osnowie i następuje w wyniku przebiegu procesu dyfuzji tworzą się warunki do ich wydzielania na granicach ziaren ferrytu. Po ochłodzeniu do temperatury otoczenie, w granicach ziaren tworzy się łańcuszek węglików zawierających również fosfor i siarkę.

Okazało się, podczas przeprowadzonych badań, że maksymalny przyrost długości próbek proszku występuje po osiągnięciu temperatury około 910°C i wynosi około 1,94-1,95 nm/mm. W przypadku proszku zagęszczonego, wartość przyrostu długości próbki jest nieznacznie większy, bo o około 0,1 μm/mm. Dalszemu wzrostowi temperatury od 910°C do 1075°C towarzyszy zmniejszanie się przyrostu długości próbek. W trakcie wygrzewania występuje skokowe obniżenie wartości wydłużenia jednostkowego o około 1,16 μm/mm w przypadku próbki proszku luźno zasypanego i około 1,24 μm/mm w przypadku próbki proszku zagęszczonego. Podczas chłodzenia próbek zmniejsza się nadal wartość ich wydłużenia jednostkowego. Efektem chłodzenia próbek do temperatury otoczenia jest ich skurcz, w porównaniu do wyjściowego wymiaru długości. Wartość tego skurczu dla próbki zagęszczonej jest zdecydowanie większa (1,08 μm/mm), w porównaniu do wartości skurczu próbki luźno zasypanej (0,19 μm/mm).

Uzyskane rezultaty wskazują, że wprowadzenie do maskownic zamka dotychczas stosowanego proszku, skutkuje powstaniem naprężeń rozciągających w ich ściankach, podczas procesu aluminiowania łopatek silnika odrzutowego.

Maskownice stanowią zgrzewaną konstrukcję stalową, która w procesie aluminiowania łopatek przechodzi takie same obciążenie cieplne i oddziaływanie ze strony środowiska wytworzonego w procesie aluminiowania łopatek. Jest to proces wysokotemperaturowy (1075°C), podczas którego w konstrukcji maskownicy tworzy się złożony stan naprężeń.

Naprężenia te, bez uszkodzenia konstrukcji, muszą przenieść zgrzeiny. Uszkodzenie konstrukcji maskownic w procesie aluminiowania, z uwagi na wymagany efekt procesu, jest niedopuszczalne. Stąd szczególnej wagi nabiera zagadnienie opracowania poprawnego procesu kształtowania zgrzein oraz zastosowania w procesie zgrzewania wysokiej jakości sprzętu do zgrzewania i aluminiowania.

Claims (1)

1. Sposób zgrzewania blach o wysokiej wytrzymałości zwłaszcza maskownic Osłaniających zamek łopatki oraz proces aluminiowania łopatek silnika odrzutowego, znamienny tym, że zastosowano wydłużony czas przepływu prądu przy zastosowaniu niższych wartości natężenia prądu zgrzewania oraz mniejszych wartości siły docisku zgrzewanych powierzchni maskownic z zamkami łopatek, po czym maskownice z zamocowanymi w nich zamkami łopatek silników odrzutowych w procesie aluminiowania poddano nagrzewaniu w czasie 5 godzin do temperatury 1075°C, następnie prowadzono proces wygrzewania w tej temperaturze w czasie 10 godzin po którym to czasie powoli w czasie 8 godzin schładzano zestaw maskownicy do temperatury otoczenia.