Жаропрочные сплавы

Жаропрочные сплавы

3

Аннотация

Дипломная работа, 119 с., 16 рис., 30 табл., 28 библиографических источников, 1 приложение.

ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ, ДЕФОРМАЦИЯ, СТЕПЕНЬ ДЕФОРМАЦИИ, ГОРЯЧАЯ ОБЪЕМНАЯ ШТАМПОВКА, ОБЪЕМ ЗАГОТОВКИ, ОБЛОЙ, УСИЛИЕ ШТАМПОВКИ, ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ.

Данная дипломная работа направлена на разработку нового технологического процесса изготовления детали типа "фланец" из жаропрочного и жаростойкого сплава на никелевой основе ЭИ868 в условиях серийного производства. Деталь типа "фланец" применяется в компрессорной и форсажной камерах современных газотурбинных двигателей. К изделию предъявляются повышенные требования по жаропрочности материала, надежности детали, точности изготовления, качественной проработки структуры и т.д. В работе проанализирован существующий технологический процесс и предлагается создание нового технологического процесса, заключающегося в изготовлении заданного изделия горячей объемной штамповкой на фрикционном прессе. Проведены основные технологические расчеты нового процесса: проектирование формы и размеров горячей поковки, определение размеров исходной заготовки, определение потребного усилия штамповки, расчет усилия обрезки и правки полуфабриката, определение коэффициента использования материала. Рассчитана и сконструирована штамповая оснастка для горячей объемной штамповки детали типа "фланец" и обрезки облоя у отштампованного полуфабриката. Разработана система автоматизации и механизации процесса производства заданного изделия. Рассчитана себестоимость изготовления единицы продукции по старому и новому варианту технологического процесса. Определен ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения нового технологического процесса. Предложены мероприятия по безопасности труда и промышленной экологии.

Оглавление

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. Задание на технологическое проектирование
• 2. Сведения о материале изделия
• 2.1. Основные жаропрочные сплавы на никелевой основе
• 2.2. Химический состав и механические свойства сплава ЭИ868
• 2.3. Термическая обработка сплава ЭИ868
• 3. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ БАЗОВОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛИ ТИПА "ФЛАНЕЦ"
• 4. РАЗРАБОТКА НОВОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛИ ТИПА "ФЛАНЕЦ"
• 4.1. Технологическая схема разрабатываемого процесса производства детали типа "фланец" из сплава ЭИ868
• 4.2. Анализ чертежа чистовой детали "фланец" из сплава ЭИ868
• 4.3. Проектирование чертежа горячей штамповки детали "фланец" из сплава ЭИ868
• 4.3.1. Назначение допусков и припусков
• 4.3.2. Назначение напусков
• 4.3.3. Назначение радиусов скругления
• 4.4. Расчет размеров и массы заготовки
• 4.5. Обоснование выбора нового оборудования.
• 4.6. Разделка исходного материала
• 4.7. Нагрев заготовок под штамповку
• 4.8. Горячая объемная штамповка
• 4.8.1. Определение потребного усилия пресса и
• 4.8.2. Технология изготовления штампа и материалы для
• изготовления штампов
• 4.8.3. Смазка штампов
• 4.9. Обрезка облоя
• 4.10. Пескоструйная обработка
• 4.11. Зачистка дефектов
• 4.12. Правка
• 4.13. Контроль качества готовой продукции
• 5. Разработка чертежЕЙ штамповой оснастки
• 6. Автоматизация технологического процесса
• Выводы по технологической части работы
• 7. Организационно-экономический раздел
• 7.1. Технико-экономическое обоснование темы дипломной работы
• 7.2. Расчет полной себестоимости изготовления единицы продукции по базовому и новому варианту технологического процесса
• 7.2.1. Расчет расходов на основные материалы для изготовления единицы (штуки) продукции
• 7.2.2. Расчет расходов на вспомогательные материалы
• 7.2.3. Расчет основной и дополнительной заработной платы основных производственных рабочих
• Расчет тарифной зарплаты основных производственных рабочих.
• 7.2.4. Расчет единого социального налога
• 7.2.5. Расчет расходов на электроэнергию для технологических целей.
• 7.2.6. Расчет затрат на возмещение износа специальной оснастки
• 7.2.7. Расчет расходов на содержание и эксплуатацию
• производственного оборудования
• 7.2.8. Расчет цеховых расходов
• 7.2.9. Расчет общезаводских расходов
• 7.2.10. Расчет потерь от брака
• 7.2.11. Расчет внепроизводственных расходов
• 7.2.12. Расчет полной себестоимости
• 7.3. Расчет ожидаемого годового экономического эффекта от внедрения нового технологического процесса
• 8. Экология и безопасность
• 8.1. Безопасность производства
• 8.1.1. Идентификация опасных и вредных факторов в технологическом процессе
• 8.1.1.1. Микроклимат рабочей зоны
• 8.1.1.2. Воздух рабочей зоны
• 8.1.1.3. Производственное освещение
• 8.1.2. Разработка мер защиты от выявленных ОВФП в ТП
• 8.2. Устойчивость производства в чрезвычайных ситуациях
• 8.2.1. Факторы, влияющие на формирование ЧС в ТП
• 8.2.2. Разработка мер по повышению устойчивости ТП в ЧС
• 8.3. Промышленная экология
• 8.3.1. Материальный баланс выбросов и сбросов от производства
• Выводы по главе
• Выводы по дипломной работе
• БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
• Введение
• На современном этапе, при работе в достаточно сложной экономической ситуации, основная цель, стоящая перед любым производителем заключается в снижении себестоимости изготовления единицы продукции при условии сохранения прежнего качества изделий или улучшения их качества. Это касается и предприятий авиастроительного комплекса, так как снижение себестоимости продукции позволяет снижать цены на конечную продукцию, что позволяет последней быть конкурентно-способной как на внутреннем, так и на внешнем рынках. Применительно к металлургическому заготовительному производству авиационной отрасли, к которому относиться производство полуфабрикатов и деталей двигателей самолетов, элементов фюзеляжа и планера и т.д., также необходимо стремиться к снижению отходов металла, увеличению коэффициента использования материала, так как стоимость материалов, используемых в процессе производства, играет основную роль в формировании затрат на производство тех или иных деталей [1,2].
• Безусловно, детали современных газотурбинных двигателей можно изготовить многими способами - литьем, механической и слесарной обработкой и т.д. Однако наиболее оптимальными способами изготовления деталей ответственного назначения в условиях серийного или массового производства, обеспечивающими высокую точность размеров и проработку структуры материала, относительно низкую себестоимость продукции, являются методы обработки давлением и в первую очередь горячая объемная штамповка.
• При горячей объемной штамповке в условиях деформационного формоизменения, нагретая заготовка деформируется в штампованный полуфабрикат, заполняя внутреннюю, рабочую полость штампа. Пи этом форма штампованного полуфабриката должна быть максимально приближена к форме готовой детали, для того чтобы минимизировать отходы материала при последующей механической обработке штампованного полуфабриката.
• В условиях серийного и массового производства деталей из сталей и сплавов цветных металлов, процессы обработки металлов давлением, и в частности горячая объемная штамповка имеют ряд существенных преимуществ перед остальными металлургическими процессами:
• 1. При изготовлении деталей штамповкой форма и размеры штампованного полуфабриката максимально приближены к форме и размерам готовой детали, что позволяет не только уменьшить трудоемкость последующей механической обработки, но и максимально снизить объемы отходов материала при обработке резанием.
• 2. Процессы обработки металлов давлением, по сравнению с обработкой металлов резанием, отличаются максимальным значением коэффициента использования материала при изготовлении подобных изделий.
• 3. Детали, изготовленные процессами обработки металлов давлением, отличаются высоким качеством структуры материала по сравнению с процессами изготовления полуфабрикатов литьем, так как в процессе деформации неоднородная, дендритная структура литого материала, с большим количеством литых пор и интерметаллидов, превращается в мелкозернистую, равно осную деформационную структуру, что крайне важно при изготовлении деталей ответственного назначения [2].
• 4. Процессы обработки металлов давлением легко подвергаются автоматизации и механизации, что в свою очередь снижает трудоемкость выполнения технологических операций.
• 5. При изготовлении деталей штамповкой имеется возможность использовать низко квалифицированную рабочую силу, за исключением случаев изготовления, установки и наладки штампов [1,2].
• 1. Задание на технологическое проектирование
• Разработать новый технологический процесс изготовления детали типа "фланец" представленной на рис.1 из жаропрочного и жаростойкого сплава на никелевой основе ЭИ868 методами горячей объемной штамповки. Деталь относится к группе ответственных изделий авиационной промышленности. Применяется в компрессорной и форсажной камерах современных газотурбинных двигателей. К детали предъявляются повышенные требования по жаропрочности и жаростойкости, качеству структуры материала, надежности длительной эксплуатации и т.д. Учесть тот факт, что имеется серийное производство детали с годовой программой выпуска 200 000 шт./год.
• Эскиз чистовой детали.
• Рис.1.
• 2. Сведения о материале изделия

2.1 Основные жаропрочные сплавы на никелевой основе

При изготовлении ответственных деталей современных газотурбинных двигателей довольно часто, в качестве материалов, используют жаропрочные и жаростойкие сплавы на никелевой основе. Легированные сплавы на никелевой основе широко применяются при изготовлении газотурбинных двигателей для рабочих и сопловых лопаток и в меньшей степени -- для турбинных дисков и колец [1,3].

Все жаропрочные сплавы на никелевой основе целесообразно подразделить на следующие две группы:

1. Сплавы ЭИ437, ЭИ617, ЭИ826, ЭИ929, ЭП57, ЭП220, ЖСЗ,ЖС6, ЖС6К, ЭП539, ЭИ698, содержащие Ti и А1 и упрочняющиеся вследствие образования интерметаллидной фазы г' [N3(Ti, A1)].

2. Сплавы ЭИ827, ЭИ828, ЭИ867, ЭП109, ЭП238, содержащие только алюминий и упрочняющиеся фазой Т3А1. К этой группе сплавов относиться и сплав ХН60ВТ, имеющий обозначение ЭИ 868. Сплавы такого типа в деформированном состоянии раньше за рубежом практически не применялись. Для легирования основного твердого раствора отечественных сплавов используют одновременно молибден и вольфрам, в то время как в серийные зарубежные сплавы вводили только молибден.

Исследованиями показано, что разупрочнение сплавов с вольфрамом и молибденом меньше, чем при наличии только одного молибдена. В Англии никельхромотитанистые сплавы известны под марками нимоник 80, 80А, 90, 95, 100, 105 и 115; в США -- под марками инконель X, инко 550, 700, 71ЗС, удимет 500, удимет 700, рене 41, никротанг [3].

В результате сложного легирования у сплавов этой группы достигнуты более высокие жаропрочные свойства по сравнению со сплавами на железной и даже кобальтовой основах.

Металлический никель при 800 0С имеет 100-ч длительную прочность 40 МПа. Присадка 20% Сг к никелю сравнительно мало упрочняет твердый раствор при высоких температурах и повышение предела длительной прочности составляет 25-30%. Хром улучшает окалиностойкость и, кроме того, повышает энергию связи атомов в твердом растворе системы Ni--Cr--Fe.

Введение в сплавы 2,5-3,0 % Ti способствует образованию высокодисперсных интерметаллидных фаз при умеренных температурах, увеличивая тем самым сопротивление сплава пластической деформации и повышая 100-ч длительную прочность при 800 0С до 150 МПа. Внедрение в нихромовые сплавы титана вместе с бором повышает ее до 200 МПа. Еще более значительному росту жаропрочности способствует увеличение содержания титана или алюминия (или их суммы) вместе с бором и тугоплавкими элементами - W, Мо или Nb. Установлено, что характеристическая температура, пределы длительной прочности и внутреннее трение с внедрением титана в никель и в хромоникелевые (никельхромистые) сплавы повышаются. Известно, что между скоростью роста частиц второй фазы при старении сплава на никелевой основе и длительной прочностью имеется определенное соответствие. Присадка бора ускоряет процессы укрупнения частиц.

Никелевые сплавы марок ЭИ 868, ЭИ 929 и др. обладают высокой стабильностью свойств, определяемых при длительных испытаниях на разрыв, что подтверждено неоднократными испытаниями в лабораторных и промышленных условиях. Между длительной прочностью, твердостью при соответствующей температуре испытания и количеством упрочняющих фаз, образующихся в результате термической обработки хромоникелевых сплавов, наблюдается определенная зависимость. С повышением содержания титана или алюминия или их суммы в никельхромистом сплаве увеличивается количество интерметаллидной фазы типа г' [Ni (Ti,A1)] или фазы Ni3Al .

С понижением температуры растворимость титана в двойной и в тройной системах резко падает. Так, при 750 0С в двойной системе Ni-Ti растворимость титана составляет уже 10%, а в тройных сплавах с 20% Сг -- примерно 4%. По-видимому, при дальнейшем снижении температуры растворимость титана Ni - Сг твердом растворе еще более резко падает и сплавы с содержанием титана меньше 4% при комнатной температуре, возможно, уже являются двухфазными. Однако в состав жаропрочных сплавов, кроме титана, как правило, входит алюминий. Согласно диаграммам состояния системы Ni--Al--Ti, алюминий оказывает значительное влияние на растворимость титана в никеле. Так, при 1150 0С растворимость титана в никеле снижается с 13 до 8% при содержании 5% А1. При 750 0С это явление еще более ярко выражено. Аналогичное действие на растворимость алюминия в никеле оказывает титан.

Насыщенный г- раствор титана в никеле находится в равновесии с интерметаллидным соединением Ni3Ti (ф)-фаза с гексагональной решеткой в двойной системе без алюминия и в тройной системе при малых концентрациях алюминия. Насыщенный (г) твердый раствор алюминия в никеле находится в равновесии с у-фазой с гранецентрированной кубической решеткой, построенной на базе соединения N3А1. В тройной системе в области более высокого содержания алюминия, г'-фаза представляет основную вторую фазу. Растворимость обоих соединений [Ni3Ti (ф)-фаза) и г'-фазы в твердом растворе в зависимости от температуры из меняется, что сообщает сплавам способность к дисперсионному упрочнению.

При введении хрома в двойные и тройные сплавы системы Ni-Al-Ti механизм превращений в этих сплавах не меняется, но кривые растворимости смещаются в сторону меньших концентраций. Кроме того, изменяется энергия связи атомов в кристаллической решетке и скорости диффузии хрома и титана.

Наиболее распространенной фазой, играющей главную роль в упрочнении жаропрочных сплавов на никелевой основе и ряда сплавов на никелевой основе, является г'-фаза. Она имеет гранецентрированную кубическую решетку, близкую к решетке г-твердого раствора, но несколько большего параметра, и по химическому составу приближается к соединению Ni (Ti,Al); г'-фаза содержит небольшие количества хрома.

Известно, что закаленный пересыщенный твердый г-раствор по существу не является однородным в отношении распределения атомов алюминия и титана в решетке растворителя. В зависимости от скоростей охлаждения и состава величина этой неоднородности различна. Имеются области, настолько обогащенные титаном и алюминием, что в них возможно образование сверхструктуры с размерами от 80 до 1000 А. Сплавы с большим содержанием алюминия и сложнолегированные сплавы типа ЭИ617 уже при охлаждении на воздухе подвергаются распаду, что отмечается по разнице в твердости сплава, закаленного в воде и на воздухе. В зависимости от температуры и продолжительности выдержки при старении сплава типа ХН77ТЮ (ЭИ437А) наблюдаются следующие изменения. При нагреве до 500 0С в закаленном на твердый раствор сплаве каких-либо структурных изменений не наблюдается. В интервале 500-600 0С [3] изменяется характеристическая температура, которая достигает при этом максимального значения. Величины изменения среднеквадратичных смещений атомов в решетке при тепловых колебаниях становятся минимальными, что указывает на увеличение сил связи атомов в кристаллической решетке. В этом интервале температур период решетки не изменяется, что свидетельствует лишь о подготовительном процессе диффузионного перераспределения атомов титана и алюминия без перестройки решетки.

Усиленная подвижность атомов, характеризуемая изменением динамических и статических смещений, наблюдается при 700 0С, что сопровождается выделением г'-фазы, обогащенной титаном и алюминием. Уменьшение периода кристаллической решетки также свидетельствует об образовании г'-фазы. Нагрев при 800 0С сначала вызывает ускорение процессов выделения г'-фазы, а затем перестройку решетки из кубической в гексагональную. Рост частиц и перерождение кубической г'-фазы отмечают многие исследователи. Процессы, протекающие при старении в хромоникельтитанистых сплавах с алюминием, сопровождаются изменением физических и механических свойств: изменяются параметр решетки, удельное электросопротивление [3].

Установлено, что предварительное разупрочняющее высокотемпературное старение приводит к значительному развитию сдвиговой деформации. Несмотря на межзеренный характер разрушения, этот сплав сохраняют высокую пластичность. С увеличением содержания титана или алюминия или их I суммы увеличивается количество г'-фазы или фазы Ni3Al и их термическая стойкость. При этом алюминий оказывает очень сильное влияние на количество г'-фазы в никельхромотитанистых сплавах. С повышением количества алюминия содержание легирующих элементов в г'-фазе резко возрастает. Сплавы на никелевой основе (без титана) упрочняются вследствие образования фазы Ni3Al, которая также повышает их жаропрочные свойства. Таким образом, алюминий представляет ценный легирующий элемент в аустенитных сталях с высоким содержанием никеля, особенно в сплавах на никелевой основе. Одновременное введение титана и алюминия действует более эффективно, чем добавка только титана. Алюминий, вводимый в сложнолегированные никельхромистые жаропрочные сплавы, оказывает очень сильное влияние на повышение жаропрочных свойств этих сплавов, причем тем большее, чем выше его содержание. Однако если количество алюминия больше 3- 4%, то возникают затруднения при ковке, что и ограничивает возможность более сильного легирования этим элементом труднодеформируемых жаропрочных сплавов [3, 4].

2.2. Химический состав и механические свойства сплава ЭИ868

Жаропрочный и жаростойкий сплав на никелевой основе ЭИ868 относится к группе хромоникелевых сплавов и достаточно широко применяется при изготовлении деталей двигателей, работающих при достаточно высоких температурах и испытывающих повышенные нагрузки. Довольно часто в научной и технической литературе сплав ЭИ868 встречается под своим устаревшим названием - сплав ХН60ВТ [3,4]. Химический состав сплава ЭИ868 (в %) согласно ТУ 14-1-1747-76 [5] представлен в табл.1, механические свойства сплава представлены в табл.2 [5, 6].

Таблица 1

Химический состав хромоникелевого сплава ЭИ868, % по массе

(ТУ 14-1-1747-76) [5].

C	Cr	W	Ti	Ni	Al	Fe	Mn	Si	Cu	S	P
					не более
0,10	23,5-26,5	13-16	0,3-0,7	Основа	0,5	4,0	0,50	0,80	0,07	0,013	0,013

Некоторые механические и физические свойства хромоникелевого сплава представлены в табл.3-8. Сплав ЭИ868 удовлетворительно деформируется в горячем и в холодном состоянии. Температурный интервал горячей деформации составляет 1180-10500С. Охлаждение после деформации производиться на воздухе. Сплав можно деформировать глубокой вытяжкой. Придельный коэффициент вытяжки составляет 2,06. Сплав удовлетворительно обрабатывается резанием. Сплав ЭИ868 (ХН60ВТ) применяется в деталях камер сгорания, форсажных камерах авиационных двигателей, в качестве элементов жаровых труб, экранов и других деталей, работающих длительное время при температурах 900-10000С.

Таблица 2

Механические свойства хромоникелевого сплава ЭИ868 [5, 6].

Тип полуфабриката	ГОСТ, ОСТ, ТУ	Состояние полуфабриката	Температура испытания, 0С	Предел прочности в, МПа	Относительное удлинение , %	Относительное сужение , %
Прутки диаметром от 8 до 60 мм	ЦНИИЧМ 293-60	Закаленные с температуры 1160 0С на воздухе в течении 30-60 мин.	20	750-850	25-30	---
			90	190-197	---	25-30
Прутки диаметром от 20 до 120 мм или со стороной квадрата 55-120 мм.	ТУ 14-1-286-72	Закаленные с температуры 1150 -1200 0С на воздухе в течении 30-60 мин.	20	770-890	---	---
			90	220	45	50
Прутки, трубные заготовки диаметром от 60 до 165 мм	ЦНИИЧМ 304-60	Закаленные с температуры 1200 0С на воздухе в течении 60-120 мин.	20	790-850	---	---
			90	190-197	30-35	35-45
Лист холоднокатанный	ТУ 14-1-1747-76	Закаленные с 1150-12000С в воде, под водяным душем или на воздухе.	20	1050	40	---
			90	180	30	---

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8