способ изготовления многослойных тонкостенных сильфонов

Формула изобретения

1. Способ изготовления многослойных тонкостенных сильфонов, включающий формирование трубных заготовок, вытяжку за несколько операций каждой трубной заготовки до заданных размеров, сборку вытянутых трубных заготовок в пакет, гофрирование пакета с образованием сильфона и термическую обработку сильфона, отличающийся тем, что каждую трубную заготовку формируют из дисперсионно-твердеющего сплава на основе никеля, содержащего легирующие элементы, образующие упрочняющую фазу, после каждой операции вытяжки трубную заготовку нагревают до температуры 1000 - 1130^oC, выдерживают ее в защитной среде при указанной температуре до полного растворения упрочняющей фазы в сплаве, охлаждают трубную заготовку до температуры окончания фазового превращения в сплаве с повторением указанных операций вытяжки, нагрева, выдержки и охлаждения до достижения каждой трубной заготовкой заданных размеров, а термическую обработку сильфона ведут путем нагрева до температуры 1000 - 1130^oC, выдержки сильфона в защитной среде при этой температуре до полного растворения упрочняющей фазы в сплаве и последующем охлаждении до температуры окончания фазового превращения в сплаве.

2. Способ изготовления тонкостенных сильфонов по п.1, отличающийся тем, что в качестве защитной среды используют разряженную воздушную среду при давлении 1 10^-4 - 1 10^-3 мм рт.ст.

3. Способ изготовления тонкостенных сильфонов по п.1, отличающийся тем, что охлаждение трубной заготовки и сильфона ведут в потоке инертного газа.

4. Способ изготовления тонкостенных сильфонов по п.3., отличающийся тем, что в качестве инертного газа используют аргон.

5. Способ изготовления тонкостенных сильфонов по п.1 и 3, отличающийся тем, что в качестве защитной среды применяют инертный газ.

6. Способ изготовления тонкостенных сильфонов по п.5, отличающийся тем, что в качестве инертного газа используют аргон.

7. Способ изготовления тонкостенных сильфонов по п.1, отличающийся тем, что в качестве легирующих элементов применяют элементы: ниобий, титан, вольфрам, молибден.

8. Способ изготовления тонкостенных сильфонов по пп.1 и 8, отличающийся тем, что перед гофрированием на периферийные участки наружной и внутренней поверхностей каждой вытянутой трубной заготовки наносят слой никелевого покрытия толщиной 5 - 15 мкм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии изготовления тонкостенных металлических сильфонов, работающих в условиях высоких температур, давлений и агрессивных сред.

Предшествующий уровень техники

Тонкостенные металлические сильфоны широко используются в различных областях техники, например в авиастроении, двигателестроении, нефтяной промышленности, в частности для обеспечения подвижного соединения трубопроводов для компенсации их перемещения под внешним воздействием.

Известны различные способы изготовления тонкостенных сильфонов. В патенте США N 2797112, НКИ 72-59, 1957 г. описано изготовление многослойных сильфонов из отдельных тонких пластин, в частности методом сварки. Однако известный способ является достаточно трудоемким и требует дополнительного контроля для обеспечения надежности работы этих сильфонов.

В патенте США N 3782156, НКИ 72-59, 1974 г. описан способ изготовления тонкостенных сильфонов, включающий в себя предварительное образование витков на внешней и внутренней поверхностях трубных заготовок, обработку роликом внутренней их поверхности, прессование с образованием гофр и термообработку для снятия напряжений в металле. Однако известная технология требует сложного специального оборудования и больших затрат времени на изготовление сильфона.

В авторском свидетельстве СССР N 1076166, МПК B 21 D 15/00, 1984 г. предложено изготавливать сильфоны путем механогидравлической формовки кольцевых гофр на трубчатой заготовке с последующим дорекристаллизационным отжигом при температуре 68010^oC. Использование этого способа позволило снизить трудоемкость изготовления и повысить эксплуатационную надежность сильфонов.

В авторском свидетельстве СССР N 1292870, МПК B 21 D 15/00, 1987 г. описан способ изготовления многослойных тонкостенных сильфонов из нержавеющей стали, включающий формирование трубной заготовки, вытяжку за несколько операций трубной заготовки до заданных размеров, гофрирование заготовки с образованием сильфона и термическую обработку сильфона. В соответствии с известным способом трубные заготовки деформируют путем вытяжки с помощью пуансонов через матрицы с изменением диаметра, затем вставляют заготовки друг в друга (собирают пакет) и подвергают гофрированию с последующими операциями поверхностного деформирования и термической обработки дорекристаллизационного отжига.

Операция вытяжки каждой заготовки перед сборкой в пакет позволила повысить качество изделий за счет увеличения прочности при циклическом нагружении.

Однако при использовании в качестве материала заготовок сплавов, претерпевающих структурные изменения при нагреве, например дисперсионно-твердеющих сплавов на никелевой основе, в процессах вытяжки и гофрирования заготовок возможно образование на их стенках таких дефектов, как трещины, вследствие низкой пластичности этих сплавов. Кроме того, из-за повышенной склонности сплавов к окислению возникает возможность появления в изготовленных из них сильфонах при их сварке с арматурой таких дефектов, как трещины и несплавления. Это обстоятельство ограничивает использование таких сильфонов в условиях высоких температур, давлений, агрессивных сред в течение продолжительного времени.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание способа изготовления многослойных тонкостенных сильфонов из дисперсионно-твердеющих сплавов на никелевой основе, способных к работе в течение длительного времени в экстремальных условиях, например, газовой окислительной среде при высоких давлениях и температурах.

Техническим результатом изобретения является предотвращение образования трещин на стенках заготовок и сильфона, а также повышение стабильности механических свойств, особенно пластичности.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе изготовления многослойных тонкостенных сильфонов, включающем формирование трубных заготовок, вытяжку за несколько операций каждой трубной заготовки до заданных размеров, сборку вытянутых трубных заготовок в пакет, гофрирование пакета с образованием сильфона и термическую обработку сильфона, формируют каждую трубную заготовку из дисперсионно-твердеющего сплава на основе никеля, содержащего упрочняющую фазу, подвергают трубную заготовку вытяжке, нагревают трубную заготовку до температуры 1000-1130^oC, выдерживают трубную заготовку в защитной среде при указанной температуре до полного растворения упрочняющей фазы в сплаве, охлаждают трубную заготовку до температуры окончания фазового превращения в сплаве, после чего повторяют указанные операции вытяжки, нагрева, выдержки и охлаждения до достижения каждой трубной заготовкой заданных размеров, собирают вытянутые трубные заготовки в пакет, затем гофрируют пакет с образованием сильфона, термическую обработку сильфона ведут путем нагрева до температуры 1000-1130^oC, выдержки сильфона в защитной среде при этой температуре до полного растворения упрочняющей фазы в сплаве и последующем охлаждении до температуры окончания фазового превращения в сплаве.

Кроме того, в качестве защитной среды используют разряженную воздушную среду при давлении 110^-4 - 110^-3 мм рт. ст.

Кроме того, охлаждение трубной заготовки и сильфона ведут в потоке инертного газа.

Кроме того, в качестве защитной среды применяют инертный газ.

Кроме того, в качестве инертного газа используют аргон.

Кроме того, в качестве упрочняющей фазы применяют элементы: ниобий, титан, вольфрам, молибден.

Кроме того, перед гофрированием на периферийные участки наружной и внутренней поверхностей каждой вытянутой трубной заготовки наносят слой никелевого покрытия толщиной 5-15 мкм.

Заготовки из дисперсионно-твердеющего сплава на никелевой основе подвергают многократной вытяжке, причем после каждой операции вытяжки заготовки термообрабатывают в защитной среде при температуре полного растворения упрочняющей фазы в сплаве с последующим охлаждением, обеспечивающим образование в нем однофазной структуры. На заготовки на периферийные участки наружной и внутренней поверхностей наносят слой никелевого покрытия, затем заготовку гофрируют, а после гофрирования в сильфон осуществляют термообработку по режиму термообработки, аналогичному режиму термообработки трубных заготовок после каждой операции вытяжки. Указанные операции характерны в том числе и для изготовления однослойных тонкостенных сильфонов.

При этом достигается предотвращение образования трещин на стенках заготовок при каждой операции вытяжки и на стенках сильфона при гофрировании за счет увеличения пластичности сплава, а также предотвращение его окисления при сварке сильфона к арматуре за счет наличия на его стенках защитного покрытия, приводящего к увеличению длительной прочности узла при эксплуатации.

Согласно изобретению способ осуществляют следующим образом. Трубные заготовки из дисперсионно-твердеющего сплава на никелевой основе подвергают вытяжке с помощью штампа.

Вытяжку проводят за несколько операций, количество которых зависит от соотношения длины заготовки к ее диаметру. Последняя операция вытяжки заканчивается получением тонкостенной трубной заготовки заданного размера.

После каждой операции вытяжки заготовку подвергают термической обработке в печи. Нагрев производят до температуры 1000-1130^oC, при которых обеспечивается растворение легирующих элементов, таких как титан, ниобий, вольфрам, молибден и др. , выполняющих функцию упрочняющей фазы. Кроме того, нагрев до указанной температуры позволяет сохранить мелкое и однородное зерно. Выдержку производят в вакууме или в среде инертного газа. Фиксируют однофазную структуру сплава охлаждением потоком инертного газа. Выбор температурного режима зависит от химического состава сплава. Указанная термообработка позволяет повысить пластичность дисперсионно-твердеющего сплава, а также ее стабильность за счет фиксации однофазной однородной мелкозернистой структуры, в основе которой - однофазный -твердый раствор, а выполнение термообработки после каждой операции вытяжки возвращает сплав в исходное пластичное состояние, необходимое для штамповки. Операции вытяжки и термообработки повторяют несколько раз в зависимости от размеров и материала заготовок. Получают заготовки с толщиной стенок 0,1-0,16 мм.

Полученные заготовки покрывают слоем никеля толщиной 5-15 мкм. Покрытие наносят на периферийные участки как наружных, так и внутренних поверхностей заготовок, предназначенные под сварку будущего сильфона к арматуре. Никелевый слой менее 5 мкм не защитит сварное соединение от окисления в процессе сварки сильфона с арматурой, а слой более 15 мкм изменит химический состав сварного шва, что может вызвать снижение его прочности при эксплуатации. Процесс нанесения покрытия осуществляют гальваническим методом. Далее заготовки собирают в пакет и подвергают пакет гофрированию на прессе с образованием сильфона. Процесс осуществляют при давлении, определяемом экспериментальным путем в зависимости от заданного напряжения, размера гофр. После гофрирования проводят термообработку полученного сильфона по режиму термообработки, аналогичному режиму термообработки трубных заготовок после каждой операции вытяжки, то есть осуществляют нагрев и выдержку при температуре полного растворения упрочняющей фазы в сплаве с последующим охлаждением, обеспечивающим образование в нем однофазной структуры. Такая термообработка позволяет снять внутренние напряжения в сильфоне и исключить возможное появление в нем дефектов.

Способ согласно настоящему изобретению применим для изготовления как однослойных сильфонов, выполненных из одной трубной заготовки, так и многослойных, выполненных из нескольких, по меньшей мере из двух, трубных заготовок, вставленных одна в другую, благодаря разности заданных диаметров.

Ниже приведены примеры осуществления способа для изготовления многослойных сильфонов.

Изготавливали сильфоны из дисперсионно твердеющих сплавов на основе никель - хром и легирующих элементов, включающих ниобий, титан, вольфрам, молибден и др. Указанные легирующие элементы образуют упрочняющую фазу.

Примеры реализации

Пример 1

Трубную заготовку толщиной 1 мм и диаметром 75 мм из дисперсионно-твердеющего никелевого сплава, содержащего упрочняющие элементы ниобий, титан, подвергали вытяжке из листа с помощью пуансона с коэффициентом вытяжки 0,62. Полученную заготовку нагревали в вакуумной печи при разрежении 110^-4 - 110^-3 мм рт. ст. до температуры 1000^oC и выдерживали до полного растворения упрочняющей фазы. Далее охлаждали потоком аргона с целью фиксации однофазной структуры сплава. Подачу газа прекращали и дальнейшее охлаждение проводили в застойной зоне аргона. После термообработки осуществляли вторую операцию вытяжки с коэффициентом 0,8, а затем заготовку снова термообрабатывали по описанной ранее технологии. Операции вытяжки и термообработки чередовали 15 раз до получения заготовки заданных размеров:

толщина стенки - 0,16 мм, наружный диаметр - 62 мм.

Таким же образом были обработаны еще три трубные заготовки, но с достижением при этом другого заданного диаметра, соответственно, 60, 58 и 56 мм.

В таблице приведены механические свойства сплава после термообработки.

Как следует из таблицы, механические свойства сплава свидетельствуют о его высокой пластичности, а низкий разброс свойств - об их высокой стабильности, что позволяет говорить о высокой технологичности сплава.

Отформованные указанным выше способом четыре трубные заготовки покрывали слоем никеля гальваническим методом. Слои толщиной 5 мкм наносили на предназначенные под сварку к арматуре периферийные участки обеих поверхностей каждой заготовки, за исключением наружной поверхности заготовки с максимальным диаметром и внутренней поверхности заготовки с минимальным диаметром. На наружную поверхность заготовки с максимальным диаметром и внутреннюю поверхность заготовки с минимальным диаметром наносили слои никеля толщиной 15 мкм. Трубные заготовки с нанесенным никелевым покрытием собирали в пакет, вставляя заготовки последовательно одна в другую и подвергали гофрированию на прессе в один переход. Процесс осуществляли при давлении 145 атм. Сформованный сильфон подвергали термообработке. Его нагревали в печи до температуры 1000^oC в атмосфере аргона и после выдержки охлаждали потоком аргона.

После каждой операции вытяжки и после гофрирования проводили контроль по выявлению трещин методом капиллярной дефектоскопии. На всех этапах контроля трещины на стенках заготовок и сгофрированного сильфона не обнаружены. Не обнаружены трещины и в сварном шве после приварки сильфона к арматуре. Изготовленные описанным выше способом сильфоны после их приварки к арматуре были подвергнуты испытанию на длительную прочность в высокотемпературном потоке газовой среды, содержащей до 80% кислорода. Испытания показали, что потеря прочностных свойств конструкции происходила позже, чем установлено нормой, а именно через 4 часа, при норме не менее 3 часов.

Пример 2

Четыре трубные заготовки из никелевого сплава с такими же, что и в примере 1, легирующими добавками, толщиной 1,0 мм и диаметром 165 мм подвергали вытяжке с помощью пуансона с коэффициентом вытяжки 0,693. Полученные заготовки термообрабатывали по технологии, описанной в примере 1. Операции вытяжки и термообработки чередовали 15 раз до получения заготовок длиной 550 мм, диаметром 88, 85, 82 и 79 мм соответственно, и толщиной стенки - 0,16 мм. Температура нагрева и выдержки при термообработке составляла 1130^oC. Отформованные заготовки покрывали слоем никеля, который наносили на периферийные участки поверхностей так, как описано в примере 1. Собранные в пакет заготовки подвергали гофрированию на прессе в один переход. Процесс осуществляли при давлении 145 атм. Сформованный сильфон подвергали термообработке по режиму, описанному выше.

Был проведен контроль по выявлению трещин после каждой операции вытяжки, после гофрирования пакета заготовок и после приварки сильфона к арматуре. Трещины на стенках заготовок сильфона, а также сварном шве не обнаружены. Испытания на длительную прочность проводили аналогично примеру 1. Потеря прочностных свойств происходила позже чем через 4,5 часа, при норме не менее 3 часов.

Таким образом, указанный технический результат был достигнут за счет использования в способе сочетания термической обработки как трубных заготовок, так и сильфона и нанесения защитного покрытия на его стенки.