Способ получения изделий направленной кристаллизацией и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к турбостроению, в частности к получению деталей газотурбинных двигателей направленной кристаллизацией и может быть использовано в оптической промышленности, полупроводниковой технике и химической технологии. Способ отличается тем, что затравку в процессе вертикального вытягивания дополнительно приводят в горизонтальное возвратно-поступательное движение относительно поверхности расплава вдоль оси вращения этой затравки с изменением положения точек возврата и размаха этих возвратно-поступательных движений в соответствии с профилем изделия. Способ осуществляют в устройстве, имеющем тигель в форме U-образной трубки над одним концом которой размещено средство для подпитывающего материала, а над другим - затравкодержатель, установленный с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси и соединенный со средством возвратно-поступательного перемещения вдоль этой оси. Возможно получение более прочных турбинных дисков сложной формы заодно с валом. 2 с. п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к турбостроению, в частности к получению деталей газотурбинных двигателей методами направленной кристаллизации. Предлагаемое решение можно использовать также в оптический промышленности, полупроводниковой технике и химической технологии.

Известен способ изготовления деталей в форме тел вращения направленной кристаллизацией расплава, состоящей в приготовлении расплава, приведении в контакт с расплавом затравки, вращаемой вокруг горизонтальной оси, регулировании температуры расплава и вытягивании по вертикали затравки и кристаллизуемой на ней детали.

Этот способ, принятый за прототип, осуществляется с помощью известного устройства, включающего следующие основные характерные элементы: нагреватель, материал для расплавления, затравку и ее держатель, механизмы перемещения затравки по вертикали и вращения вокруг оси, устройства управления нагревателем и механизмами перемещения затравки, тигель для расплава. В этом устройстве материал для расплавления помещается в тигель [1] Способ-прототип может быть также осуществлен с помощью устройства, включающего кроме нагревателя материалы для расплавления, тигля, затравки, механизм перемещения затравки по вертикали, устройство управления нагревателя и механизмами перемещения затравки, еще и специальный формообразователь, размещенный в полости тигля [2] Известно устройство, которое можно использовать для реализации способа-прототипа и в виде твердой заготовки снабжен держателем и механизмом вертикальных перемещений этой заготовки относительно нагревателя, создающего на верхнем конце исходной заготовки узкую расплавленную зону, из которой вытягивается вверх по вертикали затравка и вновь формируемое на ней кристаллическое изделие [2] Недостатком этого способа и устройства является невозможность сформировать диск сложного профиля заодно с турбинным валом.

Целью настоящего технического решения является изготовление более прочных турбинных дисков со спиральным распределением элементов микроструктуры за счет выполнения за единое целое турбинного вала с диском сложного профиля.

Для достижения поставленной цели затравку в процессе вертикального вытягивания приводят в возвратно-поступательное горизонтальное движение относительно расплава, размах перемещения которого устанавливают в соответствии с заданным профилем изготавливаемых деталей.

Устройство для реализации способа дополнено механизмом возвратно-поступательных перемещений затравки по горизонтали, тигель выполнен в виде U-образной трубки, над одним концом которой установлен бункер с порошкообразным материалом подпитки, а над другим затравка.

Тигель выполнен в форме полого тела вращения и установлен с возможностью вращения, над тиглем укреплен формообразователь с прямоугольным отверстием, смещенным относительно оси вращения тигля в сторону затравки, а бункер с порошкообразным материалом подпитки смещен от оси вращения тигля в противоположную сторону.

Устройство для реализации способа, состоящее из нагревателя вокруг переплавляемой заготовки, затравки и механизма вертикального перемещения этой заготовки, дополнено механизмом возвратно-поступательных перемещений затравки по горизонтали.

Существенно новым признаком, характеризующим предлагаемый способ, направленной кристаллизации, является сочетание вертикального перемещения и вращение затравки с ее возвратно-поступательным перемещением по горизонтали относительно расплава. Такое сочетание позволяет сформировать сложные поверхности тел вращения, профиль которых обеспечивается в результате сочетания отдельных движений.

Способ позволяет изготавливать детали газотурбинных двигателей диски сложного профили за одно целое с турбинным валом.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена схема устройства с тиглем U-образной формы для реализации способа направленной кристаллизации; на фиг. 2 устройство с переплавляемой заготовкой для реализации способам на фиг. 3 схема средства для перемещения затравки; на фиг. 4 начальная стадия формирования турбинного вала с диском сложной формы; на фиг. 5 конечная стадия.

Основными элементами нескольких устройств для реализации предлагаемого способа являются регулируемый по мощности нагреватель 1, материал 2 в виде порошка или полосы (фиг. 2) для приготовления рабочего расплава 3, затравка 4, средство перемещений затравки 5, система 6 управления перемещениями затравки и формируемого на ней изделия 7 и согласованной подачей материала 2 для приготовления расплава. Этот материал подается из бункера 8, если это порошковый материал ( фиг. 1) или из направляющей 9, если материал предварительно скомпактирован в полосу (фиг. 2). В первом случае порошок поступает в U-образный невращаемый тигель 10 (фиг. 1), в узком колене 11 которого помещен рабочий расплав 3, Во втором случае полоса 2 по мере вытягивания затравки и формируемого на ней изделия 7 перемещается вверх по вертикали с помощью механизма подачи 12.

Средство 5 для перемещений затравки 4 с ее держателем 13 включает валы 14 и 15, укрепленные в корпусе 16, шестерни 17 и 18, привод 19 вращений затравки, привод 20 механизма перемещений 21 затравки по вертикали, привод 22 и механизм 23 возвратно-поступательных перемещений затравки по горизонтали.

Устройство монтируется в герметичной камере, снабженной системами вакуумирования, напуска защитных газов и окнами для отслеживания процесса (не показаны).

Производят загрузку исходным материалом 2 устройств направленной кристаллизации. Камеры герметизируют, вакуумируют, наполняют защитным газом. Подают мощность на нагреватель 1, готовят рабочий расплав 3. Затравку 4 приводят в контакт с расплавом 3 и подплавляют, вращая вокруг горизонтальной оси. Приводят затравку в возвратно-поступательное перемещение вдоль горизонтальной оси с размахом, равным заданной длине "l" формируемого вала. Регулируют температуру рабочего расплава путем изменения мощности нагревателя и вытягивают затравку по вертикали вверх. При этом отслеживают процесс, пополняют материалом 2 расплав 3, расходуемый при кристаллизации вала, формируют вал. Затем по заданной программе изменяют размах перемещений затравки и формируемого на нейф изделия от значения l₁ до l_>2 (фиг. 4), одновременно продолжая вытягивание. При этом формируют сложный профиль турбинного диска. Заканчивают процесс кристаллизации при постоянном размахе перемещений l₂, формируя участок турбинного диска постоянной толщины l₂ и заданного диаметра D (фиг. 5). Увеличивают в 2,5 3 раза скорость вытягивания затравки и частоту ее вращения, разрывают столбик расплава под изделием. Отключают нагреватель, охлаждают изделие, разгерметизируют камеру и извлекают из нее готовое изделие.

П р и м е р 1. Производят загрузку в тигель и бункер порошков Al₂O₃, ZrO₂ и Y₂O₃ заданного состава, близкого к электрическому. Осуществляют подготовительные операции (установка в держателе и юстировка затравки, формообразователя, герметизация аппарата, его вакуумирование и заполнение инертным газом, готовят расплав. Приводят затравку в контакт с расплавом. Вращают затравку вокруг горизонтальной оси, приводят ее в возвратно-поступательное перемещение по горизонтали и вытягивают по вертикали вверх, формируя вал диаметром 70 мм и длиной 80 мм, поддерживая при этом путем подачи порошка из бункера заданный уровень расплава в тигле, вращаемом вокруг вертикальной оси. Регулируют температуру расплава путем изменения мощности нагревателя и размах возвратно-поступательных перемещений затравки по горизонтали, формируют турбинный диск заданного профиля с максимальным диаметром Д 200 мм.

П р и м е р 2. Исходную заготовку в виде полосы шириной 20 мм и толщиной 2,5 мм, приготовленную из смеси порошков Al₂O₃, ZrO₂ и Y₂O₃ заданного состава, близкого к эвтектическому, вводят через вакуумный затвор в камеру аппарата. Осуществляют другие подготовительные операции, как в примере 1. Готовят расплавленную зону на верхнем конце заготовки в виде полосы. Приводят затравку в контакт с расплавом, вращают ее, приводят в возвратно-поступательное перемещение по горизонтали и вытягивают по вертикали вверх. Как и в примере 1 формируют сначала вал диаметром 70 мм и длиной 80 мм, а затем диск сложного профиля диаметром 200 мм. В процессе кристаллизации вала и диска со скоростью, согласованной со скоростью кристаллизации, перемещают вверх по вертикали заготовку.

В обоих случаях изготавливают высокопрочные диски сложного профиля заодно с керамическими валами. Точность поддержания заданной геометрии изделий ±0,6 мм против ±(2-3,5)мм в изделиях, полученных по способу-прототипу.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности технологического процесса изготовления турбинных дисков, за одно целое с турбинным валом способом наслоения кристаллизируемого материала, при этом прочность монолитной конструкции существенно повышается.

Формула изобретения

1. Способ получения изделий направленной кристаллизацией, включающий вертикальное вытягивание из расплава затравки с одновременным ее вращением вокруг горизонтальной оси, отличающийся тем, что затравку в процессе вертикального вытягивания приводят дополнительно в горизонтальное возвратно-поступательное движение относительно поверхности расплава вдоль оси вращения этой затравки с изменением точек возврата и размаха этих возвратно-поступательных движений в соответствии с профилем изделия.

2. Устройство для получения изделий направленной кристаллизацией, содержащее тигель для расплава, затравкодержатель, установленный с возможностью вращения и вертикального перемещения, и средство для подачи в тигель подпитывающего материала, отличающееся тем, что тигель выполнен в форме U-образной трубки, над одним концом которой размещено средство для подпитывающего материала, а над другим затравкодержатель, имеющий возможность вращения дополнительно вокруг горизонтальной оси и соединенный со средством возвратно-поступательного перемещения вдоль этой оси.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5