Способ изготовления составного керамического стержня для литья полых изделий

 

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для литья полых изделий, в частности газотурбинных лопаток. Изготавливают основной стержень путем прессования керамической массы и осуществляют высокотемпературный обжиг его. Путем штамповки или прокатки изготавливают дополнительный стержень в форме плоской заготовки с поверхностным рельефом. Затем производят профилирование этой заготовки по контуру основного стержня. Соединяют стержни и производят высокотемпературный обжиг. Обеспечивается уменьшение брака по геометрической точности стержня, повышение выхода годного. 4 ил.

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для литья полых изделий с проникающим охлаждением, в частности газотурбинных лопаток.

Известен способ изготовления керамических стержней для отливки двустенных полых изделий с проникающим охлаждением [1]. Этот способ включает изготовление основного керамического стержня и дополнительного стержня в виде тонкой кварцевой пластины, соединенных вместе при помощи кварцевых шпилек.

Применение такого стержня позволяет отлить полое изделие, в стенках которого тонкая керамическая пластина формирует узкую щель, повторяющую профиль изделия, а шпильки оформляют дозирующие отверстия для входа и выхода охлаждающего воздуха. Описанный способ имеет ряд существенных технологических недостатков. Во-первых, тонкие кварцевые пластины мало пригодны для отливки монокристальных изделий из-за низкой прочности кварца при высоких температурах заливки расплавом никелевых жаропрочных сплавов. Во-вторых, формование плоских кварцевых пластин по профилю изделия осуществляется методом крипа в фасонных пресс-формах, что является трудно регулируемым процессом при высоких температурах. В-третьих, фиксация и соединение кварцевой пластины с основным стержнем при помощи кварцевых шпилек, устанавливаемых в многочисленных отверстиях и гнездах, просверленных или изготовленных лазерным методом, является чрезвычайно трудоемкой и дорогостоящей операцией.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения составного керамического стержня, состоящего из основного и тонкостенного дополнительного стержня [2]. Основной керамический стержень изготавливают путем прессования керамической массы, состоящей из смеси порошков корунда заданного гранулометрического состава и пластификатора, с последующим высокотемпературным обжигом.

Дополнительный стержень формируют методом прессования из той же керамической массы в виде плоской заготовки с поверхностным рельефом, затем ее изгибают по профилю основного стержня и подвергают высокотемпературному обжигу. Полученный таким образом дополнительный стержень устанавливают на основной стержень и соединяют их вместе. При практической реализации указанного способа возникли значительные трудности.

Во-первых, прессование тонких дополнительных стержней предполагает использование больших давлений, что существенно увеличивает износ пресс-формы. Наряду с этим прессованием практически невозможно получить тонкие длинномерные дополнительные стержни, что ограничивает номенклатуру изготавливаемых составных керамических стержней. Во-вторых, при съеме тонкого дополнительного стержня криволинейной формы с основного стержня и последующем обжиге происходит коробление дополнительного стержня, в результате чего увеличивается вероятность появления брака по геометрии.

Технической задачей данного изобретения является разработка надежного и экономичного способа получения составного керамического стержня, обеспечивающего повышение выхода годного и уменьшение брака по геометрии. Для достижения поставленной задачи был предложен способ получения составного керамического стержня, включающий изготовление основного стержня путем прессования керамической массы и высокотемпературного обжига, изготовление дополнительного стержня путем формования керамической массы в плоскую заготовку с поверхностным рельефом, профилирования заготовки по контуру основного стержня, установки дополнительного стержня на основной и их соединения, причем дополнительный стержень формуют методом прокатки или штамповки керамической массы, а высокотемпературный обжиг дополнительного стержня проводят после его соединения с основным стержнем. Кроме того, формование дополнительного стержня в предлагаемом изобретении осуществляется в две стадии: сначала прокатывают плоскую заготовку из керамической массы, а затем штамповкой или прокаткой наносят поверхностный рельеф.

Существенными отличительными признаками предлагаемого изобретения являются изменение способа формования дополнительного стержня и перемена последовательности проведения операции высокотемпературного обжига. Предлагаемый способ формования дополнительного стержня заключается в прокатке или штамповке керамической массы, а высокотемпературный обжиг проводят после установки дополнительного стержня на поверхность основного стержня и их соединения, тогда как в прототипе дополнительный стержень формуют прессованием, а обжиг предшествует установке на основной стержень.

Изготовленная таким образом заготовка в необожженном состоянии обладает достаточно хорошей гибкостью. Минимальный радиус кривизны изгиба без появления трещин и надрывов определяется толщиной заготовки, плотностью нанесения элементов рельефа. Гибкость заготовки позволяет профилировать ее по сложному контуру основного стержня с обеспечением плотного контакта и соединения элементов рельефа с криволинейной поверхностью основного стержня. Эта операция осуществляется в обжимном штампе по всей поверхности основного стержня, либо в определенных местах. Во избежание повреждения выступающих элементов рельефа при изгибе заготовки в обжимном штампе предварительно изготавливают промежуточную модель на основном стержне. Этим достигается постоянство зазора /0,5-0,8 мм/ между основным и дополнительным стержнем, что гарантирует получение необходимой геометрии составного стержня с заданной точностью.

В процессе совместного высокотемпературного обжига основного стержня и соединенной с ним заготовки происходит выгорание связующего, спекание порошков частиц и превращение заготовки в керамический дополнительный стержень. При обжиге происходит также спекание дополнительного стержня с основным стержнем в местах контакта элементов рельефа с поверхностью последнего. Прочное соединение возможно только в том случае, если коэффициенты термического линейного расширения и усадка обоих элементов составного стержня близки. Обжиг следует проводить в керамическом драйере для обеспечения стабильности размеров и формы составного стержня.

На фиг. 1 показан общий вид заготовки из керамической массы с поверхностным рельефом в виде двусторонних штырьков 1 и отверстий 2.

На фиг. 2 показана конструкция обжимного штампа для профилирования рельефной заготовки по контуру основного стержня, где 3 - основной керамический стержень; 4 - заготовка с поверхностным рельефом; 5 - промежуточная модель; 6 - места склейки.

На фиг. 3 показан составной керамический стержень для отливки трубки, где 1 - штырьки; 2 - отверстия; 3 - основной керамический стержень; 4 - заготовка с поверхностным рельефом; 6 - места склейки.

На фиг. 4 показан составной керамический стержень для отливки лопатки ГТД с проникающим охлаждением, где 1 - штырьки; 2 - отверстия; 3 - основной керамический стержень; 4 - заготовка с поверхностным рельефом.

Примеры получения составных керамических стержней.

Пример 1. Составной керамический стержень для отливки двустенной трубки из никелевого жаропрочного сплава с равноосной структурой. Основной стержень 3 изготавливали по общепринятой технологии, включающей приготовление керамической массы из смеси огнеупорных порошков Al₂O₃ заданного гранулометрического состава, термопластификацию указанной смеси сплавом парафина с полиэтиленом при температуре 150-160^oC, прессование полученной керамической массы в расплавленном состоянии в металлической форме при давлении 30 кгс/см² и обжиг в засыпке глинозема при температуре 1350-1400^oC. Дополнительный стержень изготавливали по двустадийной технологии: прокаткой получали гладкую ленту из смеси порошков Al₂O₃ гранулометрического состава и полимерного связующего; наносили двусторонний рельеф и прошивали отверстия в ленте методом штамповки. В данном случае элементы рельефа имели вид штырьков 1 высотой 0,9 мм и диаметром 0,8 мм, толщина ленты 0,7 мм, а диаметр отверстий 2 равнялся 0,9 мм. Далее изготавливали промежуточную восковую модель 5 на основном стержне, а затем необожженную заготовку 4 огибали вокруг промежуточной модели с использованием обжимного штампа, предварительно покрыв торцы 6 штырьков соприкасающиеся с поверхностью основного стержня, клеящей суспензией. После отверждения суспензии составной стержень вынимали из штампа, удаляли модельную массу по стандартной технологии и проводили обжиг при 1300^oC в вертикальном положении. Готовый составной стержень показан на фиг. 3 Пример 2. Составной керамический стержень для отливки из никелевого жаропрочного сплава пустотелой лопатки с монокристаллической структурой и проникающим охлаждением.

Основной керамический стержень 3 изготавливали таким же способом, как и в примере 1.

Дополнительный стержень изготавливали по двустадийной технологии: -прокаткой получали гладкую ленту из смеси порошков Al₂O₃ заданного гранулометрического состава и полимерного связующего.

-наносили двусторонний рельеф 1 и прошивали отверстия 2 в ленте методом прокатки в фигурных валках. Рельеф был такой же формы, как и в примере 1. Далее раскраивали ленту на отдельные заготовки, соответствующие форме и размерам дополнительного стержня и изготавливали промежуточную восковую модель 5. Профилировали необожженную заготовку 4 по контуру входной кромки основного стержня с использованием обжимного штампа, предварительно покрыв торцы штырьков, прилегающие к основному стержню, суспензией. После отверждения суспензии стержень вынимали из штампа, удаляли восковую модель и обжигали составной стержень на керамическом драйере при температуре 1300-1350^oC. Общий вид составного стержня, полученного таким образом, показан на фиг. 4. Выход годного составил 75-85%, тогда как в прототипе не более 30%.

Таким образом, предложенный способ позволяет изготавливать составные керамические стержни для литья полых изделий с проникающим охлаждением с высоким выходом годной продукции и низким процентом брака по геометрии. Учитывая высокую стоимость монокристальных лопаток с эффективным проникающим охлаждением для авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и стационарных газотурбинных установок (ГТУ) предложенный способ обеспечивает создание экономичной технологии производства таких лопаток.

Источники информации 1. Патент США N 5295530, B 22 C 9/00, B 22 D 39/06 22.03. 1994 г. Single-cast high temperature thin wall stratures and method of making the same. K.F.O Conner, G.P. Hoff, D.G. Frasier.

2. Заявка N 95121467/02 от 28.12.95 r. Составной керамический стержень. Герасимов В.В., Каблов Е.Н., Светлов И.Л.

Формула изобретения

Способ изготовления составного керамического стержня для литья полых изделий, включающий изготовление основного стержня путем прессования керамической массы, высокотемпературный обжиг его, изготовление дополнительного стержня путем формования из керамической массы плоской заготовки с поверхностным рельефом и профилирования заготовки по контуру основного стержня, высокотемпературный обжиг его, установку дополнительного стержня на основой и соединение их, отличающийся тем, что формование плоской заготовки осуществляют прокаткой, поверхностный рельеф на заготовку наносят прокаткой или штамповкой, а высокотемпературный обжиг дополнительного стержня проводят после его соединения с основным стержнем.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4