Способ изготовления полых металлических объектов

 

Изобретение относится к изготовлению металлических объектов с внутренними полостями сложной формы и может найти применение в различных отраслях машиностроения при изготовлении турбин, оптических систем лазеров и других. Изобретение позволяет получить покрытия требуемых толщины, физико-механических свойств и разные по химическому составу. Изготавливают основу требуемой конструкционной прочности и содержащую на поверхности выемки и/или канавки, соответствующие внутренним размерам конечного изделия. Наполняют выемки и канавки легко удаляемым материалом. Образуют многослойное внешнее покрытие заданной толщины способом электронно-лучевого напыления. Предварительно напыляют на основу тонкий слой легкоплавкого металла или материала, способного образовывать низкотемпературную эвтектику с напыляемым материалом внешнего покрытия. Затем осуществляют термопластическую обработку, в результате которой образуется оболочка с заданной стабильной и гомогенной структурой и многослоевым или постепенно изменяющимся составом. Удаляют легко удаляемый материал сублимацией во время термической обработки. 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

Область техники Данное изобретение относится к способам изготовления металлических объектов с внутренними полостями сложной формы, которые используются для уменьшения веса и/или для более эффективного охлаждения. Более конкретно, данный способ используется для изготовления металлических объектов с полостями сложной формы, таких как лопатки газовой турбины, оптические системы для мощных лазеров, камеры внутреннего сгорания и т.д., которые широко применяются при изготовлении турбин, в автомобильной и авиационной промышленности и при производстве лазеров.

Уровень техники Существует огромное количество способов приготовления полых металлических объектов, содержащих полости и каналы, посредством литья, сварки и пайки идентично изготовленных частей, а также распылением плазменной струи.

В способах механического сжатия с последующей диффузионной сваркой или спаиванием отдельно изготовленных частей существует целый ряд трудностей, в особенности для объектов со сложными полостями, а способ с использованием литья не позволяет получить объекты с толщиной стенок меньше чем 1/16 дюйма.

В патентах США N 2676699 и N 4287932 предлагается использование молибденовых вставок для получения объектов с каналами. Молибден удаляется из готового образца при нагревании до температуры, достаточной для окисления молибдена и сублимации образующегося оксида. В итоге получаются полые каналы заданной формы вместо молибденовых вставок. Указанные выше операции не могут осуществляться одновременно, поэтому для проведения процесса требуются несколько стадий.

В патенте США N 3407864 предлагается использование вставки, сделанной из прессованной и отоженной соли, которую размещают на месте полости в подвергаемый формованию объект, предполагая ее последующее легкое удаление растворением в воде.

В патентах США N 2641439 и N 2696364 предлагается заполнение полостей и каналов материалами такими как алюминий, который может быть легко удален при обработке каустической содой, или кадмий, который удаляется сублимацией при нагревании до соответствующей температуры, воск с графитом, или другими легкоплавкими материалами.

В патенте ФРГ 33272182 предлагается конструкция турбинной лопатки, содержащей продольную часть и спаянную оболочку. Оболочка содержит слой металла как подложку и слой керамического материала, который распыляют плазменной струей на ее внешнюю поверхность.

В заявке Великобритании 2172060 А предлагается цельная конструкция турбинных дисков с полыми лопатками. Лопатки изготавливают из листового металла с последующей сваркой, пламенным напылением или напылением плазменной струей. Этот метод позволяет изготавливать обшивку из сплавов, керамики и многослойного металлокерамического покрытия. Здесь также было предложено заполнение полостей временно находящимися в них материалами, которые позднее удаляются выщелачиванием.

Имеются некоторые данные о возможностях применения катодных лучей для создания различных типов покрытий с улучшенными свойствами и изготовления лопастей с развитой системой каналов охлаждения (Вестник АН СССР 7, 1985, с. 29). Однако этот источник не содержит информации для изготовления полых металлических объектов с полостями сложной формы.

Наиболее близкий к предложенному способ изготовления полых металлических объектов (прототип) описан в патенте США 4574451. Этот способ предполагает использование так называемых расходных (безвозвратно расходуемых) материалов для получения объектов с каналами посредством придания формы, подобной форме будущего канала, расходному материалу, плазменного напыления на него для образования объекта, и удаление расходного материала. Реализация этого способа предполагает изготовление основы сплава с выемками и ямками на внешней поверхности, которые соответствуют требуемым внутренним размерам конечного продукта, наполнение канавок и ямок легко удаляемым материалом посредством плазменного напыления, создание внешней обшивки требуемой толщины и затем удаление расходного наполнителя с последующей термопластической обработкой.

Упоминаемые выше способы, включая описанный в патенте США 4574451 позволяют изготавливать объекты с относительно широкими и прямыми каналами. На практике значительно чаще требуется система охлаждающих каналов с многими ответвлениями и узкими каналами, она не может быть изготовлена с помощью описанных выше способов, поскольку предложенные способы промывания и химического удаления расходуемых материалов не позволяют удалять их из длинных и узких каналов разветвленной системы, а плавление и сублимация расходных материалов в окружающем материале очень сильно ограничивает возможности применения из-за трудности выбора материалов, которые должны иметь значительно более низкую температуру плавления и не должны менять химический состав основного материала и ухудшать его механические свойства.

Сейчас в качестве материала для лопаток используют отливки из сплавов высшего качества с очень высокой механической прочностью. Однородное покрытие из устойчивого к действию высоких температур сплава может быть получено напылением плазменной струей, как описано в патенте США 4574451; однако покрытие будет в значительной степени худшим по сравнению с отливкой из сплава высшего качества касательно его физико-механических свойств из-за дефектов (таких как поры, неровности поверхности и неметаллические примеси) и невозможности обеспечить необходимую внутреннюю структуру. Для того чтобы получить требуемую внутреннюю структуру и механические свойства покрытия, материал покрытия должен подвергаться комплексной термомеханической обработке, которая не может быть выполнена при использовании суперсплавов (сплавов высшего качества) как базового материала для рабочей основы лопаток с направленной кристаллической или монокристаллической структурой. Наконец, описанные выше способы не всегда могут обеспечить достаточно сильную связь между покрытием и материалом основы.

Описание сущности изобретения Задачей настоящего изобретения являлось усовершенствование способа изготовления полых объектов с полостями сложной формы путем применения электронно-лучевой сублимации, которая позволяет получить покрытия требуемой толщины не только из однородных материалов, но также из различных многослойных и микрослойных конденсированных материалов сложного состава, которые по структуре и основным физико-механическим свойствам будут приближаться к базовому материалу основы. Тонкий слой легкоплавкого металла или вещества, способного образовывать низкотемпературную эвтектику с напыляемым материалом, следует предварительно напылить на основу для того, чтобы уменьшить дефекты покрытия, возможные из-за неровности поверхности. Усовершенствование может быть также достигнуто при использовании легко удаляемого материала, который сублимируется во время термической обработки продукта.

Проблема решается предложенным способом изготовления полых объектов с полостями сложной формы, включающим предварительное изготовление основы из сплава для обеспечения необходимой структурной прочности с выемками, каналами и/или ямками на внешней поверхности, которые соответствуют заданным внутренним размерам продукта; наполнение выемок и/или ямок легко удаляемым веществом путем напыления или ошлаковки; создание покрытия требуемой толщины; удаление легко удаляемого вещества из каналов; термопластическая обработка, при которой покрытие требуемой толщины создается посредством электронно-лучевого напыления, начиная с начального тонкого слоя легкоплавкого материала или вещества, способного образовывать низкотемпературную эвтектику с последующим напыляемым материалом, и сублимирование легко удаляемого наполнителя во время термической обработки продукта.

Осуществление этого способа позволяет изготавливать полые объекты любой заданной сложности, получить цельные соединения любой формы с внутренними каналами для высокоэффективного охлаждения и/или полостями для уменьшения веса. Многослоевая или постепенно меняющаяся структура получается посредством вакуумного охлаждения каждого слоя.

При создании многослойных или постепенно меняющихся покрытий с требуемым химическим составом и физико-химическими свойствами полезно за один шаг получать однослойные покрытия. Последующая термопластическая обработка позволяет получить покрытие требуемой стабильной структуры с однородным по слою или постепенно меняющимся составом. При данном способе изготовления полых объектов с полостями сложной структуры электронно-лучевое напыление позволяет создавать толстые покрытия требуемой толщины не только из однородных материалов, но также и из постепенно меняющихся многослойных и микрослойных конденсированных материалов со сложной структурой, которые по структуре и физико-механическим свойствам приближаются к базовому материалу основы. Предварительное напыление на основу тонкого слоя легкоплавкого металла или материала, способного образовывать низкотемпературную эвтектику с напыляемым материалом, позволяет скрыть микродефекты, уменьшить неровности на внутренней поверхности ямок и каналов и увеличить связывающую силу соединения между покрытием и основой.

Целесообразно использовать хлориды или фториды и/или их смеси в качестве основы легко удаляемого материала, причем состав смесей будет зависеть от рабочей температуры покрытия. Активные и инертные добавки также могут применяться для улучшения механических и термических свойств смесей и для изменения структуры и свойств внутренней поверхности каналов во время напыления и термопластического отжига. Использование материалов, способных сублимироваться во время термического отжига, позволяет получить требуемую систему разветвлений узких каналов охлаждения.

Краткое описание чертежей Изобретение иллюстрируется ниже несколькими примерами практического применения и чертежами: фиг. 1 представляет собой эскиз сечения полого объекта (газотурбинной лопатки) с каналами и покрытием, который может быть изготовлен с использованием способа согласно данному изобретению; фиг. 2 поясняет применение способа для получения покрытия на вращающихся телах и плоских дископодобных объектах; фиг.3 представляет собой эскиз сечения фрагмента основы для изготовления полых компрессорных лопастей с диафрагменными отверстиями на внешней поверхности.

Детальное описание заявленного в изобретении способа изготовления полых объектов с полостями сложной формы предоставляется ниже и, где необходимо, сопровождается ссылками на фиг.1, 2, 3.

Детальное описание изобретения Сущность предложенного способа заключается в следующем. В соответствии с изобретением (фиг.1) полые объекты с полостями сложной формы изготавливаются путем электронно-лучевой сублимации с последующей конденсацией из газовой фазы на основу 1, которая имеет канальную систему охлаждения и/или полости для уменьшения веса 2, которые изготавливают на ее поверхности и заполняют легко удаляемым веществом.

Базовым материалом для основы может являться любой сплав, который обеспечивал бы необходимую прочность структуры. Электронно-лучевое напыление следует применять для покрытия основы металлом, керамикой или металло-керамическим покрытием 4, которое обладает требуемым комплексом физико-механических свойств.

Наполнение каналов и ямок, находящихся на основе, легко удаляемым материалом может достигаться одним из следующих способов: пламенным или плазменным напылением или в виде пасты или шлака с последующей механической обработкой (заполняются глубокие и узкие каналы, а также большие ямки). В случае шлакового раствора алюмо-хромо-фосфатного связываемого материала в воде к сухому порошку следует добавлять раствор силиката натрия (водное стекло), метаалюмината натрия или другие неорганические связующие материалы. Количество связующего вещества зависит от его типа и должно обеспечивать необходимую прочность и тягучесть.

Легко удаляемое вещество, заполняющее каналы и ямки на поверхности основы, выравнивается по выступу, находящемуся в канале. Если наполнитель находится в пастообразной форме, то его избыток следует удалить механическим путем после просушивания пасты так, чтобы выступы каналов были совершенно чистыми.

Хлориды, фториды или их смеси могут быть выбраны в качестве основного вещества наполнителя в зависимости от требуемых температуры и времени нанесения, при которых достигается прочное связывание распыляемого вещества с основой и образуется плотное, анизотропное покрытие. При этом температура сублимации должна превышать температуру нанесения на 50-100^oС.

В качестве добавок наполнитель может содержать активные или инертные примеси, такие как: порошок алюминия, иттрия, бора, углерода и т.п., и их смеси в форме порошка или волокон. Добавки могут улучшить механические, термические и теплопередающие свойства вещества. Также они могут изменить структуру и свойства внутренних слоев нанесения. Процентное содержание количеств примесей и слои может достигать 10% и зависит от ширины канала и коэффициента теплового расширения материала основы. Следует заметить, что основная задача добавок заключается в увеличении коэффициента теплового расширения соли.

Как правило, получаемый слой содержит значительное количество дефектов, в особенности в месте соприкосновения наполнителя и выступов стенок канала. Поэтому необходимо первоначальное нанесение распылением подслоя с неоднородной структурой и составом. Толщина этого подслоя выбирается в зависимости от требований к конечному продукту, полученному после соответствующей термической и/или механической обработки. Данный подслой может быть однородным, как 5, непрерывно изменяющимся (по составу), как 6, или содержать несколько прослоек, как 7 (см. фиг.1).

В многослойных покрытиях каждый слой несет собственное функциональное назначение и также может иметь различную структуру: он может быть однородным, непрерывно меняющимся или содержать несколько микрослоев.

Применение способа напыления с помощью электронных лучей позволяет легко получить микрослойные металлические, металло-керамические и даже керамические покрытия с заданной толщиной и составом материала. Следует заметить, что, используя термопластическую обработку, структура с микрослоями может быть легко превращена в гомогенную структуру или остается микрослоевой с требуемым комплексом физико-механических свойств.

Напыляемый материал 4 образует внешнюю поверхность конечного продукта и связывается с выступами каналов заготовки посредством сильной адгезии. После завершения напыления наполнитель удаляется из каналов с помощью сублимации за время термообработки в вакууме через технологические отверстия любой формы и длины. Таким образом формируются каналы охлаждающей системы или полости, способствующие уменьшению веса.

В зависимости от размера объекта, его формы и требуемого количества объектов нанесение может осуществляться с использованием двух преобладающих технологий (фиг.2): а - вращающееся симметричное тело, например лопатка 1 газовой турбины, помещается на горизонтальный стержень 2. При этом для различных материалов возможно применение нескольких источников сублимации 3;
b - плоский дискообразный объект, так же как и вращающееся симметричное тело, помещается на вертикальный стержень 4.

В первом случае лучше применять многослойное или непрерывно меняющееся покрытие, во втором случае предпочтительно использовать микрослойные или непрерывно меняющиеся структуры. Перегородка 5 используется для получения покрытия с микрослойной структурой, а распыляемое вещество наносится при вращении. При этом толщина каждого микрослоя зависит от скорости нанесения и скорости вращения.

Примеры практического применения данного изобретения.

Данное изобретение ориентировано на получение объектов с внутренними полостями сложной структуры, использующимися для охлаждения или для снижения веса объектов. Получаемые легкие конструкции могут применяться в условиях чрезвычайно высоких температур и меняющихся нагрузок. Настоящее изобретение используется для получения широкого диапазона объектов из различных материалов, требующих эффективного охлаждения и/или снижения веса: лопаток для компрессоров и авиационных двигателей с газовыми турбинами, сопел авиационных и ракетных двигателей, отражателей мощных лазерных систем и т.д.

Для изготовления заготовок может использоваться любой сплав, который обеспечивал бы прочность конструкции. На поверхности заготовки должны быть бороздки, технологические каналы и ямки требуемой формы и размера, предварительно выполненные с использованием одного из хорошо разработанных методов: точного литья, механической или электрической эрозии.

Эти каналы, выемки и бороздки заполняются предварительно приготовленной смесью. Содержание смеси и способ заполнения зависят от материала заготовки (табл. 1) и материала внешней оболочки соответственно, а также от геометрических размеров каналов и полостей. В некоторых случаях предпочтительно распыление наполняющей смеси с помощью пламенной или плазменной струи, а в некоторых случаях, для узких и глубоких каналов -способом ошлаковки.

В качестве основных компонентов сложных смесей могут использоваться хлориды и фториды и их смеси, которые могут быть сублимированы при нагревании в вакууме до соответствующих температур. Например, для получения лопасти из никелевого сплава в качестве наполнителя, как правило, применяется фторид натрия с температурой сублимации 850^oС или фторид магния с температурой сублимации 980^oС или смешанный фторид натрия и магния (900^oС).

Фторид лития может использоваться для титановых сплавов, а хлорид натрия является наилучшим для меди. Температуры сублимации данных солей в вакууме равны 750 и 700^oС соответственно.

При использовании электронно-лучевого способа покрытие требуемой толщины распыляется на основу с образованием цельных соединений основы с краями каналов.

Для уничтожения дефектов на покрытии можно применять тонкий слой легкоплавкого металла или вещества, образующего эвтектический сплав с наносимым материалом. Этот легко переходящий в жидкое состояние слой плавится при температуре нанесения покрытия, заполняя все микродефекты. В таблице 2 приводятся несколько примеров легкоплавких веществ, используемых для различных материалов основы. Такими веществами могут быть алюминий или сплав алюминий-иттрий, которые вместе с напыляемым никелем образуют низкотемпературный иттрий-никелевый сплав с температурой эвтектики 960^oС. Предложенный способ позволяет получать устойчивое сцепление между основой и материалом покрытия.

Пример 1
Изготовление лопастей с канальной системой охлаждения методом многослойного функционального покрытия
Предлагаемое изобретение позволяет получать объекты типа лопатки газовой турбины со сложной достаточно развитой системой внутреннего охлаждения. Технологическая стратегия заключается в следующем:
1. Создают поверхности лопастей с геометрическими размерами и конфигурацией, оптимальными с точки зрения тепловой эффективности, посредством литья или методом электроэрозии.

2. Каналы наполняют легко удаляемой пастой, состоящей из двойной соли фторидов натрия и магния. Водорастворимый метаалюминат натрия используют как связующее вещество.

3. Высушенную пасту тщательно зачищают до тех пор, пока края каналов и поверхность не станут гладкими.

4. Электронно-лучевым методом наносят многослойное покрытие, включающее:
a) внутренний смачивающий слой Ni-15Fe-20Cr-3Al-Y, δ = 50-70 мкм;
b) опорный термостойкий слой Ni-10Co-20Cr-5Al-10Mo-Y, δ = 120-200 мкм,
c) жаропрочный слой Ni-20Cr-11Al-Y, δ = 50-70 мкм;
d) внешний термоизолирующий слой ZrO₂-8% Y₂O₃, δ = 120-150 мкм.

5. После напыления каждого слоя продукт подвергается термомеханической обработке. Главная задача термической обработки после нанесения первого слоя состоит в удалении материала-наполнителя; основная задача последующих термомеханических обработок заключается в уплотнении микроструктуры посредством микровоздействий (бомбардировка микрошариками или сферами) и снятии остаточного напряжения.

Пример 2
Изготовление основы и наполнение каналов лопастей осуществляется теми же способами, что и в примере 1. В этом случае наполняющую смесь изготавливают из порошков следующего состава: фторид магния - 95% по массе, сплав Al-20Y - 5% по массе. Избыток наполнителя очищают механически.

Начальный слой иттрия и алюминия-иттрия напыляют на вышеуказанным образом подготовленную поверхность посредством электронно-лучевого способа при температуре 800-850^oС. Затем до начала образования покрытия температуру резко увеличивают до 950-970^oС. Для создания термостойкого покрытия никелевую матрицу сплавляют (допируют) с теплоотражающими металлами (молибденом, ниобием, гафнием) сублимацией из отдельного источника (стратегия 2b). Чередующиеся слои никелевого твердого раствора и теплоотражающих добавок имеют оптимальную толщину в диапазоне от 1.5 до 3 мкм. Эта структура метастабильна и может превратиться в однородный термостойкую композицию при высокотемпературной вакуумной обработке.

Для увеличения жаропрочности внутренние и внешние слои покрытия напыляют без легкоплавких добавок.

Удаление наполнителя проводят во время термической обработки после формирования покрытия при температуре 1160^oС в течение 3 часов.

Пример 3
Изготовление полых титановых лопастей компрессора
В соответствии с непрерывно возрастающим спросом на эффективные газотурбинные машины начали изучаться различные методы изготовления полых лопастей из титановых сплавов для вентиляторов и компрессоров.

Согласно заявленному изобретению были изготовлены несколько полых лопастей компрессора. Основу (фиг.3), которая имеет конечную форму лопасти компрессора, выполнили из сплава ВТ-6 (Ti6Al4V), просверлили внутри с целью образования нескольких полостей 1, удалив значительную часть металла, из которого изготовлена лопасть (фиг. 3). Отдельные полости соединили небольшими поверхностными канавками 2. По крайней мере одну полость соединили продольным высверленным каналом 3 с деталью, удерживающей лопасть.

Следующий состав был приготовлен в качестве наполняющей смеси: фторид лития как легколетучий компонент - 95% по массе; порошкообразный алюминий с размером частицы 200 мкм как затравка - 5% по массе.

К порошковой смеси добавили водное стекло с плотностью 1,17 г/см³, полученную пасту использовали для заполнения каналов и ямок. Приготовленную основу сушили на воздухе, обжигали и полировали.

Лопасти с приготовленной поверхностью помещали в распылительную камеру (фиг.2b), загруженную слитками сплава Ti5Al и Al. Лопасти нагревали до 750^oС и покрывали сплавом Ti5Al. После того как толщина покрытия достигает около 150 мкм, начинают сублимировать алюминий; содержание алюминия увеличивают согласно заданному плану до 14% по массе, что соответствует интерметаллическому соединению Ti₃Al, толщина данного слоя составляет 50-80 мкм.

Лопасти с покрытием 4 термически обрабатывали в вакууме при 940^oС в течение 1 часа, что приводило к сублимации наполняющей смеси и удалению пара из каналов. Алюминий из наполняющей смеси припаивается к внутренней поверхности и уменьшает неровности. Слоистая структура покрытия трансформируется в однородную с последовательным переходом от пластического сплава к интерметаллическому соединению и становится термически стабильной в рабочем для лопастей диапазоне температур.

Эта технология не ограничивает ни размеры и форму каналов и полостей, ни размеры и форму основы.

Пример 4
Изготовление камеры сгорания с высокоэффективной охладительной системой
Основа делается из сплава меди, каналы заполняются смесью на основе хлорида натрия, которую сушат и зачищают, как обсуждалось в выше упоминавшихся примерах.

Покрытие напыляют по способу, показанному на фиг.2а, из двух независимых источников: один сублимирует чистую медь, другой чистое серебро. В результате чередования работы создают многослойную структуру, которая трансформируется методом вакуумного отжига при 750^oС в течение 3 часов в однородный состав, содержащий 4% по массе серебра в меди.

Для получения хорошей структуры без дефектов вначале наносят тонкий слой сплава олова со свинцом или алюминий. Этот слой почти полностью исчезает после термической обработки.

Формула изобретения

1. Способ изготовления полых металлических объектов с полостями сложной формы, включающий изготовление основы из сплава, обеспечивающего требуемую конструкционную прочность, содержащей на поверхности выемки и/или канавки, соответствующие необходимым внутренним размерам конечного изделия, наполнение выемок и канавок легко удаляемым материалом с помощью напыления или ошлаковки, образование внешнего покрытия заданной толщины, удаление легко удаляемого материала из полученных каналов, термопластическую обработку, отличающийся тем, что внешнее покрытие заданной толщины образуют посредством электронно-лучевого напыления с предварительным напылением на основу тонкого слоя легкоплавкого металла или материала, уменьшающего какие-либо дефекты покрытия, способных образовывать низкотемпературную эвтектику с материалом покрытия, а легко удаляемый материал-наполнитель удаляют сублимацией во время термической обработки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что внешнее покрытие формируют многослойным или из слоев с постепенно меняющимся составом с заданными химической структурой и физико-механическими свойствами, последующую термопластическую обработку производят для получения внешнего покрытия с требуемой стабильной и однородной структурой и многослойным или с постепенно меняющимся составом.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве основных веществ для легко удаляемого материала-наполнителя используют хлориды и фториды и/или их смеси, причем состав зависит от рабочей температуры во время процесса покрытия и может содержать активные и инертные добавки для улучшения механических и термических свойств смесей и изменения структуры и свойств внутренней поверхности каналов посредством процессов напыления и термопластической обработки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4