Способ получения литейных керамических стержней

Изобретение относится к литейному производству, в частности к способам изготовления керамических стержней для отливок охлаждаемых лопаток газотурбинных двигателей и энергетических установок. Способ включает формирование стержней в пресс-форме, обжиг, удаление облоя из сформированных отверстий в стержнях путем лазерной обработки. Лазерную обработку осуществляют по меньшей мере одним импульсом с длительностью τ, где 0,2≤τ<1 мс, с плотностью мощности излучения q, где 10⁶<q≤9·10⁷ Вт/см². Лазерную обработку в стержнях можно осуществить до или после их обжига. Использование изобретения обеспечивает повышение качества профилированных поверхностей стержней. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к литейному производству, в частности к способам изготовления керамических стержней для отливок охлаждаемых лопаток газотурбинных двигателей и энергетических установок, в которых внутренние полости выполняются керамическими стержнями с элементами вихревой матрицы, в том числе отверстий, пазов, ребер, перемычек и т.д.

Совершенствование параметров двигателей (температура газа перед турбиной, удельная тяговооруженность, ресурс и др.) и их конструкции потребовало разработки высокоэффективных схем охлаждения турбинных лопаток, а следовательно, и конструкции стержней.

Для изготовления стержней обычно применяются формовочные смеси на основе электрокорулеза (24А, 25А) с добавками глинозема Г-00, связки (карбид кремния, силаксановые и полиалюмосилаксановые смолы К-40 и др.), специальные соединения для управления спеканием, пластификатор Плэ-2,5, Плэ-10. Прочность на изгиб при длительном воздействии высоких температур является определяющим показателем качества стержней. Предельные значения прочности керамики при температурах 1300°...1350° составляют 8...11 МПа, что достаточно для сопротивления давлению жидкого металла.

Керамические стержни, в зависимости от схемы охлаждения лопаток, по своему конструктивному исполнению имеют элементы вихревой матрицы - множество мелких отверстий диаметром d и отверстий, имеющих сложную форму контура (вытянутой формы, с прямыми участками контура и т.д.). При формировании такого стержня используют пресс-форму, полость которой соответствует конфигурации стержня с отверстиями. В результате после прессования получают стержень, в отверстиях которого образовался облой (избыточный слой формовочной смеси), в том числе величиной более 0,3 мм.

Появление облоя обусловлено износом пресс-формы в результате абразивного воздействия керамического состава при его запрессовке и большого усилия прессования. Наличие облоя на стержнях приводит в литье к образованию несплошностей металла, надрезам, которые являются очагами образования трещин. Поэтому необходимо удалить облой, который образовался по разъему пресс-формы во время прессования.

Известен способ получения литейных керамических стержней, который выбран в качестве прототипа, включающий формирование стержней в пресс-форме, обжиг, удаление облоя из сформированных в пресс-форме отверстий путем лазерной обработки (Ю.С.Елисеев, В.В.Крымов "Физико-химические методы обработки в производстве газотурбинных двигателей" под ред. Б.П.Саушкина, М., ООО "Дрофа", 2002 г., стр.347-349), причем лазерную обработку осуществляют с плотностью мощности излучения 10⁴ Вт/см² при длительности импульса 1 мс.

Недостатком этого технического решения является то, что данный способ лазерной обработки не позволяет удалить облой толщиной более 0,3 мм из сформированных в пресс-форме отверстий.

Технический результат заявленного изобретения - расширение технологических возможностей лазерной обработки керамических стержней за счет удаления облоя толщиной более 0,3 мм, а также повышение качества профилированной поверхности стержней.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения литейных керамических стержней, включающем формирование стержней в пресс-форме, обжиг, удаление облоя из сформированных в пресс-форме отверстий путем лазерной обработки, лазерную обработку осуществляют, по меньшей мере, одним импульсом с длительностью τ, где 0,2≤τ<1 мс, с плотностью мощности излучения q, где 10⁶<q≤9·10⁷ Вт/см².

При этом лазерная обработка может быть осуществлена до или после обжига стержней.

Удаление облоя из сформированных в пресс-форме отверстий путем лазерной обработки, которую осуществляют, по меньшей мере, одним импульсом с плотностью мощности излучения q, где 10⁶<q≤9·10⁷ Вт/см² ,и длительностью импульса τ, где 0,2≤τ<1 мс, позволяет снизить продолжительность термического удара, получить качественную профилированную поверхность стержней за счет получения более плавной поверхности и стабилизации отверстий на стержне, а также позволяет удалить облой, толщина которого превышает 0,3 мм, без разрушения кромок.

Иногда возникает необходимость сформировать отверстия в стержнях, полученных после прессования, в случае, если конструкция пресс-формы не предусматривает формирование отверстий. Эта задача может быть осуществлена путем непосредственного прожигания лучем лазера отверстий в стержне после его прессования. При этом лазерную обработку осуществляют по меньшей мере одним импульсом с длительностью τ, где 0,2≤τ<1 мс, с плотностью мощности излучения q, где 10⁶<q≤9·10⁷ Вт/см², что позволяет получить качественную профилированную поверхность стержня и повысить технологичность процесса изготовления стержней за счет использования пресс-форм простой конфигурации. При этом формирование отверстий лазерной обработкой может быть осуществлено в стержнях, имеющих толщину не более 8 мм.

Плотность мощности лазерного излучения q и длительность импульса τ являются основными технологическими параметрами, определяющими процесс лазерной обработки как для удаления облоя из сформированных в пресс-форме отверстий, так и для формирования отверстий в стержнях. При этом для получения оптимальных результатов для отверстий диаметром d плотность мощности излучения q и длительность импульсов τ могут согласовывать с количеством излучаемых импульсов n, а для отверстий со сложной формой контура, плотность мощности излучения q и длительность импульсов τ - с частотой следования импульсов f и скоростью лазерной обработки V.

При удалении облоя количество излучаемых импульсов n при заявленных параметрах лазерной обработки q и τ выбирают в зависимости от толщины образовавшегося облоя на стержне после прессования.

В случае, если необходимо сформировать отверстия в стержнях непосредствено путем прожигания лучем лазера, количество излучаемых импульсов n при заявленных параметрах лазерной обработки q и τ выбирают в зависимости от толщины стержня, в котором формируют отверстия.

Частота следования импульсов f и скорость лазерной обработки V могут быть различны и их выбор зависит от технологических возможностей лазерного станка, используемого при лазерной обработке стержней. При этом выбор параметров f и V осуществляют таким образом, чтобы обеспечить перекрытие лазерного луча в зоне обработки.

Операция лазерной обработки представляет собой воздействие лазерного импульса на участок стержня. Воздействие лазерного потока вызывает оплавление облоя, а в случае формирования отверстий в стержнях непосредствено путем прожигания лучем лазера - проплавление поверхностного слоя материала керамического стержня. При воздействии лазерного потока происходит испарение материала стержня в центре фокального пятна и вытеснение расплава из зоны воздействия.

При выборе параметров лазерной обработки q и τ, выходящих за пределы заявленных интервалов, качество лазерной обработки не удовлетворяет предъявляемым к стержням требованиям.

Так при удалении облоя из сформированных в пресс-форме отверстий на стержнях путем лазерной обработки с плотностью мощности излучения q<10⁶ и длительностью импульса τ<0,2 мс, облой не удален, а при q>9·10⁷ Вт/см² и τ>1 мс, облой удален, но диаметр отверстия больше заданного.

А при формировании отверстий в стержнях путем прожигания, осуществляя лазерную обработку с плотностью мощности излучения q<10⁶ и длительностью импульса τ<0,2 мс отверстия не сформированы, а при q>9·10⁷ Вт/см² и τ>1 мс отверстия сформированы, но кромки острые или не ровные.

Конкретные примеры выбора параметров q и τ лазерной обработки для удаления облоя из сформированных в пресс-форме отверстий на стержнях и при формировании отверстий в стержнях путем прожигания представлены в табл.1.

Способ осуществляется следующим образом.

Обработку керамических стержней до или после обжига ведут на 4-х координатном лазерном станке по разработанным управляющим технологическим программам. В исполнительном модуле станка для перемещения оптико-механического блока используется координатная система, обеспечивающая перемещение лазерного луча по трем взаимно перпендикулярным направлениям и вращательного движения оси оснастки, на которой позиционируют керамический стержень. Управление системой координат и управление параметрами лазера осуществляется от управляющего модуля - системы ЧПУ. При лазерной обработке керамического стержня в случае наличия облоя в уже сформированных отверстиях происходит плавление и испарение облоя из зоны обработки.

Керамический стержень после прессования устанавливают на посадочные места оснастки. При удалении облоя оптико-механический блок с помощью оптической системы фокусирует лазерный луч на поверхность керамического стержня в пятно, размер которого устанавливается с помощью программы ЧПУ, задающей расстояние от объектива до стержня. Размер пятна лазера выбирают в зависимости от диаметра d отверстия на стержне.

При удалении облоя из отверстий, имеющих сложную форму контура, в зону обработки направляют сфокусированный лазерный луч, размер пятна которого выбирают таким, чтобы он являлся наиболее оптимальным, например 0,3 мм, для лазерной обработки с плотностью мощности излучения q. С помощью управляющего модуля оптико-механического блока производят перемещение лазерного луча по заданной траектории контура отверстия на поверхности стержня. При этом происходит последовательное наложение лазерных импульсов при линейном перемещении лазерного луча по заданной траектории, а форма и размеры отверстия устанавливаются с помощью программы ЧПУ. Перемещение лазерного луча осуществляют с определенной скоростью и частотой следования импульсов, которая обеспечивает перекрытие лазерного луча в зоне обработки.

Примеры удаления облоя из сформированных в пресс-форме отверстий диаметром d и отверстий, имеющих сложную форму контура, путем лазерной обработки представлены в табл.2.

После отработки программы стержень снимается с оснастки, устанавливается следующий стержень и программа лазерной обработки повторяется. После завершения программы лазерной обработки керамические стержни подвергают анализу и контролю, где качество обработанной поверхности керамического стержня анализируют по утвержденным эталонам, а контроль размеров отверстий производят калибрами и с помощью микроскопа.

Осуществление и порядок операций лазерной обработки при формировании отверстий в стержнях путем прожигания аналогичны операциям при удалении облоя. Примеры формирования отверстий диаметром d и отверстий, имеющих сложную форму контура, путем лазерной обработки представлены в табл.2.

Пример.

Необходимо произвести снятие облоя толщиной 0,5 мм в партии необоженных керамических стержней путем лазерной обработки для литья охлаждаемых лопаток энергетической установки МЭС-60, в каждом из которых необходимо обработать 400 отверстий диаметром 0,4 мм и 5 отверстий со сложной формой контура (2 линии длиной 2 мм, шириной между ними 1 мм и скругленные на концах по радиусу).

Обработка стержней была произведена на 4-х координатном лазерном станке. Керамический стержень устанавливался на посадочные места оснастки. Оптико-механический блок с помощью оптической системы, фокусное расстояние объектива которой 100 мм, фокусировал лазерный луч с длиной волны 1,06 мкм в зону обработки в пятно размером 0,4 мм.

Был установлен следующий режим лазерной обработки: плотность мощности излучения 3,5·10⁶ Вт/см² при длительности импульса 0,45 мс. При этом количество импульсов было задано n=7 в зоне обработки для удаления облоя из отверстий диаметром 0,4 мм, а для удаления облоя из отверстий сложной формы и заданных размеров частота следования импульсов была задана f=40 Гц и скорость обработки V=80 мм/мин.

После завершения программы лазерной обработки качество обработанной поверхности керамических стержней данной партии подвергли анализу по утвержденным эталонам, а контроль размеров отверстий был произведен калибрами и с помощью микроскопа ММИ-2. В результате проверки было установлено, что размеры и качество элементов вихревой матрицы керамического стержня - отверстий соответствуют техническим условиям и чертежам. Отлитые лопатки, включающие керамические стержни, обработанные заявленным способом, были исследованы в ЦИЛе предприятия. Исследования показали, что заявленный способ получения керамических стержней позволяет получить качественную профилированную поверхность стержня, в том числе при удалении облоя толщиной более 0,3, а следовательно, повысить качество отливок и ресурс работы лопаток.

Табл.1 Способ получения литейных керамических стержней
№ п/п	Плотность мощности излучения q Вт/см2	Длительность импульса τ мс	Качество формирования отверстий	Качество удаления облоя
1	9·105	0,1	отверстия не образованы	облой не удален
2	9·105	0,45	отверстия не образованы	облой не удален
3	9·105	1,5	отверстия образованы, но кромки не ровные	облой оплавлен, но удален неполностью
4	3,7·106	0,1	отверстия образованы, но кромки острые	облой удален неполностью
5	3,7·106	0,45	отверстия образованы, кромки округлые	облой удален, кромки округлые
6	3,7·106	1,5	отверстия образованы, но кромки не ровные	облой удален неполностью
7	107	0,1	отверстия образованы, но кромки острые	облой удален, но кромки острые
8	107	0,45	отверстия образованы, кромки округлые	облой удален, кромки округлые
9	107	1,5	отверстия образованы, но кромки не ровные	облой удален, но диаметр отверстия больше заданного
10	108	0,1	отверстия образованы, но кромки острые	облой удален неполностью
11	108	0,45	отверстия образованы, но кромки не ровные	облой удален, но кромки острые и диаметр отверстия больше заданного
12	108	1,5	отверстия образованы, но кромки не ровные	облой удален, но диаметр отверстия больше заданного

1. Способ получения литейных керамических стержней, включающий формирование стержней в пресс-форме, обжиг, удаление облоя из сформированных в пресс-форме отверстий путем лазерной обработки, отличающийся тем, что удаление облоя из сформированных отверстий лазерной обработкой осуществляют по меньшей мере одним импульсом с длительностью τ и с плотностью мощности излучения q, где 0,2≤τ<1 мс и 10⁶<q≤9·10⁷ Вт/см².

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что лазерную обработку осуществляют до или после обжига стержней.