Устройство для получения турбинных лопаток методом направленной кристаллизации

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для получения лопаток авиационных газотурбинных малоразмерных двигателей и двигателей наземных установок. Устройство содержит керамическую форму, включающую стартовую полость, полости лопаток и затравочную полость, соединенную со стартовой полостью. Система вертикальных и горизонтальных литниковых каналов, с соотношением площадей их поперечного сечения 1:(1-2), обеспечивает плавный подвод расплава в каждую лопаточную полость. Достигается повышение качества отливок и выход годного по структуре, а также повышение производительности процесса. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано при получении отливок из жаропрочных и интерметаллидных сплавов на никелевой основе с направленной и монокристаллической структурой, в частности отливок лопаток авиационных газотурбинных малоразмерных двигателей и двигателей наземных установок.

Известны устройства для получения отливок методом направленной кристаллизации, в которых керамическая форма содержит стартовую полость, полость отливки и кристаллоотборника в виде геликоида (патенты США № 4133368, 4453588), предназначенные для получения отливок с ориентацией [001] с точностью до 10-15°, а так же устройства, содержащие затравочную полость с размещенной в ней монокристаллической затравкой для получения отливок с кристаллографической ориентацией, отличной от [001] (патенты США № 4714101, 4475582, 4469161).

Недостатком этих устройств, выполненных с открытой донной частью, устанавливаемых непосредственно на холодильник, является низкий выход годного при литье лопаток из-за сложности герметичного крепления форм непосредственно на холодильнике-кристаллизаторе.

Известны устройства, состоящие из нескольких керамических форм для получения одновременно нескольких отливок лопаток с направленной и монокристаллической структурой, размещенных и закрепленных на плите-кристаллизаторе по окружности и заливаемых через общую литейную чашу (патенты США № 4133371, 3888301), а так же устройства, представляющее собой керамические лопаточные блоки, получаемые методом послойного нанесения керамической суспензии, содержащие нескольких лопаточных полостей, объединенных общей литниковой системой (ЕР 0059550 B1).

Однако из-за низкой производительности их экономически нецелесообразно использовать для литья лопаток малоразмерного двигателя.

При получении лопаток с направленной и монокристаллической структурой из жаропрочных сплавов малоразмерного двигателя с целью повышения производительности в серийном производстве целесообразно использовать устройства для литья в многоярусные блоки.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для получения отливок методом направленной кристаллизации, содержащее керамическую форму с литейной чашей, включающую стартовую полость и полости лопаток, расположенные одна над другой соосно относительно вертикальной оси. Стартовая полость содержит кристаллоотборник в виде геликоида, установленный непосредственно на холодильнике - кристаллизаторе (патент Великобритании №2322584)

Недостатком указанного устройства является невозможность получения лопаток с направленной и монокристаллической структурой любой кристаллографической ориентации, кроме [001] с точностью до 12-15°, низкая производительность процесса из-за сложности герметичного крепления открытой снизу формы к плите-кристаллизатору, невозможность использования устройства при автоматизированном процессе, в частности в литейных установках с жидкометаллическим охлаждением, а также отсутствие возможности компенсации литейных напряжений из-за разности коэффициентов термического расширения (КТР) керамической формы и жаропрочного сплава, приводящее к браку отливок.

Технической задачей предлагаемого изобретения является получение турбинных лопаток из никелевых литейных жаропрочных сплавов с монокристаллической структурой требуемой кристаллографической ориентации или направленной структурой в установках с жидкометаллическим охладителем, повышение качества отливок и выхода годного по структуре, повышение производительности процесса, особенно при литье малоразмерных лопаток турбины.

Для реализации технической задачи предлагается устройство для получения турбинных лопаток методом направленной кристаллизации, содержащее керамическую форму с литейной чашей, включающую стартовую полость и полости лопаток, расположенные одна над другой соосно относительно вертикальной оси, которое дополнительно содержит систему вертикальных и горизонтальных литниковых каналов, разделяющих полости лопаток и расположенных между стартовой полостью и литейной чашей, и затравочную полость, которая непосредственно соединена со стартовой полостью, при этом соотношение площадей поперечного сечения горизонтального и вертикального литниковых каналов составляет 1:(1-2).

Для получения монокристаллических отливок затравочная полость выполнена с закрытой нижней частью, на внутренней поверхности которой расположена тугоплавкая монокристаллическая затравка заданной ориентации.

Для пояснения сущности изобретения на чертеже показано схематическое изображение устройства для литья малоразмерных лопаток ГТД с монокристаллической структурой, где:

1 - полости 2-х лопаток турбины;

2 - стартовая полость;

3 - затравочная полость;

4 - горизонтальные и вертикальные литниковые каналы;

5 - литейная чаша;

6 - монокристаллическая затравка.

В керамическом блоке полости лопаток (1) расположены одна над другой соосно относительно вертикальной оси. Полость нижней лопатки в свою очередь непосредственно соединена в нижней части блока со стартовой полостью (2) и закрытой снизу затравочной полостью (3), в которую установлена монокристаллическая затравка (6).

Полости каждой лопатки отделены друг от друга полостями литниковых горизонтальных и вертикальных каналов (4), расположенных между литейной чашей (5) и стартовой полостью (2) устройства.

Система горизонтальных и вертикальных литниковых каналов обеспечивает плавный подвод расплава в каждую лопаточную полость снизу во избежание поломки стержня и снижения брака по засорам, а также для компенсации напряжений, возникающих обычно из-за значительной разности значений КТР материалов формы и отливки, приводящих к образованию трещин и надрывов на тонких кромках лопаток после завершения процесса кристаллизации. При этом диаметры горизонтальных и вертикальных литниковых каналов выбирают в зависимости от размеров получаемых отливок, но так, чтобы обеспечить оптимальное соотношение значений площадей поперечного сечения горизонтального и вертикального каналов, которое находится в пределах 1:(1-2).

Если соотношение площадей поперечного сечения горизонтального и вертикального каналов менее чем 1:1, то в горизонтальном канале может создаваться теплоаккумулирующий узел, что не способствует процессу направленной кристаллизации лопаточного блока, а соотношение указанных площадей более чем 1:2 создает тепловые узлы в вертикальном канале. Выход за пределы оптимального соотношения приводит к увеличению брака по структуре.

Для получения монокристаллических отливок с заранее заданными свойствами в вершине стартовой полости имеется затравочная полость, в которой размещают тугоплавкую монокристаллическую затравку требуемой кристаллографической ориентации.

Кристаллографическая ориентация от монокристаллической затравки через стартовую полость передается к нижней лопатке блока, а от нее - ко всем последующим лопаткам, расположенным соосно над ней. Это позволяет повысить производительность процесса литья, снизить расход дорогостоящих тугоплавких затравок на одну плавку.

Примеры осуществления

Пример 1. Оболочковую керамическую форму изготавливали методом послойного нанесения керамической суспензии на модельный блок, состоящий из 12 моделей малоразмерных лопаток, размещенных в 2 яруса параллельно вертикальной оси друг над другом и образующих 6 секций лопаток, установленных на одной литейной чаше. Каждая секция имела индивидуальную стартовую и затравочную части. Система горизонтальных и вертикальных элементов литниковой системы, расположенных между литейной чашей и стартовой частью и разделяющих лопатки, служит для образования в керамической форме литниковых каналов, которые будут обеспечивать подвод расплава к лопаткам снизу. Система литников обеспечивает повышение прочности конструкции блока, препятствующей образованию надрывов в отливках лопаток после завершения кристаллизации. Изготовленные оболочковые формы просушивали, вытапливали модельную массу и прокаливали при Т печи = 1100°С. Соотношение площадей поперечного сечения горизонтального и вертикального литниковых каналов выбрано как 1:1 (Диаметры вертикального и горизонтального литниковых каналов = 10 мм). В открытую затравочную полость каждой секции лопаток перед плавкой устанавливали монокристаллические тугоплавкие затравки ориентации [111] и заделывали суспензией на основе электрокорунда.

Форму на специальной подвеске помещали в установку для направленной кристаллизации с жидкометаллическим охладителем УВНК-9, где производили нагрев до рабочей температуры, расплавляли в тигле шихтовую заготовку интерметаллидного сплава ВКНА-4У и заливали его в литейную чашу лопаточного керамического блока при температуре на 150° выше Тлик. сплава. После чего производили направленную кристаллизацию путем погружения керамической формы с расплавом из нагревателя в жидкометаллический охладитель. После кристаллизации лопатки освобождали от керамики, литниковой системы и подвергали травлению на макроструктуру. Как показал визуальный и рентгеновский контроль 90% отливок имели монокристаллическую структуру ориентации [111] с отклонением до 10°. Трещин и разрушений на лопатках не выявлено.

Пример 2. Оболочковую керамическую форму изготавливали аналогично примеру 1, но диаметры литниковых каналов выбирались так, что соотношение площадей поперечного сечения горизонтального и вертикального литниковых каналов составляло 1:2. Открытую затравочную полость каждой секции лопаток перед плавкой заделывали суспензией на основе электрокорунда без установки тугоплавкой затравки. Форму помещали в установку для направленной кристаллизации с жидкометаллическим охладителем УВНК-9 и проводили заливку и направленную кристаллизацию, как показано в примере 1. За одну плавку было получено 24 годные лопатки с направленной структурой.

Пример 3, выполненный по способу-прототипу.

Оболочковую керамическую лопаточную форму изготавливали по способу-прототипу и заливали расплавом жаропрочного никелевого сплава. Примерно 30% полученных лопаток имели надрывы со стороны выходной кромки после удаления керамики как результат нескомпенсированной усадки металла. Визуальный и рентгеновский контроль лопаток после травления показал, что часть отливок лопаток имела посторонние кристаллы, проросшие от места соединения формы и холодильника, а монокристаллическую структуру имели 50% полученных лопаток с отклонением от направления [001] 5-20°.

Опробование предложенного устройства в серийном производстве для литья монокристаллических турбинных лопаток малоразмерного двигателя показало, что оно обеспечивает высокую производительность при получении лопаток требуемой кристаллографической ориентации с выходом годного до 90% по структуре и 99-100% с направленной структурой.

1. Устройство для получения турбинных лопаток методом направленной кристаллизации, содержащее керамическую форму с литейной чашей, включающую стартовую полость и полости лопаток, расположенные одна над другой соосно по вертикальной оси, отличающееся тем, что устройство снабжено системой вертикальных и горизонтальных литниковых каналов, разделяющих полости лопаток и расположенных между стартовой полостью и литейной чашей, и затравочной полостью, которая непосредственно соединена со стартовой полостью, при этом соотношение площадей поперечного сечения горизонтального и вертикального литниковых каналов составляет 1:(1-2).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что затравочная полость выполнена с закрытой нижней частью, на внутренней поверхности которой расположена тугоплавкая монокристаллическая затравка заданной ориентации.