Устройство для получения отливки монокристаллической турбинной лопатки

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для получения лопаток турбин из никелевых жаропрочных сплавов. Устройство содержит керамическую форму, в которой выполнены последовательно затравочная полость с монокристаллической затравкой, коническая стартовая полость, полость формы и дополнительные литниковые ходы. В керамической форме выполнены дополнительные конические стартовые полости и полости формы, расположенные друг над другом по одной оси. Вышестоящая стартовая полость в основании равна сечению пера лопатки в месте соединения стартовой полости и полости формы и соединена с прибыльной частью нижестоящей отливки, в которой выполнено углубление в виде усеченной трехгранной призмы для размещения стартовой полости вышестоящей отливки. Устройство может содержать дополнительные кристалловоды, выполненные в виде пластин толщиной 0,5-5 мм. Достигается повышение производительности технологического процесса при сохранении высокого выхода годных монокристаллических отливок. 4 з.п. ф-лы., 2 ил.

 

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано при получении монокристаллических лопаток современных турбин ГТД и ГТУ из никелевых жаропрочных сплавов.

Известна конструкция литейной формы для получения монокристаллических отливок турбинных лопаток. В соответствии с этим изобретением монокристаллическая структура зарождается от затравки, размещенной в специальном керамическом кармане формы и установленной непосредственно на холодильник (ЕР №0127552).

Недостатком данного устройства является то, что при формировании структуры собственно лопатки происходит образование посторонних зерен в зоне полок, в частности на замковой полке на ее краях. Однако в данной конструкции литейной формы не предусмотрены какие-либо вспомогательные приспособления для формирования монокристаллической структуры в этой зоне, то есть нет приспособлений для получения монокристаллической лопатки в целом.

Известно устройство для получения отливок с монокристаллической структурой, преимущественно турбинных лопаток, состоящих из пера, замковой полки, замковой и прибыльной частей, которое содержит формируемую послойным нанесением суспензии на модель керамическую оболочку, в основании которой выполнены последовательно затравочная полость, с размещенной в ней монокристаллической затравкой заданной ориентации, коническая стартовая полость, соединенная с полостью формы, образующей отливку, и прибыльная часть, питающая отливку в процессе направленной кристаллизации (патент США №4714101).

Недостатком указанного устройства является трудность формирования структуры в полках лопатки, так как прорастание монокристалла в радиальном относительно основного температурного градиента Gz направлении часто сопровождается возникновением посторонних кристаллов, возникающих по краям полки, преимущественно, со стороны входной и выходной кромок пера, что приводит к браку отливок и уменьшению выхода годного литья.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для получения отливок монокристаллической турбинной лопатки заданной кристаллографической ориентации, состоящей из пера, замковой полки, замковой части и прибыльной части, включающее керамическую форму, в основании которой выполнены последовательно затравочная полость с размещенной в ней монокристаллической затравкой заданной кристаллографической ориентации, коническая стартовая полость, соединенная с полостью формы, образующей отливку лопатки, при этом керамическая форма снабжена дополнительными литниковыми ходами, соединяющими коническую стартовую полость с замковой полкой вдоль входной и выходной кромок пера лопатки, расстояние между входной и выходной кромками торца пера лопатки меньше ширины прилегающего к нему торца конической стартовой полости (патент РФ №2239520).

Данное устройство позволяет получать лопатки турбинных двигателей с полностью монокристаллической структурой и обеспечивает повышение выхода годных отливок по структуре до ˜85%.

Недостатком указанного устройства является низкая производительность технологического процесса, т.к. для каждой отливки необходим персональный затравочный узел и система дополнительных литниковых ходов, а также низкий коэффициент использования металла.

Технической задачей данного изобретения является создание устройства, позволяющего многократно повысить производительность технологического процесса получения монокристаллических турбинных лопаток при сохранении высокого выхода годных монокристаллических отливок по структуре и снизить расход дорогостоящих материалов.

Для выполнения поставленной задачи предлагается устройство для получения отливки монокристаллической турбинной лопатки заданной кристаллографической ориентации, состоящей из пера, полки, замковой части и прибыльной части, содержащее керамическую форму, в основании которой выполнены последовательно затравочная полость с размещенной в ней монокристаллической затравкой заданной ориентации, коническая стартовая полость, соединенная с полостью формы, образующей отливку лопатки, и с дополнительными литниковыми ходами, соединяющими стартовую полость с замковой полкой вдоль входной и выходной кромок пера лопатки, причем расстояние между входной и выходной кромками торца пера лопатки меньше прилегающего к нему торца конической стартовой полости, отличающееся тем, что полость формы, образующая отливку лопатки, и коническая стартовая полость расположены друг над другом по одной оси, многократно повторяясь, при этом коническая стартовая полость вышестоящей отливки в основании равна сечению пера лопатки в месте их соединения и соединена с прибыльной частью нижестоящей отливки, в которой выполнено углубление в виде усеченной трехгранной призмы для размещения конической стартовой полости вышестоящей отливки.

Каждая коническая стартовая полость снабжена кристаллоотборником, выполненным в виде спирали, размещенным между прибыльной частью нижестоящей отливки и вершиной конической стартовой полости вышестоящей отливки.

В случае сильно развитой полки лопатки, когда ее ширина значительно превышает ширину пера и замковой части лопатки, устройство дополнительно содержит кристалловоды, выполненные в виде пластин толщиной 0,5-5 мм, соединенные с дополнительными литниковыми ходами. Толщина пластин выбирается в зависимости от толщины самой лопатки и из расчета того, что пластины толщиной меньше 0,5 мм технологически трудно выполнить, а пластины больше 5 мм устанавливать нецелесообразно.

Кристалловоды, выполненные в виде пластин толщиной 0,5-5 мм, предпочтительно в форме треугольника, предотвращают образование посторонних кристаллов в областях, к которым подводятся, из-за уменьшения радиальных составляющих ростового градиента температуры.

Над выступающими частями полки лопатки устанавливают дополнительные прибыли, выполненные в виде пластин, предпочтительно в форме треугольника, толщиной, не превышающей толщину полки лопатки, соединенные с дополнительными литниковыми ходами.

Если прибыльная часть отливки по ширине больше замковой части отливки, то она одновременно соединяется с дополнительными литниковыми ходами и кристалловодами, выполненными в виде пластин толщиной 0,5-5 мм.

Прибыль над выступающими частями полки лопатки устраняет микропористость в полке, а ее толщина, не превышающая толщины полки лопатки, позволяет провести ее дальнейшую механическую обработку, т.к. образует площадку, высота которой соответствует реальной высоте полки лопатки.

На Фиг.1 показан общий вид устройства для получения отливки монокристаллической лопатки, где ширина замковой и прибыльной части и полки лопатки одинаковы.

1. Затравочная полость с затравкой.

2. Коническая стартовая полость.

3. Перо лопатки.

4. Дополнительные литниковые ходы.

5. Полка лопатки.

6. Замковая часть лопатки.

7. Прибыльная часть отливки.

8. Кристаллоотборник, выполненный в виде спирали.

Монокристаллическая структура, зародившаяся от затравки 1, прорастает в коническую стартовую полость 2, а затем в перо 3 и дополнительные литниковые ходы 4. Дополнительные литниковые ходы подводят монокристаллическую структуру к кромкам полки 5, препятствуя образованию в этих местах посторонних кристаллов. После формирования монокристаллической структуры в полке происходит кристаллизация замковой части 6 и расположенной над ней прибыльной части отливки 7. Далее внутри углубления в виде усеченной трехгранной призмы, в прибыльной части отливки 7, размещается коническая стартовая полость вышестоящей отливки, в которую и прорастает монокристалл из закристаллизовавшейся замковой части 6 и процесс прорастания монокристаллической структуры повторяется.

Кроме того, для надежности передачи монокристаллической структуры, в случае массивной отливки лопатки, каждая коническая стартовая полость может быть снабжена кристаллоотборником, выполненным в виде спирали, размещенным между прибыльной частью нижестоящей отливки и вершиной конической стартовой полости вышестоящей отливки (не показано).

Угол углубления в прибыльной части в виде усеченной трехгранной призмы вычислялся экспериментально, как наиболее оптимальный для предотвращения проникновения посторонних кристаллов в полость отливки и находится в пределах от α до 2α, где α - угол конической стартовой полости.

Углубление в виде усеченной трехгранной призмы в прибыльной части, выполненное для размещения стартового конуса вышестоящей отливки, значительно уменьшает высоту собранной керамической формы, экономит металл и снижает время на механическую обработку замка.

На Фиг.2 показан вид устройства (продольное сечение керамической формы) для получения отливки монокристаллической лопатки, замковая часть которой по ширине значительно меньше ширины полки лопатки.

1. Затравочная полость с затравкой.

2. Коническая стартовая полость.

3. Перо лопатки.

4. Дополнительные литниковые ходы.

5. Полка лопатки.

6. Замковая часть лопатки.

7. Прибыльная часть отливки.

8. Кристаллоотборник.

9. Кристалловоды в виде пластин.

10. Дополнительные прибыли над выступающими частями полки лопатки.

Монокристаллическая структура, зародившаяся от затравки 1, прорастает в коническую стартовую полость 2, а затем в перо лопатки 3 и в дополнительные литниковые ходы 4, далее через кристалловоды 9 (пластины толщиной 0,5-5 мм) прорастает к кромкам полки 5, препятствуя образованию в этих местах посторонних кристаллов. Поскольку зона кромок полки склонна к образованию дефекта типа микрорыхлоты, связанной с затрудненным питанием отливки в данной области, то в эти места дополнительно устанавливаются прибыли 10, соединенные с дополнительными литниковыми ходами 4. После формирования монокристаллической структуры в полке происходит кристаллизация замковой части 6 и расположенной над ней прибыльной части отливки 7, к которой подведены кристалловоды 9 (пластины толщиной 0,5-5 мм), дающие возможность последней иметь полностью монокристаллическую структуру. Далее внутри углубления в виде усеченной трехгранной призмы, в прибыльной части отливки 7, размещается коническая стартовая полость вышестоящей отливки, в которую и прорастает монокристалл из закристаллизовавшейся замковой части 6, и процесс прорастания монокристаллической структуры повторяется.

Величина и соотношение углов конической стартовой полости вышестоящих отливок и кристалловодов, выполненных в виде пластин, вычислялись экспериментально, как наиболее оптимальные для предотвращения проникновения посторонних кристаллов в полость отливки, и находятся в пределах от α/2 до α, где α - угол конической стартовой полости.

Пример 1.

Изобретение проверялось при отливке монокристаллических турбинных лопаток с ориентацией [001] размером 36×30×12 мм на установке высокоградиентной направленной кристаллизации УВНК-8П. Модели стартовых полостей и литниковых ходов изготовлялись по отдельным пресс-формам. Сборка модели формы проводилась согласно фиг.1.

Углубление в виде трехгранной призмы в прибыльной части каждой отливки выполнили под углом 90 градусов.

Модели собирались по четыре лопатки в ряд, друг над другом.

Готовые модели собирались на одной заливочной чаше блоками по три в ряд, в два ряда на чаше. При этом лопатки располагались так, чтобы их входные и выходные кромки смотрели на стенки нагревателя установки УВНК-8П.

Покраска, удаление модельной массы и прокалка проводились по принятой технологии. В форму устанавливалась затравка из сплава системы Ni-W-C, полученная методом ориентированной вырезки.

Отливка монокристаллических турбинных лопаток проводилась из жаропрочного сплава ЖС36-ВИ.

Режим плавок: температура нижнего нагревателя - 1600-1610°С

температура верхнего нагревателя - 1550-1570°С

температура заливки сплава - 1550-1560°С

скорость вытягивания формы - 4-5 мм/мин.

Как показал визуальный и рентгеновский контроль полученных отливок, все они имели монокристаллическую структуру [001], точность 5-7°. Производительность технологического процесса составила 48 лопаток за одну плавку. Экономия металла составила 30%.

Опробование данного устройства на промышленных установках направленной кристаллизации показало, что оно позволяет получать лопатки турбин с полностью монокристаллической структурой, значительно повышает производительность технологического процесса монокристаллического литья и обеспечивает выход годных отливок по структуре до ˜85%.

Пример 2.

Изобретение проверялось при отливке монокристаллических турбинных лопаток с выступающими полками с ориентацией [001] размером 36×35×12 мм на установке высокоградиентной направленной кристаллизации УВНК-8П. Модели стартовых полостей и литниковых ходов изготовлялись по отдельным пресс-формам. Сборка модели формы проводилась согласно фиг.1 вручную, каждая коническая стартовая полость снабжалась кристаллоотборником, выполненным в виде спирали, размещенным между прибыльной частью нижестоящей отливки и вершиной конической стартовой полости вышестоящей отливки (не показан).

Углубление в виде трехгранной призмы, в прибыльной части каждой отливки, выполнили под углом 90 градусов.

К полке лопатки и выступающим частям прибыльной части от дополнительных литниковых ходов подводили кристалловоды в виде пластин толщиной 2 мм под углом 30 градусов.

Над выступающими частями полки разместили прибыль толщиной 10 мм, соединенную с дополнительными литниковыми ходами.

Модели собирались по четыре лопатки в ряд, друг над другом.

Готовые модели собирались на одной заливочной чаше блоками по три в ряд, в два ряда на чаше. При этом лопатки располагались так, чтобы их входные и выходные кромки смотрели на стенки нагревателя установки УВНК-8П.

Покраска, удаление модельной массы и прокалка проводились по принятой технологии. В форму устанавливалась затравка из сплава системы Ni-W-C, полученная методом ориентированной вырезки.

Отливка монокристаллических турбинных лопаток проводилась из жаропрочного сплава ЖС36-ВИ, по режимам, указанным в примере 1.

Визуальный и рентгеновский контроль полученных отливок показал, что все они имели монокристаллическую структуру [001], точность 3-5, выход годных отливок по структуре составил ˜90%.

Производительность технологического процесса составила 48 лопаток за одну плавку. Экономия металла составила 30%.

Пример 3.

Параллельно, для контроля, были проведены плавки тех же лопаток в один ряд (аналогично прототипу).

Выход годных отливок по структуре составил ˜85%, производительность технологического процесса монокристаллического литья составила 12 лопаток за одну плавку.

Таким образом, применение предлагаемого устройства позволяет получать качественные монокристаллические лопатки с большой производительностью и значительной экономией металла, что снижает стоимость газотурбинных двигателей и газотурбинных установок.

1. Устройство для получения отливки монокристаллической турбинной лопатки заданной кристаллографической ориентации, состоящей из пера, полки, замковой части и прибыльной части, содержащее керамическую форму, в которой выполнены последовательно затравочная полость с размещенной в ней монокристаллической затравкой заданной ориентации, коническая стартовая полость, соединенная с полостью, образующей отливку лопатки, литниковые ходы, соединяющие стартовую полость с полкой вдоль входной и выходной кромок пера лопатки, причем расстояние между входной и выходной кромками торца пера лопатки меньше прилегающего к нему торца конической стартовой полости, отличающееся тем, что в керамической форме выполнены дополнительные конические стартовые полости и полости, образующие отливку, расположенные друг над другом по одной оси, при этом вышестоящая коническая стартовая полость в основании равна сечению пера лопатки в месте их соединения и соединена с прибыльной частью нижестоящей отливки, в которой выполнено углубление в виде усеченной трехгранной призмы для размещения конической стартовой полости вышестоящей отливки.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждая коническая стартовая полость снабжена кристаллоотборником, выполненным в виде спирали, размещенным между прибыльной частью нижестоящей отливки и вершиной конической стартовой полости вышестоящей отливки.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство содержит дополнительные кристалловоды, выполненные в виде пластин толщиной 0,5-5 мм, соединенные с выступающими частями полки лопатки и с дополнительными литниковыми ходами.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что прибыльная часть отливки по ширине больше замковой части отливки и одновременно соединена с литниковыми ходами и кристалловодами, выполненными в виде пластин толщиной 0,5-5 мм.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что над выступающими частями полки лопатки дополнительно установлены прибыли, выполненные в виде пластин толщиной, не превышающей толщину полки лопатки, соединенные с дополнительными литниковыми ходами.