Способ получения отливки лопатки газовой турбины с направленной и монокристаллической структурой

Изобретение относится к литейному производству, в частности к получению отливок из жаропрочных сплавов для изготовления рабочих и сопловых лопаток газовых турбин. Керамическую форму с кристаллизующимся расплавом размещают на охлаждаемом поддоне в вакуумной установке и перемещают вертикально из зоны нагрева в зону охлаждения со скоростью 5-10 мм/мин. На расстоянии 52-70 мм от верхнего среза зоны охлаждения форму охлаждают потоками инертного газа при давлении газа в критическом сечении сопла 3-10 бар и остаточном давлении инертного газа в зоне охлаждения 100-300 мбар. При переходе формы из области кристаллизации расплава пера лопатки в область кристаллизации расплава хвостовика лопатки перемещение формы ведут со скоростью 5 мм/мин при давлении инертного газа в критическом сечении сопла до 7,5 бар. Обеспечивается отсутствие дефектов в отливке, в том числе области перехода от одной толщины отливки к другой.

 

Изобретение относится к области технологии литейного производства, в частности, к охлаждению расплава в литейной форме и может найти применение для получения отливок из жаропрочных сплавов для изготовления рабочих и сопловых лопаток газовых турбин.

Известен способ получения отливки лопатки газовой турбины с направленной и монокристаллической структурой, включающий перемещение вакуумируемой литейной формы с расплавом из зоны нагрева в зону охлаждения с дополнительным ее охлаждением потоками инертного газа в верхней части зоны охлаждения в области уже затвердевшей части расплава на расстоянии не более 40 мм от верхнего среза зоны охлаждения.

Известный способ реализуется устройством, которое содержит вакуумную камеру с размещенными в ней зоной нагрева с нагревателем, керамическую литейную форму на охлаждаемом поддоне, зону охлаждения, термоизолирующий экран с отверстием, отделяющий зону нагрева от зоны охлаждения, и сопла для подвода охлаждающего инертного газа, расположенные в зоне охлаждения и направленные преимущественно радиально внутрь. При этом зона нагрева размещена в верхней части вакуумной камеры, камера охлаждения расположена в ее нижней части, а сопла для подвода инертного газа - под термоизолирующим экраном. (US 5921310, B22D 27/04, опубликовано 13.07.1999)

Недостатком известного способа является вероятность возникновения при литье жаропрочных сплавов дефектов в виде дополнительных («паразитных») кристаллов в результате образования поперечных градиентов температур на фронте кристаллизации, что ухудшает качество отливки. Это происходит из-за слишком близкого расположения (до 40 мм) области охлаждения формы от теплоизолирующего экрана (верхнего среза зоны охлаждения) и отсутствия регулирования условий охлаждения формы при переходе фронта кристаллизации на участок отливки другой толщины (с пера лопатки на полку и хвостовик).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ получения отливки лопатки газовой турбины с направленной и монокристаллической структурой, включающий вертикальное перемещение в вакуумной установке из зоны нагрева в зону охлаждения оболочковой керамической формы с кристаллизующимся расплавом и ее охлаждение потоками инертного газа из сопел, направленных на форму в верхней части зоны охлаждения. Причем потоки инертного газа создаются двумя рядами сопел, расположенными один под другим, и содержат порошкообразные растворители, материалы которых претерпевают фазовые превращения. При этом верхний охлаждающий поток направлен преимущественно радиально к оси камеры охлаждения, а второй охлаждающий поток - преимущественно вдоль стенок формы сверху вниз.

Известный способ реализуют устройством, которое содержит вакуумную камеру с размещенными в ней зоной нагрева с нагревателем, керамическую литейную форму, размещенной на охлаждаемом поддоне, зону охлаждения, термоизолирующий экран с отверстием, отделяющий зону нагрева от зоны охлаждения, и два ряда сопел, для подвода охлаждающего инертного газа, расположенные один под другим вокруг отверстия в перегородке. При этом зона нагрева размещена в верхней части вакуумной камеры, камера охлаждения расположена в ее нижней части, а сопла для подвода инертного газа - под термоизолирующим экраном (RU 2157296, B22D 27/04, опубликовано 10.10.2000).

Недостатком известного способа является введение в пространство вакуумной камеры веществ, претерпевающих фазовые превращения при попадании в зону нагрева, что неизбежно ведет к загрязнению расплава отливки и падению механических свойств конечного изделия. Слишком интенсивное охлаждение формы двумя рядами сопел, размещенных в нижней части среза зоны охлаждения приводит к увеличению остаточных напряжений в отливке и, как следствие, к короблению отливки и даже к трещинам в ее теле. Кроме того, ведение процесса кристаллизации расплава в литейной форме вне оптимальных диапазонов остаточного давления инертного газа в вакуумной камере и давления газа в критическом сечении сопла также ведет к появлению дефектов в отливке.

Задачей и техническим результатом изобретения является создание экономичного способа получения отливки лопатки газовой турбины с направленной и монокристаллической структурой определяющего оптимальные параметры регулирования основных характеристик осуществления способа, что обеспечивает отсутствие дефектов в отливке, в том числе области перехода от одной толщины отливки к другой.

Технический результат достигается тем, что способ получения отливки лопатки газовой турбины с направленной и монокристаллической структурой включает вертикальное перемещение в вакуумной установке из зоны нагрева в зону охлаждения со скоростью 5-10 мм/мин оболочковой керамической формы с кристаллизующимся расплавом и ее охлаждение потоками инертного газа из сопел, направленных на форму в верхней части зоны охлаждения, причем охлаждение формы потоком инертного газа из сопел ведут на расстоянии 52-70 мм от верхнего среза зоны охлаждения при давлении газа в критическом сечении сопла 3-10 бар и остаточном давлении инертного газа в зоне охлаждения 100-300 мбар, причем при переходе формы из области кристаллизации расплава пера лопатки в область кристаллизации расплава хвостовика лопатки перемещение формы ведут со скоростью 5 мм/мин при давлении инертного газа в критическом сечении сопла до 7,5 бар.

Реализация способа своего назначения и достижение поставленного технического результата могут быть проиллюстрированы следующим примером.

Изготавливали отливку лопатки газовой турбины высотой 250 мм с максимальной толщиной пера 3 мм, которая была снабжена полкой и хвостовиком, сечение которого в 8 раз больше максимального сечения пера. Оболочковая керамическая форма толщиной 15 мм (обычная толщина формы 12-18 мм) была получена стандартным способом из керамики на основе электрокорунда методом выплавляемых моделей. Форму размещали на охлаждаемом поддоне в стандартной вакуумной установке, снабженной системой вакуумирования в зонах нагрева и охлаждения, которые разделял термоизолирующий экран с отверстием. После заливки формы расплавом типа ЦНК8МП ее вертикально перемещали из зоны нагрева в зону охлаждения со скоростью 7 мм/мин. В зоне охлаждения, на расстоянии 60 мм от верхнего среза зоны охлаждения, форму в области кристаллизации пера лопатки охлаждали потоком инертного газа аргона из стационарно установленных сопел при давлении инертного газа в критическом сечении сопла 5 бар и остаточном давлении инертного газа в зоне охлаждения 230 мбар.

При переходе охлаждения формы из области кристаллизации расплава пера лопатки в область кристаллизации расплава хвостовика лопатки скорость вертикального перемещения формы уменьшали до 5 мм/мин, а давление инертного газа в критическом сечении сопла увеличивали до 7,5 бар.

В результате осуществления способа по изобретению были получены отливки лопатки газовой турбины с направленной и монокристаллической структурой, которые не имели дефектов в виде полос струйчатой ликвации, посторонних кристаллов и рыхлот, в том числе в области перехода от одной толщины отливки к другой.

Способ получения отливки лопатки газовой турбины с направленной и монокристаллической структурой, включающий вертикальное перемещение в вакуумной установке из зоны нагрева в зону охлаждения со скоростью 5-10 мм/мин оболочковой керамической формы с кристаллизующимся расплавом и ее охлаждение потоками инертного газа из сопел, направленных на форму в верхней части зоны охлаждения, отличающийся тем, что охлаждение формы потоком инертного газа из сопел ведут на расстоянии 52-70 мм от верхнего среза зоны охлаждения при давлении газа в критическом сечении сопла 3-10 бар и остаточном давлении инертного газа в зоне охлаждения 100-300 мбар, причем при переходе формы из области кристаллизации расплава пера лопатки в область кристаллизации расплава хвостовика лопатки перемещение формы ведут со скоростью 5 мм/мин при давлении инертного газа в критическом сечении сопла до 7,5 бар.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области литейного производства, в частности к производству сопловых и рабочих турбинных лопаток из никелевых жаропрочных сплавов. Устройство содержит керамическую форму, в которой выполнены последовательно расположенные по направлению кристаллизации затравочная полость с размещенной в ней монокристаллической затравкой, коническая стартовая полость, соединенная с полостью формы, образующей отливку, выполненной под углом к направлению кристаллизации отливки, литниковые ходы и прибыльная часть.

Изобретение относится к литейному производству. Способ включает помещение сплава в литейную форму и окисление элемента сплава с формированием защитного слоя на поверхности отливки.

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для получения отливок ответственного назначения. Способ включает нанесение на поверхность литейной формы перед заливкой расплавленного металла защитно-разделительных покрытий различных составов.

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для получения лопаток стационарных ГТД и ГТУ, створок и проставок реактивного сопла, дисковых заготовок.

Изобретение относится к области литья фасонных (разностенных, сложнопрофильных) отливок с использованием литейных форм. .

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при изготовлении крупногабаритных длинномерных отливок для газотурбинных установок и двигателей из монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов, работающих при температуре 1500°С.

Изобретение относится к области изготовления деталей, имеющих направленную кристаллографическую ориентацию. .

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению заготовок для последующей деформации из жаропрочных труднодеформируемых никелевых сплавов, работающих при температурах выше 600°С, в частности сложнопрофильных дисков турбины, раскатных колец и др.

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для получения отливок направленной кристаллизацией из сталей и сплавов. Устройство содержит камеру нагрева 1, камеру охлаждения 2 и камеру 3 привода штока 38, образующие единую герметичную вакуумную камеру. В камере 3 привода штока размещены механизмы вертикального перемещения формы 23 и поворота поддона 43 вокруг вертикальной оси штока 38. Механизм поворота поддона 43 содержит поворотную трубу 42 с квадратным отверстием, расположенную с зазором в отверстии штока 38, квадратный вал 45, размещенный внутри трубы с зазором, и механизм поворота квадратного вала вокруг вертикальной оси, расположенный в нижней части вакуумной камеры 3 привода штока. В камере охлаждения 2 расположен узел охлаждения формы 23 с блоком подвижных отражательных экранов 32 и 34. Механизм фиксации формы в печи нагрева 1 выполнен в виде шлицевого диска 24, расположенного на охлаждаемом поддоне соосно с ним, и кольцевой шлицевой опоры 21, закрепленной в нижней части печи нагрева 1 и имеющей пазы с размерами, обеспечивающими взаимодействие с выступами шлицевого диска 24 при подъеме штока с формой в печь нагрева формы. Достигается расширение технологических возможностей устройства. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к литейному производству. Устройство содержит камеру плавления 1 с плавильно-заливочным блоком, размещенным на стойке 8, и заливочной воронкой 25, камеру 2 нагрева литейной формы 19 с индуктором 21, размещенным снаружи камеры, и камеру 10 загрузки литейной формы Камеры плавления и нагрева выполнены из цилиндрических кварцевых труб, между торцами которых расположена водоохлаждаемая металлическая проставка 3, имеющая отверстие для соединения с вакуумной системой. Плавильно-заливочный блок и опора заливочной воронки 25 размещены на проставке 3. Между камерой нагрева и камерой загрузки литейной формы расположен вакуумный затвор 9. Литейная форма установлена на штоке 14, оснащенном механизмом вертикального перемещения формы. Для подвода охлаждающего инертного газа к основанию литейной формы в штоке выполнено центральное отверстие. Обеспечивается повышение надежности работы устройства и качества отливок. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 пр.

Изобретение относится к металлургии. Литая рабочая лопатка с монокристаллической структурой содержит перо, полку замка и замковую часть и состоит из двух фрагментов, соединенных зоной сплавления. Зона сплавления двух фрагментов высотой 5-30 мм размещена между полкой замка и замковой частью лопатки. Один фрагмент - замковая часть - выполнен из сплава с повышенной кратковременной прочностью, а другой фрагмент - перо лопатки и полка замка - из сплава с повышенной жаропрочностью. Разница температур полного растворения упрочняющей γ′- фазы двух жаропрочных сплавов TSOLγ′ составляет не более 20°C, а разница плотностей сплавов ~8%. Жаропрочный сплав на основе никеля для изготовления замковой части рабочей лопатки по изобретению содержит, мас. %: углерод 0,001-0,12; хром 6,5-9,8; кобальт 4,0-7,2; молибден 1,6-3,7; вольфрам 2,0-4,2; титан 3,0-4,5; алюминий 4,8-6,2; ниобий 0,08-0,22; марганец 0,002-0,12; кремний 0,005-0,2; никель остальное. Способ термообработки литой лопатки включает гомогенизирующий отжиг при температуре 1250±10°C в течение 2-3 часов с последующим охлаждением со скоростью 25-40°C/мин до температуры 690-710°C, последующий нагрев лопатки до температуры старения, выдержку в течение 16-24 часов и охлаждение со скоростью 20-40°C/мин до температуры 500°C, выдержку в течение 5-30 мин и охлаждение на воздухе. Обеспечивается повышение прочностных характеристик лопатки и надежности работы турбины. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

Изобретение относится к системе терморегуляции форм для литья под давлением, форм для кокильного литья и других подобных устройств. Система содержит резервуар (11), в котором находится жидкая охлаждающая среда, в частности вода, первичный гидравлический контур (12) для циркуляции жидкой охлаждающей среды от резервуара (11) к форме и от формы в резервуар через теплообменник (SC). Для циркуляции газообразной среды в форме предусмотрен вторичный пневматический контур (13), соединенный с первичным гидравлическим контуром (12). Контур (13) предназначен для охлаждения формы попеременно жидкой и газообразной средой, или газообразной средой, смешанной с жидкой средой. Система содержит гидравлический контур (112) предварительного нагрева, интегрированный с первичным гидравлическим контуром (12) и предназначенный для производства и циркуляции горячей жидкой текучей среды для предварительного нагрева формы. Обеспечивается устранение парообразования в процессе предварительного нагрева форм. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.
Заявленное изобретение относится к литейному производству. Керамическую форму обжигают при температуре от 800 до 1000°С в течение от 2 до 4 часов, охлаждают до температуры от 20 до 950°С и выдерживают при такой температуре в течение от 10 до 40 минут. Осуществляют заливку в указанную форму жидкого сплава, перегретого на от 50 до 200°С относительно исходной температуры плавления, и по прошествии от 10 до 100 секунд указанную форму погружают с постоянной или переменной скоростью в жидкую охлаждающую среду, представляющую собой 1-99% об. водный раствор жидкого полимера при температуре от 15 до 85°С. Обеспечивается получение отливок с качественной внешней поверхностью и высокой однородностью макро- и микроструктуры в поперечных сечениях стенок. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 пр.

Изобретение относится к литейному производству. Шихтовую заготовку размещают в керамической форме или тигле, помещают в нижнюю область зоны нагрева двухзонной печи подогрева форм и нагревают в атмосфере инертного газа. При достижении расплавом температуры на 160-250°С выше температуры солидус его выдерживают в атмосфере инертного газа в течение 10-30 мин. В зону охлаждения двухзонной печи подогрева форм керамическую форму или тигель перемещают со скоростью 1-30 мм/мин. Обеспечивается однородная направленная композиционная структура отливок из сплава на основе ниобия, повышение выхода годного. 5 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 пр.

Изобретение может быть использовано для литья деталей, имеющих сквозные отверстия, в частности блока цилиндров двигателей внутреннего сгорания. Способ включает подготовку литейной формы (2) с литейным стержнем (8-19) для образования сквозного отверстия (O1, O2), заливку расплава металла (S) в форму, охлаждение литой детали (Z1, Z2) до температуры ниже температуры начала кристаллизации расплава металла (S), но выше минимальной температуры, до которой при ускоренном охлаждении происходит образование высокопрочной структуры. Через сквозное отверстие (O1, O2) литой детали (Z1, Z2) проделывают соединительный канал (G1, G2), путем сгорания связующего в формовочном материале, из которого выполнен литейный стержень (8-19), или путем механического разрушения литейного стержня. Связующее сгорает под действием тепла, выделяющегося при заливке расплава металла в литейную форму. Литую деталь охлаждают в литейной форме путем пропускания охлаждающей среды (M1, M2) через направляющий сквозной канал (G1, G2). Обеспечивается получение оптимальных механических свойств литых деталей. 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение может быть использовано для литья лопаток из жаропрочных сплавов с монокристаллической структурой. Устройство представляет собой керамическую форму, имеющую рабочие полости 1 лопаток, стартовые 2 и раздельные затравочные полости с затравками 3. Количество стартовых и затравочных полостей составляет от двух до пяти. Стартовая полость каждой лопатки представляет собой коническое продолжение профиля пера лопатки или две сходящиеся треугольные пластины, основания которых соединены с нижними бандажными полками 5 каждой стартовой полости, а вершины пластин соединены в месте расположения затравки. Монокристаллическая затравка с заданной осевой и азимутальной ориентацией выполнена в виде цилиндра с фаской, а затравочную полость с соответствующей фаской, что обеспечивает фиксирование азимутальной ориентации затравки. Рабочая поверхность затравки перпендикулярна главной оси лопатки. Изобретение позволяет устранить образование малоугловых и большеугловых границ зерен и повысить жаропрочность, термостойкость и пластичность материала лопаток. 3 ил., 1 табл.
Наверх