Устройство для получения отливок лопаток турбин

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.

 

Изобретение относится к области литейного производства, в частности к литью лопаток из жаропрочных сплавов с направленной и монокристаллической структурой.

Известно устройство для получения отливок деталей большой протяженности с монокристаллической структурой (патент США 4459160, МПК С22С 19/05, опубл. 10.07.1984 г.). Устройство представляет собой керамическую форму, состоящую из рабочей полости отливки большой протяженности, нескольких стартовых полостей, заканчивающихся затравочными полостями с затравками заданной ориентации, расположенными на одном уровне с донной частью отливки. Недостатком устройства для получения сложных изделий является наличие субзерен в структуре полученных отливок, со значительной разориентацией блоков (>6°), что может привести к существенному снижению свойств изделия (например, к понижению пластичности до 50%).

Известно устройство для получения отливок с направленной и монокристаллической структурой, представляющее собой керамическую форму, состоящую из рабочей и стартовой полостей отливки (патент РФ 2201843 С2, МПК B22D 27/04, опубл. 10.04.2003 г.).

Известен способ получения элемента соплового аппарата из жаропрочных сплавов с монокристаллической структурой, в котором используют устройство, представляющее собой керамическую форму из трех лопаток, имеющую общую стартовую полость для всех трех лопаток с затравочной полостью с монокристаллической затравкой в вершине стартовой полости (патент РФ 2265496 С1, МПК B22D 27/04, опубл. 10.12.2005 г.). Недостатком устройства для получения сектора соплового аппарата является наличие значительного отклонения кристаллографической ориентации (КГО) (>10°) двух крайних сопловых лопаток в блоке от заданной ориентации, что может привести к снижению свойств изделия.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является устройство для получения крупногабаритных лопаток с комбинированной структурой: монокристаллической на кромках отливки и направленной в средней части (патент РФ 2067916 С1, МПК B22D 27/04, опубл. 20.10.1996 г.). Устройство представляет собой керамическую оболочковую форму, со стартовой зоной и рабочей полостью. Стартовая зона лопатки выполнена из трех раздельных полостей, расположенных в двух уровнях, причем в двух крайних из них размещены монокристаллические затравки из тугоплавкого сплава заданной кристаллографической ориентации, а в средней части установлен тугоплавкий вкладыш с равноосной структурой. Недостатком устройства является невозможность получения отливок с полностью монокристаллической структурой заданной КГО.

Технической задачей заявленного изобретения является создание устройства для получения сектора (блока) идентичных отливок сопловых лопаток, содержащих в секторе (блоке) от двух до пяти (для удобства ремонта и замены лопаток соплового колеса) сопловых лопаток с направленной и монокристаллической структурой заданной ориентации и с отклонением КГО не более 10° от вертикальной оси каждой лопатки для получения сектора (блока) лопаток с повышенным уровнем термостойкости, высокой жаропрочностью и пластичностью, т.е. получение отливок с монокристаллической структурой, обладающих оптимальным комплексом свойств и не имеющих большеугловых границ, приводящих к трещинам в лопатках.

Технический результат - повышение жаропрочности, термостойкости и пластичности лопаток при увеличении ресурса их работы за счет устранения образования малоугловых и большеугловых границ зерен.

Для решения задачи и достижения технического результата предлагается устройство для получения сектора отливок сопловых лопаток турбин с монокристаллической структурой, представляющее собой керамическую форму, имеющую рабочие полости лопаток, стартовые зоны и раздельные затравочные полости, в которых размещены затравки, причем количество затравочных полостей с размещенной в каждой из них затравкой составляет от двух до пяти, стартовая зона содержит количество стартовых полостей, соответствующее количеству затравочных полостей, стартовая полость каждой лопатки представляет собой коническое продолжение профиля пера лопатки или две сходящиеся треугольные пластины, основания которых соединены с нижними бандажными полками каждой стартовой полости, совпадая с ними по толщине, а вершины пластин соединены в месте расположения затравки, при этом в каждой затравочной полости содержится монокристаллическая затравка с заданной осевой и азимутальной ориентацией, представляющая собой цилиндр с фаской, причем азимутальная ориентация затравки фиксируется посредством ее установки в затравочную полость с соответствующей фаской, а рабочая поверхность затравки перпендикулярна главной оси лопатки.

Стартовая полость каждой лопатки, представляющая собой коническое продолжение профиля пера лопатки или две сходящиеся треугольные пластины (основания которых соединены с нижними бандажными полками каждой стартовой полости, совпадая с ними по толщине, а сходящиеся вершины пластин соединены с затравкой), обеспечивает передачу кристаллографической ориентации от монокристаллической тугоплавкой затравки с заданной осевой и азимутальной ориентацией в полость лопатки при кристаллизации сплава, причем перпендикулярное расположение рабочей поверхности затравки главной оси каждой лопатки обеспечивает осевое направление прорастания монокристаллической структуры в полости лопатки, а затравка в виде цилиндра с фаской, установленная в затравочную полость с соответствующей фаской, фиксирует азимутальную ориентацию монокристаллической структуры каждой лопатки.

От монокристаллических затравок растут монокристаллы заданной ориентации, что позволяет обеспечить оптимальные свойства лопатки: максимальная жаропрочность и термостойкость, а также высокие усталостные характеристики (табл. 1).

На фиг. 1 представлено устройство для получения отливок лопаток турбин с монокристаллической структурой с тремя стартовыми полостями в виде конического продолжения профиля пера лопатки.

На фиг. 2 представлена форма затравки при виде снизу.

На фиг. 3 представлен элемент устройства для получения отливок лопаток турбин с монокристаллической структурой с тремя стартовыми полостями в виде двух сходящихся треугольных пластин каждая.

На фиг. 1 представлен пример сектора (блока) отливок сопловых лопаток, содержащих в секторе (блоке) три сопловые лопатки (1) с тремя стартовыми полостями в виде конического продолжения профиля пера лопатки (2) и затравками (3), индивидуальными для каждой лопатки с учетом КГО. Для предотвращения образования паразитных зерен в выступающих углах бандажной полки (5) отливки установлены кристалловоды (4) в виде пластин или прутков.

На фиг. 3 представлен элемент сектора (блока) отливок сопловых лопаток, содержащих в секторе (блоке) три сопловые лопатки (1) с тремя стартовыми полостями в виде двух сходящихся треугольных пластин (6) и затравками (3), индивидуальными для каждой лопатки с учетом КГО.

Для предотвращения образования большеугловых границ зерен при формировании общего фронта кристаллизации в районе полок необходимо использовать затравки не только с заданной осевой, но и с заданной азимутальной кристаллографической ориентацией. Для этого используют затравку в форме цилиндра с фаской (фиг. 2), установленную в затравочную полость таким образом, что рабочая (торцевая) плоскость затравки перпендикулярна главной оси лопатки (что обеспечивает осевую ориентацию отливки), а соответствующая форме затравки затравочная полость в виде цилиндра с фаской фиксирует азимутальную ориентацию затравки. Форма цилиндра с фаской затравки обусловлена необходимостью соблюдения одинаковой азимутальной направленности для всех лопаток (от двух до пяти). В то же время, на стыке развитых полок лопаток в секторе, образование малоугловых границ зерен возможно с минимальной допустимой разориентаций (<6°) между лопатками, что не оказывает существенного влияния на механические свойства материала изделия, в том числе на трещинообразование в отливках.

В заявленном устройстве тугоплавкая затравка из сплава Ni-W в виде цилиндра, имеющая температуру плавления 1500°-1510°С, с соотношением высоты к его диаметру как 1:1,5÷2 (диск), обеспечивает надежную передачу КГО от затравки к лопатке при литье жаропрочных сплавов с повышенными температурами плавления. Такие дважды ориентированные затравки обеспечивают получение идентичных отливок лопаток с монокристаллической структурой в осевом и в азимутальном направлениях, что предотвращает образование большеугловых границ, приводящих к трещинам в лопатках.

Таким образом, устранение образования малоугловых и большеугловых границ зерен за счет применения заявленного устройства позволяет повысить жаропрочность, термостойкость и пластичность материала лопаток при сохранении их ресурса на уровне прототипа.

Осуществление работы устройства.

Сопловой блок из трех лопаток изготавливали из модельной массы на основе мочевины. Стартовые полости сформированы в виде продолжения профиля пера каждой из лопаток. После нанесения всех слоев огнеупорного покрытия на модельный блок, сушки и прокалки его при высокой температуре, в затравочные полости устанавливали затравки с заданной осевой и азимутальной ориентацией и заделывали их клеящей суспензией на основе электрокорунда. Для точной фиксации азимутальной ориентации на затравках в форме цилиндра имелись соответствующие вертикальные фаски на их боковой поверхности, как и в соответствующей форме затравки затравочной полости (фиг. 2). Это позволяет избежать образования большеугловых границ на бандажных полках при образовании общего фронта кристаллизации, развивающегося от каждой затравки в процессе кристаллизации. Осевая ориентация каждой лопатки соответствует при этом ориентации каждой затравки, в заявленном устройстве - [001], что обеспечивает максимальную термостойкость всего сектора сопловых охлаждаемых лопаток.

В процессе направленной кристаллизации в установке типа УВНК керамическая форма блока сопловых лопаток после заливки расплава жаропрочного сплава типа ЖС перемещается из зоны нагрева в зону охлаждения и начинается процесс кристаллизации сплава от затравки. При этом фронт кристаллизации от затравок перемещается по стартовым полостям в полости лопаток и осуществляется передача кристаллографической ориентации к каждой лопатке, образуя общий фронт кристаллизации.

Сектор (блок) из трех сопловых лопаток из сплава типа ЖС, полученный с применением предлагаемого устройства, имел монокристаллическую структуру с заданной осевой и азимутальной ориентацией в каждой лопатке без большеугловых границ и других литейных дефектов.

В табл. 1 даны сравнительные свойства лопаток, полученных в предлагаемом устройстве и в устройстве прототипа.

Устройство для получения сектора отливок сопловых лопаток турбин с монокристаллической структурой, представляющее собой керамическую форму, имеющую рабочие полости, стартовые полости и соответствующие им раздельные затравочные полости, в каждой из которых размещена затравка, отличающееся тем, что 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, причем каждая затравка имеет заданную осевую и азимутальную ориентацию, выполнена в виде цилиндра с фаской и установлена в затравочную полость с соответствующей фаской, обеспечивающей фиксирование азимутальной ориентации затравки, при этом рабочая поверхность затравки перпендикулярна главной оси лопатки.



 

Похожие патенты:

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.

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.
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.

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).

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.

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.

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.
Изобретение относится к литейному производству, в частности к получению отливок из жаропрочных сплавов для изготовления рабочих и сопловых лопаток газовых турбин.

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 литейному производству и может быть использовано для литья отливок с монокристаллической и направленной структурой из жаропрочных никелевых сплавов. Устройство содержит шлюзовую камеру, вакуумную камеру, печь нагрева керамических оболочек, расположенную в вакуумной камере и содержащую теплоизолирующие стенки 23, верхний нагреватель, нижний нагреватель 27, нижний экран, разделяющий зону охлаждения и зону нагрева, верхний экран 22 и подвесную систему для перемещения керамических оболочек. Керамическая оболочка содержит расположенные в один ряд формы 1 отливаемых деталей со стартовыми и прибыльными частями, которые образуют канал, на котором размещен патрубок для заливки расплава. На торцах канала расположены скобы 4, обхватывающие подвески 10. Под печью размещен холодильник 29. Оболочки устанавливают на перекладины 9 с подвесками 10. Расплав через воронку 21 и коллектор 15 заливают в формы оболочек и перемещают оболочки в зону охлаждения через окна нижнего экрана и между зигзагами змеевика нижнего нагревателя. Обеспечивается увеличение количества деталей, отливаемых за один технологический цикл, повышение точности геометрии отливок и качества их поверхности. Достигается увеличение коэффициента использования литейного сплава. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при литье монокристаллических изделий, например рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей с заданной кристаллографической ориентацией. Способ включает получение литьем заготовок затравок, имеющих цилиндрическую форму. В процессе литья на образующей заготовки вдоль оси цилиндра выполняют метки в виде одного или двух диаметрально расположенных выступов или пазов. Проводят кристаллографический анализ отлитых заготовок, отбирают заготовки, у которых положение меток совпадает с азимутальным кристаллографическим направлением структуры заготовки, и осуществляют резку отобранных заготовок на затравки. Обеспечивается повышение точности ориентирования затравок отливок, снижение трудоемкости изготовления затравок. 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области литейного производства. Способ включает заливку расплавленного сплава в полость литейной формы через литейный канал. Литейный канал имеет прилегающую к полости переходную зону, в которой после литья образуется металлическая перемычка (261, 262, 263), прилегающая к металлической детали. Сечение перемычки увеличено в направлении основной оси (Х) секции полости формы, причем перемычка тоньше литейного канала. После затвердевания отливку подвергают термообработке и удаляют литейную форму. Обеспечивается ограничение рекристаллизации деталей. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для получения из жаропрочного сплава отливок лопаток газовых турбин. Устройство содержит размещенную в вакуумном кожухе (2) технологическую камеру (16), которая поделена по горизонтали на зону нагрева и зону охлаждения теплоизоляционным экраном (9), установленным на стопорном кольце (14). Кольцо (14) вмонтировано в цилиндрическую стенку (15) на расстоянии от основания стенки, составляющем 0,25, предпочтительно 0,30-0,55, ее высоты. Кожух (16) в зоне охлаждения состоит из двух частей, между которыми находится кольцевой газосборник (17), оснащенный двунаправленными эжекторами (18) газа, находящимися на расстоянии, по меньшей мере, 40 мм, предпочтительно 45-75 мм, от нижней поверхности теплоизоляционного экрана (9). Оболочковую форму 1 с расплавом перемещают из зоны нагрева в зону охлаждения, в которой отливку охлаждают сверхзвуковым потоком инертного газа, подаваемым в область кристаллизации отливки с расходом 0,5-2 г/сек на сопло. Обеспечиваются оптимальные условия для формирования направленной и монокристаллической структуры металла и устранения дефектов отливки в областях изменения толщины отливки. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для производства монокристаллических рабочих лопаток газовых турбин с повышенными характеристиками по ресурсу и рабочей температуре. При изготовлении монокристаллических рабочих лопаток газовых турбин отливают монокристаллическую заготовку лопатки заданной кристаллографической ориентации, удаляют с поверхности отливки пригар и остатки керамики пескоструйной обработкой с последующим контролем размеров лопатки для определения величины подлежащего удалению абразивной обработкой припуска. После удаления припуска осуществляют травление обработанной абразивом поверхности лопатки для удаления дефектного поверхностного слоя с искаженной кристаллической структурой. Затем проводят высокотемпературный отжиг лопатки. Изобретение позволяет повысить качество лопаток за счет стабилизации монокристаллической структуры рабочих лопаток турбин в процессе их производства. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к получению литьем постоянных магнитов толщиной не более 40 мм из сплава на основе неодим-железо-бор (Nd-Fe-B) или празеодим-железо-бор (Pr-Fe-B). Способ включает заливку сплава в литейную форму и его объемную кристаллизацию при скорости охлаждения не менее 200 град/мин. За счет объемной кристаллизации получают слиток с ультрамелкозернистой структурой с размерами зерна менее 1 мкм без использования дополнительных технологических переделов. 2 ил.

Изобретение относится к литейному производству. Нагретый до температуры выше температуры ликвидуса жаропрочный сплав через стояк 2 и коллектор 3 литниковой системы заливают в тонкостенную керамическую форму 1 с затравкой, расположенной в верхней части формы. Форму заполняют снизу вверх до контакта с затравкой 4 и по мере заполнения погружают ее через слой теплоизолирующего экрана в подогреваемую разгрузочную емкость 9 с расплавленным металлом 10, близким по плотности к сплаву отливки. Форму погружают в разгрузочную емкость на глубину, обеспечивающую одинаковый уровень сплава отливки в форме и расплавленного металла в емкости. Извлекают форму из разгрузочной емкости и охлаждают форму над поверхностью экрана потоком инертного газа, емкость заполняют расплавленным металлом. В процессе извлечения блок-формы из разгрузочной емкости стояк литниковой питательной системы подогревают. Обеспечивается повышение качества отливок за счет предотвращения растрескивания керамических форм и загрязнения сплава отливки. 5 ил.
Изобретение относится к области технологии литейного производства и может найти применение для изготовления отливок крупногабаритных рабочих и сопловых турбинных лопаток из жаропрочных и коррозионностойких сплавов. Способ включает изготовление литейной формы, нанесение на поверхность литейной формы частиц алюмината кобальта, нагрев литейной формы, заливку в литейную форму расплава сплава и кристаллизацию сплава с формированием пера, коробки замковой полки, хвостовика лопатки и прибыли. Для формирования пера и коробки замковой полки лопатки в литейную форму сначала заливают расплав с температурой на 50-80°С выше температуры ликвидус сплава, а затем для формирования хвостовика лопатки и прибыли заливают расплав с температурой, равной температуре ликвидус сплава или выше ее на 1-15°С. Обеспечивается получение плотной мелкозернистой структуры металла как в тонкостенном пере, так и массивном хвостовике лопатки. 4 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к литейному производству, в частности к получению кремниевых профильных отливок для мишеней магнетронного распыления. Шихту полупроводникового поликристаллического кремния расплавляют в графитовом тигле, который перемещают вертикально в полости нагревателя. В донном отверстии тигля формируется пробка из застывшего кремния. После расплавления пробки происходит слив расплава через донное отверстие в литниковое отверстие графитовой формы и его кристаллизация. Обеспечивается получение изделий из кремния высокой чистоты. 3 ил., 1 табл., 1 пр.

Изобретение относится к литейному производству, в частности к получению методом направленной кристаллизации литых постоянных магнитов из магнитотвердых материалов типа Al-Ni-Co-Ti-Fe со столбчатой структурой. Комбинированная литейная форма состоит из керамической формы, обернутой огнеупорным теплоизоляционным материалом в виде ткани толщиной 15-20 мм на основе керамического волокна, имеющего следующий состав, мас %: диоксид кремния 52-56, оксид алюминия 28-30, диоксид циркония 14-18. Керамическая форма и теплоизоляционный материал закреплены снаружи металлическими полосами из никелевой проволоки. Обеспечивается повышение основных магнитных характеристик изделий за счет улучшения качества столбчатой структуры. 1 ил., 1 табл.

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