Устройство для получения отливки монокристаллической турбинной лопатки

 

Изобретение может быть использовано при получении лопаток современных турбин ГТД и ГТУ из никелевых жаропрочных сплавов. Устройство содержит керамическую форму, в основании которой выполнена затравочная полость с монокристаллической затравкой заданной кристаллографической ориентации. Последовательно с затравочной полостью расположены стартовая полость и рабочая полость, формирующая лопатку, состоящую из пера, замковой полки, замковой части и прибыльной части. Стартовая полость соединена с замковой полкой дополнительными литниковыми ходами вдоль входной и выходной кромок пера лопатки. Монокристаллическая структура от затравки прорастает в стартовую полость, затем в перо лопатки и в боковые литниковые ходы. Через литниковые ходы структура прорастает к кромкам замковой полки, препятствуя образованию в этих местах посторонних кристаллов. Дополнительно литниковые ходы могут соединять замковую полку с прибыльной частью. Обеспечивается получение качественных монокристаллических лопаток. 1 з.п. ф-лы, 1 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 монокристальной структуры в этой зоне, то есть нет приспособлений для получения монокристаллической лопатки в целом.

Известно устройство для получения монокристаллических изделий - турбинных лопаток заданной ориентации, в котором для повышения надежности передачи структуры от затравки последнюю используют в комбинации с кристаллоотборником - спиральным литниковым ходом (ЕР №0087379). Однако и в этом устройстве не предусмотрены вспомогательные приспособления типа литниковых ходов, позволяющих сформировать полностью монокристаллическую лопатку, то есть такую, в которой монокристальным является не только перо, но и замок с полкой.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для получения отливки с монокристаллической структурой, преимущественно турбинной лопатки, состоящей из пера, замковой полки, замковой и прибыльной частей, которое содержит керамическую форму, в основании которой выполнены последовательно затравочная полость с размещенной в ней монокристаллической затравкой заданной ориентации, коническая стартовая полость, соединенная кристаллотборником с полостью формы, образующей отливку лопатки, и прибыльная часть, питающая отливку в процессе направленной кристаллизации. Часть затравки размещена внутри стартовой полости (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 по краям полки, преимущественно со стороны входной и выходной кромок пера, что приводит к браку отливок и уменьшению выхода годного литья.

Технической задачей данного изобретения является создание устройства для получения монокристаллических турбинных лопаток с повышенным выходом годных по структуре.

Для выполнения поставленной задачи предлагается устройство для получения отливки 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 и коническая стартовая полость, соединенная с полостью формы, образующей отливку лопатки, отличающееся тем, что керамическая форма снабжена дополнительными литниковыми ходами, соединяющими коническую стартовую полость с замковой полкой вдоль входной и выходной кромок пера лопатки, при этом расстояние между входной и выходной кромками торца пера лопатки меньше ширины прилегающего к нему торца конической стартовой полости.

Края замковой полки соединены с прибыльной частью отливки литниковыми ходами.

На чертеже показан общий вид устройства для получения монокристаллических отливок в виде модели, где: 1 - затравочная полость с затравкой, 2 - коническая стартовая полость, 3 - перо лопатки, 4 - литниковые ходы, 5 - замковая полка, 6 - замковая часть лопатки, 7 - прибыльная часть, 8 - расстояние между входной и выходной кромками торца пера лопатки, 9 - ширина торца конической стартовой полости.

Монокристаллическая структура, зародившаяся от затравки, прорастает в коническую стартовую полость 2, а затем в перо лопатки 3 и в боковые литниковые ходы 4, через которые структура прорастает к кромкам замковой полки 5, препятствуя образованию в этих местах посторонних кристаллов. Поскольку зона кромок замковой полки склонна еще к образованию дефекта типа микрорыхлоты, связанной с затрудненным питанием отливки в данной области, то в эти места также устанавливаются литниковые ходы, соединенные в верхней части с прибыльной частью 7, расположенной над замковой частью лопатки 6. Выполнение ширины 9 торца конической стартовой полости 2 на 10-40 мм шире расстояния 8 между входной и выходной кромками торца пера лопатки 3 позволяет сформировать в этой части модели площадки, к которым удобно припаивать модели литниковых ходов 4. Кроме того, в этой области формируется зазор, обеспечивающий надежное прокрашивание модели суспензией при изготовлении формы. Расположение литниковых ходов вдоль кромок пера лопатки 3 предотвращает образование посторонних кристаллов в этой области из-за уменьшения радиальных составляющих ростового градиента температуры.

Пример выполнения

Изобретение проверялось при отливке монокристаллических турбинных лопаток с ориентацией [001] на установке высокоградиентной направленной кристаллизации УВНК-8П. Модели стартовых полостей и литниковых ходов изготавливались по отдельным пресс-формам. Сборка модели формы проводилась вручную.

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 монокристальных 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 монокристальную структуру [001], точность 5-7°.

Опробование данного устройства на промышленных установках направленной кристаллизации показало, что оно позволяет получать лопатки турбин с полностью монокристаллической структурой, значительно упрощает технологический процесс монокристаллического литья и обеспечивает повышение выхода годных отливок по структуре до ~85%.

Параллельно для контроля были проведены плавки тех же лопаток по способу прототипа. Как показали результаты исследования макроструктуры, практически на всех лопатках в зоне полок возникли посторонние кристаллы, что для безуглеродистого сплава ЖС36, является однозначным браковочным признаком. Выход годного составил около 50%.

Таким образом, применение предлагаемого устройства позволяет получать качественные монокристаллические лопатки, что повышает надежность и ресурс работы современных газотурбинных двигателей и газотурбинных установок.

Формула изобретения

1. Устройство для получения отливки монокристаллической турбинной лопатки заданной кристаллографической ориентации, состоящей из пера, замковой полки, замковой части и прибыльной части, содержащее керамическую форму, в основании которой выполнены последовательно затравочная полость с размещенной в ней монокристаллической затравкой заданной кристаллографической ориентации и коническая стартовая полость, соединенная с полостью формы, образующей отливку лопатки, отличающееся тем, что керамическая форма снабжена дополнительными литниковыми ходами, соединяющими стартовую полость с замковой полкой вдоль входной и выходной кромок пера лопатки, при этом расстояние между входной и выходной кромками торца пера лопатки меньше прилегающего к нему торца конической стартовой полости.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что замковая полка соединена с прибыльной частью отливки литниковыми ходами.

РИСУНКИ