СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СОСТАВНОГО КЕРАМИЧЕСКОГО СТЕРЖНЯ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОЛЫХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 1999 года по МПК B22C9/04 

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для литья полых изделий с проникающим охлаждением, в частности газотурбинных лопаток.

Известен способ изготовления керамических стержней для отливки двустенных полых изделий с проникающим охлаждением [1]. Этот способ включает изготовление основного керамического стержня и дополнительного стержня в виде тонкой кварцевой пластины, соединенных вместе при помощи кварцевых шпилек.

Применение такого стержня позволяет отлить полое изделие, в стенках которого тонкая керамическая пластина формирует узкую щель, повторяющую профиль изделия, а шпильки оформляют дозирующие отверстия для входа и выхода охлаждающего воздуха. Описанный способ имеет ряд существенных технологических недостатков. Во-первых, тонкие кварцевые пластины мало пригодны для отливки монокристальных изделий из-за низкой прочности кварца при высоких температурах заливки расплавом никелевых жаропрочных сплавов. Во-вторых, формование плоских кварцевых пластин по профилю изделия осуществляется методом крипа в фасонных пресс-формах, что является трудно регулируемым процессом при высоких температурах. В-третьих, фиксация и соединение кварцевой пластины с основным стержнем при помощи кварцевых шпилек, устанавливаемых в многочисленных отверстиях и гнездах, просверленных или изготовленных лазерным методом, является чрезвычайно трудоемкой и дорогостоящей операцией.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения составного керамического стержня, состоящего из основного и тонкостенного дополнительного стержня [2]. Основной керамический стержень изготавливают путем прессования керамической массы, состоящей из смеси порошков корунда заданного гранулометрического состава и пластификатора, с последующим высокотемпературным обжигом.

Дополнительный стержень формируют методом прессования из той же керамической массы в виде плоской заготовки с поверхностным рельефом, затем ее изгибают по профилю основного стержня и подвергают высокотемпературному обжигу. Полученный таким образом дополнительный стержень устанавливают на основной стержень и соединяют их вместе. При практической реализации указанного способа возникли значительные трудности.

Во-первых, прессование тонких дополнительных стержней предполагает использование больших давлений, что существенно увеличивает износ пресс-формы. Наряду с этим прессованием практически невозможно получить тонкие длинномерные дополнительные стержни, что ограничивает номенклатуру изготавливаемых составных керамических стержней. Во-вторых, при съеме тонкого дополнительного стержня криволинейной формы с основного стержня и последующем обжиге происходит коробление дополнительного стержня, в результате чего увеличивается вероятность появления брака по геометрии.

Технической задачей данного изобретения является разработка надежного и экономичного способа получения составного керамического стержня, обеспечивающего повышение выхода годного и уменьшение брака по геометрии. Для достижения поставленной задачи был предложен способ получения составного керамического стержня, включающий изготовление основного стержня путем прессования керамической массы и высокотемпературного обжига, изготовление дополнительного стержня путем формования керамической массы в плоскую заготовку с поверхностным рельефом, профилирования заготовки по контуру основного стержня, установки дополнительного стержня на основной и их соединения, причем дополнительный стержень формуют методом прокатки или штамповки керамической массы, а высокотемпературный обжиг дополнительного стержня проводят после его соединения с основным стержнем. Кроме того, формование дополнительного стержня в предлагаемом изобретении осуществляется в две стадии: сначала прокатывают плоскую заготовку из керамической массы, а затем штамповкой или прокаткой наносят поверхностный рельеф.

Существенными отличительными признаками предлагаемого изобретения являются изменение способа формования дополнительного стержня и перемена последовательности проведения операции высокотемпературного обжига. Предлагаемый способ формования дополнительного стержня заключается в прокатке или штамповке керамической массы, а высокотемпературный обжиг проводят после установки дополнительного стержня на поверхность основного стержня и их соединения, тогда как в прототипе дополнительный стержень формуют прессованием, а обжиг предшествует установке на основной стержень.

Изготовленная таким образом заготовка в необожженном состоянии обладает достаточно хорошей гибкостью. Минимальный радиус кривизны изгиба без появления трещин и надрывов определяется толщиной заготовки, плотностью нанесения элементов рельефа. Гибкость заготовки позволяет профилировать ее по сложному контуру основного стержня с обеспечением плотного контакта и соединения элементов рельефа с криволинейной поверхностью основного стержня. Эта операция осуществляется в обжимном штампе по всей поверхности основного стержня, либо в определенных местах. Во избежание повреждения выступающих элементов рельефа при изгибе заготовки в обжимном штампе предварительно изготавливают промежуточную модель на основном стержне. Этим достигается постоянство зазора /0,5-0,8 мм/ между основным и дополнительным стержнем, что гарантирует получение необходимой геометрии составного стержня с заданной точностью.

В процессе совместного высокотемпературного обжига основного стержня и соединенной с ним заготовки происходит выгорание связующего, спекание порошков частиц и превращение заготовки в керамический дополнительный стержень. При обжиге происходит также спекание дополнительного стержня с основным стержнем в местах контакта элементов рельефа с поверхностью последнего. Прочное соединение возможно только в том случае, если коэффициенты термического линейного расширения и усадка обоих элементов составного стержня близки. Обжиг следует проводить в керамическом драйере для обеспечения стабильности размеров и формы составного стержня.

На фиг. 1 показан общий вид заготовки из керамической массы с поверхностным рельефом в виде двусторонних штырьков 1 и отверстий 2.

На фиг. 2 показана конструкция обжимного штампа для профилирования рельефной заготовки по контуру основного стержня, где 3 - основной керамический стержень; 4 - заготовка с поверхностным рельефом; 5 - промежуточная модель; 6 - места склейки.

На фиг. 3 показан составной керамический стержень для отливки трубки, где 1 - штырьки; 2 - отверстия; 3 - основной керамический стержень; 4 - заготовка с поверхностным рельефом; 6 - места склейки.

На фиг. 4 показан составной керамический стержень для отливки лопатки ГТД с проникающим охлаждением, где 1 - штырьки; 2 - отверстия; 3 - основной керамический стержень; 4 - заготовка с поверхностным рельефом.

Примеры получения составных керамических стержней.

Пример 1. Составной керамический стержень для отливки двустенной трубки из никелевого жаропрочного сплава с равноосной структурой. Основной стержень 3 изготавливали по общепринятой технологии, включающей приготовление керамической массы из смеси огнеупорных порошков Al₂O₃ заданного гранулометрического состава, термопластификацию указанной смеси сплавом парафина с полиэтиленом при температуре 150-160^oC, прессование полученной керамической массы в расплавленном состоянии в металлической форме при давлении 30 кгс/см² и обжиг в засыпке глинозема при температуре 1350-1400^oC. Дополнительный стержень изготавливали по двустадийной технологии:
прокаткой получали гладкую ленту из смеси порошков Al₂O₃ гранулометрического состава и полимерного связующего;
наносили двусторонний рельеф и прошивали отверстия в ленте методом штамповки. В данном случае элементы рельефа имели вид штырьков 1 высотой 0,9 мм и диаметром 0,8 мм, толщина ленты 0,7 мм, а диаметр отверстий 2 равнялся 0,9 мм. Далее изготавливали промежуточную восковую модель 5 на основном стержне, а затем необожженную заготовку 4 огибали вокруг промежуточной модели с использованием обжимного штампа, предварительно покрыв торцы 6 штырьков соприкасающиеся с поверхностью основного стержня, клеящей суспензией. После отверждения суспензии составной стержень вынимали из штампа, удаляли модельную массу по стандартной технологии и проводили обжиг при 1300^oC в вертикальном положении. Готовый составной стержень показан на фиг. 3
Пример 2. Составной керамический стержень для отливки из никелевого жаропрочного сплава пустотелой лопатки с монокристаллической структурой и проникающим охлаждением.

Основной керамический стержень 3 изготавливали таким же способом, как и в примере 1.

Дополнительный стержень изготавливали по двустадийной технологии:
-прокаткой получали гладкую ленту из смеси порошков Al₂O₃ заданного гранулометрического состава и полимерного связующего.

-наносили двусторонний рельеф 1 и прошивали отверстия 2 в ленте методом прокатки в фигурных валках. Рельеф был такой же формы, как и в примере 1. Далее раскраивали ленту на отдельные заготовки, соответствующие форме и размерам дополнительного стержня и изготавливали промежуточную восковую модель 5. Профилировали необожженную заготовку 4 по контуру входной кромки основного стержня с использованием обжимного штампа, предварительно покрыв торцы штырьков, прилегающие к основному стержню, суспензией. После отверждения суспензии стержень вынимали из штампа, удаляли восковую модель и обжигали составной стержень на керамическом драйере при температуре 1300-1350^oC. Общий вид составного стержня, полученного таким образом, показан на фиг. 4. Выход годного составил 75-85%, тогда как в прототипе не более 30%.

Таким образом, предложенный способ позволяет изготавливать составные керамические стержни для литья полых изделий с проникающим охлаждением с высоким выходом годной продукции и низким процентом брака по геометрии. Учитывая высокую стоимость монокристальных лопаток с эффективным проникающим охлаждением для авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и стационарных газотурбинных установок (ГТУ) предложенный способ обеспечивает создание экономичной технологии производства таких лопаток.

Источники информации
1. Патент США N 5295530, B 22 C 9/00, B 22 D 39/06 22.03. 1994 г. Single-cast high temperature thin wall stratures and method of making the same. K.F.O Conner, G.P. Hoff, D.G. Frasier.

2. Заявка N 95121467/02 от 28.12.95 r. Составной керамический стержень. Герасимов В.В., Каблов Е.Н., Светлов И.Л.

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для литья полых изделий, в частности газотурбинных лопаток. Изготавливают основной стержень путем прессования керамической массы и осуществляют высокотемпературный обжиг его. Путем штамповки или прокатки изготавливают дополнительный стержень в форме плоской заготовки с поверхностным рельефом. Затем производят профилирование этой заготовки по контуру основного стержня. Соединяют стержни и производят высокотемпературный обжиг. Обеспечивается уменьшение брака по геометрической точности стержня, повышение выхода годного. 4 ил.

Способ изготовления составного керамического стержня для литья полых изделий, включающий изготовление основного стержня путем прессования керамической массы, высокотемпературный обжиг его, изготовление дополнительного стержня путем формования из керамической массы плоской заготовки с поверхностным рельефом и профилирования заготовки по контуру основного стержня, высокотемпературный обжиг его, установку дополнительного стержня на основой и соединение их, отличающийся тем, что формование плоской заготовки осуществляют прокаткой, поверхностный рельеф на заготовку наносят прокаткой или штамповкой, а высокотемпературный обжиг дополнительного стержня проводят после его соединения с основным стержнем.