СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕМЕНТА СОПЛОВОГО АППАРАТА ТУРБИНЫ И СОПЛОВОГО АППАРАТА ТУРБИНЫ Российский патент 2005 года по МПК B22D27/04 

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при получении отливок с направленной и монокристаллической структурой из никелевых жаропрочных сплавов, в частности сопловых аппаратов турбин авиационных двигателей и двигателей наземных установок.

Известны способы получения колес соплового аппарата, в которых лопатки соплового аппарата изготовляют отдельно штамповкой или литьем, а затем механически соединяют в колесо ("Суперсплавы II" под ред. Шалина Р.Е., т.2, "Металлургия", 1982), ("Авиационные газотурбинные двигатели" Г.С.Скубачевский, "Машиностроение", 1969).

В колесах, изготовленных такими способами, возможна замена поврежденных лопаток во время ремонта, но эти способы отличаются высокой трудоемкостью.

Существуют способы получения колес сопловых аппаратов методом порошковой металлургии (патенты США №4329175, 4323394). Однако гранульная технология обеспечивает меньший ресурс и надежность при повышенных температурах.

Известны способы получения отливок с большим поперечным размером, в частности колес различного назначения, с направленной и монокристаллической структурой (патенты США №3598169, 3625275).

Такие способы литья характеризуются сложностью изготовления и низким выходом годного по структуре.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому, принятым за прототип, является способ производства колес сопловых аппаратов методом контролируемого радиального затвердевания, обеспечивающего получение направленной или монокристаллической структуры в лопатках за счет применения прилегающих к лопаткам по внешнему контуру колеса холодильников и управляемых нагревательных элементов, расположенных выше и ниже формы (патент США №4813470).

Согласно прототипу сначала получают модель элемента соплового аппарата турбины, состоящего из лопаточной и стартовой частей, изготовляют керамическую форму, удаляют модель, размещают керамическую форму в вакуумной литейной установке для направленной кристаллизации, нагревают форму до температуры выше температуры ликвидус литейного жаропрочного сплава на никелевой основе и заливают форму расплавом. Совместным действием холодильника, экранов и управляемых нагревателей создается радиально направленный от периферии отливки к центру температурный градиент, в результате которого осуществляется направленная кристаллизация лопаток с получением в них столбчатой или монокристаллической структуры.

Недостатками прототипа являются низкий выход годного по структуре, невозможность замены одной или нескольких изношенных лопаток в цельнолитой конструкции.

Технической задачей настоящего изобретения является получение элементов соплового аппарата и соплового аппарата турбины, обладающих повышенными эксплуатационными свойствами, а также повышение выхода годного по структуре и возможность замены лопаток в сопловом аппарате в процессе ремонта.

Для реализации технической задачи предлагается способ получения элемента соплового аппарата турбины, включающий изготовление модели элемента соплового аппарата турбины, состоящего из стартовой и лопаточной частей, получение керамической формы, удаление модели, размещение керамической формы в литейной установке для направленной кристаллизации, нагрев керамической формы до температуры, превышающей температуру ликвидус литейного жаропрочного сплава на никелевой основе, заливку литейного жаропрочного сплава на никелевой основе в керамическую форму и проведение направленной кристаллизации, отличающийся тем, что стартовую часть модели элемента соплового аппарата выполняют в виде двух пластин, имеющих форму секторов круга, центральные углы которых соединены между собой в одной точке, а дуги секторов соединены с лопаточной частью элемента соплового аппарата, после проведения направленной кристаллизации стартовую часть элемента соплового аппарата удаляют.

При этом центральный угол сектора круга составляет 30-60 градусов. Центральный угол сектора стартовой части элемента соплового аппарата определяет количество лопаток в элементе соплового аппарата и выход годного по структуре. Центральный угол сектора менее 30 градусов увеличивает количество элементов и соединений, из которых будет состоять сопловой аппарат, что нежелательно. Угол сектора более 60 градусов нецелесообразен из-за отклонения основной оси крайних лопаток в элементе от направления кристаллизации и технологической трудности получения элементов с лопатками полностью с монокристаллической структурой.

Для получения монокристаллической структуры элемента соплового аппарата турбины в керамической форме размещают монокристаллическую затравку.

Для получения колеса соплового аппарата турбины элементы соплового аппарата после изготовления соединяют между собой механическим путем или сваркой.

На чертеже представлен элемент соплового аппарата турбины(а) и колесо соплового аппарата турбины (6), где 1 - лопаточная часть элемента соплового аппарата с 3-мя охлаждаемыми монокристаллическими лопатками, полученными за одну литейную операцию, 2 - стартовая часть элемента соплового аппарата, 3 - монокристаллическая затравка.

Пример 1

Изготовляли модель лопаточной части элемента соплового колеса из 3-х сопловых лопаток с керамическими стержнями, формирующими впоследствии охлаждаемую полость лопаток. С целью получения лопаток в элементе соплового аппарата с монокристаллической структурой изготовляли стартовую часть из двух пластин в форме секторов круга с центральным углом 60 градусов, которые объединяли в одну точку, где затем была установлена модель затравки. Дуги секторов круга соединяли с лопаточной частью и получали модель элемента соплового аппарата, состоящую из лопаток и стартовой части с затравкой. На модель наносили огнеупорное керамическое покрытие, удаляли модельную массу и получали керамическую форму, в стартовую часть которой после прокалки устанавливали монокристаллическую затравку ориентации [001] в осевом и [010] в азимутальном направлении.

Форму с помощью специальной подвески размещали внутри печи подогрева форм вакуумной установки УВНК и осуществляли нагрев формы до температуры на 100-150°С выше температуры плавления заливаемого в форму расплава. После достижения температуры формы 1500+20°С в индукционной печи расплавляли литейный никелевый сплав ВКНА-1В, заливали его в форму и проводили направленную кристаллизацию расплава снизу вверх. При этом кристаллографическая ориентация затравки передавалась через стартовое устройство всей отливке. После окончания кристаллизации полученную отливку освобождали от керамической оболочки и керамического стержня из внутренних полостей отливки. Получали элемент соплового аппарата турбины со стартовой частью. Затем удаляли центральную стартовую часть отливки, соединяли между собой лопаточные части элементов соплового аппарата и получали колесо соплового аппарата турбины.

Выход годного по структуре при отливке секторов лопаток из сплава ВКНА-1В с монокристаллической структурой - около 70%.

Пример 2

Изготовляли модель элемента соплового аппарата турбины из 3-х лопаток с керамическими стержнями и керамическую форму, как описано в примере 1. Вершину стартовой части формы заделывали керамической суспензией без установки затравки, помещали форму в печи подогрева форм литейной установки и проводили плавку, заливку и кристаллизацию сплава ВКНА-1В, как описано в примере 1. Получена отливка полностью с направленной структурой. Выход годного по структуре ≥80%.

Пример 3

Было получено колесо соплового аппарата турбины по способу, принятому за прототип. Из-за отсутствия стартовой части в способе по прототипу получить колесо соплового аппарата турбины с монокристаллической структурой не представляется возможным. Полученное колесо соплового аппарата состояло из лопаток, имеющих только столбчатую структуру. Выход годного по структуре составлял 60%.

Предложенный способ получения элементов соплового аппарата турбины позволяет получать сопловые аппараты разъемной конструкции с достаточной механической прочностью, в которых лопатки имеют монокристаллическую структуру заданной кристаллографической ориентации, а также обеспечивает возможность во время ремонта производить замену части соплового аппарата турбины с изношенными лопатками.

Изобретение может быть использовано при получении отливок с направленной и монокристаллической структурой из никелевых жаропрочных сплавов. Изготавливают модель элемента соплового аппарата, состоящую из стартовой и лопаточной частей. Стартовую часть модели изготавливают в виде двух пластин в виде секторов круга. Центры секторов соединяют в одной точке, а дуги соединяют с лопаточной частью элемента. По модели изготавливают керамическую форму, нагревают ее, заливают расплав и осуществляют направленную кристаллизацию сплава. Полученную отливку освобождают от керамической оболочки и стержня. Затем удаляют стартовую часть. Лопаточные части соединяют между собой для получения колеса соплового аппарата турбины. Способ позволяет получать сопловые аппараты разъемной конструкции, в которых лопатки имеют монокристаллическую структуру заданной кристаллографической ориентации. Обеспечивается возможность замены части соплового аппарата при ремонте. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения элемента соплового аппарата турбины, включающий изготовление модели элемента соплового аппарата, состоящего из стартовой и лопаточной частей, получение керамической формы, удаление модели, размещение керамической формы в литейной установке для направленной кристаллизации, нагрев керамической формы до температуры, превышающей температуру ликвидус литейного жаропрочного сплава на никелевой основе, заливку литейного жаропрочного сплава на никелевой основе в керамическую форму и проведение направленной кристаллизации, отличающийся тем, что стартовую часть модели элемента соплового аппарата выполняют в виде двух пластин, имеющих форму секторов круга, центры которых соединены между собой в одной точке, а дуги секторов соединены с лопаточной частью элемента соплового аппарата, после проведения направленной кристаллизации стартовую часть элемента соплового аппарата удаляют.2. Способ получения элемента соплового аппарата турбины по п.1, отличающийся тем, что центральный угол сектора составляет 30-60°.3. Способ получения элемента соплового аппарата турбины по п.1, отличающийся тем, что для получения элемента соплового аппарата с монокристаллической структурой в керамической форме размещают монокристаллическую затравку.4. Способ получения соплового аппарата турбины, отличающийся тем, что элементы соплового аппарата изготавливают способом по любому из пп.1-3, затем соединяют их между собой механическим путем или сваркой.