ЛИТЕЙНОЕ УСТРОЙСТВО И ЛИТЕЙНЫЙ СТЕРЖЕНЬ ИЗ ТУГОПЛАВКОГО МЕТАЛЛА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2006 года по МПК B22C9/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройству для отливки, в частности элементов турбинного двигателя, и к литейному стержню из тугоплавкого металла, используемому в этом устройстве.

Уровень техники

Литье по выплавляемым моделям представляет собой распространенный способ формования металлических компонентов, обладающих сложной конфигурацией, особенно полых компонентов, и используется для изготовления компонентов газотурбинного двигателя из суперсплавов. Настоящее изобретение будет описано применительно к изготовлению отливок из суперсплава, однако следует иметь в виду, что изобретение этим не ограничено.

Литейные стержни, используемые в литье по выплавляемым моделям, изготавливаются из керамических материалов, отличающихся низкой прочностью, особенно это касается сложных литейных стержней, используемых для изготовления мелких сложных каналов охлаждения в агрегатах современных газотурбинных двигателей. Эти керамические литейные стержни подвержены короблению и разрушению при их изготовлении и в процессе отливки.

Обычные керамические стержни изготавливаются формованием литьем с использованием шликера и фасонной пресс-формы. В качестве материала модели наиболее часто используется воск, хотя также применяются пластики, легкоплавкие металлы и органические соединения, например мочевина. Оболочковая форма изготавливается с использованием связующего состава из коллоидного кремнезема, скрепляющего частицы керамики, в качестве которой могут быть использованы оксид алюминия, диоксид кремния, диоксид циркония и алюмосилкаты.

Процесс литья по выплавляемым моделям применяется для изготовления лопаток турбин, при этом керамический литейный стержень используется следующим образом. Керамический литейный стержень с конфигурацией, требующейся для создания внутренних каналов охлаждения, помещается в металлическую пресс-форму, стенки которой окружают литейный стержень, однако обычно отстоят от стержня. Пресс-форма заполняется удаляемым материалом модели, например воском. Пресс-форма снимается, оставляя керамический литейный стержень, погруженный в восковую модель. Затем вокруг восковой модели формируется наружная оболочковая форма посредством окунания модели в керамический шликер с последующим нанесением на шликер более крупных сухих частиц керамики. Эта процедура называется облицовка. Затем облицованная восковая модель, содержащая литейный стержень, высушивается, и процесс облицовки повторяется для придания стенке оболочковой формы требуемой толщины. Далее, форма тщательно просушивается и нагревается до повышенной температуры для удаления воскового материала и упрочнения керамики.

В результате получается керамическая литейная форма, содержащая керамический литейный стержень, которые, в совокупности определяют полость литейной формы. Понятно, что наружная поверхность литейного стержня определяет канал, который должен быть образован в отливке, а внутренняя поверхность оболочки литейной формы определяет наружные размеры отливки из суперсплава, которая должна быть получена. Стержень и оболочка могут также определять части отливки, например литники и выпоры, которые не являются частью законченной отлитой детали, а требуются для обеспечения процесса литья.

После удаления воска в полость, образуемую оболочковой формой и узлом литейного стрежня, заливается расплавленный материал суперсплава, который затем затвердевает. После этого литейная форма и литейный стержень удаляются из отливки из суперсплава посредством совместного использования механических и химических средств.

Предпринимались попытки создания литейных стержней для литья по выплавляемым моделям, которые обладали бы улучшенными механическими свойствами, уменьшенной толщиной, повышенным сопротивлением к тепловому удару и новыми конфигурациями и элементами. Одна из таких попыток представлена в патентной заявке США №2003/0075300, которая включена в настоящее описание путем ссылки. Эти попытки были направлены на создание керамических литейных стержней с введенными в них элементами из тугоплавкого металла.

Необходимо повысить выход годных отливок при использовании этих керамических литейных стержней. Одна из проблем, которую требуется решить, связана с необходимостью более точно поддерживать положение литейного стержня в восковой пресс-форме при снятии оболочковой формы и поддерживать положение литейного стержня внутри формы в процессе отливки.

Исторически для крепления литейного стержня и предотвращения смещения стержня в процессе литья по выплавляемым моделям использовались шпильки из платины, кварца и оксида алюминия. Использование шпилек очень эффективно на стадии заливки воском и снятия оболочковой формы, однако, поскольку платина расплавляется в жидком сплаве, эффективность платиновых шпилек для фиксации положения в процессе отливки невелика. Недостатком керамических шпилек является то, что они оставляют отверстия или включения в отливках.

Раскрытие изобретения

Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного способа фиксации керамического литейного стержня в восковой пресс-форме в процессе отливки, что достигается совокупностью признаков настоящего изобретения.

В соответствии с настоящим изобретением представлено литейное устройство, содержащее первый литейный стержень и восковую форму, расположенную с промежутком от указанного первого литейного стержня, второй литейный стержень, выполненный из тугоплавкого металла и имеющий первый конец, помещенный в паз в указанном первом литейном стержне, и второй конец, контактирующий с указанной восковой формой с возможностью фиксации положения указанного первого литейного стержня относительно указанной восковой формы, причем указанный второй литейный стержень содержит по меньшей мере одно средство создания упругой нагрузки при его нахождении в закрытом положении в указанной восковой форме и/или средство механической фиксации восковой формы относительно первого литейного стержня.

В предпочтительных вариантах выполнения указанный второй литейный стержень имеет указанное средство создания упругой нагрузки, содержащее по меньшей мере один пружинный лепесток, выполненный как единое целое со вторым литейным стержнем. Указанное средство создания упругой нагрузки может содержать группу разнесенных друг от друга пружинных лепестков, причем каждый указанный лепесток имеет суживающийся (клиновидный) конец или имеет несуживающий конец.

Второй литейный стержень сформирован из материала, выбранного из группы, включающей молибден, тантал, ниобий, вольфрам, их сплавы и их интерметаллические соединения. Указанный второй литейный стержень содержит указанное средство механической фиксации, а указанная восковая форма имеет гнездо под указанное средство механической фиксации. Указанное средство механической фиксации образовано указанным вторым концом второго литейного стержня, расположенным с наклоном с возможностью плотной посадки в указанном гнезде. Указанное гнездо в восковой форме имеет стенку, перпендикулярную поверхности указанной восковой формы, а указанный второй конец второго литейного стержня размещен с упором в указанную стенку. Указанное средство механической фиксации содержит по крайней мере одно отверстие в указанном втором конце второго литейного стержня.

Настоящее изобретение также относится к литейному стержню из тугоплавкого металла, предназначенному для размещения в требуемом положении относительно восковой формы с предотвращением его смещения в процессе отливки. Литейный стержень содержит элемент литейного стержня, сформированный из тугоплавкого металлического материала и имеющий по меньшей мере один пружинный лепесток, выполненный как единое целое с ним и расположенный с возможностью создания упругой нагрузки при нахождении литейного стержня в закрытом положении в указанной восковой форме.

В предпочтительных вариантах выполнения литейный стержень имеет группу разнесенных друг от друга пружинных лепестков. Указанный элемент литейного стержня сформирован из материала, выбранного из группы, включающей молибден, тантал, ниобий, вольфрам, их сплавы и их интерметаллические соединения.

Кроме того, настоящее изобретение относится к литейному стержню из тугоплавкого металла, предназначенному для размещения в требуемом положении относительно восковой формы с предотвращением его смещения в процессе отливки. Литейный стержень содержит элемент литейного стержня, сформированный из тугоплавкого металлического материала и имеющий первый конец, центральную часть и второй конец, расположенный под углом к указанной центральной части с возможностью зацепления с гнездом в указанной восковой форме.

В предпочтительных вариантах выполнения указанный второй конец размещен с упором в стенку указанного гнезда за счет угла между вторым концом и указанной центральной частью. Указанный второй конец включает средство механической фиксации литейного стержня из тугоплавкого металла относительно оболочки литейной формы. Указанное средство механической фиксации содержит по меньшей мере один лепесток, имеющий по меньшей мере одно отверстие. Указанный элемент литейного стержня сформирован из материала, выбранного из группы, включающей молибден, тантал, ниобий, вольфрам, их сплавы и их интерметаллические соединения.

Другие детали, относящиеся к литейному стержню из тугоплавкого металла для получения нужной толщины стенки в соответствии с настоящим изобретением, а также другие цели изобретения и преимущества описаны в приведенном ниже подробном описании и приложенных чертежах, в которых одни и те же элементы имеют одинаковые цифровые обозначения.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой вид сбоку первого варианта выполнения устройства для отливки в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.2 представляет собой вид сверху литейного стержня из тугоплавкого металла, используемого в устройстве для отливки, показанном на Фиг.1.

Фиг.3 представляет собой вид сбоку второго варианта выполнения устройства для отливки в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.4 представляет собой вид сверху варианта выполнения, показанного на Фиг.3.

Фиг.5 представляет собой схематическое изображение части литейного стержня (сердечника) из тугоплавкого металла, используемого в устройстве для отливки, показанном на Фиг.3.

Осуществление изобретения

Фиг.1 и 2 иллюстрируют первый вариант выполнения устройства для отливки (литейное устройство) в соответствии с настоящим изобретением. Устройство для отливки включает литейный стержень 10 из керамики или тугоплавкого металла, восковую форму 12, отделенную промежутком от литейного стержня 10, и литейный стержень 14 из тугоплавкого металла, расположенный между литейным стержнем 10 и восковой формой 12. Литейный стержень 14 из тугоплавкого металла может быть отформован из материала, выбранного из группы, включающей молибден, тантал, ниобий, вольфрам, их сплавы и их интерметаллические соединения. В предпочтительном варианте выполнения литейный стержень 14 из тугоплавкого металла изготавливается из молибдена и его сплавов. При необходимости на литейный стержень 14 из тугоплавкого металла может быть нанесено защитное керамическое покрытие. Тугоплавкий металл обеспечивает большую пластичность, чем обычная керамика, при этом, при наличии керамического покрытия, оно обеспечивает защиту тугоплавкого металла на шаге обжига оболочковой литейной формы в ходе литья по выплавляемым моделям и предотвращает расплавление литейного стержня 14 под действием жидкого металла.

Литейный стержень 14 из тугоплавкого металла имеет по крайней мере один элемент 16 зацепления на первом конце, который вставляется в паз 18 в литейном стержне 10. При необходимости, литейный стержень 14 из тугоплавкого металла может иметь несколько составляющих с ним единое целое и разнесенных друг от друга элементов 16 зацепления, которые вставляются в несколько разнесенных друг от друга пазов 18 в литейном стержне 10. Литейный стержень 14 из тугоплавкого металла также имеет второй конец, который упирается в поверхность 19 восковой формы.

В предпочтительном варианте выполнения литейный стержень 14 из тугоплавкого металла также имеет по крайней мере один составляющий с ним единое целое пружинный лепесток (лапку) 20 для создания упругой нагрузки при нахождении в закрытой восковой форме. В предпочтительном варианте выполнения литейный стержень 14 из тугоплавкого металла имеет несколько разнесенных друг от друга лепестков 20. В предпочтительном варианте выполнения конструкция лепестка(ов) 20 имеет высокий коэффициент формы, определяемый как AR=L/D, где L - длина лепестка, a D - ширина лепестка. Лепесток(и) 20 может иметь сужающийся конец либо конец не сужается, чтобы снизить вероятность протыкания стенки.

При введении в конструкцию лепестка(ов) 20, используются свойства эластичности и упругость литейного стержня 14 из тугоплавкого металла для создания пружинного эффекта, за счет чего улучшается позиционирование литейного сердечника из тугоплавкого металла в восковой форме и улучшается фиксация положения литейного стержня 10, закрытого оболочкой литейной формы.

На Фиг.3 и 4 показан второй вариант выполнения устройства для отливки металла в соответствии с настоящим изобретением. В этом варианте выполнения литейный стержень 14' из тугоплавкого металла используется для создания связи "стержень/оболочковая литейная форма". Как показано на чертеже, литейный стержень 14' на первом конце имеет по крайней мере один элемент 16' зацепления, который вставляется в по крайней мере один паз 18' в литейном стержне 10' из керамики или тугоплавкого металла. Литейный стержень 14' имеет также плоскую центральную часть 30 и по крайней мере одну концевую часть 32, расположенную под углом к центральной части. При необходимости, литейный стержень 14' может иметь несколько разнесенных друг от друга концевых частей или лепестков 32. Концевая часть(и) 32 своим кончиком входит в по крайней мере одно гнездо 34 в восковой форме 12'. Как показано на Фиг.3, гнездо может иметь в поперечном сечении треугольную форму. В другом варианте выполнения гнездо может быть в поперечном сечении U-образной формы, если концевая часть 32 расположена приблизительно перпендикулярно поверхности 19' восковой формы 12'.

Как показано на чертеже, каждое гнездо 34 имеет заднюю стенку 36, которая приблизительно перпендикулярна поверхности 19' восковой формы 12'. Каждое гнездо 34 также может иметь наклоненную стенку 38. Каждая концевая часть 32 может упираться в заднюю стенку 36 своим концом и может быть наклонена так, чтобы соприкасаться с наклоненной стенкой 38. В такой конфигурации обеспечивается механическая блокировка (фиксация).

При необходимости концевая часть(и) или лепесток(и) 32, как это показано на Фиг.5, может иметь по крайней мере одно отверстие 42 для механического захвата оболочковой формы и механической фиксации детали к литейному стержню. Концевая часть(и) 32 может иметь любую конфигурацию, которая обеспечит крепление оболочковой формы. Таким образом, литейный стержень 14' из тугоплавкого металла улучшает фиксацию литейного стержня за счет создания связи "литейный стержень/оболочковая форма".

Одним из преимуществ литейного стержня из тугоплавкого металла в соответствии с настоящим изобретением является то, что по своим механическим характеристикам при температуре отливки он значительно превосходит платину. Покрытие, нанесенное на литейный стержень из тугоплавкого металла, защищает тугоплавкий металл от расплавления в процессе отливки, что обеспечивает более эффективное управление ходом процесса. Кроме того, пластичность литейного стержня из тугоплавкого металла предотвращает разрушение стержня.

Традиционно используемые керамические литейные стержни обладают значительно более низкой плотностью, чем литье из никелевого суперсплава. В процессе отливки литейные стержни могут всплывать, что приводит к изменению толщины стенки или даже выпиранию сердечника (нежелательный сквозной выход керамики из-за сдвига ее в оболочковой форме). Литейные стержни из тугоплавкого металла, в соответствии с настоящим изобретением, обычно обладают плотностью, значительно более высокой, чем отливки из суперсплава, и поэтому противодействуют силам плавучести лучше керамических стержней, что способствует повышению выхода годных отливок благодаря снижению вероятности выпирания стержня и изменения толщины стенки. Кроме того, литейные стержни из тугоплавкого металла в соответствии с настоящим изобретением могут быть установлены в нужных местах на керамический литейный стержень для сведения к минимуму плавучести стержня.

Применение литейных стержней из тугоплавкого металла в соответствии с настоящим изобретением способствует улучшению охлаждения деталей турбины, включая аэродинамические поверхности, благодаря фиксации положения литейного стержня в детали с относительно тонкой стенкой. Пластичность литейных стержней из тугоплавких металлов способствует использованию более совершенных процессов обработки сложных конфигураций, а также обеспечивает фиксацию положения стержня и получение стенок нужной толщины.

Очевидно, что здесь представлен согласно настоящему изобретению литейный стержень из тугоплавкого металла для получения стенок нужной толщины, полностью соответствующий заявленным выше целям, средствам и преимуществам. В то время как настоящее изобретение было описано применительно к конкретному варианту его выполнения, для специалиста, ознакомившегося с приведенным описанием, будут очевидны и другие его варианты, модификации и изменения. Соответственно, предполагается, что изобретение охватывает все эти варианты, модификации и изменения, попадающие в область притязаний, определяемую приложенной формулой.

Изобретение может быть использовано для получения отливок элементов турбинного двигателя. Устройство содержит литейный стержень и форму для восковых моделей. Литейный стержень состоит из керамического стержня и стержня, выполненного из тугоплавкого металла. Стержень из тугоплавкого металла одним концом вставлен в паз в керамическом стержне, а вторым концом контактирует с восковой формой для фиксации его положения относительно восковой формы. Литейный стержень из тугоплавкого металла имеет по крайней мере одно средство создания упругой нагрузки при нахождении в закрытой восковой форме и/или механизм фиксации восковой формы относительно стержня. Обеспечивается повышение точности положения стержня внутри формы и, следовательно, выхода годных отливок. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Литейное устройство, содержащее первый литейный стержень и восковую форму, расположенную с промежутком от указанного первого литейного стержня, второй литейный стержень, выполненный из тугоплавкого металла и имеющий первый конец, помещенный в паз в указанном первом литейном стержне, и второй конец, контактирующий с указанной восковой формой с возможностью фиксации положения указанного первого литейного стержня относительно указанной восковой формы, причем указанный второй литейный стержень из тугоплавкого металла содержит по меньшей мере одно средство создания упругой нагрузки при его нахождении в закрытом положении в указанной восковой форме и/или средство механической фиксации восковой формы относительно первого литейного стержня.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный второй литейный стержень имеет указанное средство создания упругой нагрузки, содержащее по меньшей мере один пружинный лепесток, выполненный как единое целое со вторым литейным стержнем.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что указанное средство создания упругой нагрузки содержит группу разнесенных друг от друга пружинных лепестков.4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что каждый указанный лепесток имеет суживающийся конец.5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что каждый указанный лепесток имеет несуживающийся конец.6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный второй литейный стержень сформирован из материала, выбранного из группы, включающей молибден, тантал, ниобий, вольфрам, их сплавы и их интерметаллические соединения.7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный второй литейный стержень содержит указанное средство механической фиксации, а указанная восковая форма имеет гнездо под указанное средство механической фиксации.8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что указанное средство механической фиксации образовано указанным вторым концом второго литейного стержня, расположенным с наклоном с возможностью плотной посадки в указанном гнезде.9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что указанное гнездо в восковой форме имеет стенку, перпендикулярную поверхности указанной восковой формы, а указанный второй конец второго литейного стержня размещен с упором в указанную стенку.10. Устройство по п.7, отличающееся тем, что указанное средство механической фиксации содержит по крайней мере одно отверстие в указанном втором конце второго литейного стержня.11. Литейный стержень из тугоплавкого металла, предназначенный для размещения в требуемом положении относительно восковой формы с предотвращением его смещения в процессе отливки, отличающийся тем, что он содержит элемент литейного стержня, сформированный из тугоплавкого металлического материала и имеющий по меньшей мере один пружинный лепесток, выполненный как единое целое с ним и расположенный с возможностью создания упругой нагрузки при нахождении литейного стержня в закрытом положении в указанной восковой форме.12. Литейный стержень по п.11, отличающийся тем, что он имеет группу разнесенных друг от друга пружинных лепестков.13. Литейный стержень по п.11, отличающийся тем, что указанный элемент литейного стержня сформирован из материала, выбранного из группы, включающей молибден, тантал, ниобий, вольфрам, их сплавы и их интерметаллические соединения.14. Литейный стержень из тугоплавкого металла, предназначенный для размещения в требуемом положении относительно восковой формы с предотвращением его смещения в процессе отливки, отличающийся тем, что он содержит элемент литейного стержня, сформированный из тугоплавкого металлического материала и имеющий первый конец, центральную часть и второй конец, расположенный под углом к указанной центральной части с возможностью зацепления с гнездом в указанной восковой форме.15. Литейный стержень по п.14, отличающийся тем, что указанный второй конец размещен с упором в стенку указанного гнезда за счет угла между вторым концом и указанной центральной частью.16. Литейный стержень по п.14, отличающийся тем, что указанный второй конец включает средство механической фиксации литейного стержня из тугоплавкого металла относительно оболочки литейной формы.17. Литейный стержень по п.16, отличающийся тем, что указанное средство механической фиксации содержит по меньшей мере один лепесток, имеющий по меньшей мере одно отверстие.18. Литейный стержень по п.14, отличающийся тем, что указанный элемент литейного стержня сформирован из материала, выбранного из группы, включающей молибден, тантал, ниобий, вольфрам, их сплавы и их интерметаллические соединения.