СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ СТЕРЖНЕЙ Российский патент 2006 года по МПК B22C9/10 

Изобретение относится к литейному производству, в частности к способам изготовления керамических стержней для отливок охлаждаемых лопаток газотурбинных двигателей и энергетических установок, в которых внутренние полости выполняются керамическими стержнями с элементами вихревой матрицы, в том числе отверстий, пазов, ребер, перемычек и т.д.

Совершенствование параметров двигателей (температура газа перед турбиной, удельная тяговооруженность, ресурс и др.) и их конструкции потребовало разработки высокоэффективных схем охлаждения турбинных лопаток, а следовательно, и конструкции стержней.

Для изготовления стержней обычно применяются формовочные смеси на основе электрокорулеза (24А, 25А) с добавками глинозема Г-00, связки (карбид кремния, силаксановые и полиалюмосилаксановые смолы К-40 и др.), специальные соединения для управления спеканием, пластификатор Плэ-2,5, Плэ-10. Прочность на изгиб при длительном воздействии высоких температур является определяющим показателем качества стержней. Предельные значения прочности керамики при температурах 1300°...1350° составляют 8...11 МПа, что достаточно для сопротивления давлению жидкого металла.

Керамические стержни, в зависимости от схемы охлаждения лопаток, по своему конструктивному исполнению имеют элементы вихревой матрицы - множество мелких отверстий диаметром d и отверстий, имеющих сложную форму контура (вытянутой формы, с прямыми участками контура и т.д.). При формировании такого стержня используют пресс-форму, полость которой соответствует конфигурации стержня с отверстиями. В результате после прессования получают стержень, в отверстиях которого образовался облой (избыточный слой формовочной смеси), в том числе величиной более 0,3 мм.

Появление облоя обусловлено износом пресс-формы в результате абразивного воздействия керамического состава при его запрессовке и большого усилия прессования. Наличие облоя на стержнях приводит в литье к образованию несплошностей металла, надрезам, которые являются очагами образования трещин. Поэтому необходимо удалить облой, который образовался по разъему пресс-формы во время прессования.

Известен способ получения литейных керамических стержней, который выбран в качестве прототипа, включающий формирование стержней в пресс-форме, обжиг, удаление облоя из сформированных в пресс-форме отверстий путем лазерной обработки (Ю.С.Елисеев, В.В.Крымов "Физико-химические методы обработки в производстве газотурбинных двигателей" под ред. Б.П.Саушкина, М., ООО "Дрофа", 2002 г., стр.347-349), причем лазерную обработку осуществляют с плотностью мощности излучения 10⁴ Вт/см² при длительности импульса 1 мс.

Недостатком этого технического решения является то, что данный способ лазерной обработки не позволяет удалить облой толщиной более 0,3 мм из сформированных в пресс-форме отверстий.

Технический результат заявленного изобретения - расширение технологических возможностей лазерной обработки керамических стержней за счет удаления облоя толщиной более 0,3 мм, а также повышение качества профилированной поверхности стержней.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения литейных керамических стержней, включающем формирование стержней в пресс-форме, обжиг, удаление облоя из сформированных в пресс-форме отверстий путем лазерной обработки, лазерную обработку осуществляют, по меньшей мере, одним импульсом с длительностью τ, где 0,2≤τ<1 мс, с плотностью мощности излучения q, где 10⁶<q≤9·10⁷ Вт/см².

При этом лазерная обработка может быть осуществлена до или после обжига стержней.

Удаление облоя из сформированных в пресс-форме отверстий путем лазерной обработки, которую осуществляют, по меньшей мере, одним импульсом с плотностью мощности излучения q, где 10⁶<q≤9·10⁷ Вт/см² ,и длительностью импульса τ, где 0,2≤τ<1 мс, позволяет снизить продолжительность термического удара, получить качественную профилированную поверхность стержней за счет получения более плавной поверхности и стабилизации отверстий на стержне, а также позволяет удалить облой, толщина которого превышает 0,3 мм, без разрушения кромок.

Иногда возникает необходимость сформировать отверстия в стержнях, полученных после прессования, в случае, если конструкция пресс-формы не предусматривает формирование отверстий. Эта задача может быть осуществлена путем непосредственного прожигания лучем лазера отверстий в стержне после его прессования. При этом лазерную обработку осуществляют по меньшей мере одним импульсом с длительностью τ, где 0,2≤τ<1 мс, с плотностью мощности излучения q, где 10⁶<q≤9·10⁷ Вт/см², что позволяет получить качественную профилированную поверхность стержня и повысить технологичность процесса изготовления стержней за счет использования пресс-форм простой конфигурации. При этом формирование отверстий лазерной обработкой может быть осуществлено в стержнях, имеющих толщину не более 8 мм.

Плотность мощности лазерного излучения q и длительность импульса τ являются основными технологическими параметрами, определяющими процесс лазерной обработки как для удаления облоя из сформированных в пресс-форме отверстий, так и для формирования отверстий в стержнях. При этом для получения оптимальных результатов для отверстий диаметром d плотность мощности излучения q и длительность импульсов τ могут согласовывать с количеством излучаемых импульсов n, а для отверстий со сложной формой контура, плотность мощности излучения q и длительность импульсов τ - с частотой следования импульсов f и скоростью лазерной обработки V.

При удалении облоя количество излучаемых импульсов n при заявленных параметрах лазерной обработки q и τ выбирают в зависимости от толщины образовавшегося облоя на стержне после прессования.

В случае, если необходимо сформировать отверстия в стержнях непосредствено путем прожигания лучем лазера, количество излучаемых импульсов n при заявленных параметрах лазерной обработки q и τ выбирают в зависимости от толщины стержня, в котором формируют отверстия.

Частота следования импульсов f и скорость лазерной обработки V могут быть различны и их выбор зависит от технологических возможностей лазерного станка, используемого при лазерной обработке стержней. При этом выбор параметров f и V осуществляют таким образом, чтобы обеспечить перекрытие лазерного луча в зоне обработки.

Операция лазерной обработки представляет собой воздействие лазерного импульса на участок стержня. Воздействие лазерного потока вызывает оплавление облоя, а в случае формирования отверстий в стержнях непосредствено путем прожигания лучем лазера - проплавление поверхностного слоя материала керамического стержня. При воздействии лазерного потока происходит испарение материала стержня в центре фокального пятна и вытеснение расплава из зоны воздействия.

При выборе параметров лазерной обработки q и τ, выходящих за пределы заявленных интервалов, качество лазерной обработки не удовлетворяет предъявляемым к стержням требованиям.

Так при удалении облоя из сформированных в пресс-форме отверстий на стержнях путем лазерной обработки с плотностью мощности излучения q<10⁶ и длительностью импульса τ<0,2 мс, облой не удален, а при q>9·10⁷ Вт/см² и τ>1 мс, облой удален, но диаметр отверстия больше заданного.

А при формировании отверстий в стержнях путем прожигания, осуществляя лазерную обработку с плотностью мощности излучения q<10⁶ и длительностью импульса τ<0,2 мс отверстия не сформированы, а при q>9·10⁷ Вт/см² и τ>1 мс отверстия сформированы, но кромки острые или не ровные.

Конкретные примеры выбора параметров q и τ лазерной обработки для удаления облоя из сформированных в пресс-форме отверстий на стержнях и при формировании отверстий в стержнях путем прожигания представлены в табл.1.

Способ осуществляется следующим образом.

Обработку керамических стержней до или после обжига ведут на 4-х координатном лазерном станке по разработанным управляющим технологическим программам. В исполнительном модуле станка для перемещения оптико-механического блока используется координатная система, обеспечивающая перемещение лазерного луча по трем взаимно перпендикулярным направлениям и вращательного движения оси оснастки, на которой позиционируют керамический стержень. Управление системой координат и управление параметрами лазера осуществляется от управляющего модуля - системы ЧПУ. При лазерной обработке керамического стержня в случае наличия облоя в уже сформированных отверстиях происходит плавление и испарение облоя из зоны обработки.

Керамический стержень после прессования устанавливают на посадочные места оснастки. При удалении облоя оптико-механический блок с помощью оптической системы фокусирует лазерный луч на поверхность керамического стержня в пятно, размер которого устанавливается с помощью программы ЧПУ, задающей расстояние от объектива до стержня. Размер пятна лазера выбирают в зависимости от диаметра d отверстия на стержне.

При удалении облоя из отверстий, имеющих сложную форму контура, в зону обработки направляют сфокусированный лазерный луч, размер пятна которого выбирают таким, чтобы он являлся наиболее оптимальным, например 0,3 мм, для лазерной обработки с плотностью мощности излучения q. С помощью управляющего модуля оптико-механического блока производят перемещение лазерного луча по заданной траектории контура отверстия на поверхности стержня. При этом происходит последовательное наложение лазерных импульсов при линейном перемещении лазерного луча по заданной траектории, а форма и размеры отверстия устанавливаются с помощью программы ЧПУ. Перемещение лазерного луча осуществляют с определенной скоростью и частотой следования импульсов, которая обеспечивает перекрытие лазерного луча в зоне обработки.

Примеры удаления облоя из сформированных в пресс-форме отверстий диаметром d и отверстий, имеющих сложную форму контура, путем лазерной обработки представлены в табл.2.

После отработки программы стержень снимается с оснастки, устанавливается следующий стержень и программа лазерной обработки повторяется. После завершения программы лазерной обработки керамические стержни подвергают анализу и контролю, где качество обработанной поверхности керамического стержня анализируют по утвержденным эталонам, а контроль размеров отверстий производят калибрами и с помощью микроскопа.

Осуществление и порядок операций лазерной обработки при формировании отверстий в стержнях путем прожигания аналогичны операциям при удалении облоя. Примеры формирования отверстий диаметром d и отверстий, имеющих сложную форму контура, путем лазерной обработки представлены в табл.2.

Пример.

Необходимо произвести снятие облоя толщиной 0,5 мм в партии необоженных керамических стержней путем лазерной обработки для литья охлаждаемых лопаток энергетической установки МЭС-60, в каждом из которых необходимо обработать 400 отверстий диаметром 0,4 мм и 5 отверстий со сложной формой контура (2 линии длиной 2 мм, шириной между ними 1 мм и скругленные на концах по радиусу).

Обработка стержней была произведена на 4-х координатном лазерном станке. Керамический стержень устанавливался на посадочные места оснастки. Оптико-механический блок с помощью оптической системы, фокусное расстояние объектива которой 100 мм, фокусировал лазерный луч с длиной волны 1,06 мкм в зону обработки в пятно размером 0,4 мм.

Был установлен следующий режим лазерной обработки: плотность мощности излучения 3,5·10⁶ Вт/см² при длительности импульса 0,45 мс. При этом количество импульсов было задано n=7 в зоне обработки для удаления облоя из отверстий диаметром 0,4 мм, а для удаления облоя из отверстий сложной формы и заданных размеров частота следования импульсов была задана f=40 Гц и скорость обработки V=80 мм/мин.

После завершения программы лазерной обработки качество обработанной поверхности керамических стержней данной партии подвергли анализу по утвержденным эталонам, а контроль размеров отверстий был произведен калибрами и с помощью микроскопа ММИ-2. В результате проверки было установлено, что размеры и качество элементов вихревой матрицы керамического стержня - отверстий соответствуют техническим условиям и чертежам. Отлитые лопатки, включающие керамические стержни, обработанные заявленным способом, были исследованы в ЦИЛе предприятия. Исследования показали, что заявленный способ получения керамических стержней позволяет получить качественную профилированную поверхность стержня, в том числе при удалении облоя толщиной более 0,3, а следовательно, повысить качество отливок и ресурс работы лопаток.

Табл.1
Способ получения литейных керамических стержней№ п/пПлотность мощности излучения q Вт/см²Длительность импульса τ мсКачество формирования отверстийКачество удаления облоя19·10⁵0,1отверстия не образованыоблой не удален29·10⁵0,45отверстия не образованыоблой не удален39·10⁵1,5отверстия образованы, но кромки не ровныеоблой оплавлен, но удален неполностью43,7·10⁶0,1отверстия образованы, но кромки острыеоблой удален неполностью53,7·10⁶0,45отверстия образованы, кромки округлыеоблой удален, кромки округлые63,7·10⁶1,5отверстия образованы, но кромки не ровныеоблой удален неполностью710⁷0,1отверстия образованы, но кромки острыеоблой удален, но кромки острые810⁷0,45отверстия образованы, кромки округлыеоблой удален, кромки округлые910⁷1,5отверстия образованы, но кромки не ровныеоблой удален, но диаметр отверстия больше заданного1010⁸0,1отверстия образованы, но кромки острыеоблой удален неполностью1110⁸0,45отверстия образованы, но кромки не ровныеоблой удален, но кромки острые и диаметр отверстия больше заданного1210⁸1,5отверстия образованы, но кромки не ровныеоблой удален, но диаметр отверстия больше заданного

Изобретение относится к литейному производству, в частности к способам изготовления керамических стержней для отливок охлаждаемых лопаток газотурбинных двигателей и энергетических установок. Способ включает формирование стержней в пресс-форме, обжиг, удаление облоя из сформированных отверстий в стержнях путем лазерной обработки. Лазерную обработку осуществляют по меньшей мере одним импульсом с длительностью τ, где 0,2≤τ<1 мс, с плотностью мощности излучения q, где 10⁶<q≤9·10⁷ Вт/см². Лазерную обработку в стержнях можно осуществить до или после их обжига. Использование изобретения обеспечивает повышение качества профилированных поверхностей стержней. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ получения литейных керамических стержней, включающий формирование стержней в пресс-форме, обжиг, удаление облоя из сформированных в пресс-форме отверстий путем лазерной обработки, отличающийся тем, что удаление облоя из сформированных отверстий лазерной обработкой осуществляют по меньшей мере одним импульсом с длительностью τ и с плотностью мощности излучения q, где 0,2≤τ<1 мс и 10⁶<q≤9·10⁷ Вт/см².2. Способ по п.1, отличающийся тем, что лазерную обработку осуществляют до или после обжига стержней.