СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВКИ ЛОПАТКИ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ С НАПРАВЛЕННОЙ И МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ Российский патент 2014 года по МПК B22D27/04 

Изобретение относится к области технологии литейного производства, в частности, к охлаждению расплава в литейной форме и может найти применение для получения отливок из жаропрочных сплавов для изготовления рабочих и сопловых лопаток газовых турбин.

Известен способ получения отливки лопатки газовой турбины с направленной и монокристаллической структурой, включающий перемещение вакуумируемой литейной формы с расплавом из зоны нагрева в зону охлаждения с дополнительным ее охлаждением потоками инертного газа в верхней части зоны охлаждения в области уже затвердевшей части расплава на расстоянии не более 40 мм от верхнего среза зоны охлаждения.

Известный способ реализуется устройством, которое содержит вакуумную камеру с размещенными в ней зоной нагрева с нагревателем, керамическую литейную форму на охлаждаемом поддоне, зону охлаждения, термоизолирующий экран с отверстием, отделяющий зону нагрева от зоны охлаждения, и сопла для подвода охлаждающего инертного газа, расположенные в зоне охлаждения и направленные преимущественно радиально внутрь. При этом зона нагрева размещена в верхней части вакуумной камеры, камера охлаждения расположена в ее нижней части, а сопла для подвода инертного газа - под термоизолирующим экраном. (US 5921310, B22D 27/04, опубликовано 13.07.1999)

Недостатком известного способа является вероятность возникновения при литье жаропрочных сплавов дефектов в виде дополнительных («паразитных») кристаллов в результате образования поперечных градиентов температур на фронте кристаллизации, что ухудшает качество отливки. Это происходит из-за слишком близкого расположения (до 40 мм) области охлаждения формы от теплоизолирующего экрана (верхнего среза зоны охлаждения) и отсутствия регулирования условий охлаждения формы при переходе фронта кристаллизации на участок отливки другой толщины (с пера лопатки на полку и хвостовик).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ получения отливки лопатки газовой турбины с направленной и монокристаллической структурой, включающий вертикальное перемещение в вакуумной установке из зоны нагрева в зону охлаждения оболочковой керамической формы с кристаллизующимся расплавом и ее охлаждение потоками инертного газа из сопел, направленных на форму в верхней части зоны охлаждения. Причем потоки инертного газа создаются двумя рядами сопел, расположенными один под другим, и содержат порошкообразные растворители, материалы которых претерпевают фазовые превращения. При этом верхний охлаждающий поток направлен преимущественно радиально к оси камеры охлаждения, а второй охлаждающий поток - преимущественно вдоль стенок формы сверху вниз.

Известный способ реализуют устройством, которое содержит вакуумную камеру с размещенными в ней зоной нагрева с нагревателем, керамическую литейную форму, размещенной на охлаждаемом поддоне, зону охлаждения, термоизолирующий экран с отверстием, отделяющий зону нагрева от зоны охлаждения, и два ряда сопел, для подвода охлаждающего инертного газа, расположенные один под другим вокруг отверстия в перегородке. При этом зона нагрева размещена в верхней части вакуумной камеры, камера охлаждения расположена в ее нижней части, а сопла для подвода инертного газа - под термоизолирующим экраном (RU 2157296, B22D 27/04, опубликовано 10.10.2000).

Недостатком известного способа является введение в пространство вакуумной камеры веществ, претерпевающих фазовые превращения при попадании в зону нагрева, что неизбежно ведет к загрязнению расплава отливки и падению механических свойств конечного изделия. Слишком интенсивное охлаждение формы двумя рядами сопел, размещенных в нижней части среза зоны охлаждения приводит к увеличению остаточных напряжений в отливке и, как следствие, к короблению отливки и даже к трещинам в ее теле. Кроме того, ведение процесса кристаллизации расплава в литейной форме вне оптимальных диапазонов остаточного давления инертного газа в вакуумной камере и давления газа в критическом сечении сопла также ведет к появлению дефектов в отливке.

Задачей и техническим результатом изобретения является создание экономичного способа получения отливки лопатки газовой турбины с направленной и монокристаллической структурой определяющего оптимальные параметры регулирования основных характеристик осуществления способа, что обеспечивает отсутствие дефектов в отливке, в том числе области перехода от одной толщины отливки к другой.

Технический результат достигается тем, что способ получения отливки лопатки газовой турбины с направленной и монокристаллической структурой включает вертикальное перемещение в вакуумной установке из зоны нагрева в зону охлаждения со скоростью 5-10 мм/мин оболочковой керамической формы с кристаллизующимся расплавом и ее охлаждение потоками инертного газа из сопел, направленных на форму в верхней части зоны охлаждения, причем охлаждение формы потоком инертного газа из сопел ведут на расстоянии 52-70 мм от верхнего среза зоны охлаждения при давлении газа в критическом сечении сопла 3-10 бар и остаточном давлении инертного газа в зоне охлаждения 100-300 мбар, причем при переходе формы из области кристаллизации расплава пера лопатки в область кристаллизации расплава хвостовика лопатки перемещение формы ведут со скоростью 5 мм/мин при давлении инертного газа в критическом сечении сопла до 7,5 бар.

Реализация способа своего назначения и достижение поставленного технического результата могут быть проиллюстрированы следующим примером.

Изготавливали отливку лопатки газовой турбины высотой 250 мм с максимальной толщиной пера 3 мм, которая была снабжена полкой и хвостовиком, сечение которого в 8 раз больше максимального сечения пера. Оболочковая керамическая форма толщиной 15 мм (обычная толщина формы 12-18 мм) была получена стандартным способом из керамики на основе электрокорунда методом выплавляемых моделей. Форму размещали на охлаждаемом поддоне в стандартной вакуумной установке, снабженной системой вакуумирования в зонах нагрева и охлаждения, которые разделял термоизолирующий экран с отверстием. После заливки формы расплавом типа ЦНК8МП ее вертикально перемещали из зоны нагрева в зону охлаждения со скоростью 7 мм/мин. В зоне охлаждения, на расстоянии 60 мм от верхнего среза зоны охлаждения, форму в области кристаллизации пера лопатки охлаждали потоком инертного газа аргона из стационарно установленных сопел при давлении инертного газа в критическом сечении сопла 5 бар и остаточном давлении инертного газа в зоне охлаждения 230 мбар.

При переходе охлаждения формы из области кристаллизации расплава пера лопатки в область кристаллизации расплава хвостовика лопатки скорость вертикального перемещения формы уменьшали до 5 мм/мин, а давление инертного газа в критическом сечении сопла увеличивали до 7,5 бар.

В результате осуществления способа по изобретению были получены отливки лопатки газовой турбины с направленной и монокристаллической структурой, которые не имели дефектов в виде полос струйчатой ликвации, посторонних кристаллов и рыхлот, в том числе в области перехода от одной толщины отливки к другой.

Изобретение относится к литейному производству, в частности к получению отливок из жаропрочных сплавов для изготовления рабочих и сопловых лопаток газовых турбин. Керамическую форму с кристаллизующимся расплавом размещают на охлаждаемом поддоне в вакуумной установке и перемещают вертикально из зоны нагрева в зону охлаждения со скоростью 5-10 мм/мин. На расстоянии 52-70 мм от верхнего среза зоны охлаждения форму охлаждают потоками инертного газа при давлении газа в критическом сечении сопла 3-10 бар и остаточном давлении инертного газа в зоне охлаждения 100-300 мбар. При переходе формы из области кристаллизации расплава пера лопатки в область кристаллизации расплава хвостовика лопатки перемещение формы ведут со скоростью 5 мм/мин при давлении инертного газа в критическом сечении сопла до 7,5 бар. Обеспечивается отсутствие дефектов в отливке, в том числе области перехода от одной толщины отливки к другой.

Способ получения отливки лопатки газовой турбины с направленной и монокристаллической структурой, включающий вертикальное перемещение в вакуумной установке из зоны нагрева в зону охлаждения со скоростью 5-10 мм/мин оболочковой керамической формы с кристаллизующимся расплавом и ее охлаждение потоками инертного газа из сопел, направленных на форму в верхней части зоны охлаждения, отличающийся тем, что охлаждение формы потоком инертного газа из сопел ведут на расстоянии 52-70 мм от верхнего среза зоны охлаждения при давлении газа в критическом сечении сопла 3-10 бар и остаточном давлении инертного газа в зоне охлаждения 100-300 мбар, причем при переходе формы из области кристаллизации расплава пера лопатки в область кристаллизации расплава хвостовика лопатки перемещение формы ведут со скоростью 5 мм/мин при давлении инертного газа в критическом сечении сопла до 7,5 бар.