Устройство для получения отливок турбинных сопловых лопаток с направленной и монокристаллической структурой Российский патент 2021 года по МПК B22D27/04 B22C9/22 

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано при получении отливок турбинных сопловых лопаток с направленной и монокристаллической структурой для современных газотурбинных двигателей (ГТД) и газотурбинных установок (ГТУ) из никелевых жаропрочных сплавов.

Известно устройство для получения монокристаллических отливок лопаток стационарных газотурбинных установок, представляющее собой керамическую форму, имеющую полость пера лопатки с входной и выходной кромками, полости нижней и верхней полок, стартовую полость и полости кристалловодов. В форме имеется затравочная полость для размещения монокристаллической затравки и полости перемычек пера лопатки. Стартовая полость состоит из четырёх частей, первая из которых выполнена в виде прямоугольной пластины, переходящей в треугольную, расположена между ребром нижней полки лопатки у входной её кромки затравочной полостью и имеет толщину, равную толщине полки, вторая и третья части выполнены в виде пластин треугольной формы, расположенными под нижней полкой и соединенные меньшими катетами с прямоугольной пластиной первой части, а большими с противолежащими ребрами нижней полки, четвертая часть стартовой полости выполнена в виде пластины, соединенной с первой частью стартовой полости и серединой ребра нижней полки и соединенных с ней полостей для продолжения перемычек пера, причем высота четвертой части равна высоте первой части в месте их соединения. Полости для продолжения перемычек пера выполнены в виде треугольных пластин, имеющих высоту, равную высоте четвертой части стартовой полости в вместе их соединения, и перпендикулярных ей. Полости кристалловодов расположены между нижней и верхней полками и состоят из цилиндрических элементов, примыкающих к углам полок и арок, соединенных с цилиндрическими элементами и расположенных под верхней полкой лопатки (патент RU 2167029 С1, МПК B22D 27/04, опубл. 20.05.2001 г.).

Недостатками керамической формы для получения крупногабаритных сопловых монокристаллических лопаток стационарных газотурбинных установок являются: во-первых, сложная конструкция стартовой полости, состоящей из четырёх частей, во-вторых, все элементы стартовой полости монтируются на восковой модели вручную, что снижает качество сборки, в-третьих, при наличии всего одной затравочной полости передача совершенной монокристаллической структуры с заданной ориентацией во все критические точки отливки невозможна, что выражается в повышении выхода годного по макроструктуре всего на 50-70%.

Известен способ получения элемента соплового аппарата из жаропрочных сплавов с монокристаллической структурой, в котором используют устройство, представляющее собой керамическую форму из трех лопаток, имеющую общую стартовую полость для всех трех лопаток с затравочной полостью с монокристаллической затравкой в вершине стартовой полости (патент RU № 2265496 С1, МПК B22D 27/04, опубл. 10.12.2005 г.).

Недостатком устройства для получения сектора соплового аппарата является наличие значительного, более 10⁰, отклонения кристаллографической ориентации (КГО) двух крайних сопловых лопаток в блоке от заданной ориентации, что может привести к снижению свойств изделия.

Известно устройство для получения монокристаллических отливок сопловых и рабочих турбинных лопаток для выполнения которого предлагается устройство, имеющее перо и не менее одной полки, содержащее керамическую форму, в которой выполнены последовательно затравочная полость с размещенной в ней монокристаллической затравкой, коническая стартовая полость, полость формы, образующая отливку, выполненная под углом к направлению кристаллизации отливки, литниковые ходы и прибыльные части, при этом, стартовая полость, имеет угол уклона конуса относительно направления кристаллизации отливки 30-45⁰, одновременно соединена с кромкой нижней полки отливки, с выходной кромкой пера и с кромкой верхней полки отливки, а полость формы, образующая отливку и литниковые ходы выполнены под углом 35-85° к направлению кристаллизации отливки (Патент на полезную модель RU №123355 U1, МПК B22D 27/04, опубл. 27.12.2012 г.).

Недостатком устройства для получения монокристаллических отливок сопловых турбинных лопаток являются: во-первых, невозможность подвода металла от стартовой полости к выходной кромке пера, имеющей выход знаковой части керамического стержня; во-вторых, не технологичность расположения восковой модели в модельном блоке, что осложняет технологический процесс в серийном производстве; в-третьих, модельный блок может содержать только одну отливку.

Наиболее близким аналогом по технической сущности, взятым за прототип, является устройство для получения отливок лопаток турбин (патент RU №2587116 С1, МПК B22D 27/04, опубл. 10.06.2016г.), выполненное в виде керамической формы, в которой выполнены последовательно в направлении кристаллизации затравочная полость с размещённой в ней монокристаллической затравкой, стартовая полость, полость формы, образующая отливку.

Устройство представляет собой керамическую форму, имеющую рабочие полости лопаток, стартовые зоны и раздельные затравочные полости, в которых размещены затравки, причём количество затравочных полостей с размещённой в каждой из них затравкой составляет от двух до пяти, стартовая зона содержит количество стартовых полостей, соответствующее количеству затравочных полостей, стартовая полость каждой лопатки представляет собой коническое продолжение профиля пера лопатки или две сходящиеся треугольные пластины, основания которых соединены с нижними бандажными полками каждой стартовой полости, совпадая с ними по толщине, а вершины пластин соединены в месте расположения затравки, при этом в каждой затравочной полости содержится монокристаллическая затравка с заданной осевой и азимутальной ориентацией, представляющая собой цилиндр с фаской, причём азимутальная ориентация затравки фиксируется посредством её установки в затравочную полость с соответствующей фаской, а рабочая поверхность затравки перпендикулярна главной оси лопатки.

Стартовая полость каждой лопатки, представляющая собой коническое продолжение профиля пера лопатки или две сходящиеся треугольные пластины (основания которых соединены с нижними бандажными полками каждой стартовой полости, совпадая с ними по толщине, а сходящиеся вершины пластин соединены с затравкой), обеспечивает передачу кристаллографической ориентации от монокристаллической тугоплавкой затравки с заданной осевой и азимутальной ориентацией в полость лопатки при кристаллизации сплава, причём перпендикулярное расположение рабочей поверхности затравки главной оси каждой лопатки обеспечивает осевое направление прорастания монокристаллической структуры в полости лопатки, а затравка в виде цилиндра с фаской, установленная в затравочную полость с соответствующей фаской, фиксирует азимутальную ориентацию монокристаллической структуры каждой лопатки.

Недостатком устройства для получения отливок лопаток турбин являются: во-первых, наличие знаковой части керамического стержня охлаждаемого пера лопатки не позволяет применять стартовые полости, представляющие собой коническое продолжение профиля пера лопатки, во-вторых, передача КГО от монокристаллической тугоплавкой затравки в полость лопатки затруднительна без наличия кристаллоотборника, в-третьих, в прототипе отсутствуют данные о проценте выхода годного по макроструктуре.

Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения, и невозможно обеспечить при использовании прототипа, является повышение выхода годного по макроструктуре за счёт применения усовершенствованной стартовой полости, приводящей к устранению образования посторонних кристаллов на пере и бандажных полках отливок сопловых лопаток.

Технической задачей заявленного изобретения является повышение выхода годного по макроструктуре за счёт применения усовершенствованной стартовой полости, обеспечивающей снижение вероятности образования посторонних кристаллов на пере и бандажных полках отливок сопловых лопаток.

Техническая проблема решается тем, что в устройстве для получения отливок турбинных сопловых лопаток с направленной и монокристаллической структурой, содержащем керамическую форму, в которой выполнены последовательно в направлении кристаллизации затравочная полость с размещённой в ней монокристаллической затравкой, стартовая полость, полость формы, образующая отливку, согласно изобретению, содержит кристаллоотборник, стартовая полость выполнена в виде единой конструкции, состоящей из трёх сходящихся треугольных пластин, основания которых соединены с большой бандажной полкой, совпадая с ней по толщине и образую открытую полость, при этом одна из треугольных пластин является центральной и выполнена в виде равнобедренного треугольника переменного сечения с углом у вершины β, при этом вершина соединяется с полостью кристаллоотборника, выполненного заодно с затравочной полостью, центральная пластина расположена со стороны входной кромки пера и ориентирована параллельно направлению кристаллизации лопатки со смещением от оси лопатки Z в сторону входной кромки на расстояние А, равное 20 мм, при этом ширина основания равнобедренного треугольника соответствует ширине большой бандажной полки, справа и слева к равнобедренному треугольнику на высоте В, равной 0,6 от высоты Б равнобедренного треугольника и под углом α, равным 45° примыкают две пластины в виде разносторонних треугольников, основания которых соединены с большой бандажной полкой, совпадая с ней по толщине, а наклонные стороны разносторонних треугольников выполнены в виде утолщённых рёбер.

Кроме того, в устройстве, согласно изобретению, угол у вершины β центральной пластины стартовой полости равен 35°.

Как и в прототипе, устройство для получения отливок турбинных сопловых лопаток с направленной и монокристаллической структурой, содержащее керамическую форму (без позиции), в которой выполнены последовательно в направлении кристаллизации затравочная полость с размещённой в ней монокристаллической затравкой, стартовая полость, полость формы (без позиции), образующая отливку.

В отличии от прототипа, содержит кристаллоотборник, стартовая полость выполнена в виде единой конструкции, состоящей из трёх сходящихся треугольных пластин, основания которых соединены с большой бандажной полкой , совпадая с ней по толщине и образую открытую полость, при этом одна из треугольных пластин является центральной и выполнена в виде равнобедренного треугольника переменного сечения, вершина которого соединяется с полостью кристаллоотборника, выполненного заодно с затравочной полостью, с углом у вершины центральной пластины β, равным 35°, центральная пластина расположена со стороны входной кромки пера и ориентирована параллельно направлению кристаллизации лопатки со смещением от оси лопатки Z в сторону входной кромки на расстояние А, равное 20 мм, при этом ширина основания равнобедренного треугольника соответствует ширине большой бандажной полки , справа и слева к равнобедренному треугольнику на высоте В, равной 0,6 от высоты Б к центральной пластине в виде равнобедренного треугольника и под углом α, равном 45° примыкают две пластины, в виде разносторонних треугольников, основания которых соединены с большой бандажной полкой, совпадая с ней по толщине, а наклонные стороны разносторонних треугольников выполнены в виде утолщённых рёбер.

Кроме того, угол у вершины β центральной пластины стартовой полости равен 35°.

В предлагаемом изобретении стартовая полость выполнена в виде единой конструкции, состоящей из трёх сходящихся треугольных пластин, основания которых соединены с большой бандажной полкой, совпадая с ней по толщине и образую открытую полость, при этом одна из треугольных пластин является центральной и выполнена в виде равнобедренного треугольника переменного сечения, вершина которого соединяется с полостью кристаллоотборника, выполненного заодно с затравочной полостью, с углом у вершины центральной пластины β, равным 35°, центральная пластина расположена со стороны входной кромки пера и ориентирована параллельно направлению кристаллизации лопатки со смещением от оси лопатки Z в сторону входной кромки на расстояние А, равное 20 мм, при этом ширина основания равнобедренного треугольника соответствует ширине большой бандажной полки , справа и слева к равнобедренному треугольнику на высоте В, равной 0,6 от высоты Б равнобедренного треугольника и под углом α, равным 45°, примыкают две пластины, в виде разносторонних треугольников, основания которых соединены с большой бандажной полкой, совпадая с ней по толщине, а наклонные стороны разносторонних треугольников выполнены в виде утолщённых рёбер, что обеспечивает равномерное прорастание структуры зерна на большую бандажную полку и далее на перо лопатки, обеспечивая высокий выход годного по макроструктуре.

В устройстве центральная пластина 3 в виде равнобедренного треугольника расположена со стороны входной кромки пера и ориентирована параллельно направлению кристаллизации лопатки со смещением от оси лопатки Z в сторону входной кромки на расстояние А, равное 20 мм, при этом ширина основания равнобедренного треугольника 6 соответствует ширине большой бандажной полки 7, справа и слева к равнобедренному треугольнику 3 на высоте В, равной 0,6 от высоты Б равнобедренного треугольника 3, и под углом α, равном 45° примыкают две пластины 4, в виде разносторонних треугольников, основания которых соединены с большой бандажной полкой 7, совпадая с ней по толщине 8, а наклонные стороны разносторонних треугольников выполнены в виде утолщённых рёбер 5, что обеспечивает гарантированную передачу заданной ориентацию к большой бандажной полке сопловой лопатки со стороны радиального клина.

На фиг. 1 представлено устройство для получения отливок турбинных сопловых лопаток с направленной и монокристаллической структурой с углом у вершины β, равным 35°^.

На фиг. 2 представлено устройство для получения отливок турбинных сопловых лопаток с направленной и монокристаллической структурой с углом у вершины β, равным 65°.

На фиг. 3 представлено устройство для получения отливок турбинных сопловых лопаток с направленной и монокристаллической структурой с углом у вершины β, равным 80°^.

Использование устройства заключается в следующем.

Модель сопловой лопатки, содержащую два керамических стержня (без позиций), модель стартовой полости (3), (4) и модель полости кристаллоотборника (2), совмещённую с затравочной полостью (1), изготавливали из воскового модельного состава. Сборка модельного блока из всех перечисленных выше компонентов, производилась в ложементе, обеспечивающем стабильность расположения всех исходных полостей будущей литейной формы. После нанесения на модельный блок огнеупорного покрытия, из литейной формы удалили воск и произвели предварительную прокалку, после чего в затравочной полости формы разместили высокотемпературные затравки с заданной ориентацией, например, и заделали их клеящей композицией на основе электрокорунда.

В процессе направленной кристаллизации в установке УВНК-8П керамическая форма сопловых лопаток после заливки расплава жаропрочного сплава ЖС32-ВИ перемещается из зоны нагрева в зону охлаждения где начинается процесс кристаллизации сплава от затравки. При этом фронт кристаллизации от затравки перемещается по кристаллоотборнику 2, где происходит ликвидация всех невостребованных ориентаций зерна, к стартовой полости и далее в полость лопатки, где осуществляется передача заданной КГО к телу сопловой лопатки. Сопловые лопатки из сплава ЖС32-ВИ, полученные с применением предлагаемого устройства, имели монокристаллическую структуру с заданной осевой и азимутальной ориентацией без большеугловых границ зёрен.

В условиях производства было изготовлено более 7 комплектов сопловых лопаток (отливок) по техническому решению, предложенному в заявленном изобретении с использованием усовершенствованной стартовой полости, приводящей к устранению образования посторонних кристаллов на бандажных полках отливок сопловых лопаток. Приведён пример осуществления и использования устройства для получения отливок турбинных сопловых лопаток с направленной и монокристаллической структурой в условиях производства АО «ОДК-Авиадвигатель».

Усовершенствованный стартовый конус представлен на фигуре 1. Устройство успешно используется в литейном производстве АО «ОДК-Авиадвигатель» для получения отливок турбинных сопловых лопаток с направленной и монокристаллической структурой. Выход годных отливок по макроструктуре при отливке сопловых лопаток из сплава ЖС32-ВИ в примере составлял 98%.

Изображенные на фигурах 2, 3 технические решения отнесены к неприемлемому осуществлению изобретения, которые снижают выход годных отливок, поскольку отсутствие смещения на расстояние А, равного 20 мм, не позволяет достичь заявленного технического результата. Изготавливали восковую модель отливки охлаждаемой сопловой лопатки, к которой присоединяли стартовый конус, кристаллоотборник в виде геликоида, выполненного заодно с восковой моделью затравочной полости. Стартовые полости из пластин (3), (4), представленные на фигурах 2, 3 выполнены из воска в виде полой четырёхгранной пирамиды с углом у вершины β соответственно 65° и 80°, основание которой соединено с большой бандажной полкой (без позиции), совпадая с ней по толщине, при этом, отсутствующая грань пирамиды образует открытую полость, предназначенную для оформления наружного профиля большой бандажной полки и для обеспечения фиксации знаковой части керамического стержня, оформляющего внутреннюю полость турбинной сопловой лопатки. Выход годного по макроструктуре при отливке сопловых лопаток из сплава ЖС32-ВИ составлял соответственно 40-50% и около 30%.

Таким образом, предлагаемое изобретение с вышеуказанными отличительными признаками, в совокупности с известными признаками, обеспечивает повышение выхода годных отливок по макроструктуре за счёт снижения вероятности образования посторонних кристаллов на бандажных полках отливок сопловых лопаток.

Изобретение относится к области литейного производства. Устройство для получения отливок турбинных сопловых лопаток с направленной и монокристаллической структурой содержит керамическую форму, в которой выполнены затравочная и стартовая полости, полость формы и кристаллоотборник, выполненный заодно с затравочной полостью. Стартовая полость образована тремя сходящимися треугольными пластинами, соединенных основаниями с большой бандажной полкой (7), с которой они совпадают по толщине (8). Центральная (3) из упомянутых пластин выполнена переменного сечения в виде равнобедренного треугольника, а ее вершина соединена с полостью кристаллоотборника. Центральная пластина (3) расположена со стороны входной кромки пера лопатки, параллельно направлению ее кристаллизации со смещением от оси лопатки в сторону входной кромки на расстояние А=20 мм. К центральной пластине на высоте В, равной 0,6 от высоты Б равнобедренного треугольника, под углом α=45°, примыкают две пластины (4) в виде разносторонних треугольников. Наклонные стороны разносторонних треугольников выполнены в виде утолщенных ребер (5). Обеспечивается повышение выхода годных отливок по макроструктуре. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для получения отливок турбинных сопловых лопаток с направленной и монокристаллической структурой, содержащее керамическую форму, в которой выполнены последовательно в направлении кристаллизации затравочная полость с размещенной в ней монокристаллической затравкой, стартовая полость, полость формы, образующая отливку, отличающееся тем, что оно содержит кристаллоотборник, стартовая полость выполнена в виде единой конструкции, состоящей из трех сходящихся треугольных пластин, основания которых соединены с большой бандажной полкой, совпадая с ней по толщине, и образуют открытую полость, при этом одна из треугольных пластин является центральной и выполнена в виде равнобедренного треугольника переменного сечения с углом у вершины β, при этом вершина соединена с полостью кристаллоотборника, выполненного заодно с затравочной полостью, центральная пластина расположена со стороны входной кромки пера изготавливаемой турбинной сопловой лопатки и ориентирована параллельно направлению кристаллизации лопатки со смещением от оси лопатки Z в сторону входной кромки на расстояние А, равное 20 мм, при этом ширина основания упомянутого равнобедренного треугольника соответствует ширине большой бандажной полки, справа и слева к центральной пластине в виде равнобедренного треугольника на высоте В, равной 0,6 от высоты Б упомянутого равнобедренного треугольника, и под углом α, равным 45°, примыкают две пластины в виде разносторонних треугольников, основания которых соединены с большой бандажной полкой, совпадая с ней по толщине, а наклонные стороны упомянутых разносторонних треугольников выполнены в виде утолщенных ребер.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что угол у вершины β центральной пластины стартовой полости равен 35°.