УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВКИ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ТУРБИННОЙ ЛОПАТКИ

Полезная модель относится к области литейного производства и может быть использована при получении монокристаллических лопаток современных турбин газотурбинных двигателей и установок (ГТД и ГТУ) из никелевых жаропрочных сплавов.
Известно устройство для получения монокристаллических отливок турбинных лопаток заданной кристаллографической ориентации, в котором монокристаллическая структура зарождается от затравки, размещенной в специальном керамическом кармане, при этом устройство - литейную форму устанавливают непосредственно на холодильник. (Патент США №4612969)
Недостатком известного устройства является невозможность формирования монокристаллической структуры всей лопатки, то есть такой, в которой не только перо, но и замок с полкой имеют монокристаллическую структуру.
Известно устройство для получения отливок с монокристаллической структурой, преимущественно турбинных лопаток, состоящих из пера, замковой полки и замковой части, которое содержит керамическую оболочку, формируемую послойным нанесением суспензии на модель, в основании которой выполнены последовательно затравочная полость с размещенной в ней монокристаллической затравкой заданной кристаллографической ориентации, коническая стартовая полость, соединенная с полостью формы, образующей отливку, и прибыльная часть, питающая отливку в процессе направленной кристаллизации. (Патент США №4714101)
Недостатком известного устройства является трудность формирования структуры в полках лопатки, так как прорастание монокристалла в радиальном направлении относительно основного температурного градиента часто сопровождается возникновением посторонних кристаллов, возникающих по краям полки, преимущественно, со стороны входной и выходной кромок пера, что приводит к браку отливок и уменьшению выхода годных по структуре отливок.
Наиболее близким к предлагаемому, принятому за прототип, является устройство для получения отливки монокристаллической турбинной лопатки заданной кристаллографической ориентации, состоящей из пера, замковой полки, замковой части и прибыльной части, включающее керамическую форму, в основании которой выполнены последовательно затравочная полость с размещенной в ней монокристаллической затравкой заданной кристаллографической ориентации и коническая стартовая полость, соединенная с полостью формы, образующей отливку лопатки, при этом, керамическая форма снабжена литниковыми ходами, соединяющими коническую стартовую полость с замковой полкой вдоль входной и выходной кромок пера лопатки, при этом расстояние между входной и выходной кромками торца пера лопатки меньше ширины прилегающего к нему торца конической стартовой полости. (Патент РФ №2239520)
[NKL]
Недостатком устройства-прототипа является возникновение в формирующемся монокристалле из жаропрочных никелевых сплавов субграницы с большой разориентацией (Δα>3°), т.к. фронт кристаллизации при формировании структуры лопатки в этом устройстве имеет разрывы, а значит, в отливке происходит образования субзерен на месте «стыка» разделенных фронтов кристаллизации (первый фронт - от литникового хода-кристалловода, второй - от пера лопатки).
Такая разориентация условно допустима для угреродсодержащих жаропрочных никелевых сплавов и недопустима для отливок из жаропрочных никелевых безуглеродистых сплавов. Поперечная субграница может привести к значительной потере прочности сплава, а значит к браку по структуре. Кроме того, по этой границе в процессе направленной кристаллизации происходит образование горячей трещины.
Технической задачей полезной модели является создание устройства для получения отливок монокристаллических турбинных лопаток без поперечных субграниц на полках лопаток и соответственно с повышенным выходом годных по структуре.
Для решения поставленной технической задачи предложено устройство для получения отливки монокристаллической турбинной лопатки заданной кристаллографической ориентации, состоящей из пера и не менее одной полки, содержащее керамическую форму, в которой выполнены последовательно затравочная полость с размещенной в ней монокристаллической затравкой, коническая стартовая полость, образующая стартовый конус, соединенная с полостью формы, образующей отливку, прибыльная часть и литниковые ходы, формирующие кристалловоды и соединяющие коническую стартовую полость с полкой вдоль входной и выходной кромок пера лопатки, отличающееся тем, что литниковые ходы выполнены в виде пластин, соединяющих стартовый конус с торцами полки лопатки и дополнительно содержит литниковые ходы треугольной формы, которые одной стороной соединены под прямым углом с полкой по линии проходящей от пера к торцу полки, второй стороной соединены с литниковыми ходами, выполненными в виде пластины, а третья сторона литникового хода треугольной формы образует угол 30-55° с литниковыми ходами, выполненными в виде пластины.
Литниковые ходы выполненные в виде пластины и дополнительные литниковые ходы треугольной формы имеют толщину не более 5 мм.
Литниковые ходы выполненные в виде пластины позволяют подводить структуру по всей ширине торцев полки и легко удаляются после кристаллизации.
Дополнительные литниковые ходы треугольной формы служат для подвода структуры к полке по всей ее длине (от торца полки до радиуса перехода от полки к перу).
Прямой угол для присоединения литникового хода треугольной формы к полке выбран для улучшения технологичности при изготовлении керамической формы.
Угол наклона в 30-55° стороны литникового хода треугольной формы находится в диапазоне углов наклона сторон стартового конуса к направлению кристаллизации отливки. Меньшее значение угла излишне удлиняет кристалловод, большее - ведет к повышению вероятности образования посторонних кристаллов.
Толщина литниковых ходов должна быть минимально возможной для сборки модели литейного блока из применяемых модельных масс и последующего нанесения слоев керамической формы для литья по выплавляемым моделям. Поэтому предпочтительной является толщина не более 5 мм.
При отсутствии дополнительного литникового хода треугольной формы структура в полке прорастает в радиальном направлении с двух сторон: от торца полки и от пера лопатки. При этом рост монокристалла происходит за счет дендритных ветвей, перпердикулярных направлению роста [100] и [I00]. Такой рост вызывает образование на месте стыка субграницы, по которой возникают горячие трещины. При росте монокристалла с дополнительным треугольным кристалловодом структура на полке формируется осями дендритов [001] - параллельными оси роста и стык фронтов не образуется.
Кроме того, в процессе кристаллизации за счет усадочных напряжений может происходить деформация полки (изгиб). На этом месте при термической обработке возникают рекристаллизационные зерна, что ведет к браку отливки. Треугольный кристалловод как бы «поддерживает» полку, препятствуя ее деформации, что предотвращает появление рекристаллизационных зерен.
Изменение формы и положения литниковых ходов позволило повысить выход годных отливок по структуре.
Полезная модель поясняется чертежом. На Фиг.1 представлен общий вид устройства для получения отливки монокристаллической турбинной лопатки с сечением по линии А-А где: 1 - затравочная полость с затравкой, 2 - коническая стартовая полость, 3 - перо лопатки, 4 - литниковые ходы, выполненные в виде пластины, 5 - полка, 6 - дополнительные литниковые ходы треугольной формы, 7 - прибыльная часть отливки.
Монокристаллическая структура, зародившаяся от затравки, размещенной в затравочной полости 1, прорастает в коническую стартовую полость 2, а затем в перо лопатки 3 и в литниковые ходы, выполненные в виде пластины 4, через которые структура прорастает к торцам полки 5, и по литниковым ходам треугольной формы 6 к полке, препятствуя образованию стыка фронтов кристаллизации и снижая деформацию полки от усадочных напряжений. Прибыльная часть 7 питает отливку в процессе кристаллизации.
Пример осуществления устройства
Предлагаемое устройство было испытано в производственных условиях предприятия при отливке монокристаллических турбинных лопаток кристаллографической ориентации [001] на установке высокоградиентной направленной кристаллизации УВНК-9А.
Сборку модели формы проводили вручную по шесть лопаток на литниковую чашу. В готовую форму в затравочную полость каждой лопатки устанавливали затравки из сплава системы Ni-W-C, полученные методом ориентированной вырезки.
Отливку монокристаллических турбинных лопаток проводили из жаропрочных сплавов ВЖМ5У и ЖС26УМ.
Как показал визуальный и рентгеновский контроль полученных отливок, все они не имели поперечных субграниц на полках, обладали монокристаллической структурой [001], с отклонением от заданной кристаллографической ориентации до 7°.
Опробование предлагаемого устройства на промышленных установках направленной кристаллизации обеспечивает повышение выхода годных отливок по структуре до ~95% и позволяет получать лопатки турбин с полностью монокристаллической структурой.
При отливке лопаток той же конструкции с использованием устройства-прототипа результаты исследования макроструктуры показали, что практически на всех лопатках в зоне полок возникли посторонние кристаллы и выход годных отливок по структуре составил 35%.
Таким образом, применение предлагаемого устройства позволяет получать качественные монокристаллические отливки лопаток турбины, что повышает надежность и ресурс работы современных газотурбинных двигателей и газотурбинных установок.