УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВКИ ЛОПАТКИ С МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ

Полезная модель относится к области литейного производства и может быть использована при получении монокристаллических отливок, например, сопловых и рабочих турбинных лопаток современных газотурбинных двигателей (ГТД) и газотурбинных установок (ГТУ) из никелевых жаропрочных сплавов.
Известно устройство для получения монокристаллических отливок турбинных лопаток, в котором монокристаллическая структура зарождается от затравки, размещенной в специальном керамическом кармане формы или от затравки в комбинации с кристаллоотборником в виде спирального литникового хода (патенты ЕР №0127552, ЕР №0087379).
Недостатком этого устройства является недостаточное питание в тонких сечениях, не позволяющее сформировать полностью монокристаллическую лопатку, то есть такую, в которой монокристаллическим является не только перо, но и замок с полкой. При формировании структуры собственно лопатки происходит образование посторонних зерен в зоне полок, в частности по краям замковой полки, что является браком по структуре.
Известно устройство для получения отливки с монокристаллической структурой, преимущественно турбинной лопатки, состоящей из пера, замковой полки, замковой и прибыльной частей, которое содержит керамическую форму, в основании которой выполнены последовательно затравочная полость с размещенной в ней монокристаллической затравкой заданной ориентации, коническая стартовая полость, соединенная кристаллоотборником с полостью формы, образующей отливку лопатки, и прибыльная часть, питающая отливку в процессе направленной кристаллизации, которые расположены по оси направления 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 появлением посторонних кристаллов, возникающих по краям полки, преимущественно со стороны входной и выходной кромок пера, что приводит к браку отливок и уменьшению выхода годного литья.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип является устройство для получения отливки с монокристаллической структурой, имеющей не менее одной полки и прибыльную часть, содержащее керамическую форму, в которой выполнены последовательно затравочная полость с размещенной в ней монокристаллической затравкой заданной кристаллографической ориентации, коническая стартовая полость, полость формы, образующая отливку, прибыльная часть и литниковые ходы, соединяющие стартовую полость, с кромками по крайней мере одной полки отливки, в котором полость формы и литниковые ходы выполнены под углом 10-45° к оси прибыльной части и направлению кристаллизации отливки, при этом коническая стартовая полость соединена с полкой отливки (патент РФ №2400326).
Недостатком устройства-прототипа является трудность формирования монокристальной структуры в отливке, связанная с тем, что максимальный угол наклона 45 градусов относительно направления роста недостаточен для предотвращения образование посторонних кристаллов. Это приводит к снижению выхода годных монокристаллических отливок по структуре.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является увеличение выхода годных монокристаллических отливок за счет снижения вероятности образования посторонних кристаллов на полках отливок лопаток.
Для решения поставленной задачи предлагается устройство для получения отливки лопатки с монокристаллической структурой заданной кристаллографической ориентации, имеющей 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 прибыльная часть отличающееся тем, что стартовая полость, имеет угол уклона конуса относительно направления кристаллизации отливки 30-45°, 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.
[HKL]
При такой конструкции литейной формы, после заполнения ее металлом, в процессе направленной кристаллизации, монокристаллическая структура, зарождаясь от затравки, прорастает в стартовый конус, который соединен одновременно с кромками нижней полки лопатки, выходной кромкой пера лопатки и кромкой верхней полки. В этом случае фронт кристаллизации при формировании структуры лопатки не имеет разрывов, а значит, в отливке не происходит образования субзерен с большой разориентацией. Таким образом ликвидируется возможность возникновения субграницы с большой разориентацией (Δα>3°) на месте «стыка» разделенных фронтов кристаллизации (первый фронт - от литникового хода-кристалловода и верхней полки, второй - от нижней полки и пера лопатки) - так называемая субструктура 1-го рода. Наличие такой разориентации недопустимо для отливок из никелевого жаропрочного безуглеродистого сплава. Поперечная субграница может привести к значительной потере прочности материала, а значит ее наличие является браком по структуре. Кроме того, по этой границе в процессе направленной кристаллизации часто происходит образование горячей трещины.
Стартовая полость, формирующая стартовый конус, с углом уклона конуса относительно направления кристаллизации 30-45° позволяет надежно подводить структуру непосредственно к нескольким частям отливки, не зависимо от соотношения ее длины и высоты. Установлено, что увеличение угла уклона конуса более 45° при кристаллизации ведет к возникновению посторонних кристаллов, уменьшение этого угла менее 30° неоправданно увеличивает длину стартового конуса и длительность процесса направленной кристаллизации. Наклон полости формы, образующей отливку, от 35° до 85° позволяет формировать структуру как пера, так и полок лопатки, используя угол полки лопатки в качестве стартового конуса и кристалловода. Кроме того, наклон полок относительно направления кристаллизации, приводит к устранению микрорыхлоты на поверхностях полок.
Все это позволяет повысить выход годных отливок по структуре за счет уменьшения вероятности образования посторонних кристаллов.
Изобретение поясняется чертежом. На Фиг.1 представлен общий вид устройства для получения отливки лопатки с монокристаллической структурой, где:
1 - Затравочная полость с затравкой
2 - Стартовая полость
3 - Нижняя полка
4 - Перо
5 - Верхняя полка
6 - Литниковые ходы
7 - Прибыльная часть
Монокристаллическая структура, зародившаяся от затравки, расположенной в затравочной полости 1, в процессе направленной кристаллизации, прорастает через стартовую полость 2, в соединенные с ней нижние кромки полок 3 и 5 и выходную кромку пера лопатки 4; далее монокристалл растет в полках 3 и 5 и в пере 4, чему способствует угол наклона отливки относительно направления кристаллизации, в процессе которой верхние, самые удаленные от затравки, кромки полок, подпитываются металлом через литниковые ходы 6, соединяющие верхние кромки полок 3 и 5 и прибыльную часть 7 для устранения рыхлоты. Кроме того, присоединение стартового конуса одновременно к полкам и выходной кромке пера лопатки приводит к отсутствию разрыва фронта роста в процессе направленной кристаллизации.
В производственных условиях ФГУП «ВИАМ» были получены турбинные лопатки трех видов: двух видов сопловых лопаток (широкохордной и сопловой лопатки с развитыми полками) и рабочей лопаткой с бандажной и замковой полками. Для получения заданной кристаллографической ориентации отливки лопатки использовали затравки из сплава системы Ni-W-C с кристаллографической ориентацией [001], полученные методом ориентированной вырезки.
Модельные блоки собирали в зависимости от конструкции лопаток, в частности от размеров пера и полок лопатки.
Пример 1
На восковую модель отливки широкохордной сопловой лопатки, имеющую перо и две полки, припаиваем восковую модель литниково-питающей системы: литниковые ходы - кристалловоды, питатели, прибыль и стартовый конус, имеющий угол уклона конуса 30°.
Собранные таким образом модели отливок сопловых лопаток устанавливали на восковую модель литейной чаши по две модели отливки лопатки в блоке под углом 85°, таким образом, чтобы стартовый конус, соединенный с нижними кромками полок и выходной кромкой пера лопатки, располагался по предполагаемому направлению кристаллизации.
В собранных модельных блоках на стартовые конусы устанавливали затравочный узел.
На модельные блоки, послойно, наносили керамическую суспензию.
Из полученной керамической оболочки вытапливали восковую модель по известной технологии.
Пустотелые керамические формы прокаливали в печи для придания прочности.
Полученные керамические формы имели полости согласно фиг.1.
В готовые формы устанавливали затравки, обеспечивающие получение отливки лопатки с монокристаллической структурой заданной кристаллографической ориентации.
Формы помешали в установку для направленной кристаллизации УВНК9 и заливали жаропрочным никелевым сплавом ЖС-36.
После заливки форм и проведения операции травления, все отливки подвергали визуальному контролю на наличие или отсутствие посторонних кристаллов, а также рентгеновскому контролю на дифрактометре ДРОН-3 для аттестации кристаллографической ориентации отливки.
Пример 2
На восковую модель отливки сопловой лопатки, имеющую перо и две развитые полки, припаивали восковую модель литниково-питающей системы: литниковые ходы - кристалловоды, питатели, прибыль и стартовый конус, имеющий угол уклона конуса 35°.
Собранные таким образом модели отливок сопловых лопаток устанавливали на восковую модель литейной чаши по две модели отливки лопатки в блоке под углом 60°, таким образом, чтобы стартовый конус, соединенный с нижними кромками полок и выходной кромкой пера лопатки, располагался по предполагаемому направлению кристаллизации.
Далее технологические операции повторяли в соответствии с Примером 1.
Пример 3
На восковую модель отливки рабочей лопатки, имеющую перо, замковую и бандажную полки, припаивается восковая модель литниково-питающей системы: литниковые ходы - кристалловоды, питатели, прибыль и стартовый конус, имеющий угол уклона конуса 45°.
Собранные таким образом модели отливок сопловых лопаток устанавливали на восковую модель литейной чаши по две модели отливки лопатки в блоке под углом 35°, таким образом, чтобы стартовый конус, соединенный с нижними кромками полок и выходной кромкой пера лопатки, располагался по предполагаемому направлению кристаллизации.
Далее технологические операции повторяли в соответствии с Примером 1.
Как показал визуальный и рентгеновский контроль полученных отливок, все отливки, собранные по приведенной схеме, имели монокристаллическую структуру [001] с точностью 5-7°. Выход годного по структуре отливок, полученных с применением предлагаемого устройства, составил 100%.
Одновременно были изготовлены модельные блоки турбинных лопаток по прототипу. Часть отливок лопаток, изготовленных по прототипу, имели посторонние кристаллы на верхней полке лопатки, и между полкой и пером лопатки наблюдалась большая разориентация субзерен. Выход годного по структуре отливок, полученных с применением устройства-прототипа, составил 75%.
Опробование предлагаемого устройства на промышленных установках направленной кристаллизации типа УВНК показало, что оно обеспечивает получение годных по структуре монокристаллических отливок лопаток с полностью монокристаллической структурой.
Таким образом, применение предлагаемого устройства позволяет получать качественные монокристаллические лопатки, что повышает надежность и ресурс работы современных газотурбинных двигателей и газотурбинных установок.