СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ СЕРДЕЧНИКОВ ДЛЯ ЛОПАТОК ТУРБОМАШИН
METHOD OF FABRICATION OF CERAMIC CASTING CORES FOR BLADES OF TURBOMACHINES

Настоящее изобретение относится к изготовлению компонентов, таких как металлические лопатки для турбомашин, имеющих внутренние полости сложной формы, которые, в частности, образуют контуры охлаждения, посредством метода литья в выплавляемые модели.
Изготовление лопаточного набора включает в себя этап производства модели из воска или какого-либо эквивалентного материала, содержащей внутренний компонент, образующий литейный стержень и характеризующийся наличием полостей в лопатках. Литейная форма для воска используется для образования модели, причем в эту форму помещается стержень, и в него вводится воск. Восковая модель затем несколько раз опускается в шликеры для литья, состоящие из суспензии из керамических частиц для производства оболочковой формы. Воск удаляется, и оболочковая форма сушится. Лопатка изготавливается посредством заливки расплавленного металла, который занимает пустоты между внутренней стенкой оболочковой формы и стержнем. При помощи присадок или подходящего селектора и регулируемого охлаждения металл затвердевает с желаемой структурой. В зависимости от природы сплава и от ожидаемых свойств компонента, получаемого литьем, это может быть направленное затвердевание (DS) с волокнистой структурой, направленное затвердевание с монокристаллической зерновой структурой (SX) или равноосное затвердевание (EX). Первые две группы компонентов относятся к суперсплавам для компонентов, подвергаемых большим напряжениям, причем как термическим, так и механическим, в газотурбинном двигателе, таких как лопатки турбины высокого давления.
Как только сплав затвердевает, оболочку и стержень выбивают. В результате получается желаемая лопатка.
Используемые в настоящее время литейные стержни изготавливаются из керамики, как правило, с пористой структурой. Они производятся из смеси, состоящей из огнеупорного наполнителя в форме частичек и из более или менее комплексной органической фракции, образующей связующее вещество. Примеры составов приведены в патентах ЕР 328452, FR 2371257 или FR 1785836. Как известно, литейные стержни приобретают форму посредством литья при использовании, например, литьевой машины. За этим формированием следует операция удаления связующего вещества, в ходе которой органическая фракция стержня удаляется таким способом, как испарение или термодеструкция, в зависимости от используемого материала. Это приводит к возникновению пористой структуры. Стержень затем затвердевает при помощи термической обработки в печи. Для устранения и зачистки следов линий разъемов и достижения конечной конфигурации стержня может быть использован этап доводки. Для этого используются абразивные инструменты. Также, может быть необходимо укрепить стержень для предотвращения его повреждения на последующих циклах его использования. Если это необходимо, то стержень пропитывается органической смолой.
Из-за сложной конфигурации стержней и, в частности, из-за наличия углублений, которые образуют перегородки, как только металлический сплав был отлит, форма для образования стержней содержит иногда большое количество подвижных субкомпонентов. Перегородки этих субкомпонентов имеют подрезы по отношению к главному направлению открывания инструмента. Они представляют собой участки небольшого наклона по отношению к стенке литейной формы, которые стремятся препятствовать извлечению отлитого объекта. Однако эти субкомпоненты, соответствующие перегородкам, позволяют образовать весь стержень непосредственно при литье.
Этот метод обычно применяется, когда существует необходимость в изготовлении большого количества стержней. Это происходит в том случае, когда используется производство компонентов двигателя в ходе серийного производства. Однако имеются недостатки при изготовлении ограниченного количества стержней, например, в ходе программы разработки двигателя. Производство литейного инструмента, который имеет множество субкомпонентов, занимает время, которое считается избыточным для простой технологической разработки. Его стоимость также очень высока. Более того, ручные операции доводки отнимают много времени и требуют больших трудовых затрат.
Следовательно, при разработке двигателей, способ литья в форму, содержащую множество субкомпонентов, не может соответствовать быстрым и экономичным изменениям в конструкции стержня. Более того, толщины, требуемые для заднего края стержней, становятся все более тонкими. Достигнуть этого при помощи известного способа становится сложно.
Для решения этих проблем одна из известных технологий заключается в изготовлении керамических стержней в упрощенной форме, которая не имеет подрезных перегородок. Затем стержни обрабатываются после обжига с целью образования углублений, которые образуют перегородки, средств разделения потока и проточек заднего края. Однако этот метод имеет определенные ограничения. Так как керамика не имеет пластической области, производится обработка шлифованием. С этой целью используются специальные очень дорогостоящие инструменты с алмазными наконечниками. Несмотря на это инструменты быстро изнашиваются, и размерные требования стержня более не могут быть соблюдены. Более того, стержни также проявляют неравномерную усадку по отношению друг к другу на этапе обжига, и это означает, что должна быть осуществлена адаптивная обработка, если должны быть соблюдены упомянутые размерные допуски. Адаптивная обработка заключается в измерении размеров каждого стержня при помощи подходящих измерительных средств и последующем сравнении измеренных данных со значениями, записанными в численном файле, относящемся к заданному стержню. В соответствии с различием между значениями для реального стержня и стержня согласно численному файлу комплект программного обеспечения вычисляет путь инструмента. Эти операции необходимо осуществлять для каждого отдельно взятого стержня.
Также известен способ, используемый для программ разработки двигателей, который заключается в образовании стержня слой за слоем путем добавления последовательных слоев керамики при помощи установки, в которой используется лазер для спекания частиц керамики, или при помощи установки, содержащей насадку, осаждающую коллоид, который связывает частички керамики, или, как вариант, при помощи установки, в которой используется лазер для затвердевания смолы, нагруженной частичками керамики, из которой затем удаляется связующее вещество, до того как сплавляется керамика. Несмотря на то что при этих технологиях не используется литейное оборудование, периоды изготовления стержней также слишком велики. Более того, размеры очень сложно регулировать, в частности, в случае стержней для подвижных лопаток, задние края которых являются очень тонкими.
В соответствии с изобретением эти проблемы решены посредством создания способа изготовления литейного стержня, имеющего, по меньшей мере, одну выемку, в частности, для формирования перегородки в лопатках турбомашины, включающего формирование в литейной форме стержня из смеси, содержащей наполнитель из керамических частиц и органическое связующее вещество, извлечение стержня из формы, удаление связующего вещества и термическую обработку для затвердевания стержня. При этом согласно способу в литейной форме формируют стержень без указанной выемки, а выемку выполняют фрезерованием после извлечения стержня из литейной формы до его термической обработки. Было установлено, что стержень можно обрабатывать после того, как он был отлит, и до того, как он подвергается затвердеванию путем термической обработки. В этом состоянии стержень имеет пластичную консистенцию и может быть обработан, в то же время сохраняя свою форму. Дополнительно, стержни также имеют одинаковую усадку по отношению друг к другу после операции литья (все они являются геометрически идентичными). Следовательно, вопреки предшествующим решениям, не существует необходимости в измерении стержней и сравнении их размеров с размерами, записанными в численном файле, относящемся к стержню. При использовании настоящего изобретения не требуется адаптивная обработка.
Предпочтительно, фрезерование осуществляют последовательными проходами на определенную толщину в диапазоне от 0,1 и 2 мм.
Предпочтительно, фрезерование осуществляют при помощи фрезы путем удаления стружки на, по меньшей мере, трехосном и предпочтительно четырех- или пятиосном фрезерном станке.
Эта технология позволяет обработать необожженный стержень из существующего CAD-CAM (автоматизированное проектирование/автоматизированное производство) без получения усадки стержня при обжиге, чьи усадки не всегда одинаковы. Необожженный стержень имеет размеры литейной формы, в которой он был изготовлен. Преимущественно, стержни перед обжигом являются геометрически идентичными.
Предпочтительно, фрезерование включает в себя скругление участка между необработанной поверхностью литейного стержня и выемкой.
Предпочтительно, способ предназначен для изготовления литейного стержня, содержащего множество выемок, форма для которых содержит ряд подвижных компонентов, меньший по количеству, чем ряд выемок в стержне, и предпочтительно не содержит подвижных компонентов.
Предпочтительно, выемка представляет собой сквозное отверстие, посредством которого после отливки образуется разделительная перегородка в контуре охлаждения лопатки турбомашины.
Предпочтительно, выемка представляет собой сквозное отверстие, посредством которого после отливки образуется разделительная перегородка между двумя отверстиями для выхода охлаждающей жидкости на задней кромке лопатки турбомашины.
Предпочтительно, выемка является несквозным отверстием, посредством которого после отливки образуется деталь, которая разделяет поток в контуре охлаждения лопатки турбомашины.
Таким образом, могут быть получены выемки различных форм, соответствующие различным структурным элементам стержня. В частности, можно выполнить сквозное отверстие, которое, как только металл был залит, образует разделительную перегородку в охлаждающем контуре лопатки турбомашины. Также можно выполнить сквозное отверстие, которое, после литья, образует разделяющую перегородку между двумя выходными отверстиями для охлаждающей жидкости на заднем конце лопатки турбомашины. Также можно выполнить выемку, которая не является сквозным отверстием и которая после литья образует деталь, разбивающую поток. Кроме того, возможны и другие формы.
Предпочтительно, фрезерование осуществляют при помощи фрезерного инструмента, содержащего головку, имеющую диаметр в диапазоне от 0,3 до 0,8 мм, и винтовую стружечную канавку, угол наклона винтовой линии которой находится в диапазоне от 40 до 60 градусов.
В соответствии с изобретением уменьшаются стоимость и временные затраты, требуемые для получения литейных стержней. При этом время, требуемое для получения стержня литьем в форму с перегородками, образующими пазы, составляет от трех до четырех месяцев, время, затрачиваемое при использовании способа согласно настоящему изобретению, сокращается до трех-четырех недель. Решение также значительно прибавляет гибкости и способности реагирования на изменения в конструкции и способствует получению стержней, имеющих более тонкие задние края, составляющие 0,1-0,3 мм, чем могло бы быть достигнуто способом согласно предшествующему уровню техники. Также выяснилось, что при помощи этого способа количество дополнительно обрабатываемых стержней снижается, то есть снижается степень брака.
Более подробно, стержень содержит от 80 до 85% неорганического наполнителя и от 15 до 20% органического связующего вещества. Состав предпочтительно соответствует одному из описанных в патенте ЕР 328452.
Другие особенности и преимущества станут понятны после прочтения нижеприведенного описания варианта воплощения способа согласно настоящему изобретению со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - вид в сечении охлажденной лопатки турбины;
Фиг.2 - вид в перспективе необработанной отливки стержня после его извлечения из упрощенной литейной формы;
Фиг.3 - вид стержня с Фиг.2 после выполнения выемки в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.4 - вид сечения по линии IV-IV с Фиг.3;
Фиг.5 иллюстрирует способ обработки при помощи фрезы.
Следующее описание соответствует применению изобретения для выполнения литейного стержня для лопатки турбины высокого давления в газотурбинном двигателе для авиационного или наземного использования. Однако этот вариант воплощения не является ограничивающим.
Как показано на Фиг.1, лопатка 1 турбины содержит рабочую поверхность IN, поверхность разрежения ЕХ, переднюю кромку ВА и заднюю кромку BF. В случае лопатки турбины высокого давления для газотурбинного двигателя для авиационного использования лопатка содержит внутренние полости, причем в этом примере их 7:1А по 1G. Задняя кромка содержит отверстие, проходящее из последней полости 1G, так что может выпускаться охлаждающая текучая среда, которая представляет воздух, отведенный из компрессора.
Полости разделены друг от друга перегородками: 1АВ, 1ВС и т.д. Если эти лопатки изготавливаются путем литья расплавленного металла, оболочковая форма должна включать в себя стержень, занимающий пустоты полостей, которые должны быть образованы в лопатке. Стержень, как показано на Фиг.1, имеет сложную форму. В частности, он содержит выемки, соответствующие перегородкам, выполнить которые непросто. В частности, этот стержень изготавливается посредством литья в форму, в которой необходимо выполнить подрезы для выполнения этих выемок. Традиционная технология включает в себя оборудование литейной формы субкомпонентами, которые имеют определенную степень подвижности, так чтобы стержень можно было извлечь, как только материал был введен в форму. Как описано выше, изготовление этого типа литейной формы с подвижными субкомпонентами является очень длительным и дорогим процессом. Целью настоящего изобретения является производство стержня, который имеет сложную конструкцию, такую как эта, но не требует производства формы такой же сложности.
В соответствии с изобретением изготавливается упрощенная литейная форма, то есть изготавливается литейная форма, не имеющая подвижных субкомпонентов или имеющая, по меньшей мере, уменьшенное количество подвижных субкомпонентов. В рамках изобретения литейная форма является упрощенной, если она имеет, по меньшей мере, одну выемку, такую как выемку для перегородки, не содержит соответствующего субкомпонента и если эту выемку необходимо подвергать обработке для придания ей формы. На Фиг.2 показан стержень 10, получаемый в такой упрощенной литейной форме. Этот стержень 10 содержит часть, соответствующую полостям в лопатке 10А, часть 10В, соответствующую полостям в нижней части лопатки, и часть 10С, которая образует ручку для ее удерживания при обработке. На верхнем конце лопатки можно увидеть часть 10D, соответствующую понятию «ванна» в данной области техники. Эта часть в данном примере отделяется от части 10А поперечной выемкой. Эта выемка образует торцевую стенку «ванны» после отливки.
Для изготовления этого необработанного литейного стержня производится подходящая смесь. Например, в частности, органическое связующее вещество, соединенное с неорганическим наполнителем. Например, смесь производится в соответствии с технологией, раскрытой в патенте ЕР 328452. Стержень хорошо обрабатывается, и его конструкция позволяет обрабатывать его фрезой, которая удаляет стружку.
Следующим этапом является обработка (в этой грубой отливке 10) выемок, которые не были предусмотрены в литейной форме. Обработка преимущественно осуществляется при помощи инструмента, такого как показан на Фиг.5. Это фреза 100, содержащая режущий конец 100А и винтовую стружечную канавку или кромку вдоль его хвостовика 100В. Выемка, которую следует обработать, например, имеет ширину 1 мм. Фреза движется под прямыми углами к поверхности, которую следует обработать, на глубине относительно этой поверхности, в случае лопатки турбины, между 0,1 и 0,5 мм. Скорость инструмента и его скорость углубления также являются постоянными. Таким образом, ограничиваются нагрузки на материал, и устраняется сгибание инструмента. Головка инструмента преимущественно имеет диаметр от 0,3 до 0,8 мм, в зависимости от ширины паза, который следует выполнить в стержне. Обработка происходит таким образом: фрезеруются определенные глубины материала на последовательных этапах до тех пор, пока не будет пройден стержень. В ходе этой фазы предпочтительно сохраняется зазор, и, как только стержень будет полностью пройден, точный профиль, который следует получить, вытачивается прохождением фрезы на его хвостовике.
Предпочтительно, как правило, используется механический станок с ЧПУ пятиосного типа, имеющий, например, три оси для размещения фрезы в пространстве и две оси для расположения стержня. Этот станок может быть легко запрограммирован для автоматизации обработки выемок.
Выемка завершается операцией скругления. При этом вводятся такие параметры, как скорость резания, скорость вращения инструмента, его путь и диаметр.
Стержни лопаток теперь имеют более узкие задние кромки. Этого сложно достичь посредством литья согласно предшествующему уровню техники. Способ согласно настоящему изобретению обеспечивает производство необработанной отливки с относительно толстой задней кромкой и обработку этой части с целью достижения желаемой толщины, до 0,15 мм.
На Фиг.3 и 4 показан стержень 10 после его обработки. Выемки 10АВ, 10ВС и т.д., которые являются продольными и располагаются более или менее в осевом направлении лопатки, представляют собой сквозные отверстия и имеют ширину перегородок 1АВ, 1ВС и т.д., которые они будут образовывать, обеспечивать или принимать усадку в компоненте сразу после того, как расплавленный металл будет залит в литейную форму.
Сразу после обработки стержня переходят к последующим обработкам, известным самим по себе, в процессе изготовления литейных стержней. Этот процесс включает в себя удаление связующего вещества, то есть удаление органического связующего вещества. С этой целью стержень нагревается до температуры, достаточно высокой для разрушения органических компонентов, которые он содержит. Следовательно, другие этапы включают в себя нагрев стержня до температуры, требуемой для спекания керамических частиц, из которых он изготовлен. Если требуется дополнительное затвердевание, он насыщается органической смолой.
На чертежах в большой степени показаны зазоры для перегородок, так как решение обеспечивает значительное облегчение в геометрической форме литейных форм, используемых для формирования лопаток. Однако оно может быть распространено на обработку любой части стержня. Например, эта технология позволяет выполнять части стержня, которые являются очень тонкими, такие как часть стержня, расположенная вблизи задней кромки и содержащая каналы для прохода воздуха, выходящего из внутренней области лопатки на конце контура охлаждения и входящего в газовый поток.