УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЛОПАТКИ ИЗ ЖАРОПРОЧНОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА С МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ
DEVICE FOR OBTAINMENT OF HEAT-PROOF NICKEL ALLOY BLADE WITH MONOCRYSTALLINE STRUCTURE

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при литье монокристаллических лопаток из жаропрочных никелевых сплавов, имеющих бандажные полки с лабиринтными гребешками, в частности расположенными против направления роста кристаллов, преимущественно крупногабаритных лопаток ГТУ.
Известны устройства для получения монокристаллических отливок турбинных лопаток заданной кристаллографической ориентации, в которых керамическая оболочковая форма содержит полость отливки, стартовую полость и полость кристаллоотборника в виде геликоида, работающего по методу естественного отбора одного кристалла из множества зародившихся на охлаждаемой поверхности (патенты США №№4133368, 4469160; Великобритании №2112309), а также устройства, содержащие затравочную полость с затравочным гнездом с размещенной в нем тугоплавкой затравкой (патенты США №№4714101, 4475582; патенты РФ №№2155651, 2021877, 2265496, 2167029).
Однако при использовании указанных устройств затруднительно обеспечить рост монокристаллической структуры во всех элементах крупногабаритных отливок, таких как лопатки, из-за наличия в них сильно развитых бандажных полок, многочисленных лабиринтных гребешков, что приводит к браку по структуре.
Наиболее близким к заявляемому является устройство для получения отливки монокристаллической турбинной лопатки, состоящей из пера, замковой части, одной или более замковых бандажных полок, которое содержит керамическую форму лопатки, в основании которой последовательно выполнены затравочная полость с размещенной в ней монокристаллической затравкой, коническая стартовая полость, полость пера, полость замка с замковой полкой, а также дополнительные литниковые ходы, соединяющие стартовую полость с замковой полкой вдоль входной и выходной кромок пера лопатки, при этом расстояние между входной и выходной кромками торца пера лопатки меньше прилегающего к нему торца конической стартовой полости (патент РФ №2239520).
Недостатками прототипа являются вероятность появления засоров в местах соединения кристалловодов с полостью отливки, особенно для крупногабаритных ГТУ из-за большой протяженности, что снижает выход годного по структуре, а также дополнительный расход остродефицитного жаропрочного сплава на заполнение дополнительных литниковых ходов большой протяженности (на больших отливках масса их существенна), значительное увеличение веса керамической формы и самой отливки.
Технической задачей изобретения является разработка устройства, позволяющего получать крупногабаритные лопатки ГТУ из жаропрочных никелевых сплавов с монокристаллической структурой, обеспечивающих повышение выхода годного по структуре, снижение расхода жаропрочного сплава, снижение веса керамической формы и самой отливки.
Для решения технической задачи предлагается устройство для получения лопатки из жаропрочного никелевого сплава с монокристаллической структурой, состоящей из пера, замковой части и, по крайней мере, одной замковой бандажной полки, содержащее керамическую форму лопатки, в основании которой последовательно выполнены затравочная полость с размещенной в ней монокристаллической затравкой заданной кристаллографической ориентации, коническая стартовая полость и полость пера лопатки, отличающееся тем, что замковая бандажная полка снабжена дополнительными стартовой и затравочной полостями, причем дополнительная стартовая полость выполнена в виде треугольника, основание которого равно ширине замковой бандажной полки лопатки, а в вершине противоположной основанию треугольника расположена затравочная полость с затравкой. Затравка, размещенная в дополнительной затравочной полости, выполнена с той же кристаллографической ориентацией, что и в затравочной полости пера керамической формы. В качестве затравки использованы сплавы системы никель-вольфрам, никель-рений, никель-родий. Для получения лопаток с несколькими замковыми бандажными полками дополнительные стартовые полости могут быть объединены в один узел с общей затравочной полостью.
В предлагаемом устройстве монокристаллическая структура зарождается от монокристаллической затравки, расположенной в затравочной полости керамической формы, распространяется в стартовую коническую полость, а затем в перо лопатки. Для получения монокристаллической структуры в полках лопатки крупногабаритной ГТУ замковая бандажная полка с каждой стороны снабжена дополнительными стартовыми полостями, выполненными в виде треугольника, основание которого должно быть равно ширине замковой бандажной полки лопатки, чтобы избежать зарождения посторонних кристаллов в месте их соединения. Каждая дополнительная стартовая полость в вершине, противоположной основанию треугольника, содержит затравочную полость с затравкой, кристаллографическая ориентация которой совпадает как в осевом, так и азимутальном направлениях с ориентацией затравки в затравочной полости пера керамической формы. Применение тугоплавких затравок системы Ni-W, Ni-Re, Ni-Rh снимает опасность полного расплавления затравок независимо от места расположения формы в нагревателе, что повышает надежность технологического процесса. Передача кристаллографической ориентации от затравки к отливке осуществляется за счет растворения торца затравки залитым на него расплавом, а не за счет расплавления части затравки, как в прототипе.
Для получения монокристаллической лопатки с несколькими бандажными полками целесообразно дополнительные стартовые полости с каждой стороны объединять в один узел с общей затравочной полостью, что технологически упрощает изготовление керамической формы.
На фиг.1 и 2 представлено устройство для получения крупногабаритной лопатки ГТУ.
На фиг.1 показана керамическая форма лопатки ГТУ с одной бандажной полкой, где:
1 - затравочная полость с затравкой;
2 - коническая стартовая полость;
3 - полость пера лопатки;
4 - дополнительная затравочная полость с затравкой;
5 - дополнительная стартовая полость;
6 - бандажная полка лопатки;
7 - замковая часть лопатки.
На фиг.2а показана керамическая форма лопатки ГТУ с двумя замковыми бандажными полками, где:
1 - затравочная полость с затравкой;
2 - коническая стартовая полость;
3 - полость пера лопатки;
4 - дополнительные затравочные полости с затравками;
5 - дополнительные стартовые полости;
6 - бандажные полки лопатки;
7 - замковая часть отливки.
На фиг.2б показана керамическая форма лопатки ГТУ с двумя замковыми бандажными полками, дополнительные стартовые полости которых объединены общей затравочной полостью, где:
8 - дополнительные стартовые полости, объединенные общей затравочной полостью.
В керамической форме лопатки, в которой последовательно соединены затравочная полость с затравкой (1), коническая стартовая полость (2) и полость пера лопатки (3), выполнены дополнительные стартовые полости (5), примыкающие к бандажным полкам лопатки (6), в виде треугольника, в вершине, противоположной основанию треугольника, которого расположена дополнительная затравочная полость с затравкой (4), причем его основание равно ширине полки лопатки. Если лопатка имеет две замковые бандажные полки (6), то дополнительные стартовые полости в виде треугольника могут быть объединены вершинами в один узел общей затравочной полостью (8). В качестве затравок используют тугоплавкие затравки системы Ni-W, Ni-Re, Ni-Rh с температурой ликвидус на 20-100°С, превышающей максимально возможную температуру нагрева форм в течение всего технологического процесса.
Примеры выполнения
Пример 1
Устройство проверено при отливке лопатки ГТУ высотой 400 мм с одной замковой бандажной полкой на автоматизированной установке для крупногабаритного литья методом направленной кристаллизации УВНК-10. Модель лопатки изготовлена из модельной массы на основе синтетического воска. Стартовое устройство с затравочной полостью и дополнительные стартовые полости треугольной формы изготавливали отдельно с помощью пресс-формы и с помощью кондуктора все элементы собирали в модельный блок с заливочной чашей. Керамическую оболочковую форму изготавливали по стандартной технологии. Перед плавкой в затравочную полость пера керамической формы устанавливали затравку из сплава Ni-30%W с осевой ориентацией [001] и азимутальной [010], ориентированной параллельно большей стороне замка. Во все дополнительные затравочные полости устанавливали затравки такой же ориентации, но из сплава системы Ni-Re. В подготовленную форму заливали жаропрочный сплав ЖС32 по следующему режиму: температура верхнего нагревателя 1560°С, температура среднего нагревателя 1540°С, температура нижнего нагревателя 1520°С, скорость погружения в охладитель переменная (5-10) мм/мин. В результате были получены крупногабаритные монокристаллические лопатки по всей высоте, включая замковые бандажные полки. Выход годного составил 90%.
Пример 2
На моделях лопаток, имеющих 2 бандажные полки, высотой 500 мм дополнительные стартовые полости в виде треугольника объединяли вершинами в один узел с общей затравочной полостью с обеих сторон лопатки, затем собирали в блоки, изготавливали керамические формы, как в примере 1. В готовые формы устанавливали одинаковые тугоплавкие затравки из одного сплава системы Ni-Rh. Исходное положение формы в печи подогрева форм установки УВНК-10 было, как в примере 1. Температурные параметры также не отличались от примера 1. Были также получены монокристаллические лопатки заданной кристаллографической ориентации [001], включая бандажные замковые полки. Выход годного составил 90%.
Пример по прототипу
Получали лопатку ГТУ высотой 400 мм. Форма, изготовленная по прототипу, на 30% тяжелее, чем по предлагаемому изобретению, расход жаропрочного сплава увеличился при этом на 20%. Исследование макроструктуры показало, что на полках лопатки имелись посторонние кристаллы, что является браком по структуре. Выход годного составил 70%.
Таким образом, предложенное устройство обеспечивает получение лопаток ГТУ из жаропрочного никелевого сплава с монокристаллической структурой без дополнительных литниковых ходов значительной протяженности, что существенно снижает трудоемкость при мехобработке лопаток, уменьшает расход дорогостоящего остродефицитного жаропрочного сплава на одну отливку, повышает надежность технологического процесса и выход годного по структуре за счет исключения возможности полного расплавления затравки при максимальных рабочих температурах.