УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК ЛОПАТОК ТУРБИН
DEVICE FOR PRODUCTION OF CASTS OF TURBINE BLADES

Изобретение относится к области литейного производства, в частности к литью лопаток из жаропрочных сплавов с направленной и монокристаллической структурой.
Известно устройство для получения отливок деталей большой протяженности с монокристаллической структурой (патент США 4459160, МПК С22С 19/05, опубл. 10.07.1984 г.). Устройство представляет собой керамическую форму, состоящую из рабочей полости отливки большой протяженности, нескольких стартовых полостей, заканчивающихся затравочными полостями с затравками заданной ориентации, расположенными на одном уровне с донной частью отливки. Недостатком устройства для получения сложных изделий является наличие субзерен в структуре полученных отливок, со значительной разориентацией блоков (>6°), что может привести к существенному снижению свойств изделия (например, к понижению пластичности до 50%).
Известно устройство для получения отливок с направленной и монокристаллической структурой, представляющее собой керамическую форму, состоящую из рабочей и стартовой полостей отливки (патент РФ 2201843 С2, МПК B22D 27/04, опубл. 10.04.2003 г.).
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 РФ 2265496 С1, МПК B22D 27/04, опубл. 10.12.2005 г.). Недостатком устройства для получения сектора соплового аппарата является наличие значительного отклонения кристаллографической ориентации (КГО) (>10°) двух крайних сопловых лопаток в блоке от заданной ориентации, что может привести к снижению свойств изделия.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является устройство для получения крупногабаритных лопаток с комбинированной структурой: монокристаллической на кромках отливки и направленной в средней части (патент РФ 2067916 С1, МПК B22D 27/04, опубл. 20.10.1996 г.). Устройство представляет собой керамическую оболочковую форму, со стартовой зоной и рабочей полостью. Стартовая зона лопатки выполнена из трех раздельных полостей, расположенных в двух уровнях, причем в двух крайних из них размещены монокристаллические затравки из тугоплавкого сплава заданной кристаллографической ориентации, а в средней части установлен тугоплавкий вкладыш с равноосной структурой. Недостатком устройства является невозможность получения отливок с полностью монокристаллической структурой заданной КГО.
Технической задачей заявленного изобретения является создание устройства для получения сектора (блока) идентичных отливок сопловых лопаток, содержащих в секторе (блоке) от двух до пяти (для удобства ремонта и замены лопаток соплового колеса) сопловых лопаток с направленной и монокристаллической структурой заданной ориентации и с отклонением КГО не более 10° от вертикальной оси каждой лопатки для получения сектора (блока) лопаток с повышенным уровнем термостойкости, высокой жаропрочностью и пластичностью, т.е. получение отливок с монокристаллической структурой, обладающих оптимальным комплексом свойств и не имеющих большеугловых границ, приводящих к трещинам в лопатках.
Технический результат - повышение жаропрочности, термостойкости и пластичности лопаток при увеличении ресурса их работы за счет устранения образования малоугловых и большеугловых границ зерен.
Для решения задачи и достижения технического результата предлагается устройство для получения сектора отливок сопловых лопаток турбин с монокристаллической структурой, представляющее собой керамическую форму, имеющую рабочие полости лопаток, стартовые зоны и раздельные затравочные полости, в которых размещены затравки, причем количество затравочных полостей с размещенной 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, причем азимутальная ориентация затравки фиксируется посредством ее 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, причем 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.
От монокристаллических затравок растут монокристаллы заданной ориентации, что позволяет обеспечить оптимальные свойства лопатки: максимальная жаропрочность и термостойкость, а также высокие усталостные характеристики (табл. 1).
На фиг. 1 представлено устройство для получения отливок лопаток турбин с монокристаллической структурой с тремя стартовыми полостями в виде конического продолжения профиля пера лопатки.
На фиг. 2 представлена форма затравки при виде снизу.
На фиг. 3 представлен элемент устройства для получения отливок лопаток турбин с монокристаллической структурой с тремя стартовыми полостями в виде двух сходящихся треугольных пластин каждая.
На фиг. 1 представлен пример сектора (блока) отливок сопловых лопаток, содержащих в секторе (блоке) три сопловые лопатки (1) с тремя стартовыми полостями в виде конического продолжения профиля пера лопатки (2) и затравками (3), индивидуальными для каждой лопатки с учетом КГО. Для предотвращения образования паразитных зерен в выступающих углах бандажной полки (5) отливки установлены кристалловоды (4) в виде пластин или прутков.
На фиг. 3 представлен элемент сектора (блока) отливок сопловых лопаток, содержащих в секторе (блоке) три сопловые лопатки (1) с тремя стартовыми полостями в виде двух сходящихся треугольных пластин (6) и затравками (3), индивидуальными для каждой лопатки с учетом КГО.
Для предотвращения образования большеугловых границ зерен при формировании общего фронта кристаллизации в районе полок необходимо использовать затравки не только с заданной осевой, но и с заданной азимутальной кристаллографической ориентацией. Для этого используют затравку в форме цилиндра с фаской (фиг. 2), установленную в затравочную полость таким образом, что рабочая (торцевая) плоскость затравки перпендикулярна главной оси лопатки (что обеспечивает осевую ориентацию отливки), а соответствующая форме затравки затравочная полость в виде цилиндра с фаской фиксирует азимутальную ориентацию затравки. Форма цилиндра с фаской затравки обусловлена необходимостью соблюдения одинаковой азимутальной направленности для всех лопаток (от двух до пяти). В то же время, на стыке развитых полок лопаток в секторе, образование малоугловых границ зерен возможно с минимальной допустимой разориентаций (<6°) между лопатками, что не оказывает существенного влияния на механические свойства материала изделия, в том числе на трещинообразование в отливках.
В заявленном устройстве тугоплавкая затравка из сплава Ni-W в виде цилиндра, имеющая температуру плавления 1500°-1510°С, с соотношением высоты к его диаметру как 1:1,5÷2 (диск), обеспечивает надежную передачу КГО от затравки к лопатке при литье жаропрочных сплавов с повышенными температурами плавления. Такие дважды ориентированные затравки обеспечивают получение идентичных отливок лопаток с монокристаллической структурой в осевом и в азимутальном направлениях, что предотвращает образование большеугловых границ, приводящих к трещинам в лопатках.
Таким образом, устранение образования малоугловых и большеугловых границ зерен за счет применения заявленного устройства позволяет повысить жаропрочность, термостойкость и пластичность материала лопаток при сохранении их ресурса на уровне прототипа.
Осуществление работы устройства.
Сопловой блок из трех лопаток изготавливали из модельной массы на основе мочевины. Стартовые полости сформированы в виде продолжения профиля пера каждой из лопаток. После нанесения всех слоев огнеупорного покрытия на модельный блок, сушки и прокалки его при высокой температуре, в затравочные полости устанавливали затравки с заданной осевой и азимутальной ориентацией и заделывали их клеящей суспензией на основе электрокорунда. Для точной фиксации азимутальной ориентации на затравках в форме цилиндра имелись соответствующие вертикальные фаски на их боковой поверхности, как и в соответствующей форме затравки затравочной полости (фиг. 2). Это позволяет избежать образования большеугловых границ на бандажных полках при образовании общего фронта кристаллизации, развивающегося от каждой затравки в процессе кристаллизации. Осевая ориентация каждой лопатки соответствует при этом ориентации каждой затравки, в заявленном устройстве - [001], что обеспечивает максимальную термостойкость всего сектора сопловых охлаждаемых лопаток.
В процессе направленной кристаллизации в установке типа УВНК керамическая форма блока сопловых лопаток после заливки расплава жаропрочного сплава типа ЖС перемещается из зоны нагрева в зону охлаждения и начинается процесс кристаллизации сплава от затравки. При этом фронт кристаллизации от затравок перемещается по стартовым полостям в полости лопаток и осуществляется передача кристаллографической ориентации к каждой лопатке, образуя общий фронт кристаллизации.
Сектор (блок) из трех сопловых лопаток из сплава типа ЖС, полученный с применением предлагаемого устройства, имел монокристаллическую структуру с заданной осевой и азимутальной ориентацией в каждой лопатке без большеугловых границ и других литейных дефектов.
В табл. 1 даны сравнительные свойства лопаток, полученных в предлагаемом устройстве и в устройстве прототипа.