Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ТУРБИННЫХ ЛОПАТОК

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при получении монокристаллических лопаток современных турбин ГТД и ГТУ из никелевых жаропрочных сплавов.

Известно устройство для получения монокристаллических отливок турбинных лопаток, включающее конструкцию литейной формы для получения монокристаллических отливок от затравок.

В соответствии с изобретением зарождение монокристаллической структуры заданной ориентации происходит от затравки установленной в специальную полость в дне холодильника формы. Форма укреплена на холодильнике специальными болтами. В дне формы выполнена полость, превышающая по размеру затравку, а от этой полости идет прямой литниковый ход, подводящий структуру к полости отливки через промежуточную (стартовую) полость.

Для предотвращения полного растворения затравки при заливке металла в форму вокруг затравки выполняют керамическое кольцо (патент США №4714101).

Недостатком данного устройства является то, что при нагреве формы под заливку на рабочем торце затравки, как правило, образуется керамический налет из-за взаимодействия керамики формы и графитового теплового узла. Указанные налеты затрудняют передачу монокристаллической структуры отливке, в результате, чего в отливке появляются посторонние зерна и блочность.

Известно устройство для получения монокристаллических отливок заданной ориентации, в котором затравка также устанавливается непосредственно на поверхности холодильника формы, при этом затравка ничем не экранируется от объема внутренней части формы, в результате чего налеты субокислов кремния и алюминия свободно попадают на ее рабочий торец (ЕР №0 127552).

Наиболее близким к заявляемому является устройство для получения отливок с монокристаллической структурой, которое содержит керамическую форму, в основании которой последовательно выполнены затравочная полость с размещенной в ней монокристаллической затравкой, кристаллоотборник в виде спиралевидного литникового хода и коническая стартовая полость, соединенная с полостью формы образующей отливку (ЕР №0087379).

Недостатком указанного устройства является неполное экранирование рабочего торца затравки от оксидных налетов при нагреве формы под заливку. Это связано с тем, что диаметр кристаллотборника (геликоида) в месте контакта с затравочной полостью составляет 3-5 мм, в то время как наиболее эффективное экранирование затравки от налетов достигается при выполнении спирального кристаллотборника диаметром 1 мм и менее. Выполнить его таким диаметром не удается, так как при нанесении суспензии на модель в процессе изготовления формы кристаллоотборник будет отламываться вместе с моделью затравочной полости. Все эти недостатки снижают выход годных по макроструктуре монокристаллических отливок.

Технической задачей данного изобретения является создание устройства для получения отливок монокристаллических турбинных лопаток с повышенным по структуре выходом годного за счет уменьшения и исключения образования оксидных налетов на рабочем торце затравки при нагреве формы с затравкой под заливку металла в печи направленной кристаллизации.

Для выполнения поставленной задачи предлагается устройство для получения отливок монокристаллических турбинных лопаток, включающее керамическую форму, в основании которой выполнены последовательно затравочная полость с размещенной в ней монокристаллической затравкой заданной кристаллографической ориентации, кристаллоотборник в виде спиралевидного литникового хода и коническая стартовая полость, соединенная с полостью формы, образующей отливку, отличающееся тем, что кристаллоотборник выполнен по крайней мере из двух частей разного диаметра, при этом часть кристаллоотборника большего диаметра содержит керамическую вставку и примыкает к затравке, а часть кристаллоотборника меньшего диаметра соединена с конической стартовой полостью.

При этом керамическая вставка выполнена в виде сферы, диаметр которой меньше диаметра части кристалллоотборника, примыкающей к затравке, но больше диаметра части кристалоотборника, соединенной с конической стартовой полостью.

Угол подъема части кристаллоотборника, соединенной с конической стартовой полостью на 5-10° меньше угла конусности стартовой полости.

Предлагаемое устройство позволяет увеличить выход годного по структуре за счет того, что керамическая вставка в виде сферы диаметром 2,5-2,7 мм, устанавливаемая в форму, экранирует поверхность затравки, поскольку располагается (лежит) на затравке при нагреве формы под заливку в печи направленной кристаллизации. После заливки керамика всплывает и металл надежно контактирует с затравкой и передает структуру отливке. Сама керамическая вставка в полость отливки попасть не может, так как диаметр кристаллоотборника в верхней части меньше диаметра вставки.

Надежный рост в кристаллоотборнике обеспечивается тем, что угол подъема его спирали на 5-10° меньше конусности стартовой полости, которая для надежного прорастания структуры должна лежать в пределах 15-50° на сторону.

На чертеже показан общий вид устройства для получения монокристаллических отливок.

1. Керамическая форма

2. Затравка

3. Керамическая вставка

4. Нижняя часть кристаллоотборника большего диаметра

5. Верхняя часть кристаллооборника меньшего диаметра

6. Коническая стартовая полость

7. Полость отливки

В керамической форме 1 расположена затравочная полость с монокристаллической затравкой 2, от которой идет кристаллоотборник, состоящий из двух частей - нижняя 4 большего диаметра и верхняя 5 - меньшего диаметра. В нижнюю часть кристаллоотборника 4 перед установкой в форму затравки 2 помещается сферическая керамическая вставка 3 с диаметром, меньшим, чем диаметр нижней части кристаллоотборника 4, но большим, чем диаметр верхней части кристаллоотборника 5. При нагреве формы под заливку вставка лежит на поверхности затравки 2, предохраняя рабочий торец от оксидных налетов. Угол подъема верхней части кристаллотборника 5 на 5-10° меньше угла конусности стартовой полости. После заливки металла вставка всплывает, не препятствуя передаче структуры от затравки к отливке.

Пример осуществления.

Изобретение проверялось при отливке цилиндрических монокристальных заготовок образцов и турбинных лопаток с ориентацией [001] на установке высокоградиентной направленной кристаллизации УВНК-8П. Модель затравочной полости и спирального кристаллоотборника вместе со стартовым конусом изготовлялась по специальной пресс-форме с фигурным разъемом в зоне формирования модели кристаллоотборника.

Покраска, удаление модельной массы и прокалка проводились по принятой технологии. В кристаллоотборник помещалась керамическая вставка-сфера диаметром 2,7-2,8 мм, а затем устанавливалась затравка по обычной технологии. Диаметр кристаллоотборника, примыкающий к затравке, составлял 3 мм, а диаметр верхней части, примыкающей к конической стартовой полости, - 2,4-2,3 мм. Угол подъема спирального литникового хода составлял 30°, а угол конусности стартовой полости 35-40°.

Отливка монокристальных образцов и лопаток из жаропрочного сплава ЖС36-ВИ производилась блоками по шесть штук.

Режим плавок:

Температура нижнего нагревателя 1600-1610°С

Температура верхнего нагревателя 1550-1570°С

Температура заливки сплава 1550-1560°С

Скорость вытягивания формы 4-5 мм/мин.

Как показал визуальный и рентгеновский контроль полученных отливок, все они имели монокристальную структуру заданной ориентации с точностью 5-7°. Выход годных по структуре отливок составил 93%.

Опробование данного устройства на промышленных установках направленной кристаллизации показало, что оно значительно упрощает технологический процесс монокристаллического литья и обеспечивает повышение выхода годных отливок по структуре до 90-95%.

Таким образом, применение предлагаемого устройства позволит получать монокристаллические турбинные лопатки с повышенным выходом годного, обеспечивающие повышенный ресурс и надежность газотурбинных двигателей и газотурбинных установок.