Литейное производство

Производство отливок с монокристаллической структурой

К ряду изделий машиностроительного производства предъявляются особо высокие требования. Типичными представителями таких изделий являются энергетические установки и, в частности, лопатки газотурбинных двигателей. Условия работы лопаток сверхтяжелые: высокая температура, напряжения растяжения, вибрация, коррозия и эрозия. Разумеется, для изготовления лопаток используются только жаропрочные, жаростойкие, обладающие продолжительной прочностью материалы. Температура газового потока реактивных турбовинтовых двигателей превышает температуру плавления материала лопаток. Поэтому в лопатках предусматривается система каналов для эффективного охлаждения. Наличие каналов обусловливает разностенность лопаток. Внутренние полости разнообразны по конфигурации. Толщина стенок сложных пустотелых отливок составляет 0,8 … 3,5 мм. При этом ресурс работы лопаток должен составлять не менее 10000 ч.

Разрушение материала лопаток происходит, главным образом, по межзеренным поверхностям. Значит, для обеспечения надежности лопаток необходимо устранить межзеренные поверхность, т. е. перейти к качественно новой структуре материала лопаток: от поликристаллической к монокристаллической. Такой переход требует применения новых высоких технологий.

Лопатки могут быть изготовлены сваркой, штамповкой или литьем. Преимущественно во всем мире применяется литье по выплавляемым моделям. Литые лопатки дешевле штампованных на 30% при меньшем количестве отходов. Литье позволяет сократить расход металла на 18…20 %, снизить трудоемкость на 40 %, себестоимость на 20…35 % и улучшить механические свойства на 30…40 % .

Сущность новых технологий заключается в применении бестигельной плавки в сочетании с объемной направленной кристаллизацией и регулируемой температурой при заливке и затвердевании металла в керамической форме.

Схема установки для литья лопаток с монокристаллической структурой представлена на рисунке 3.9.

Схема установки для литья монокристаллических лопаток

Рисунок 3.9 — Схема установки для литья монокристаллических лопаток: 1 – вакуумная камера; 2 – индукционная плавильная печь; 3 – механизм вертикального перемещения формы; 4 – керамическая форма; 5 – печь подогрева формы; 6 – нагреватель верхней зоны; 7 – нагреватель нижней зоны; 8 – раздвижной экран; 9 – тепловой экран; 10 – емкость для кристаллизации; 11 – нижняя часть емкости с жидкометаллическим охладителем; 12 – нагревательные элементы; 13 – водоохлаждаемая рубашка емкости с жидкометаллическим охладителем; 14 – затровка; 15 – литниковая чаша

Процесс производства монокристаллических лопаток состоит в следующем. Первоначально изготавливают керамическую оболочковую форму лопатки с расположенными внутри стержнями для формообразования внутренних полостей. В нижнюю часть формы помещают монокристаллическую затравку 14 заданной кристаллографической направленности.

Керамическую форму 4 с помощью вертикального механизма 3 опускают и устанавливают в печи подогрева форм 5 в необходимое по технологии положение относительно нагревателей верхней зоны 6 и нижней 7. Под нагревателем 7 перемещают в нужное горизонтальное положение раздвижной экран 8. В индукционную плавильную печь 2 помещают шихтовую заготовку требуемого веса. Закрывают камеру печи 1 и вакуумируют. Включают печь подогрева форм 5. При достижении заданной температуры керамической формы включают нагрев индукционной плавильной печи 2, в которой расплавляют жаропрочный сплав и заливают его в керамическую форму 4. Включают механизм вертикального перемещения формы 3 и керамическая форма с заданной скоростью перемещается из зоны нагрева через раздвижной 8 и тепловой 9 экраны в емкость с жидкометаллическим охладителем 10.

Скорость погружения оболочковой формы в жидкометаллический охладитель определяется скоростью роста монокристалла внутри формы. Для каждого сплава этот параметр определяется экспериментально.

После того как форма с отливкой 4 погрузилась полностью в охладитель, нагреватели 6, 7 выключаются и при снижении температуры в печи подогрева форм 5 до 900–1000 °С керамическую форму с отливкой через экраны 8, 9 поднимают в исходное положение, где она охлаждается до температуры 100–200 °С, производят разгерметизацию установки и извлечение формы с отливкой. Далее процесс повторяется с другой формой.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *