PL233457B1 - Sposób określania wartości kąta nachylenia rdzeni dendrytów względem powierzchni formy odlewniczej w odlewach monokrystalicznych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób określania wartości kąta nachylenia rdzeni dendrytów względem powierzchni formy odlewniczej w odlewach monokrystalicznych, zwłaszcza w cienkościennych obszarach piór łopatek turbiny silnika lotniczego wytwarzanych z nadstopów niklu.

Monokrystaliczne odlewy łopatek z nadstopów niklu są obecnie stosowane na elementy pierwszego i drugiego stopnia turbiny silników lotniczych ze względu na ich dobrą żarowytrzymałość w wysokiej temperaturze. Ich ciągły rozwój jest ukierunkowany przede wszystkim na zwiększenie odporności na pełzanie i korozję wysokotemperaturową, co jest związane z podwyższeniem temperatury pracy silników, przekładającym się na większą ich wydajność. Jednym ze sposobów realizacji tego celu jest stosowanie monokrystalicznych łopatek z wentylowanymi kanałami dla przepływu powietrza chłodzącego. Łopatki takie zawierają jednak dużą liczbę fragmentów cienkościennych, niekorzystnie wpływających na proces krystalizacji odlewu i zwiększenie prawdopodobieństwa powstania defektów.

Monokrystaliczne odlewy łopatek wytwarza się poprzez kierunkową krystalizację metodą Bridgmana. Mikrostruktura łopatek w stanie bezpośrednio po krystalizacji ma typową budowę dendrytyczną. Dobór warunków procesu krystalizacji jest prowadzony w taki sposób, aby kierunek wzrostu rdzeni dendrytów w odlewie łopatki był możliwie najbardziej równoległy do kierunku krystalizacji. Natomiast kierunek ten był zgodny z kierunkiem krystalograficznym [001] (R.C. Reed, The Superalloys, Fundamentals and Applications, Cambridge University Press, Cambridge 2006). W przypadku odlewów łopatek zawierających cienkościenne fragmenty o grubości 1-3 mm i których powierzchnie są nachylone względem osi łopatki równoległej do kierunku krystalizacji, będą stanowić przeszkody dla krystalizujących rdzeni dendrytów podczas ich wzrostu. W efekcie zakłócają ich wzrost, tworząc tak zwane defekty wzrostowe w ograniczonej mikroobjętości cienkościennych fragmentów łopatki [J. Krawczyk, W. Bogdanowicz, J. Sieniawski, K. Kubiak, Mould Walls Inclination and Dendritic Morphology of CMSX-4 Blades Airfoils Vol. 130 No. 4 (2016) Acta Physica Polonica A]. Zjawisko to prowadzi do tworzenia granic małego kąta, których obecność zmniejsza wytrzymałość na pełzanie [In Superalloys 2008, TMS (The Minerals, Metals & Materials Society), 2008, eds. Roger C. Reed, Kenneth A. Green, Pierre Caron, Timothy P. Gabb, Michael G. Fahrmann, Eric S. Huron and Shiela A. Woodard. “Effect of low boundaries on the mechanical properties of single crystal superalloy DD6”, J.R. Li, J.Q. Zhao, S.Z. Liu, M. Han]. Dlatego szczególnie istotnym jest wyznaczenie rozkładu wartości kąta nachylenia rdzeni dendrytów w cienkościennych fragmentach piór monokrystalicznych łopatek z nadstopu niklu.

Sposób określania wartości kąta nachylenia rdzeni dendrytów względem powierzchni formy odlewniczej w odlewach monokrystalicznych łopatek turbiny silników lotniczych, wytwarzanych z nadstopów niklu, w stanie lanym - bezpośrednio po krystalizacji, z wykorzystaniem dyfraktometru rentgenowskiego, według wynalazku charakteryzuje się tym, że powierzchnię pióra łopatki poleruje się i pokrywa powłoką matowiącą, a następnie w przestrzeni w prostokątnym układzie współrzędnych o pierwszej osi, drugiej osi i osi głównej pokrywającej się z główną osią łopatki, mapuje się rozmieszczenie punktów na powierzchni pióra łopatki i dla każdego z tych punktów określa się wartości kąta pochylenia powierzchni formy w danym punkcie względem osi głównej oraz początkowego kąta obrotu powierzchni formy w danym punkcie w stosunku do drugiej osi, a następnie wzdłuż powierzchni pióra łopatki mierzy się wartość kąta ułożenia pomiędzy osią główną łopatki a wektorem kierunku wzrostu rdzeni dendrytów, po czym mierzy się wartości bieżącego kąta obrotu rzutu wektora kierunku wzrostu rdzenia dendrytu na płaszczyznę bazową prostopadłą do osi głównej łopatki, a następnie na podstawie zmierzonych wartości kąta pochylenia, początkowego kąta obrotu, kąta ułożenia i bieżącego kąta obrotu wyznacza się wartość kąta nachylenia pomiędzy powierzchnią formy i wektorem kierunku wzrostu dendrytów dla cienkościennych stref pióra łopatki.

Korzystnie jako powłokę matowiącą stosuje się warstwę proszku o gradacji nie większej niż 10 ..m.

Dalsze korzyści uzyskuje się, jeśli mapowanie rozmieszczenia punktów na powierzchni pióra łopatki wykonuje się laserowym skanerem bezstykowym 3D o rozdzielczości nie mniejszej niż 1 mm, korzystnie 0,5 mm, a pomiary wartości kąta ułożenia i bieżącego kąta obrotu wykonuje się z użyciem dyfraktometru rentgenowskiego, przy czym rozdzielczość dyfraktometru rentgenowskiego stosuje się równą rozdzielczości laserowego skanera bezstykowego 3D.

Następne korzyści są uzyskiwane, jeżeli zwrot drugiej osi jest zgodny ze zwrotem wektora bazowego skierowanego od krawędzi natarcia pióra do krawędzi spływu pióra łopatki.

PL 233 457 Β1

Wartość kąta nachylenia wyznacza się poprzez zsumowanie wartości kąta pochylenia z wartością arcus tangensa iloczynu wartości tangensa kąta ułożenia i sinusa sumy wartości kąta obrotu z bieżącym kątem obrotu.

Sposób według wynalazku pozwala na sporządzenie mapy wartości kąta pomiędzy wektorami rdzeni dendrytów i powierzchnią formy odlewniczej w cienkościennych fragmentach pióra łopatek turbiny silników lotniczych, w stanie lanym - bezpośrednio po krystalizacji. Umożliwia to kontrolę i analizę tworzenia się defektów wzrostowych między innymi w prototypach łopatek turbiny wysokiego ciśnienia. Wynalazek znajdzie zastosowanie w pracowniach konstruktorskich oraz odlewniach monokrystalicznych elementów silników lotniczych również turbin stacjonarnych dla energetyki, dla których wymagana jest kontrola jakości projektowanych i wytwarzanych produktów, przy jednoczesnym ograniczeniu kosztów.

Sposób według wynalazku w przykładzie realizacji jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia odlew monokrystaliczny łopatki z zaznaczonymi elementami do opisu zależności geometrycznych a fig. 2 - zależności geometryczne do określania kąta nachylenia rdzeni dendrytów względem powierzchni formy odlewniczej.

W przykładzie realizacji sposób według wynalazku wykonywany jest z wykorzystaniem dyfraktometru rentgenowskiego typu OD-EFG wyposażonego w laserowy bezstykowy skaner 3D pozwalający na tworzenie mapy powierzchni badanego obiektu i rozmieszczenie na niej siatki punktów. Ponadto wykorzystuje się goniometr, a także obrotowy stolik i detektor refleksów dyfrakcyjnych od płaszczyzn krystalicznych.

W przykładzie realizacji określana jest wartość kąta nachylenia φ rdzeni dendrytów względem powierzchni formy 6 odlewniczej w cienkościennych obszarach pióra 1 łopatki 2 turbiny silnika lotniczego będącej odlewem monokrystalicznym z nadstopu niklu.

Powierzchnię pióra 1 łopatki 2 poleruje się elektromechanicznie i nakłada powłokę matowiącą z proszku o gradacji nie większej niż 10 gm. Następnie wykonuje się mapowanie rozmieszczenia punktów na powierzchni pióra 1 łopatki 2 w prostokątnym układzie współrzędnych o osiach X, Y, Z za pomocą bezstykowego lasera 3D o rozdzielczości większej niż 1 mm. W wyniku przeprowadzonego mapowania uzyskuje się mapę Sx_yz danych w postaci chmury punktów o rozdzielczości większej niż 1 mm.

Uzyskana mapa Sx_yz dla wszystkich punktów powierzchni pióra 1 jest podstawą do określenia wartości kąta pochylenia δο powierzchni ABCD formy 6 wdanym punkcie względem osi głównej Z łopatki 2 oraz określenia początkowego kąta obrotu βο powierzchni ABCD formy 6 w danym punkcie względem drugiej osi Y łopatki 2. Zwrot drugiej osi Y jest zgodny ze zwrotem wektora bazowego MN, skierowanego od krawędzi natarcia 3 do krawędzi spływu 4 pióra 1 łopatki 2 i pokrywającego się z długą krawędzią półki zamka 5 łopatki 2.

Pomiar kątów prowadzony jest poprzez nakierowanie wiązki promieniowania rentgenowskiego na dany punkt łopatki 2, dyfrakcję oraz rejestrację wiązki promieniowania odbitego w detektorze. Łopatka 2 obraca się na ruchomym stoliku w zakresie pełnego obrotu 0-360°, podczas, którego rejestrowane są refleksy dyfrakcyjne 004 od płaszczyzn krystalicznych {001}. Pomiary wykonywane są w każdym punkcie na powierzchni pióra 1 i zamka 5 łopatki 2. W przykładzie realizacji początkowy kąt obrotu βο powierzchni formy ABCD w danym punkcie względem drugiej osi Y jest równy 0. Obrót każdego fragmentu powierzchni ABCD, ograniczającej obszar pióra 1 łopatki 2 definiowany przez mapę jest związany z obrotem w każdym punkcie tego fragmentu, określanym przez wielkość początkowego kąta obrotu βο i odpowiada obrotowi względem osi głównej Z.

Następnie wzdłuż powierzchni pióra 1 łopatki 2 dokonuje się pomiaru wartości kąta ułożenia a pomiędzy osią główną Z łopatki 2 a wektorem D kierunku wzrostu rdzeni dendrytów tworząc ich mapę. Pomiar wartości bieżącego kąta obrotu β prowadzi się z odchylenia rzutu wektora D kierunku wzrostu rdzenia dendrytu [001] na płaszczyznę bazową PB prostopadłą do osi głównej Z łopatki 2 od drugiej osi Y, w obszarze odpowiadającym wcześniejszemu pomiarowi kąta ułożenia a.

Pomiary wartości kąta ułożenia a i bieżącego kąta obrotu β wykonuje się z użyciem dyfraktometru rentgenowskiego. W przykładzie realizacji stosuje się dyfraktometr rentgenowski i laserowy skaner bezstykowy 3D o takiej samej rozdzielczości pomiarowej wynoszącej 0,5 mm.

Określone wartości kątów δο, βο, a i β są podstawą do wyznaczania wartości kąta nachylenia φ pomiędzy powierzchnią ABCD formy 6 i wektorem D kierunku wzrostu dendrytów dla cienkościennych obszarów powierzchni pióra 1 łopatki 2 z zależności:

φ = δ₀ + <Py (1),

PL 233 457 Β1 gdzie: δο - kąt pochylenia płaszczyzny elementu względem osi głównej Z.

Wartość kąta nachylenia φ określono na podstawie zależności geometrycznej w trójkątach:

AOFE -> m = D cosa	(la)
AOFE	-* n — D sina	(Ib)
AOEG	-> k = n δΐηβ = D sina · βίηβ	(lc)

oraz z trójkąta λ mm 4. k Dsinasinp . . _o ....

ΔΟΗΡ -> tgm_v = - =-------- - tga sinp (Id) m Dcosa ° ^r '

Stąd:

tg<Py = tga · 5ϊηβ(2)

Dla przykładu, gdy fragment powierzchni ABCD pióra 1 łopatki 2 cechuje obrót dodatkowy względem osi głównej Z o początkowy kąt obrotu βο, wówczas z równania 2 można otrzymać:

tg<Py = tga sin (β₀ + β)(2a)

Wtedy dla każdego punktu łopatki 2 można określić wartość kąta nachylenia φ pomiędzy powierzchnią ABCD łopatki 2 i wektorem D rdzenia dendrytu:

φ = 6₀ + arctg {tga · sin(p₀ + β)}(3)

Określenie wartości kąta nachylenia φ umożliwia wykonanie mapy rozkładu jego wartości dla cienkościennych stref pióra 1 monokrystalicznej łopatki 2 turbiny silników lotniczych.

Claims (8)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób określania kąta nachylenia rdzeni dendrytów względem powierzchni formy odlewniczej w odlewach monokrystalicznych łopatek turbiny silników lotniczych, wytwarzanych z nadstopów niklu, w stanie lanym - bezpośrednio po krystalizacji, z wykorzystaniem dyfraktometru rentgenowskiego znamienny tym, że powierzchnię pióra (1) łopatki (2) poleruje się i pokrywa powłoką matowiącą, a następnie w przestrzeni w prostokątnym układzie współrzędnych o pierwszej osi (X), drugiej osi (Y) i osi głównej (Z) pokrywającej się z główną osią łopatki (2), mapuje się rozmieszczenie punktów na powierzchni pióra (1) łopatki (2) i dla każdego z tych punktów określa się wartości kąta pochylenia (δο) powierzchni (ABCD) formy (6) w danym punkcie względem osi głównej (Z) oraz początkowego kąta obrotu (βο) powierzchni (ABCD) formy (6) w danym punkcie w stosunku do drugiej osi (Y), a następnie wzdłuż powierzchni pióra (1) łopatki (2) mierzy się wartość kąta ułożenia (a) pomiędzy osią główną (Z) łopatki (2) a wektorem (D) kierunku wzrostu rdzeni dendrytów, po czym mierzy się wartości bieżącego kąta obrotu (β) rzutu wektora (D) kierunku wzrostu rdzenia dendrytu na płaszczyznę bazową (PB) prostopadłą do osi głównej (Z) łopatki (2), a następnie na podstawie zmierzonych wartości kąta pochylenia (δο), początkowego kąta obrotu (βο), kąta ułożenia (a) i bieżącego kąta obrotu (β) wyznacza się wartość kąta nachylenia (φ) pomiędzy powierzchnią (ABCD) formy (6) i wektorem (D)kierunku wzrostu dendrytów dla cienkościennych stref pióra (1) łopatki (2).
2. 2. Sposób wg zastrz. 1 znamienny tym, że jako powłokę matowiącą stosuje się warstwę proszku o gradacji nie większej niż 10 μίτι.
3. 3. Sposób wg zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że mapowanie rozmieszczenia punktów na powierzchni pióra (1) łopatki (2) wykonuje się laserowym skanerem bezstykowym 3D o rozdzielczości nie mniejszej niż 1 mm.
4. 4. Sposób wg zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że mapowanie rozmieszczenia punktów na powierzchni pióra (1) łopatki (2) wykonuje się laserowym skanerem bezstykowym 3D o rozdzielczości 0,5 mm.

   PL 233 457 Β1
5. 5. Sposób wg zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, znamienny tym, że pomiary wartości kąta ułożenia (a) i bieżącego kąta obrotu (β) wykonuje się z użyciem dyfraktometru rentgenowskiego.
6. 6. Sposób wg zastrz. 5, znamienny tym, że rozdzielczość dyfraktometru rentgenowskiego stosuje się równą rozdzielczości laserowego skanera bezstykowego 3D.
7. 7. Sposób wg zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, albo 5, albo 6, znamienny tym, że zwrot drugiej osi (Y) stosuje się zgodny ze zwrotem wektora bazowego (MN) skierowanego od krawędzi natarcia (3) pióra (1) do krawędzi spływu (4) pióra (1) łopatki (2).
8. 8. Sposób wg zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, albo 5, albo 6, albo 7, znamienny tym, że wartość kąta nachylenia (φ) wyznacza się poprzez zsumowanie wartości kąta pochylenia (δο) z wartością arcus tangensa iloczynu wartości tangensa kąta ułożenia (a) i sinusa sumy wartości początkowego kąta obrotu (βο) z bieżącym katem obrotu (β).