RU2126308C1

RU2126308C1 - Method for making builtup ceramic core for casting hollow products

Info

Publication number: RU2126308C1
Application number: RU98101354A
Authority: RU
Inventors: Ю.И. Фоломейкин; И.Л. Светлов; Е.Н. Каблов; И.М. Демонис
Original assignee: Государственное предприятие Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов
Priority date: 1998-01-23
Filing date: 1998-01-23
Publication date: 1999-02-20

Abstract

FIELD: foundry, possibly casting hollow product such as turbine blades. SUBSTANCE: method comprises steps of making main core by pressing ceramic mass and subjecting it to high temperature annealing; forging or rolling additional core in the form of flat blank with surface relief; shaping blank according to contour of main core; joining cores and subjecting them to high temperature annealing. EFFECT: reduced number of rejected cores due to enhanced accuracy of their geometry, less loss of yield. 4 dwg

Description

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для литья полых изделий с проникающим охлаждением, в частности газотурбинных лопаток. The invention relates to foundry and can be used for casting hollow products with penetrating cooling, in particular gas turbine blades.

Известен способ изготовления керамических стержней для отливки двустенных полых изделий с проникающим охлаждением [1]. Этот способ включает изготовление основного керамического стержня и дополнительного стержня в виде тонкой кварцевой пластины, соединенных вместе при помощи кварцевых шпилек. A known method of manufacturing ceramic rods for casting double-walled hollow products with penetrating cooling [1]. This method includes the manufacture of a main ceramic rod and an additional rod in the form of a thin quartz plate connected together using quartz studs.

Применение такого стержня позволяет отлить полое изделие, в стенках которого тонкая керамическая пластина формирует узкую щель, повторяющую профиль изделия, а шпильки оформляют дозирующие отверстия для входа и выхода охлаждающего воздуха. Описанный способ имеет ряд существенных технологических недостатков. Во-первых, тонкие кварцевые пластины мало пригодны для отливки монокристальных изделий из-за низкой прочности кварца при высоких температурах заливки расплавом никелевых жаропрочных сплавов. Во-вторых, формование плоских кварцевых пластин по профилю изделия осуществляется методом крипа в фасонных пресс-формах, что является трудно регулируемым процессом при высоких температурах. В-третьих, фиксация и соединение кварцевой пластины с основным стержнем при помощи кварцевых шпилек, устанавливаемых в многочисленных отверстиях и гнездах, просверленных или изготовленных лазерным методом, является чрезвычайно трудоемкой и дорогостоящей операцией. The use of such a rod allows you to cast a hollow product, in the walls of which a thin ceramic plate forms a narrow gap that repeats the product profile, and the studs form the metering holes for the entrance and exit of cooling air. The described method has a number of significant technological disadvantages. First, thin quartz plates are not very suitable for casting single-crystal products due to the low strength of quartz at high temperatures of pouring melt with nickel heat-resistant alloys. Secondly, flat quartz plates are formed according to the product profile using the creep method in shaped molds, which is a difficult to control process at high temperatures. Thirdly, fixing and connecting the quartz plate to the main core using quartz studs installed in numerous holes and sockets drilled or made by the laser method is extremely time-consuming and expensive.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения составного керамического стержня, состоящего из основного и тонкостенного дополнительного стержня [2]. Основной керамический стержень изготавливают путем прессования керамической массы, состоящей из смеси порошков корунда заданного гранулометрического состава и пластификатора, с последующим высокотемпературным обжигом. The closest in technical essence and the achieved effect is a method for producing a composite ceramic rod, consisting of a main and thin-walled additional rod [2]. The main ceramic rod is made by pressing a ceramic mass, consisting of a mixture of corundum powders of a given particle size distribution and a plasticizer, followed by high-temperature firing.

Дополнительный стержень формируют методом прессования из той же керамической массы в виде плоской заготовки с поверхностным рельефом, затем ее изгибают по профилю основного стержня и подвергают высокотемпературному обжигу. Полученный таким образом дополнительный стержень устанавливают на основной стержень и соединяют их вместе. При практической реализации указанного способа возникли значительные трудности. An additional rod is formed by pressing from the same ceramic mass in the form of a flat billet with a surface relief, then it is bent along the profile of the main rod and subjected to high-temperature firing. Thus obtained additional rod is installed on the main rod and connect them together. In the practical implementation of this method, significant difficulties arose.

Во-первых, прессование тонких дополнительных стержней предполагает использование больших давлений, что существенно увеличивает износ пресс-формы. Наряду с этим прессованием практически невозможно получить тонкие длинномерные дополнительные стержни, что ограничивает номенклатуру изготавливаемых составных керамических стержней. Во-вторых, при съеме тонкого дополнительного стержня криволинейной формы с основного стержня и последующем обжиге происходит коробление дополнительного стержня, в результате чего увеличивается вероятность появления брака по геометрии. Firstly, pressing thin additional rods involves the use of high pressures, which significantly increases the wear of the mold. Along with this pressing, it is practically impossible to obtain thin, long additional rods, which limits the range of manufactured composite ceramic rods. Secondly, when a thin additional rod of a curvilinear shape is removed from the main rod and subsequent firing, an additional rod is warped, which increases the likelihood of a defect in geometry.

Технической задачей данного изобретения является разработка надежного и экономичного способа получения составного керамического стержня, обеспечивающего повышение выхода годного и уменьшение брака по геометрии. Для достижения поставленной задачи был предложен способ получения составного керамического стержня, включающий изготовление основного стержня путем прессования керамической массы и высокотемпературного обжига, изготовление дополнительного стержня путем формования керамической массы в плоскую заготовку с поверхностным рельефом, профилирования заготовки по контуру основного стержня, установки дополнительного стержня на основной и их соединения, причем дополнительный стержень формуют методом прокатки или штамповки керамической массы, а высокотемпературный обжиг дополнительного стержня проводят после его соединения с основным стержнем. Кроме того, формование дополнительного стержня в предлагаемом изобретении осуществляется в две стадии: сначала прокатывают плоскую заготовку из керамической массы, а затем штамповкой или прокаткой наносят поверхностный рельеф. The technical task of this invention is to develop a reliable and economical method of obtaining a composite ceramic rod, providing increased yield and reduced marriage in geometry. To achieve this goal, a method for producing a composite ceramic rod was proposed, including the manufacture of the main rod by pressing ceramic mass and high-temperature firing, the manufacture of an additional rod by molding the ceramic mass into a flat billet with a surface relief, profiling the workpiece along the contour of the main rod, installing an additional rod on the main and their compounds, the additional core being formed by rolling or stamping ceramic m ssy, and additional high temperature calcining is carried out after the rod connected to the core rod. In addition, the molding of the additional rod in the present invention is carried out in two stages: first, a flat billet of ceramic mass is rolled, and then a surface relief is applied by stamping or rolling.

Существенными отличительными признаками предлагаемого изобретения являются изменение способа формования дополнительного стержня и перемена последовательности проведения операции высокотемпературного обжига. Предлагаемый способ формования дополнительного стержня заключается в прокатке или штамповке керамической массы, а высокотемпературный обжиг проводят после установки дополнительного стержня на поверхность основного стержня и их соединения, тогда как в прототипе дополнительный стержень формуют прессованием, а обжиг предшествует установке на основной стержень. Salient features of the invention are a change in the method of forming an additional rod and a change in the sequence of operations of high-temperature firing. The proposed method of forming an additional rod consists in rolling or stamping a ceramic mass, and high-temperature firing is carried out after installing an additional rod on the surface of the main rod and their connection, while in the prototype the additional rod is formed by pressing, and the firing precedes installation on the main rod.

Изготовленная таким образом заготовка в необожженном состоянии обладает достаточно хорошей гибкостью. Минимальный радиус кривизны изгиба без появления трещин и надрывов определяется толщиной заготовки, плотностью нанесения элементов рельефа. Гибкость заготовки позволяет профилировать ее по сложному контуру основного стержня с обеспечением плотного контакта и соединения элементов рельефа с криволинейной поверхностью основного стержня. Эта операция осуществляется в обжимном штампе по всей поверхности основного стержня, либо в определенных местах. Во избежание повреждения выступающих элементов рельефа при изгибе заготовки в обжимном штампе предварительно изготавливают промежуточную модель на основном стержне. Этим достигается постоянство зазора /0,5-0,8 мм/ между основным и дополнительным стержнем, что гарантирует получение необходимой геометрии составного стержня с заданной точностью. An unfinished prefabricated in this way has sufficiently good flexibility. The minimum radius of curvature of the bend without the appearance of cracks and tears is determined by the thickness of the workpiece, the density of the deposition of relief elements. The flexibility of the workpiece allows you to profile it along the complex contour of the main rod with the provision of tight contact and connection of relief elements with the curved surface of the main rod. This operation is carried out in a crimp die on the entire surface of the main rod, or in certain places. In order to avoid damage to the protruding relief elements during bending of the workpiece in the crimp die, an intermediate model is preliminarily made on the main rod. This ensures the constancy of the gap / 0.5-0.8 mm / between the main and additional rod, which ensures the necessary geometry of the composite rod with a given accuracy.

В процессе совместного высокотемпературного обжига основного стержня и соединенной с ним заготовки происходит выгорание связующего, спекание порошков частиц и превращение заготовки в керамический дополнительный стержень. При обжиге происходит также спекание дополнительного стержня с основным стержнем в местах контакта элементов рельефа с поверхностью последнего. Прочное соединение возможно только в том случае, если коэффициенты термического линейного расширения и усадка обоих элементов составного стержня близки. Обжиг следует проводить в керамическом драйере для обеспечения стабильности размеров и формы составного стержня. In the process of joint high-temperature firing of the main rod and the preform connected to it, the binder burns out, the particle powders sinter and the preform turns into a ceramic additional rod. During firing, there is also sintering of the additional rod with the main rod at the points of contact of the relief elements with the surface of the latter. A strong connection is only possible if the coefficients of thermal linear expansion and shrinkage of both elements of the composite rod are close. Firing should be carried out in a ceramic driver to ensure dimensional stability and the shape of the composite rod.

На фиг. 1 показан общий вид заготовки из керамической массы с поверхностным рельефом в виде двусторонних штырьков 1 и отверстий 2. In FIG. 1 shows a general view of a ceramic mass preform with a surface relief in the form of bilateral pins 1 and holes 2.

На фиг. 2 показана конструкция обжимного штампа для профилирования рельефной заготовки по контуру основного стержня, где 3 - основной керамический стержень; 4 - заготовка с поверхностным рельефом; 5 - промежуточная модель; 6 - места склейки. In FIG. 2 shows the construction of a crimp die for profiling a relief workpiece along the contour of the main rod, where 3 is the main ceramic rod; 4 - blank with surface relief; 5 - an intermediate model; 6 - places of gluing.

На фиг. 3 показан составной керамический стержень для отливки трубки, где 1 - штырьки; 2 - отверстия; 3 - основной керамический стержень; 4 - заготовка с поверхностным рельефом; 6 - места склейки. In FIG. 3 shows a composite ceramic rod for casting a tube, where 1 are pins; 2 - holes; 3 - the main ceramic rod; 4 - blank with surface relief; 6 - places of gluing.

На фиг. 4 показан составной керамический стержень для отливки лопатки ГТД с проникающим охлаждением, где 1 - штырьки; 2 - отверстия; 3 - основной керамический стержень; 4 - заготовка с поверхностным рельефом. In FIG. 4 shows a composite ceramic rod for casting a GTE blade with penetrating cooling, where 1 are pins; 2 - holes; 3 - the main ceramic rod; 4 - blank with surface relief.

Примеры получения составных керамических стержней. Examples of the preparation of composite ceramic rods.

Пример 1. Составной керамический стержень для отливки двустенной трубки из никелевого жаропрочного сплава с равноосной структурой. Основной стержень 3 изготавливали по общепринятой технологии, включающей приготовление керамической массы из смеси огнеупорных порошков Al₂O₃ заданного гранулометрического состава, термопластификацию указанной смеси сплавом парафина с полиэтиленом при температуре 150-160^oC, прессование полученной керамической массы в расплавленном состоянии в металлической форме при давлении 30 кгс/см² и обжиг в засыпке глинозема при температуре 1350-1400^oC. Дополнительный стержень изготавливали по двустадийной технологии:
прокаткой получали гладкую ленту из смеси порошков Al₂O₃ гранулометрического состава и полимерного связующего;
наносили двусторонний рельеф и прошивали отверстия в ленте методом штамповки. В данном случае элементы рельефа имели вид штырьков 1 высотой 0,9 мм и диаметром 0,8 мм, толщина ленты 0,7 мм, а диаметр отверстий 2 равнялся 0,9 мм. Далее изготавливали промежуточную восковую модель 5 на основном стержне, а затем необожженную заготовку 4 огибали вокруг промежуточной модели с использованием обжимного штампа, предварительно покрыв торцы 6 штырьков соприкасающиеся с поверхностью основного стержня, клеящей суспензией. После отверждения суспензии составной стержень вынимали из штампа, удаляли модельную массу по стандартной технологии и проводили обжиг при 1300^oC в вертикальном положении. Готовый составной стержень показан на фиг. 3
Пример 2. Составной керамический стержень для отливки из никелевого жаропрочного сплава пустотелой лопатки с монокристаллической структурой и проникающим охлаждением.Example 1. Composite ceramic rod for casting a double-walled tube of heat-resistant nickel alloy with equiaxial structure. The main core 3 was made by conventional technology, including the preparation of a ceramic mass from a mixture of refractory powders Al ₂ O _{3 of a} given particle size distribution, thermoplasticization of the mixture with an alloy of paraffin and polyethylene at a temperature of 150-160 ^o C, pressing the resulting ceramic mass in a molten state in metal form at a pressure of 30 kgf / cm ² and firing in a bed of alumina at a temperature of 1350-1400 ^o C. An additional core was made by a two-stage technology:
rolling, a smooth ribbon was obtained from a mixture of Al ₂ O ₃ powders with a particle size distribution and a polymer binder;
applied two-sided relief and stitched holes in the tape by stamping. In this case, the relief elements had the form of pins 1 with a height of 0.9 mm and a diameter of 0.8 mm, a tape thickness of 0.7 mm, and the diameter of the holes 2 was 0.9 mm. Next, an intermediate wax model 5 was made on the main rod, and then the unfired billet 4 was bent around the intermediate model using a crimp die, having previously covered the ends of the 6 pins in contact with the surface of the main rod, with an adhesive suspension. After curing the suspension, the composite rod was removed from the die, the model mass was removed by standard technology and calcined at 1300 ^° C. in a vertical position. The finished composite bar is shown in FIG. 3
Example 2. A composite ceramic rod for casting from a heat-resistant nickel alloy of a hollow blade with a single-crystal structure and penetrating cooling.

Основной керамический стержень 3 изготавливали таким же способом, как и в примере 1. The main ceramic rod 3 was made in the same manner as in example 1.

Дополнительный стержень изготавливали по двустадийной технологии:
-прокаткой получали гладкую ленту из смеси порошков Al₂O₃ заданного гранулометрического состава и полимерного связующего.An additional core was made using two-stage technology:
by rolling, a smooth ribbon was obtained from a mixture of Al ₂ O ₃ powders _{of a} given particle size distribution and a polymer binder.

-наносили двусторонний рельеф 1 и прошивали отверстия 2 в ленте методом прокатки в фигурных валках. Рельеф был такой же формы, как и в примере 1. Далее раскраивали ленту на отдельные заготовки, соответствующие форме и размерам дополнительного стержня и изготавливали промежуточную восковую модель 5. Профилировали необожженную заготовку 4 по контуру входной кромки основного стержня с использованием обжимного штампа, предварительно покрыв торцы штырьков, прилегающие к основному стержню, суспензией. После отверждения суспензии стержень вынимали из штампа, удаляли восковую модель и обжигали составной стержень на керамическом драйере при температуре 1300-1350^oC. Общий вид составного стержня, полученного таким образом, показан на фиг. 4. Выход годного составил 75-85%, тогда как в прототипе не более 30%.- applied double-sided relief 1 and stitched holes 2 in the tape by rolling in figured rolls. The relief was of the same shape as in example 1. Next, the ribbon was cut into individual blanks corresponding to the shape and size of the additional rod and an intermediate wax model was made 5. The unfired blank 4 was profiled along the contour of the input edge of the main rod using a crimp die, after covering the ends pins adjacent to the main shaft, suspension. After curing the suspension, the rod was removed from the die, the wax model was removed, and the composite rod was fired on a ceramic driver at a temperature of 1300-1350 ^o C. A general view of the composite rod thus obtained is shown in FIG. 4. The yield was 75-85%, while in the prototype no more than 30%.

Таким образом, предложенный способ позволяет изготавливать составные керамические стержни для литья полых изделий с проникающим охлаждением с высоким выходом годной продукции и низким процентом брака по геометрии. Учитывая высокую стоимость монокристальных лопаток с эффективным проникающим охлаждением для авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и стационарных газотурбинных установок (ГТУ) предложенный способ обеспечивает создание экономичной технологии производства таких лопаток. Thus, the proposed method allows the manufacture of composite ceramic rods for casting hollow products with penetrating cooling with high yield and low percentage of defective geometry. Given the high cost of single-crystal blades with effective penetrating cooling for aircraft gas turbine engines (GTE) and stationary gas turbine units (GTU), the proposed method provides the creation of an economical technology for the production of such blades.

Источники информации
1. Патент США N 5295530, B 22 C 9/00, B 22 D 39/06 22.03. 1994 г. Single-cast high temperature thin wall stratures and method of making the same. K.F.O Conner, G.P. Hoff, D.G. Frasier.Sources of information
1. US patent N 5295530, B 22 C 9/00, B 22 D 39/06 22.03. 1994 Single-cast high temperature thin wall stratures and method of making the same. KFO Conner, GP Hoff, DG Frasier.

2. Заявка N 95121467/02 от 28.12.95 r. Составной керамический стержень. Герасимов В.В., Каблов Е.Н., Светлов И.Л. 2. Application N 95121467/02 from 12.28.95 r. Compound ceramic rod. Gerasimov V.V., Kablov E.N., Svetlov I.L.

Claims

A method of manufacturing a composite ceramic rod for casting hollow products, including the manufacture of the main rod by pressing the ceramic mass, high-temperature firing it, manufacturing an additional core by molding a flat billet with a surface relief from the ceramic mass and profiling the workpiece along the contour of the main core, high-temperature firing it, installing additional rod on the base and connecting them, characterized in that the molding of a flat billet is carried out by rolling, overhnostny relief is applied on the preform by rolling or stamping, and additional high temperature calcining is carried out after the rod connected to the core rod.