RU2302923C1 - Turbine blades casting plant with use of directed crystallization process - Google Patents

Turbine blades casting plant with use of directed crystallization process Download PDF

Info

Publication number
RU2302923C1
RU2302923C1 RU2005136893/02A RU2005136893A RU2302923C1 RU 2302923 C1 RU2302923 C1 RU 2302923C1 RU 2005136893/02 A RU2005136893/02 A RU 2005136893/02A RU 2005136893 A RU2005136893 A RU 2005136893A RU 2302923 C1 RU2302923 C1 RU 2302923C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cavity
blades
seed
starting
vertical
Prior art date
Application number
RU2005136893/02A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виктор Владимирович Герасимов (RU)
Виктор Владимирович Герасимов
Евгений Николаевич Каблов (RU)
Евгений Николаевич Каблов
Елена Михайловна Висик (RU)
Елена Михайловна Висик
Иосиф Маркович Демонис (RU)
Иосиф Маркович Демонис
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ")
Priority to RU2005136893/02A priority Critical patent/RU2302923C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2302923C1 publication Critical patent/RU2302923C1/en

Links

Landscapes

  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

FIELD: foundry, possibly manufacture of blades of aircraft gas turbine small-size engines and of engines of ground mounted aggregates.
SUBSTANCE: plant includes ceramic mold having starting cavity, blade cavities and seed cavity communicated with starting cavity. System of horizontal and vertical gating having relation of their cross section areas in range 1 : (1 - 2) provides smooth melt supply to each blade cavity.
EFFECT: improved quality of cast blades, less loss of yield by structure of cast blades, enhanced efficiency of process.
2 cl, 1 dwg, 3 ex

Description

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано при получении отливок из жаропрочных и интерметаллидных сплавов на никелевой основе с направленной и монокристаллической структурой, в частности отливок лопаток авиационных газотурбинных малоразмерных двигателей и двигателей наземных установок.The invention relates to the field of foundry and can be used to obtain castings from heat-resistant and intermetallic alloys based on nickel with directional and single-crystal structure, in particular castings of blades of aircraft gas turbine small engines and engines of ground installations.

Известны устройства для получения отливок методом направленной кристаллизации, в которых керамическая форма содержит стартовую полость, полость отливки и кристаллоотборника в виде геликоида (патенты США № 4133368, 4453588), предназначенные для получения отливок с ориентацией [001] с точностью до 10-15°, а так же устройства, содержащие затравочную полость с размещенной в ней монокристаллической затравкой для получения отливок с кристаллографической ориентацией, отличной от [001] (патенты США № 4714101, 4475582, 4469161).Known devices for producing castings by directional crystallization, in which the ceramic mold contains a starting cavity, a cavity of a casting and a crystal sampler in the form of a helicoid (US Pat. Nos. 4,133,368, 4,453,588), designed to produce castings with an orientation of [001] with an accuracy of 10-15 °, as well as devices containing a seed cavity with a single crystal seed placed therein to produce castings with a crystallographic orientation other than [001] (US Pat. Nos. 4,714,101, 4,475,582, 4,469,161).

Недостатком этих устройств, выполненных с открытой донной частью, устанавливаемых непосредственно на холодильник, является низкий выход годного при литье лопаток из-за сложности герметичного крепления форм непосредственно на холодильнике-кристаллизаторе.The disadvantage of these devices, made with an open bottom installed directly on the refrigerator, is the low yield when casting the blades due to the difficulty of hermetically securing the molds directly on the mold-refrigerator.

Известны устройства, состоящие из нескольких керамических форм для получения одновременно нескольких отливок лопаток с направленной и монокристаллической структурой, размещенных и закрепленных на плите-кристаллизаторе по окружности и заливаемых через общую литейную чашу (патенты США № 4133371, 3888301), а так же устройства, представляющее собой керамические лопаточные блоки, получаемые методом послойного нанесения керамической суспензии, содержащие нескольких лопаточных полостей, объединенных общей литниковой системой (ЕР 0059550 B1).Known devices consisting of several ceramic molds for simultaneous production of several castings of blades with directional and single-crystal structure, placed and fixed on the mold-plate around the circumference and poured through a common casting bowl (US patent No. 4133371, 3888301), as well as a device representing These are ceramic blade blocks obtained by the method of layer-by-layer application of a ceramic suspension, containing several blade cavities, united by a common gate system (EP 0059550 B1).

Однако из-за низкой производительности их экономически нецелесообразно использовать для литья лопаток малоразмерного двигателя.However, due to their low productivity, it is not economically feasible to use them for casting the blades of a small engine.

При получении лопаток с направленной и монокристаллической структурой из жаропрочных сплавов малоразмерного двигателя с целью повышения производительности в серийном производстве целесообразно использовать устройства для литья в многоярусные блоки.Upon receipt of blades with directional and single-crystal structure from heat-resistant alloys of a small engine in order to increase productivity in mass production, it is advisable to use devices for casting in multi-tiered blocks.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для получения отливок методом направленной кристаллизации, содержащее керамическую форму с литейной чашей, включающую стартовую полость и полости лопаток, расположенные одна над другой соосно относительно вертикальной оси. Стартовая полость содержит кристаллоотборник в виде геликоида, установленный непосредственно на холодильнике - кристаллизаторе (патент Великобритании №2322584)Closest to the claimed is a device for producing castings by directional crystallization, containing a ceramic mold with a casting bowl, including the starting cavity and the cavity of the blades located one above the other coaxially relative to the vertical axis. The starting cavity contains a crystal sample in the form of a helicoid, mounted directly on the refrigerator-crystallizer (UK patent No. 2322584)

Недостатком указанного устройства является невозможность получения лопаток с направленной и монокристаллической структурой любой кристаллографической ориентации, кроме [001] с точностью до 12-15°, низкая производительность процесса из-за сложности герметичного крепления открытой снизу формы к плите-кристаллизатору, невозможность использования устройства при автоматизированном процессе, в частности в литейных установках с жидкометаллическим охлаждением, а также отсутствие возможности компенсации литейных напряжений из-за разности коэффициентов термического расширения (КТР) керамической формы и жаропрочного сплава, приводящее к браку отливок.The disadvantage of this device is the inability to obtain blades with a directional and single-crystal structure of any crystallographic orientation, except [001] with an accuracy of 12-15 °, low productivity of the process due to the difficulty of tightly fastening the bottom-open form to the mold plate, the inability to use the device with automated the process, in particular in foundries with liquid metal cooling, as well as the inability to compensate for foundry stresses due to the difference in thermal expansion coefficients (KTP) of ceramic form and heat-resistant alloy, leading to castings marriage.

Технической задачей предлагаемого изобретения является получение турбинных лопаток из никелевых литейных жаропрочных сплавов с монокристаллической структурой требуемой кристаллографической ориентации или направленной структурой в установках с жидкометаллическим охладителем, повышение качества отливок и выхода годного по структуре, повышение производительности процесса, особенно при литье малоразмерных лопаток турбины.The technical task of the invention is to obtain turbine blades from nickel casting heat-resistant alloys with a single crystal structure of the desired crystallographic orientation or directional structure in plants with a liquid metal cooler, improving the quality of castings and structural yield, improving process performance, especially when casting small turbine blades.

Для реализации технической задачи предлагается устройство для получения турбинных лопаток методом направленной кристаллизации, содержащее керамическую форму с литейной чашей, включающую стартовую полость и полости лопаток, расположенные одна над другой соосно относительно вертикальной оси, которое дополнительно содержит систему вертикальных и горизонтальных литниковых каналов, разделяющих полости лопаток и расположенных между стартовой полостью и литейной чашей, и затравочную полость, которая непосредственно соединена со стартовой полостью, при этом соотношение площадей поперечного сечения горизонтального и вертикального литниковых каналов составляет 1:(1-2).To implement the technical task, a device for producing turbine blades by directional crystallization is proposed, containing a ceramic mold with a casting bowl, including a starting cavity and cavity of the blades, located one above the other coaxially relative to the vertical axis, which additionally contains a system of vertical and horizontal sprue channels separating the cavity of the blades and located between the starting cavity and the casting bowl, and the seed cavity, which is directly connected to the start second cavity, wherein the ratio of cross-sectional areas of horizontal and vertical runner is 1: (1-2).

Для получения монокристаллических отливок затравочная полость выполнена с закрытой нижней частью, на внутренней поверхности которой расположена тугоплавкая монокристаллическая затравка заданной ориентации.To obtain single crystal castings, the seed cavity is made with a closed lower part, on the inner surface of which is a refractory single crystal seed of a given orientation.

Для пояснения сущности изобретения на чертеже показано схематическое изображение устройства для литья малоразмерных лопаток ГТД с монокристаллической структурой, где:To clarify the invention, the drawing shows a schematic illustration of a device for casting small-sized GTE blades with a single-crystal structure, where:

1 - полости 2-х лопаток турбины;1 - cavity 2 turbine blades;

2 - стартовая полость;2 - starting cavity;

3 - затравочная полость;3 - seed cavity;

4 - горизонтальные и вертикальные литниковые каналы;4 - horizontal and vertical sprue channels;

5 - литейная чаша;5 - casting bowl;

6 - монокристаллическая затравка.6 - single crystal seed.

В керамическом блоке полости лопаток (1) расположены одна над другой соосно относительно вертикальной оси. Полость нижней лопатки в свою очередь непосредственно соединена в нижней части блока со стартовой полостью (2) и закрытой снизу затравочной полостью (3), в которую установлена монокристаллическая затравка (6).In the ceramic block, the cavity of the blades (1) are located one above the other coaxially relative to the vertical axis. The cavity of the lower blade in turn is directly connected in the lower part of the block to the starting cavity (2) and the seed cavity (3) closed from below, into which the single-crystal seed (6) is installed.

Полости каждой лопатки отделены друг от друга полостями литниковых горизонтальных и вертикальных каналов (4), расположенных между литейной чашей (5) и стартовой полостью (2) устройства.The cavities of each blade are separated from each other by the gates of the gate horizontal and vertical channels (4) located between the casting bowl (5) and the starting cavity (2) of the device.

Система горизонтальных и вертикальных литниковых каналов обеспечивает плавный подвод расплава в каждую лопаточную полость снизу во избежание поломки стержня и снижения брака по засорам, а также для компенсации напряжений, возникающих обычно из-за значительной разности значений КТР материалов формы и отливки, приводящих к образованию трещин и надрывов на тонких кромках лопаток после завершения процесса кристаллизации. При этом диаметры горизонтальных и вертикальных литниковых каналов выбирают в зависимости от размеров получаемых отливок, но так, чтобы обеспечить оптимальное соотношение значений площадей поперечного сечения горизонтального и вертикального каналов, которое находится в пределах 1:(1-2).The system of horizontal and vertical sprue channels provides a smooth supply of melt into each blade cavity from below to avoid rod breakage and reduce blockage by blockages, as well as to compensate for stresses that usually arise due to the significant difference in the KTP values of the mold and cast materials, leading to cracking and tears on the thin edges of the blades after completion of the crystallization process. In this case, the diameters of the horizontal and vertical gating channels are selected depending on the size of the castings obtained, but in such a way as to ensure the optimal ratio of the cross-sectional areas of the horizontal and vertical channels, which is within 1: (1-2).

Если соотношение площадей поперечного сечения горизонтального и вертикального каналов менее чем 1:1, то в горизонтальном канале может создаваться теплоаккумулирующий узел, что не способствует процессу направленной кристаллизации лопаточного блока, а соотношение указанных площадей более чем 1:2 создает тепловые узлы в вертикальном канале. Выход за пределы оптимального соотношения приводит к увеличению брака по структуре.If the ratio of the cross-sectional areas of the horizontal and vertical channels is less than 1: 1, then a heat storage unit can be created in the horizontal channel, which does not contribute to the process of directed crystallization of the blade unit, and the ratio of these areas of more than 1: 2 creates thermal nodes in the vertical channel. Going beyond the optimal ratio leads to an increase in marriage in structure.

Для получения монокристаллических отливок с заранее заданными свойствами в вершине стартовой полости имеется затравочная полость, в которой размещают тугоплавкую монокристаллическую затравку требуемой кристаллографической ориентации.To obtain single-crystal castings with predetermined properties, there is a seed cavity at the top of the starting cavity in which a refractory single-crystal seed of the desired crystallographic orientation is placed.

Кристаллографическая ориентация от монокристаллической затравки через стартовую полость передается к нижней лопатке блока, а от нее - ко всем последующим лопаткам, расположенным соосно над ней. Это позволяет повысить производительность процесса литья, снизить расход дорогостоящих тугоплавких затравок на одну плавку.The crystallographic orientation from the single-crystal seed through the starting cavity is transmitted to the lower blade of the block, and from it to all subsequent blades located coaxially above it. This allows you to increase the productivity of the casting process, reduce the cost of expensive refractory seeds for one melt.

Примеры осуществленияExamples of implementation

Пример 1. Оболочковую керамическую форму изготавливали методом послойного нанесения керамической суспензии на модельный блок, состоящий из 12 моделей малоразмерных лопаток, размещенных в 2 яруса параллельно вертикальной оси друг над другом и образующих 6 секций лопаток, установленных на одной литейной чаше. Каждая секция имела индивидуальную стартовую и затравочную части. Система горизонтальных и вертикальных элементов литниковой системы, расположенных между литейной чашей и стартовой частью и разделяющих лопатки, служит для образования в керамической форме литниковых каналов, которые будут обеспечивать подвод расплава к лопаткам снизу. Система литников обеспечивает повышение прочности конструкции блока, препятствующей образованию надрывов в отливках лопаток после завершения кристаллизации. Изготовленные оболочковые формы просушивали, вытапливали модельную массу и прокаливали при Т печи = 1100°С. Соотношение площадей поперечного сечения горизонтального и вертикального литниковых каналов выбрано как 1:1 (Диаметры вертикального и горизонтального литниковых каналов = 10 мм). В открытую затравочную полость каждой секции лопаток перед плавкой устанавливали монокристаллические тугоплавкие затравки ориентации [111] и заделывали суспензией на основе электрокорунда.Example 1. A shell ceramic mold was made by layer-by-layer application of a ceramic suspension on a model block consisting of 12 models of small blades placed in 2 tiers parallel to the vertical axis one above the other and forming 6 sections of blades mounted on one casting bowl. Each section had an individual starting and starting part. The system of horizontal and vertical elements of the sprue system located between the casting bowl and the start part and separating the blades serves to form sprue channels in ceramic form, which will provide melt supply to the blades from below. The sprue system provides an increase in the strength of the block structure, which prevents the formation of tears in the castings of the blades after crystallization is completed. The manufactured shell molds were dried, the model mass was heated and calcined at a furnace T = 1100 ° C. The ratio of the cross-sectional areas of the horizontal and vertical gating channels is selected as 1: 1 (Diameters of the vertical and horizontal gating channels = 10 mm). Before the melting, single crystal refractory orientation seeds [111] were installed in the open seed cavity of each blade section before melting and sealed with an electrocorundum suspension.

Форму на специальной подвеске помещали в установку для направленной кристаллизации с жидкометаллическим охладителем УВНК-9, где производили нагрев до рабочей температуры, расплавляли в тигле шихтовую заготовку интерметаллидного сплава ВКНА-4У и заливали его в литейную чашу лопаточного керамического блока при температуре на 150° выше Тлик. сплава. После чего производили направленную кристаллизацию путем погружения керамической формы с расплавом из нагревателя в жидкометаллический охладитель. После кристаллизации лопатки освобождали от керамики, литниковой системы и подвергали травлению на макроструктуру. Как показал визуальный и рентгеновский контроль 90% отливок имели монокристаллическую структуру ориентации [111] с отклонением до 10°. Трещин и разрушений на лопатках не выявлено.The mold on a special suspension was placed in the installation for directional crystallization with a UVK-9 liquid metal cooler, where it was heated to operating temperature, the VKNA-4U intermetallic alloy alloy billet was melted in a crucible, and it was poured into a casting bowl of a spatula-shaped ceramic block at a temperature of 150 ° above Tlick . alloy. After that, directional crystallization was performed by immersing the ceramic mold with the melt from the heater into a liquid metal cooler. After crystallization, the blades were freed from ceramics, the sprue system and subjected to etching on the macrostructure. As shown by visual and X-ray control, 90% of the castings had a single crystal [111] orientation structure with a deviation of up to 10 °. Cracks and damage to the shoulder blades were not detected.

Пример 2. Оболочковую керамическую форму изготавливали аналогично примеру 1, но диаметры литниковых каналов выбирались так, что соотношение площадей поперечного сечения горизонтального и вертикального литниковых каналов составляло 1:2. Открытую затравочную полость каждой секции лопаток перед плавкой заделывали суспензией на основе электрокорунда без установки тугоплавкой затравки. Форму помещали в установку для направленной кристаллизации с жидкометаллическим охладителем УВНК-9 и проводили заливку и направленную кристаллизацию, как показано в примере 1. За одну плавку было получено 24 годные лопатки с направленной структурой.Example 2. A shell ceramic mold was made analogously to example 1, but the diameters of the sprue channels were chosen so that the ratio of the cross-sectional areas of the horizontal and vertical sprue channels was 1: 2. The open seed cavity of each section of the blades before melting was sealed with a suspension based on electrocorundum without installing a refractory seed. The mold was placed in an installation for directional crystallization with a UVK-9 liquid metal cooler and casting and directional crystallization were performed, as shown in Example 1. For one melt, 24 suitable blades with directional structure were obtained.

Пример 3, выполненный по способу-прототипу.Example 3, made by the prototype method.

Оболочковую керамическую лопаточную форму изготавливали по способу-прототипу и заливали расплавом жаропрочного никелевого сплава. Примерно 30% полученных лопаток имели надрывы со стороны выходной кромки после удаления керамики как результат нескомпенсированной усадки металла. Визуальный и рентгеновский контроль лопаток после травления показал, что часть отливок лопаток имела посторонние кристаллы, проросшие от места соединения формы и холодильника, а монокристаллическую структуру имели 50% полученных лопаток с отклонением от направления [001] 5-20°.Shell ceramic blade shape was made according to the prototype method and was filled with a melt of heat-resistant nickel alloy. About 30% of the blades obtained had tears on the side of the outlet edge after removal of the ceramics as a result of uncompensated metal shrinkage. Visual and x-ray control of the blades after etching showed that part of the castings of the blades had foreign crystals sprouted from the junction of the mold and the refrigerator, and the monocrystalline structure had 50% of the obtained blades with a deviation from the [001] direction of 5-20 °.

Опробование предложенного устройства в серийном производстве для литья монокристаллических турбинных лопаток малоразмерного двигателя показало, что оно обеспечивает высокую производительность при получении лопаток требуемой кристаллографической ориентации с выходом годного до 90% по структуре и 99-100% с направленной структурой.Testing of the proposed device in serial production for casting single-crystal turbine blades of a small engine has shown that it provides high performance in obtaining blades of the desired crystallographic orientation with a yield of up to 90% in structure and 99-100% with directional structure.

Claims (2)

1. Устройство для получения турбинных лопаток методом направленной кристаллизации, содержащее керамическую форму с литейной чашей, включающую стартовую полость и полости лопаток, расположенные одна над другой соосно по вертикальной оси, отличающееся тем, что устройство снабжено системой вертикальных и горизонтальных литниковых каналов, разделяющих полости лопаток и расположенных между стартовой полостью и литейной чашей, и затравочной полостью, которая непосредственно соединена со стартовой полостью, при этом соотношение площадей поперечного сечения горизонтального и вертикального литниковых каналов составляет 1:(1-2).1. A device for producing turbine blades by directional crystallization, containing a ceramic mold with a casting bowl, including a starting cavity and cavity of the blades, located one above the other coaxially along the vertical axis, characterized in that the device is equipped with a system of vertical and horizontal sprue channels separating the cavity of the blades and located between the starting cavity and the casting bowl, and the seed cavity, which is directly connected to the starting cavity, the ratio of the areas cross sectional horizontal and vertical runner is 1: (1-2). 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что затравочная полость выполнена с закрытой нижней частью, на внутренней поверхности которой расположена тугоплавкая монокристаллическая затравка заданной ориентации.2. The device according to claim 1, characterized in that the seed cavity is made with a closed lower part, on the inner surface of which is a refractory single-crystal seed of a given orientation.
RU2005136893/02A 2005-11-28 2005-11-28 Turbine blades casting plant with use of directed crystallization process RU2302923C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005136893/02A RU2302923C1 (en) 2005-11-28 2005-11-28 Turbine blades casting plant with use of directed crystallization process

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005136893/02A RU2302923C1 (en) 2005-11-28 2005-11-28 Turbine blades casting plant with use of directed crystallization process

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2302923C1 true RU2302923C1 (en) 2007-07-20

Family

ID=38431038

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2005136893/02A RU2302923C1 (en) 2005-11-28 2005-11-28 Turbine blades casting plant with use of directed crystallization process

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2302923C1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2490088C2 (en) Method of making blades with directional crystallisation
JPS58138554A (en) Method and mold for preparing casted single crystal
CN105108061A (en) Method of eliminating stray grain defect in single crystal blade
CN111922322A (en) Directional solidification device and casting method
JP2001505175A (en) Method and apparatus for making directionally solidified castings
CN113458366A (en) Antigravity effect single crystal high-temperature alloy directional solidification growth equipment and application thereof
JPH0437040B2 (en)
EP0059549B1 (en) Method of casting an article
RU2302923C1 (en) Turbine blades casting plant with use of directed crystallization process
RU2532621C1 (en) Device for casting of turbine blade with monocrystalline structure
CN100406161C (en) Oriented freezing cast method
CN109475931B (en) Directional solidification cooling furnace and cooling method using the same
CN216065488U (en) Antigravity effect single crystal high-temperature alloy directional solidification growth equipment
US6557618B1 (en) Apparatus and method for producing castings with directional and single crystal structure and the article according to the method
RU2597491C2 (en) Device and the ceramic shell for producing castings with monocrystalline and directed structure
RU2411106C2 (en) Method of producing casts with directed structure
RU2285580C2 (en) Apparatus for producing cast products by directional crystallization
RU2392091C1 (en) Device for obtainment of heat-proof nickel alloy blade with monocrystalline structure
EP0066971A2 (en) Method of casting an article
RU2329120C1 (en) Method of producing single crystal cast of turbine working blade of gas turbine engine with specified axial and azimuthal orientation of alloy
RU2325971C1 (en) Device to produce monocrystal turbine blade casting
RU2400326C1 (en) Device for production of cast with mono-crystal structure
CN115055641B (en) Single crystal guide vane and investment precision casting method thereof
RU2080209C1 (en) Device for production of single-crystal ingots
RU2353471C2 (en) Facility for receiving of cast made of heat-resistant alloys with single-crystal structure