RU2371278C2

RU2371278C2 - Method for production of foundry goods and device for its realisation

Info

Publication number: RU2371278C2
Application number: RU2007144622/02A
Authority: RU
Inventors: Владимир Дмитриевич Каменев (RU); Владимир Дмитриевич Каменев; Марк Дмитриевич Любалин (RU); Марк Дмитриевич Любалин
Original assignee: Открытое акционерное общество "Силовые машины-ЗТЛ, ЛМЗ, Электросила, Энергомашэкспорт" (ОАО "Силовые машины")
Priority date: 2007-11-22
Filing date: 2007-11-22
Publication date: 2009-10-27
Also published as: RU2007144622A

Abstract

FIELD: technological processes, casting.

SUBSTANCE: invention is related to the field of foundry. Ceramic shell is made, separate sections are lined with heat insulation fire-resistant thick felt. A detachable container is installed in moulding box, in which part of shell is installed with working cavity of a foundry item and is filled with cast iron or steel pellets, which has increased heat-accumulating capacity. Shell is molded as a whole in moulding box by graphite or chamotte crumbs. Molded shell is heated up to temperature of 900-1050°C, melt is poured in shell in vacuum, moulding box with a foundry piece is withdrawn on air.

EFFECT: reduced porosity of foundry goods with fine-grained equiaxed macrostructure.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения и предназначено преимущественно для получения методом литья по выплавляемым моделям из жаропрочных никелевых сплавов заготовок турбинных лопаток с регламентированной равноосной макроструктурой и плотностью.The invention relates to the field of mechanical engineering and is intended primarily for producing by investment casting of heat-resistant nickel alloys preforms of turbine blades with a regulated equiaxial macrostructure and density.

Известен способ получения отливок по выплавляемым моделям, заключающийся в изготовлении огнеупорной керамической оболочки с сообщающимися полостями рабочей части отливки, заливочной воронки, прибыли и элементов литниково-питающей системы, заформовывание оболочки твердеющим опорным наполнителем в опоке без дна, когда после затвердевания наполнителя жестко консолидированную с ним оболочку извлекают из опоки, подогревают и заливают расплавленным металлом (В.Н.Иванов, С.А.Казеннов, Б.С.Курчман и др., «Литье по выплавляемым моделям», Москва, «Машиностроение», 1984, стр.233-234).A known method for producing investment castings is the manufacture of a refractory ceramic shell with communicating cavities of the working part of the casting, pouring funnel, profit and elements of the gate-feeding system, molding the shell with a hardening support filler in a flask without a bottom, when after solidification of the filler it is rigidly consolidated with it the shell is removed from the flask, heated and filled with molten metal (V.N. Ivanov, S.A. Kazennov, B.S. Kurchman et al., “Lost wax casting”, Moscow a, "Engineering", 1984, pp. 233-234).

Недостаток способа связан с повышенной жесткостью наполнителя, препятствующей усадке отливок и приводящей к возникновению в ней пор и трещин. К недостаткам также относится ограниченность возможностей управления температурным полем отливки при кристаллизации расплава, что не позволяет получить металл отливок с заданной первичной структурой и свойствами.The disadvantage of this method is associated with increased rigidity of the filler, which prevents shrinkage of the castings and leads to the appearance of pores and cracks in it. The disadvantages also include the limited ability to control the temperature field of the casting during crystallization of the melt, which does not allow to obtain metal castings with a given primary structure and properties.

Наиболее близким к заявляемому и выбранному в качестве прототипа является способ получения методом литья по выплавляемым моделям отливки турбинной лопатки, состоящий в изготовлении керамической оболочки, облицовывании оболочки гибким теплоизоляционным огнеупорным волокном, толщина которого изменяется по высоте оболочки, подогреве облицованной оболочки при температуре 1000°С, установке подогретой оболочки на засыпанное холодным или подогретым огнеупорным или сыпучим металлическим материалом дно холодной камеры (опоки), заливке расплавленного металла в оболочку, выдержке в течение ~15 минут оболочки в охлаждаемом контейнере до завершения кристаллизации металла, извлечении оболочки с отливкой из контейнера и полном охлаждении на воздухе (патент РФ №2142352, В22С 9/02). Недостатком этого способа является необходимость изготовления толстостенных керамических оболочковых форм, т.к. без опорного наполнителя при сливе металла в тонкостенную оболочку происходит ее раздутие и даже разрушение. Увеличение толщины оболочки повышает ее жесткость, что приводит к затрудненной усадке отливки и связанным с этим дефектам - порам и трещинам. Кроме этого, изготовление толстостенных оболочек требует повышенного расхода дорогостоящих связующих и обсыпочных материалов. При переносе из печей подогрева в вакуумные плавильно-заливочные печи облицованных оболочек из-за их малой термоаккумуляции происходит существенная потеря тепла, что не позволяет выполнить тонкие кромки лопаток. Если компенсировать эти потери тепла перегревом сливаемого в оболочковую форму металла, то образуется крупнозернистая пористая отливка.Closest to the claimed and chosen as a prototype is a method for producing a casting of a turbine blade by casting by investment casting method, which consists in manufacturing a ceramic shell, lining the shell with a flexible heat-insulating refractory fiber, the thickness of which varies along the height of the shell, heating the cladding at a temperature of 1000 ° C, installation of a heated shell on the bottom of a cold chamber (flask) covered with cold or heated refractory or bulk metal material, pouring The pressure in the metal shell, aged for ~ 15 minutes in a refrigerated container shell to complete crystallization of the metal, removing the shell from a casting container and complete cooling air (RF patent №2142352, V22S 9/02). The disadvantage of this method is the need for the manufacture of thick-walled ceramic shell molds, because without a supporting filler, when the metal is drained into a thin-walled shell, it swells and even ruptures. Increasing the thickness of the shell increases its rigidity, which leads to difficult shrinkage of the casting and the associated defects - pores and cracks. In addition, the manufacture of thick-walled shells requires an increased consumption of expensive binders and sprinkling materials. When transferred from heated furnaces to vacuum melting and casting furnaces of lined shells due to their small thermal accumulation, a significant heat loss occurs, which does not allow the thin edges of the blades to be made. If these heat losses are compensated by overheating of the metal being poured into the shell form, a coarse-grained porous casting is formed.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является получение отливок лопаток с мелкозернистой равноосной макроструктурой, снижение пористости отливок.The problem to which the invention is directed, is to produce castings of blades with a fine-grained equiaxial macrostructure, and to reduce the porosity of castings.

Для решения поставленной задачи способ получения отливок турбинных лопаток из жаропрочных никелевых сплавов включает изготовление керамической оболочки с сообщающимися полостями рабочей части отливки, заливочной воронки, прибыли и элементов литниково-питающей системы, облицовывание отдельных участков оболочки теплоизоляционным огнеупорным войлоком, заформовывание оболочки в целом в опоке холодным сыпучим наполнителем, подогрев заформованной оболочки до температуры 900-1050°С, слив расплава в горячую оболочку в вакууме, извлечение из печи опоки с отливкой на воздух.To solve this problem, a method for producing castings of turbine blades from heat-resistant nickel alloys includes the manufacture of a ceramic shell with interconnected cavities of the working part of the casting, pouring funnel, gates and elements of the gate-feeding system, lining of certain sections of the shell with heat-insulating refractory felt, molding the shell as a whole in the flask with cold bulk filler, heating the formed shell to a temperature of 900-1050 ° C, draining the melt into a hot shell in a vacuum, removing from flask furnaces with air casting.

В процессе заформовывания в опоку устанавливают съемный контейнер, фиксируемый в полости опоки сыпучим наполнителем. В контейнере размещают часть оболочки с рабочей полостью отливки и заформовывают наполнителем с повышенной термоаккумулирующей способностью, например, чугунной или стальной дробью. Контейнер выполнен из графита или из листовой углеродистой стали с покрытием на основе кремнезема и корунда.During the molding process, a removable container is fixed in the flask, fixed in the cavity of the flask with a loose filler. A part of the shell with the working cavity of the casting is placed in the container and molded with a filler with increased thermal storage capacity, for example, cast iron or steel shot. The container is made of graphite or of carbon steel sheet coated with silica and corundum.

Сыпучий наполнитель с повышенной термоаккумулирующей способностью интенсивно отбирает тепло, привносимое в систему заливаемым металлом, когда у внутренней стенки оболочки с рабочей полостью температура повышается до ~1400°С. За счет интенсивного отбора тепла повышается скорость кристаллизации металла и происходит измельчение макрозерен и дендритов. Снижение пористости отливок обусловлено тем, что крупные поры и рыхлоты остаются в прибыльной части оболочки, поскольку она заформована сыпучим наполнителем с более низкой термоаккумулирующей способностью, и металл прибыли кристаллизуется в последнюю очередь.A bulk filler with increased thermal storage capacity intensively removes heat introduced into the system by the poured metal when the temperature rises to ~ 1400 ° C near the inner wall of the shell with a working cavity. Due to intensive heat removal, the rate of crystallization of the metal increases and macrograins and dendrites are crushed. The decrease in the porosity of the castings is due to the fact that large pores and loosening remain in the profitable part of the shell, since it is molded by a loose filler with a lower thermal storage capacity, and the profit metal crystallizes last.

Таким образом, предлагаемый способ получения отливок позволяет решить поставленную задачу путем достижения следующего технического результата, а именно получение отливок лопаток с мелкозернистой равноосной макроструктурой и снижение пористости отливок за счет применения для формовки части оболочки с рабочей полостью отливки сыпучего наполнителя с повышенной термоаккумулирующей способностью.Thus, the proposed method for producing castings allows us to solve the problem by achieving the following technical result, namely, obtaining castings of blades with a fine-grained equiaxed macrostructure and reducing the porosity of castings due to the use of a bulk filler with increased thermal storage capacity for casting a part of the shell with a working cavity.

Новым в заявляемом изобретении является то, что в процессе заформовывания в опоку устанавливают съемный контейнер, фиксируемый в полости опоки сыпучим наполнителем. В контейнере размещают часть оболочки с рабочей полостью отливки и заформовывают наполнителем с повышенной термоаккумулирующей способностью, например чугунной или стальной дробью. Контейнер выполнен из графита или из листовой углеродистой стали с покрытием на основе кремнезема и корунда.New in the claimed invention is that during the molding process a removable container is installed in the flask, fixed in the cavity of the flask with a loose filler. A part of the shell with the working cavity of the casting is placed in the container and molded with a filler with high thermal storage capacity, for example, cast iron or steel shot. The container is made of graphite or of carbon steel sheet coated with silica and corundum.

Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию патентоспособности "новизна".This allows us to conclude that the claimed invention meets the patentability criterion of "novelty."

Анализ каждого из отличительных признаков показал, что установка съемного контейнера, фиксируемого в полости опоки сыпучим наполнителем, размещение в контейнере части оболочки с рабочей полостью отливки и заформовывание наполнителем с повышенной термоаккумулирующей способностью, например чугуной или стальной дробью, выполнение контейнера в опоке из графита или из листовой углеродистой стали с покрытием на основе кремнезема и корунда не выявлено из существующего уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности «изобретательский уровень».An analysis of each of the distinguishing features showed that installing a removable container fixed in the cavity of the flask with bulk filler, placing part of the shell with the working cavity of the casting in the container and molding it with a filler with high thermal storage capacity, for example, cast iron or steel shot, making the container in graphite flask or from carbon steel sheet coated with silica and corundum is not identified from the existing level of technology, which allows us to conclude that the claimed inventions to the patentability condition “inventive step”.

Разработано два варианта реализации способа. Первый с подогревом заформованной оболочки в вакуумной плавильно-заливочной установке, а второй - при подогреве вне вакуумной установки в отдельной печи подогрева в воздушной атмосфере.Two options for the implementation of the method are developed. The first is with the heating of the formed shell in a vacuum melting and casting plant, and the second is when heated outside the vacuum system in a separate heating furnace in an air atmosphere.

Способ реализуется с помощью устройства, схематично представленного на фиг.1. Устройство содержит опоку 1 с дном и стенками, съемный контейнер 2, фиксируемый в полости опоки сыпучим опорным наполнителем 3 и вмещающий в себя часть оболочки 5 с рабочей полостью отливки, заформованную другим опорным наполнителем 4 с повышенной термоаккумулирующей способностью. На фиг.1 показаны также полоса 6 теплоизоляционного войлока, облицовывающая участок оболочки у тонкой кромки отливки, войлочный разделитель 7 двух типов наполнителей 3 и 4, участки оболочки с полостями прибыли 8 и заливочной воронки 9 с крышкой 10, закрывающей воронку при заформовывании оболочки.The method is implemented using the device schematically represented in figure 1. The device comprises a flask 1 with a bottom and walls, a removable container 2, fixed in the cavity of the flask with loose supporting filler 3 and containing part of the shell 5 with a working cavity of the casting, molded by another supporting filler 4 with high thermal storage capacity. Figure 1 also shows a strip 6 of heat-insulating felt, lining a portion of the shell at the thin edge of the casting, felt separator 7 of two types of fillers 3 and 4, sections of the shell with cavities of profit 8 and pouring funnel 9 with a lid 10 that closes the funnel when forming the shell.

В первом варианте реализации способа при подогреве заформованной оболочки в вакуумной плавильно-заливочной установке используется графитовая опока 1 с графитовой крошкой в качестве наполнителя 3.In the first embodiment of the method, when heating the formed shell in a vacuum melting and casting installation, graphite flask 1 with graphite crumb is used as filler 3.

Во втором варианте реализации способа при подогреве оболочки вне вакуумной плавильно-заливочной установки опока 1 выполнена из жаростойкой стали, а наполнителем 3 служит шамотная крошка.In the second embodiment of the method, when the shell is heated outside the vacuum melting and casting installation, the flask 1 is made of heat-resistant steel, and the filler 3 is fireclay chips.

В обоих вариантах наполнителем 4 является чугуная или стальная дробь, а материалом внутреннего контейнера для дроби является графит или стальной лист из углеродистой стали с покрытием на основе кремнезема и корунда.In both variants, filler 4 is cast iron or steel shot, and the material of the inner container for shot is graphite or a carbon steel sheet coated with silica and corundum.

Изобретение поясняется также фиг.2 и фиг.3.The invention is also illustrated in figure 2 and figure 3.

На фиг.2 схематично представлена опока 1 и съемный контейнер 2 на стадии установки и фиксации наполнителем 3 контейнера 2, закрываемого крышкой 11, в опоке 1. Фиг.3 изображает стадию заформовывания в контейнере 2 чугунной или стальной дробью 4 части оболочки 5 с рабочей полостью отливки и наклеенной облицовочной теплоизоляционной войлочной полоской 6 у тонкой кромки отливки, а также установки войлочного огнеупорного разделителя 7 двух разносортных наполнителей. После доформовывания в опоке 1 наполнителем 3 оболочки до верхней кромки заливочной воронки (фиг.1) опока 1 с оболочкой 5 передается для осуществления операций нагрева до температуры 900-1050°С и слива в вакууме в нагретую оболочку расплава никелевого сплава, разогретого до заданной техпроцессом температуры. После извлечения на воздух и выдержки отливки в заформованной оболочке в течение времени, исключающего деформацию отливки и возникновение в металле закалочных напряжений, производят расформовку, освобождают отливку от керамики, отрезают ее рабочую часть и осуществляют контроль качества литой заготовки лопатки.Figure 2 schematically shows the flask 1 and the removable container 2 at the stage of installation and fixation by the filler 3 of the container 2, which is closed by the lid 11, in the flask 1. Figure 3 depicts the stage of molding in the container 2 with cast iron or steel shot 4 parts of the shell 5 with a working cavity casting and glued facing heat-insulating felt strip 6 at the thin edge of the casting, as well as installing a felt refractory separator 7 of two different sorted fillers. After molding into the flask 1 by the filler 3 of the shell to the upper edge of the casting funnel (Fig. 1), the flask 1 with the shell 5 is transferred to perform heating operations to a temperature of 900-1050 ° C and to be drained in a vacuum into a heated melt shell of a nickel alloy heated to a predetermined process temperature. After extraction into the air and holding the casting in the molded shell for a time that excludes the casting’s deformation and the formation of quenching stresses in the metal, forming is performed, the casting is freed from the ceramic, its working part is cut off, and the quality of the cast blade blank is controlled.

Вышеизложенные сведения позволяют сделать вывод о том, что предложенное устройство технически реализуется.The above information allows us to conclude that the proposed device is technically implemented.

Следовательно, предлагаемое решение соответствует критерию патентоспособности изобретения "промышленная применимость".Therefore, the proposed solution meets the criterion of patentability of the invention "industrial applicability".

Claims

1. A method for producing castings of turbine blades from heat-resistant nickel alloys, including the manufacture of a ceramic shell with a casting working cavity, a pouring funnel, profit and elements of a gate-feed system, lining of individual sections of the shell with heat-insulating refractory material, molding the shell with a cold bulk filler in a flask, heating the molded shells in vacuum, removing the flask with casting into the air, characterized in that during molding, a removable container is installed in the flask and fixed o loose supporting filler, place in the container part of the shell with the working cavity of the casting and form it with a filler with high thermal storage capacity.

2. The method according to claim 1, characterized in that cast iron or steel shot is used as a filler with increased thermal storage capacity.

3. A device for producing castings of turbine blades made of heat-resistant nickel alloys containing a flask and a shell, characterized in that the flask has a removable container fixed by a supporting filler, the container being made of graphite or carbon sheet steel coated with silica and corundum .