RU2392091C1

RU2392091C1 - Device for obtainment of heat-proof nickel alloy blade with monocrystalline structure

Info

Publication number: RU2392091C1
Application number: RU2009111548/02A
Authority: RU
Inventors: Виктор Владимирович Герасимов (RU); Виктор Владимирович Герасимов; Евгений Николаевич Каблов (RU); Евгений Николаевич Каблов; Елена Михайловна Висик (RU); Елена Михайловна Висик
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2010-06-20

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention refers to metallurgy and can be applied in casting of monocrystalline blades featuring tread lock shelves with labirynth combs, preferably large blades of gas turbine plants. Device includes ceramic mould with inoculating cavity in the base, bearing monocrystalline seed, conical start cavity, adjoining blade airfoil cavity, and additional start and inoculation cavities. Additional start cavity is made in the form of triangle with base of the same width as tread lock shelf of the blade. Additional inoculation cavity with seed is located at the top opposite to triangle base. Seed in the additional inoculation cavity features the sane crystalline direction as in inoculation cavity of the ceramic mould.

EFFECT: reduced labour intensity of mechanical processing of blades, reduced consumption of costly deficient heat-proof alloy per cast, improved reliability of processing.

4 cl, 2 dwg, 3 ex

Description

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при литье монокристаллических лопаток из жаропрочных никелевых сплавов, имеющих бандажные полки с лабиринтными гребешками, в частности расположенными против направления роста кристаллов, преимущественно крупногабаритных лопаток ГТУ.The invention relates to the field of metallurgy and can be used in the casting of single-crystal blades from heat-resistant nickel alloys having retaining shelves with labyrinth scallops, in particular, located opposite the direction of crystal growth, mainly large-sized GTU blades.

Известны устройства для получения монокристаллических отливок турбинных лопаток заданной кристаллографической ориентации, в которых керамическая оболочковая форма содержит полость отливки, стартовую полость и полость кристаллоотборника в виде геликоида, работающего по методу естественного отбора одного кристалла из множества зародившихся на охлаждаемой поверхности (патенты США №№4133368, 4469160; Великобритании №2112309), а также устройства, содержащие затравочную полость с затравочным гнездом с размещенной в нем тугоплавкой затравкой (патенты США №№4714101, 4475582; патенты РФ №№2155651, 2021877, 2265496, 2167029).Known devices for producing single-crystal castings of turbine blades of a given crystallographic orientation, in which the ceramic shell mold contains a casting cavity, a starting cavity and a cavity of a crystal sampler in the form of a helicoid, operating by the method of natural selection of one crystal from a variety of nucleated on a cooled surface (US Patent Nos. 4,133,368, 4469160; Great Britain No. 2112309), as well as devices containing a seed cavity with a seed socket with a refractory seed placed in it (pa cients US №№4714101, 4,475,582, Russian patent №№2155651, 2021877, 2265496, 2167029).

Однако при использовании указанных устройств затруднительно обеспечить рост монокристаллической структуры во всех элементах крупногабаритных отливок, таких как лопатки, из-за наличия в них сильно развитых бандажных полок, многочисленных лабиринтных гребешков, что приводит к браку по структуре.However, when using these devices, it is difficult to ensure the growth of a single crystal structure in all elements of large castings, such as blades, due to the presence of highly developed retaining shelves, numerous labyrinth scallops, which leads to marriage in structure.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для получения отливки монокристаллической турбинной лопатки, состоящей из пера, замковой части, одной или более замковых бандажных полок, которое содержит керамическую форму лопатки, в основании которой последовательно выполнены затравочная полость с размещенной в ней монокристаллической затравкой, коническая стартовая полость, полость пера, полость замка с замковой полкой, а также дополнительные литниковые ходы, соединяющие стартовую полость с замковой полкой вдоль входной и выходной кромок пера лопатки, при этом расстояние между входной и выходной кромками торца пера лопатки меньше прилегающего к нему торца конической стартовой полости (патент РФ №2239520).Closest to the claimed is a device for casting a single-crystal turbine blade, consisting of a feather, a castle part, one or more castle retaining shelves, which contains a ceramic blade shape, at the base of which a seed cavity is sequentially made with a single-crystal seed placed in it, a conical starting cavity , pen cavity, castle cavity with a castle shelf, as well as additional gate ways connecting the starting cavity with the castle shelf along the entrance and exit second edges of the blade, wherein the distance between the inlet and outlet edges of the blade end is less than the adjoining end of the conical cavity homepage (RF Patent №2239520).

Недостатками прототипа являются вероятность появления засоров в местах соединения кристалловодов с полостью отливки, особенно для крупногабаритных ГТУ из-за большой протяженности, что снижает выход годного по структуре, а также дополнительный расход остродефицитного жаропрочного сплава на заполнение дополнительных литниковых ходов большой протяженности (на больших отливках масса их существенна), значительное увеличение веса керамической формы и самой отливки.The disadvantages of the prototype are the likelihood of clogging at the junction of the crystal guides with the casting cavity, especially for large-sized gas turbines due to their large length, which reduces the yield of the structure, as well as the additional consumption of heat-deficient heat-resistant alloy to fill additional gate ways of long length (large castings significant), a significant increase in the weight of the ceramic mold and the casting itself.

Технической задачей изобретения является разработка устройства, позволяющего получать крупногабаритные лопатки ГТУ из жаропрочных никелевых сплавов с монокристаллической структурой, обеспечивающих повышение выхода годного по структуре, снижение расхода жаропрочного сплава, снижение веса керамической формы и самой отливки.An object of the invention is to develop a device that allows to obtain large-sized GTU blades from heat-resistant nickel alloys with a single crystal structure, which increase the yield of structure, reduce the consumption of heat-resistant alloy, reduce the weight of the ceramic mold and the casting itself.

Для решения технической задачи предлагается устройство для получения лопатки из жаропрочного никелевого сплава с монокристаллической структурой, состоящей из пера, замковой части и, по крайней мере, одной замковой бандажной полки, содержащее керамическую форму лопатки, в основании которой последовательно выполнены затравочная полость с размещенной в ней монокристаллической затравкой заданной кристаллографической ориентации, коническая стартовая полость и полость пера лопатки, отличающееся тем, что замковая бандажная полка снабжена дополнительными стартовой и затравочной полостями, причем дополнительная стартовая полость выполнена в виде треугольника, основание которого равно ширине замковой бандажной полки лопатки, а в вершине противоположной основанию треугольника расположена затравочная полость с затравкой. Затравка, размещенная в дополнительной затравочной полости, выполнена с той же кристаллографической ориентацией, что и в затравочной полости пера керамической формы. В качестве затравки использованы сплавы системы никель-вольфрам, никель-рений, никель-родий. Для получения лопаток с несколькими замковыми бандажными полками дополнительные стартовые полости могут быть объединены в один узел с общей затравочной полостью.To solve the technical problem, a device is proposed for producing a blade made of heat-resistant nickel alloy with a single-crystal structure consisting of a feather, a castle part and at least one castle retaining shelf containing a ceramic blade shape, at the base of which a seed cavity is sequentially made with a seed cavity placed in it single-crystal seed of a given crystallographic orientation, a conical starting cavity and a blade cavity of the blade, characterized in that the castle retaining shelf is equipped with optional starting seed and cavities, with an additional starting cavity is formed in the shape of a triangle whose base is equal to the width of the locking blade shroud flange and the vertex opposite the base of the triangle is seeded seed cavity. The seed placed in an additional seed cavity is made with the same crystallographic orientation as in the seed cavity of a ceramic-shaped pen. Alloys of the nickel-tungsten system, nickel-rhenium, and nickel-rhodium were used as seeds. To obtain blades with several locking retaining shelves, additional starting cavities can be combined into one node with a common seed cavity.

В предлагаемом устройстве монокристаллическая структура зарождается от монокристаллической затравки, расположенной в затравочной полости керамической формы, распространяется в стартовую коническую полость, а затем в перо лопатки. Для получения монокристаллической структуры в полках лопатки крупногабаритной ГТУ замковая бандажная полка с каждой стороны снабжена дополнительными стартовыми полостями, выполненными в виде треугольника, основание которого должно быть равно ширине замковой бандажной полки лопатки, чтобы избежать зарождения посторонних кристаллов в месте их соединения. Каждая дополнительная стартовая полость в вершине, противоположной основанию треугольника, содержит затравочную полость с затравкой, кристаллографическая ориентация которой совпадает как в осевом, так и азимутальном направлениях с ориентацией затравки в затравочной полости пера керамической формы. Применение тугоплавких затравок системы Ni-W, Ni-Re, Ni-Rh снимает опасность полного расплавления затравок независимо от места расположения формы в нагревателе, что повышает надежность технологического процесса. Передача кристаллографической ориентации от затравки к отливке осуществляется за счет растворения торца затравки залитым на него расплавом, а не за счет расплавления части затравки, как в прототипе.In the proposed device, a single-crystal structure originates from a single-crystal seed located in a seed cavity of a ceramic shape, propagates into the starting conical cavity, and then into the feather of the blade. To obtain a single-crystal structure in the shelves of the blade of a large-sized gas turbine, the lock bandage on each side is equipped with additional starting cavities made in the form of a triangle, the base of which must be equal to the width of the lock bandage of the blade to prevent the formation of foreign crystals at the junction. Each additional starting cavity at the vertex opposite the base of the triangle contains a seed cavity with a seed, the crystallographic orientation of which coincides in both axial and azimuthal directions with the orientation of the seed in the seed cavity of a ceramic pen. The use of refractory seeds of the Ni-W, Ni-Re, Ni-Rh system eliminates the risk of complete melting of the seeds, regardless of the location of the mold in the heater, which increases the reliability of the process. The transfer of the crystallographic orientation from the seed to the casting is carried out by dissolving the end face of the seed by the melt poured on it, and not by melting part of the seed, as in the prototype.

Для получения монокристаллической лопатки с несколькими бандажными полками целесообразно дополнительные стартовые полости с каждой стороны объединять в один узел с общей затравочной полостью, что технологически упрощает изготовление керамической формы.To obtain a single-crystal blade with several retaining shelves, it is advisable to combine additional starting cavities on each side into one node with a common seed cavity, which technologically simplifies the manufacture of the ceramic mold.

На фиг.1 и 2 представлено устройство для получения крупногабаритной лопатки ГТУ.Figures 1 and 2 show a device for producing a large GTU blade.

На фиг.1 показана керамическая форма лопатки ГТУ с одной бандажной полкой, где:Figure 1 shows the ceramic shape of the GTU blades with one retaining shelf, where:

1 - затравочная полость с затравкой;1 - a seed cavity with a seed;

2 - коническая стартовая полость;2 - conical starting cavity;

3 - полость пера лопатки;3 - the cavity of the pen blade;

4 - дополнительная затравочная полость с затравкой;4 - additional seed cavity with seed;

5 - дополнительная стартовая полость;5 - additional starting cavity;

6 - бандажная полка лопатки;6 - retaining shelf of the scapula;

7 - замковая часть лопатки.7 - the locking part of the scapula.

На фиг.2а показана керамическая форма лопатки ГТУ с двумя замковыми бандажными полками, где:On figa shows the ceramic shape of the blades of the gas turbine with two locking retaining shelves, where:

3 - полость пера лопатки;3 - the cavity of the pen blade;

4 - дополнительные затравочные полости с затравками;4 - additional seed cavities with seeds;

5 - дополнительные стартовые полости;5 - additional starting cavity;

6 - бандажные полки лопатки;6 - retaining shelves of the scapula;

7 - замковая часть отливки.7 - the castle part of the casting.

На фиг.2б показана керамическая форма лопатки ГТУ с двумя замковыми бандажными полками, дополнительные стартовые полости которых объединены общей затравочной полостью, где:On figb shows the ceramic shape of the blades of the gas turbine with two locking retaining shelves, additional starting cavities which are combined by a common seed cavity, where:

8 - дополнительные стартовые полости, объединенные общей затравочной полостью.8 - additional starting cavity, united by a common seed cavity.

В керамической форме лопатки, в которой последовательно соединены затравочная полость с затравкой (1), коническая стартовая полость (2) и полость пера лопатки (3), выполнены дополнительные стартовые полости (5), примыкающие к бандажным полкам лопатки (6), в виде треугольника, в вершине, противоположной основанию треугольника, которого расположена дополнительная затравочная полость с затравкой (4), причем его основание равно ширине полки лопатки. Если лопатка имеет две замковые бандажные полки (6), то дополнительные стартовые полости в виде треугольника могут быть объединены вершинами в один узел общей затравочной полостью (8). В качестве затравок используют тугоплавкие затравки системы Ni-W, Ni-Re, Ni-Rh с температурой ликвидус на 20-100°С, превышающей максимально возможную температуру нагрева форм в течение всего технологического процесса.In the ceramic form of the blade, in which the seed cavity with the seed (1), the conical starting cavity (2) and the blade cavity of the blade (3) are connected in series, additional starting cavities (5) adjacent to the retaining shelves of the blade (6) are made in the form triangle, at a vertex opposite the base of the triangle, which is an additional seed cavity with the seed (4), and its base is equal to the width of the shelf of the scapula. If the blade has two lock retaining shelves (6), then additional starting cavities in the form of a triangle can be combined with their vertices into one node with a common seed cavity (8). As seeds use refractory seeds of the Ni-W, Ni-Re, Ni-Rh systems with a liquidus temperature of 20-100 ° C, exceeding the maximum possible temperature of mold heating during the entire process.

Примеры выполненияExecution examples

Пример 1Example 1

Устройство проверено при отливке лопатки ГТУ высотой 400 мм с одной замковой бандажной полкой на автоматизированной установке для крупногабаритного литья методом направленной кристаллизации УВНК-10. Модель лопатки изготовлена из модельной массы на основе синтетического воска. Стартовое устройство с затравочной полостью и дополнительные стартовые полости треугольной формы изготавливали отдельно с помощью пресс-формы и с помощью кондуктора все элементы собирали в модельный блок с заливочной чашей. Керамическую оболочковую форму изготавливали по стандартной технологии. Перед плавкой в затравочную полость пера керамической формы устанавливали затравку из сплава Ni-30%W с осевой ориентацией [001] и азимутальной [010], ориентированной параллельно большей стороне замка. Во все дополнительные затравочные полости устанавливали затравки такой же ориентации, но из сплава системы Ni-Re. В подготовленную форму заливали жаропрочный сплав ЖС32 по следующему режиму: температура верхнего нагревателя 1560°С, температура среднего нагревателя 1540°С, температура нижнего нагревателя 1520°С, скорость погружения в охладитель переменная (5-10) мм/мин. В результате были получены крупногабаритные монокристаллические лопатки по всей высоте, включая замковые бандажные полки. Выход годного составил 90%.The device was tested during the casting of a GTU blade with a height of 400 mm with one lock retaining shelf on an automated installation for large-size casting by directional crystallization UVNK-10. The model of the blade is made of model mass based on synthetic wax. The starting device with a seed cavity and additional starting cavities of a triangular shape were made separately using a mold and, using a jig, all elements were assembled into a model block with a filling cup. The ceramic shell mold was made using standard technology. Before melting, a seed of a Ni-30% W alloy with an axial orientation of [001] and an azimuthal [010] oriented parallel to the larger side of the castle was installed in the seed cavity of a ceramic-shaped pen. Seeds of the same orientation, but from an alloy of the Ni-Re system, were installed in all additional seed cavities. Heat-resistant alloy ZhS32 was poured into the prepared mold according to the following regime: temperature of the upper heater 1560 ° C, temperature of the middle heater 1540 ° C, temperature of the lower heater 1520 ° C, immersion speed in the cooler is variable (5-10) mm / min. As a result, large-sized single-crystal blades were obtained over the entire height, including castle retaining shelves. The yield was 90%.

Пример 2Example 2

На моделях лопаток, имеющих 2 бандажные полки, высотой 500 мм дополнительные стартовые полости в виде треугольника объединяли вершинами в один узел с общей затравочной полостью с обеих сторон лопатки, затем собирали в блоки, изготавливали керамические формы, как в примере 1. В готовые формы устанавливали одинаковые тугоплавкие затравки из одного сплава системы Ni-Rh. Исходное положение формы в печи подогрева форм установки УВНК-10 было, как в примере 1. Температурные параметры также не отличались от примера 1. Были также получены монокристаллические лопатки заданной кристаллографической ориентации [001], включая бандажные замковые полки. Выход годного составил 90%.On models of blades having 2 retaining shelves with a height of 500 mm, additional starting cavities in the form of a triangle were combined with their vertices into one node with a common seed cavity on both sides of the blades, then assembled into blocks, ceramic molds were made, as in example 1. In the finished molds were installed identical refractory seeds from one alloy of the Ni-Rh system. The initial position of the mold in the heating furnace of the UVK-10 installation was as in Example 1. The temperature parameters also did not differ from Example 1. Single-crystal blades of a given crystallographic orientation [001], including retaining lock shelves, were also obtained. The yield was 90%.

Пример по прототипуPrototype Example

Получали лопатку ГТУ высотой 400 мм. Форма, изготовленная по прототипу, на 30% тяжелее, чем по предлагаемому изобретению, расход жаропрочного сплава увеличился при этом на 20%. Исследование макроструктуры показало, что на полках лопатки имелись посторонние кристаллы, что является браком по структуре. Выход годного составил 70%.Received a GTU blade with a height of 400 mm. The mold made according to the prototype is 30% heavier than according to the invention, the consumption of heat-resistant alloy increased by 20%. The study of the macrostructure showed that on the shelves of the scapula there were foreign crystals, which is a defect in structure. The yield was 70%.

Таким образом, предложенное устройство обеспечивает получение лопаток ГТУ из жаропрочного никелевого сплава с монокристаллической структурой без дополнительных литниковых ходов значительной протяженности, что существенно снижает трудоемкость при мехобработке лопаток, уменьшает расход дорогостоящего остродефицитного жаропрочного сплава на одну отливку, повышает надежность технологического процесса и выход годного по структуре за счет исключения возможности полного расплавления затравки при максимальных рабочих температурах.Thus, the proposed device provides for the production of GTU blades from a heat-resistant nickel alloy with a single-crystal structure without additional runways of considerable length, which significantly reduces the complexity during machining of the blades, reduces the consumption of costly heat-deficient heat-resistant alloy per casting, increases the reliability of the process and the yield of the structure by eliminating the possibility of complete melting of the seed at maximum operating temperatures.

Claims

1. Device for producing a blade made of heat-resistant nickel alloy with a single-crystal structure, consisting of a feather, a castle part and at least one castle retaining shelf, containing a ceramic mold, at the base of which a seed cavity is sequentially made with a single crystal seed placed in it with a given crystallographic orientation, the conical starting cavity and the cavity of the feather blade, characterized in that in the ceramic form made an additional triangular starting cavity and cost the cavity with the seed, and the base of the additional triangular starting cavity is equal to the width of the castle retaining band of the scapula, and in the vertex opposite the base, there is an additional seed cavity with the seed.

2. The device according to claim 1, characterized in that the seed placed in the additional seed cavity is made with the same crystallographic orientation as the seed in the seed cavity of the ceramic form.

3. The device according to claim 1, characterized in that alloys of the nickel-tungsten system, nickel-rhenium, nickel-rhodium are used as seeds.

4. The device according to claim 1, characterized in that to obtain the blades with several locking retaining shelves additional starting cavities are combined into one node with a common seed cavity.