Конструкция, материалы, технологические процессы изготовления рабочих лопаток ГТД

Заготовки для лопаток турбины. Лопатки турбины изготавливают из литейных и реже из деформируемых жаропрочных сплавов.

Заготовки из литейных сплавов получают литьем по выплавляе­мым моделям (прецизионное литье в оболочковые формы), а из деформируемых сплавов — горячим объемным деформированием.

Литые заготовки лопаток турбины. Серий­ное изготовление лопаток турбин из литых заготовок является более экономичным, чем из штампованных. При вакуумной плавке и заливке форм технологические отходы металла (литниковая система, выпоры и др.) не окисляются. Их можно повторно использовать при плавке, а это снижает расход дорогостоящего металла. Себестоимость изготовления лопаток при этом снижается до 60 %. Заготовки-отливки лопаток различают: обычные, с поликристаллической или равноосной структурой; с направленной кристаллиза­цией (монокристаллические, имеющие столбчатую дендрит­ную структуру).

Литье с направленной кристаллизацией в оболочковые формы в настоящее время является одним из основных методов получения литых заготовок лопаток ротора из жаропрочных сплавов.

Направленно-кристаллизационные отливки ориентацию структуры (зерен) приобретают в процессе прохождения оболочковой формы с жидким металлом фронта кристаллизации через зону градиента температур на поверхности раздела расплава и твердого металла. Кристаллизация металла в керамической форме строго контролирует­ся путем создания соответствующего продольного и поперечного градиентов температур.

В настоящее время в отечественном авиадвигателестроении ис­пользуются два варианта технологии получения отливок рабочих лопаток турбины: низко- и высокоградиентной (высокоскоростной) направленной кристаллизации.

Низкоградиентная НК (значение градиента температур на фронте кристаллизации не превышает G 30 °С/мм, скорость кристаллиза­ции V 0, 5...1, 0 (5, 0) мм/мин) реализуется в печах типа ПМ, кото­рые имеют высокую производительность и обеспечивают получение направленных структур отливок лопаток длиной свыше 400 мм. К недостаткам низкоградиентных процессов относятся малая скорость охлаждения и крупная дендритная структура отливок.

Высокоскоростная НК, используя жидкометаллическое охлажде­ние, осуществляется при градиенте температур на поверхности раздела расплава и твердого металла G = 40...50 °С/мин со скоростью кристаллизации v 20...40 мм/мин. Отливки с НК получаются более плотными и однородными по всем сечениям пера. Высокоскоростная НК исключает образование поверхностных дефектов ликвационного происхождения — струйной полосчатости и поверхностных карбидов типа М₆С. Перо отливки образуется из 1...3 зерен и без поперечных границ зерен, по которым чаще всего происходит разрушение лопа­ток в условиях эксплуатации. Лопатки с НК имеют более высокую длительную прочность, а ресурс работы лопаток с НК в два-три раза выше по сравнению с лопатками с поликристаллической равноосной структурой. Для реализации метода высокоскоростной НК созданы специализированные вакуумные установки УВНК-8П.

Более перспективными являются отливки с монокристаллической структурой, не содержащей поперечных границ зерен. Лопатки с монокристаллической структурой лучше сопротивляются высокотем­пературной газовой коррозии, а ресурс работы у этих лопаток выше, чем у лопаток с НК. Рабочие лопатки ТВД с монокристалли­ческой структурой на ряде заводов изготавливают на установках типа ПМП-2 и УППФ-ЗМ (механизированная).

Отливки лопаток с равноосной структурой, с НК и монокристаллические изготавливают прецизионным литьем в оболочковые фор­мы. Прецизионное литье в оболочковые формы обеспечивает получе­ние литых заготовок без припуска на механическую обработку пера лопатки с шероховатостью поверхности Ra = 5...2, 5 мкм. Припуск по замку 0, 8..Л, 2 мм на сторону. КИМ литой лопатки около 0, 6.

Сущность процесса литья заключается в следующем. Из легкоп­лавких или легкорастворимых в воде материалов в пресс-форме получают модель лопатки. Ее покрывают специальной силикатной обмазкой, которая при высыхании образует на модели лопатки корку (оболочку). Далее из модели, покрытой керамической обмазкой, удаляют модельную массу (вымывают горячей водой или выплавля­ют) и прокаливают при высокой температуре, с тем, чтобы превра­тить, силикатное покрытие в прочную керамическую оболочку. Мес­то, занятое ранее моделью, образует полость, в которую и заливают расплавленный металл заготовки.

При изготовлении пустотелой отливки внутрь литейной формы помещают керамический стержень, образующий внутреннюю полость охлаждаемой лопатки. Отлитые заготовки лопаток извлекают из оболочки, удаляют стержень, зачищают и после тщательного контро­ля подвергают термообработке.

Технология изготовления отливок лопаток по выплавляемым моделям имеет много вариантов как в выполнении основных опера­ций, так и по составу применяемых модельных и формовочных материалов.

Рассмотрим технологический процесс изготовления отливок рабо­чих охлаждаемых лопаток с направленной кристаллизацией.

В технологическом процессе изготовления отливки охлаждаемой лопатки можно выделить следующие основные этапы:

1. Изготовление керамического стержня.

2. Изготовление модели лопатки.

3.Сборка моделей лопаток в блоки (секции).

4.Приготовление огнеупорной суспензии, окраска и сушка секций лопаток.

5.Удаление модельной массы из оболочек.

6.Прокалка оболочек.

7.Плавка металла, заливка оболочек и кристаллизация оболочек.

8.Резка секций.

9.Удаление керамических стержней.

10. Контроль отлива лопаток.

Изготовление керамических стержней. Стержни для отливок охлаждаемых лопаток изготавливают из электрокорунда разных марок (5, 12, 1410, 1420 и др.) с небольшой добавкой пласти­фикатора Г1ПЭ-10 (5 %) и алюминиевого порошка АСД4-(5 %). Стержень формируется в специальной пресс-форме под давлением 10... 14- 10³ Па. Стержень, очищенный от обломов и прилипших частиц стержневой массы, кладут на 3...5 мин в ванну с теплой водой (42...52 °С). Подогретый стержень закладывается в драйер и выдер­живается в нем 3...5 мин. Драйер состоит из двух половинок, имею­щих профиль спинки и корыта. Затем стержни укладываются в короба; их уплотняют глиноземом и ставят в электропечь на прокалку.

После прокалки стержни зачищают, проверяют внешним осмотром для выявления раковин, трещин, сколов и утяжек, а также геометри­ческие размеры и форму каждого стержня.

Очищенные от глинозема стержни пропитывают в растворе лака КО-815 с выдержкой до прекращения выделения пузырей воздуха и сушат при температуре 80... 100 °С не менее 3 ч.

Изготовление моделей лопаток. Материалом для приготовления модельных масс служат парафин, стеарин, канифоль, церезин, полистирол, пластмассы, битум нефтяной и др. В настоящее время в основном используется модельная масса, состоящая из карбомида (мочевины) марки А (ГОСТ 2081—75); селитры калиевой марок А, Б, В (ГОСТ 19790-74); силикагеля технического (ГОСТ 3956-76).

Модели лопаток формуются в специальных разъемных пресс-формах, обычно стальных. Размеры рабочей зоны пресс-формы должны учи­тывать усадку модельного состава и металла отливки при охлажде­нии. Рабочие поверхности пресс-формы покрываются тонким слоем смазки (смесь 50 % этилового спирта и 50 % касторового масла). Стержень вкладывают в матрицу корыта пресс-формы. Собирают пресс-форму, вакуумируют и прессуют модель лопатки. После зачис­тки обломов, заусенцев и контроля модели собирают в блоки (секции).

Сборка моделей лопаток в блоки производится в кондукторе, чем обеспечивается высокая точность взаимного расположения модели лопатки и литниковой системы.

Процесс изготовления керамической оболочки состоит из покры­тия моделей керамической обмазкой, обсыпки электрокорундом и сушки сначала на воздухе, а затем в аммиачно-газовой среде.

Для приготовления керамической обмазки применяют электроко­рунд и этилсиликат ЭТС-40.

Керамическая оболочка в зависимости от размеров лопатки фор­мируется из 7...12 последовательно наносимых слоев. Для этого блоки моделей погружают два-три раза в ванну с керамической обмазкой. Затем их посыпают электрокорундом для лучшей связи между слоя­ми и предотвращения растрескивания. Толщина обмазки при этом составляет 1...1, 5 мм. При нанесении первого слоя суспензия удаляет с поверхности моделей адсорбированный воздух и смачивает повер­хность блока. При нанесении последних слоев оболочка впитывает жидкую составляющую суспензии, вследствие чего последняя посте­пенно густеет, повышается ее вязкость. Последний слой (закрепляю­щий) наносят без обсыпки зернистым материалом. Это повысит общую прочность оболочки, предотвращает осыпание поверхностных зерен при выплавлении моделей. За естественной сушкой блоков в вытяжном шкафу в течение 2 ч следует ускоренная сушка в течение 40...50 мин в аммиачно-газовой среде. Аналогично наносятся осталь­ные слои.

Контролируют сушку каждого слоя обмазки погружением пробной модели в гидролизованный этилсиликат, после чего обмазка не должна отставать и растрескиваться.

Прокалка оболочек. После выплавления модельной массы формы сперва сушат, а затем обжигают. Оболочки обжигают в камерных печах. Загружают оболочки при температуре нагрева не выше 700 °С, затем температура повышается до °С, выдержка 6... 8 ч. Затем оболочки охлаждаются вместе с печью до температуры 800 °С, а далее — по плану.

Плавка металла, заливка оболочек и кристаллизация отливок. Эта часть технологического процесса изготовления заготовок - отливок рабочих лопаток турбины выполняется на вакуумной установке модели УВНК-8П методом высокоскоростной направленной кристал­лизации. Установка имеет следующие технические характеристики: мощность установки 486 кВт; емкость тигля 10 кг; скорость верти­кального перемещения оболочковых форм 0, 1...15 мм/мин; макси­мальная температура кристаллизации 1000 °С. В этих установках одновременно кристаллизуется до 12 лопаток, общий рабочий цикл составляет 2 ч, а расчетная производительность установки — до 114 лопаток в сутки при трехсменной работе. Один плавильщик обслужи­вает две установки.

Установка состоит из следующих функциональных узлов: пла­вильной камеры, в которой размещены индукционная плавильная печь, печь подогрева оболочковых форм и жидкометаллический кристаллизатор; механизма вертикального перемещения, обеспечива­ющего подачу блока форм из зоны нагрева и заливки в зону кристал­лизации; вакуумно-газовой системы для создания рабочей среды в плавильной и шлюзовой камерах; системы водоохлаждения элемен­тов и узлов установки; шлюзовой камеры для подачи в плавильную камеру блока форм под заливку и выгрузки готовых отливок без нарушения параметров ее среды.

В настоящее время разработана автоматизированная система управления технологическим процессом высокоскоростной НК на этих установках. Для повышения выхода годного литья, а также уровня и стабильности характеристик механических свойств разрабо­тана технология высокотемпературной обработки расплава (ВТОР), которая обеспечивает гомогенизацию расплава перед кристаллизаци­ей. ВТОР повышает выход годных монокристаллических лопаток на 10... 15 % и существенно улучшает эксплуатационные свойства деталей.

Металл для отливок плавят в индукционных высокочастотных печах в условиях вакуума (10ˉ ³ мм рт. ст.) при температуре нагрева 1560±30 °С. Расплавленный металл заливают в оболочковые формы, предварительно нагретые до 1100 " С. Процесс направленной кристаллизации осуществляется путем постепенного погружения залитых оболочек в ванну жидкого алюминия марки А66 с температурой расплава 670...800 °С (жидкометаллический рекристаллизатор) со скоростью 20±2 мм/мин.

Закристаллизованные блоки охлаждают на воздухе не менее 4 ч. Керамику от отливок секций отбивают вручную. Отливки отрезают от литниковой системы абразивным отрезным кругом толщиной 3...5 мм, обдувают электрокорундом, полируют, осуществляют контроль на макроструктуру, а на специально отлитых образцах проверяют химический состав и механические свойства (твердость, сопротивле­ние растяжению, пластичность, ударную вязкость).

Удаление керамических стержней из отливок производится раство­рением их в расплаве бифторида калия (ТУ 6-02-1217-81) при темпе­ратуре нагрева 350...370 °С в течение 1, 5...4, 5 ч с последующей тщательной промывкой в воде. Бифторид калия токсичен, поэтому работа с ним требует соблюдения правил охраны труда.

Контроль отливок лопаток осуществляется прежде всего для выявления внутренних и внешних дефектов в металле лопаток и для проверки в отливках полноты удаления остатков стержневой керамики.

Контроль внутренних дефектов в материале каждой отливки осуществляется рентгеновским методом. Для этого внутреннюю полость отливки заполняют контрастирующим гранулированным порошком из сплава ЖС6У, предварительно просушенным при температуре 150...180°С в течение 1, 5...2 ч. Отливки, заполненные порошком, подвергают также рентгеноконтролю на полноту удаления стержневой керамики.

После рентгеноконтроля материала перо отливок предварительно полируют абразивной лентой на станках ЛВП-314, промывают в 5%-ном водном растворе вертолина (температура 80...90 °С). Затем отливки промывают в сетевой воде, после чего перо лопаток подвергают жидкоабразивной обработке (АЖО) на станке ЭЗ-106. Длительность цикла на одной позиции 45...60 с. Давление пульпы 3, 5·10 Па. Затем профиль пера промывают сетевой водой и отливки поступают на окончательный контроль профиля пера и внешних дефектов материала методом ЛЮМ-10В (открытые трещины, поры и коррозионные поражения).

Рис. 218. Схема базирования литой охлаждаемой рабочей лопатки с бандажной полкой при обработке елочного профиля хвостовика:

(а — первые технологические базы; б — основные технологические базы)

Технологические базы у заготовок отливок охлаждаемых рабо­чих лопаток турбины. Первичными технологическими базами для обработки основных базовых поверхностей рабочей лопатки с бан­дажной полкой являются: установочная база — поверхности крайних сечений корыта (три опорные точки 1...3) направляющая база — входная кромка пера (две опорные точки 4, 5) и опорная база на поверхности бандажной полки со стороны пера (опорная точка 6). Зажим лопатки в приспособлении по спинке (рис. 218, а).

Основные технологические базы для обработки пера, хвостовика и бандажной полки приведены на рис. 218, б: установочная база — поверхности хвостовика и бандажной полки (три опорные точки 1...3); направляющая база — боковые поверхности хвостовика и бан­дажной полки со стороны входной кромки (две опорные точки 4, 5) и опорная база — поверхность бандажной полки со стороны спинки (опорная точка б).

Технологическими базами у литых охлаждаемых рабочих лопаток без бандажной полки являются: установочная база — поверхности крайних сечений спинки или корыта (три опорные точки 1...3), направляющая база — входная кромка (две опорные точки 4, 5) и опорная база — поверхность хвостовика со стороны корыта (опорная точка 6).

Основные этапы механической обработки литых рабочих лопаток приведены ниже в типовом технологическом процессе, разработанном НИИД.

Типовой технологический процесс механической обработки лопаток ротора турбины из литых заготовок. Заготовка — литье в оболочковые формы с направленной кристаллизацией или с равноосной поликристаллической структурой. Материал отливок — литейные жаропрочные сплавы типа ЖС6У-ВИ, ЖС6К, ВЖЛ12У, ЖС26 и др. Профиль пера, проточная поверхность полки хвостовика и бандажной полки, карманы на хвостовике отливаются без припуска на механи­ческую обработку.

Пазами для механической обработки и контроля отливок служат профиль спинки я крайних сечениях пера, входная кромка и точка С на проточной поверхности бандажной полки. Схема механической обработки литой рабочей лопатки с бандажной полкой в типовом технологическом процессе представлена основными его этапами с указанием оборудования, необходимого для их выполнения.