RU2243851C1

RU2243851C1 - Blade for aircraft compressors and turbines

Info

Publication number: RU2243851C1
Application number: RU2003112597/02A
Authority: RU
Inventors: А.И. Луковкин (RU); А.И. Луковкин
Priority date: 2003-04-30
Filing date: 2003-04-30
Publication date: 2005-01-10

Abstract

FIELD: aircraft compressors and turbines.

SUBSTANCE: proposed blade includes vane with leading and trailing edges and platform. Vanes and platform are made in form of separate interconnected monocrystals. Each monocrystal has different direction of crystallization relative to longitudinal axis of blade. Deviation from direction of crystallization of vane and/or platform and direction of maximum working tension stresses does not exceed 15 deg.

EFFECT: improved properties and quality; enhanced durability; facilitated procedure of repair and application of protective coats.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к изготовлению лопаток авиационных компрессоров и турбин, в частности к лопаткам, изготовленным из отдельных, соединенных между собой монокристаллов с различным направлением кристаллизации каждого из них.The invention relates to the manufacture of blades of aircraft compressors and turbines, in particular to blades made of separate, interconnected single crystals with different directions of crystallization of each of them.

Известно, что создание монокристаллической структуры (т.е. одного зерна с благоприятным кристаллографическим направлением вдоль оси роста) в жаропрочных сплавах, а следовательно, и в деталях, изготовленных из них, позволяет в несколько раз повысить прочностные свойства по сравнению со сплавами, например с равноосной макроструктурой, так время до разрушения при испытаниях на прочность повышается в 2-3 раза, а термостойкость на 1-2 порядка.It is known that the creation of a single-crystal structure (i.e., one grain with a favorable crystallographic direction along the growth axis) in heat-resistant alloys, and therefore in parts made from them, can increase the strength properties by several times in comparison with alloys, for example, with equiaxed macrostructure, so the time to failure during strength tests increases by 2-3 times, and heat resistance by 1-2 orders of magnitude.

Однако, литье некоторых типов лопаток (например, сопловых) с монокристаллической структурой связано с большими трудностями, из-за сложности их конструкции: такие лопатки либо имеют развитые бандажные полки на торцах пера, либо соединены этими полками в моноблоки из нескольких лопаток.However, the casting of certain types of blades (for example, nozzle ones) with a single-crystal structure is associated with great difficulties due to the complexity of their design: such blades either have developed retaining shelves at the ends of the feathers, or are connected by these shelves in monoblocks of several blades.

Известны лопатки осевых турбомашин, полученные с использованием керамических литейных форм (Каблов Е.Н. “Литые лопатки газотурбинных двигателей (сплавы, технология, покрытия)”, - М.: МИСИС, 2001. – 632 с.Known blades of axial turbomachines obtained using ceramic foundry molds (E. Kablov “Cast blades of gas turbine engines (alloys, technology, coatings)”, - M .: MISIS, 2001. - 632 p.

Известны монокристаллические рабочие лопатки газотурбинных двигателей, изготовленные с использованием устройства для литья монокристаллических отливок (патент РФ №2179087, В 22 D 27/04, 12.07.2000 г.).Known single-crystal working blades of gas turbine engines made using a device for casting single-crystal castings (RF patent No. 2179087, 22 D 27/04, 07/12/2000).

Недостатками лопаток, изготовленных с использованием данных литейных форм, являются: наличие зерен у краев бандажных полок, а также кристаллизационных трещин по границам этих зерен; ориентация главных осей дендритов материала полок в направлении, неблагоприятном по отношению к действующим в них наибольшим растягивающим напряжениям; усадочная пористость. Это приводит к ухудшению механических свойств материала отливок на 30-50% и снижению выхода годного при литье на 50% и более.The disadvantages of the blades made using these molds are: the presence of grains at the edges of the retaining shelves, as well as crystallization cracks along the boundaries of these grains; the orientation of the main axes of the dendrites of the material of the shelves in a direction unfavorable to the greatest tensile stresses acting in them; shrinkage porosity. This leads to a deterioration in the mechanical properties of the material of the castings by 30-50% and a decrease in yield when casting by 50% or more.

Известна лопатка с монокристаллической структурой, изготовленная с использованием устройства для получения монокристаллических отливок (патент РФ №2167029, В 22 D 27/04, БИ №14 за 2001 год) - прототип.A known blade with a single-crystal structure made using a device for producing single-crystal castings (RF patent No. 2167029, 22 D 27/04, BI No. 14 for 2001) is a prototype.

Недостатками лопатки, изготовленной с использованием данного устройства, также являются: усадочная пористость в полках (что существенно снижает выход годного литья); пониженная прочность материала полок из-за неблагоприятной ориентации дендритных осей по отношению к направлению наибольших растягивающих напряжений и, как следствие, недолговечность работы лопатки.The disadvantages of the blades made using this device are also: shrinkage porosity in the shelves (which significantly reduces the yield of casting); reduced strength of the material of the shelves due to the unfavorable orientation of the dendritic axes with respect to the direction of the greatest tensile stresses and, as a consequence, the fragility of the blade.

Задачей настоящего изобретения является повышение механических свойств материала и, как следствие, долговечности работы лопаток авиационных компрессоров и турбин с развитыми бандажными полками, при одновременном упрощении технологий их ремонта, литья, нанесения защитных и теплозащитных покрытий.The objective of the present invention is to increase the mechanical properties of the material and, as a consequence, the durability of the blades of aircraft compressors and turbines with well-developed retaining shelves, while simplifying the technology of their repair, casting, applying protective and heat-protective coatings.

Поставленная задача решается тем, что лопатка авиационных компрессоров и турбин содержит перо с входной и выходной кромками и полку, причем перо лопатки и ее полка выполнены в виде отдельных, соединенных между собой монокристаллов с различным направлением кристаллизации каждого из них относительно продольной оси лопатки, а отклонение между направлением кристаллизации пера и/или полки, и/или полки лопатки и направлением действующих в них наибольших растягивающих рабочих напряжений не превышает α=15°.The problem is solved in that the blade of aviation compressors and turbines contains a feather with inlet and outlet edges and a shelf, and the feather of the blade and its shelf are made in the form of separate, interconnected single crystals with different crystallization directions of each of them relative to the longitudinal axis of the blade, and the deviation between the direction of crystallization of the pen and / or shelf and / or shelf of the blade and the direction of the greatest tensile working stresses acting in them does not exceed α = 15 °.

Лопатка может характеризоваться тем, что ее перо и полка соединены между собой с использованием пайки.The blade can be characterized in that its feather and shelf are interconnected using soldering.

Лопатка может характеризоваться тем, что ее перо и полка соединены между собой с использованием крепящего состава.The blade can be characterized in that its feather and shelf are interconnected using a fixing composition.

Направление действующих в детали, например в лопатке, наибольших растягивающих напряжений определяются одним из следующих методов: расчетом, использованием фрактограмм очагов разрушения материала лопаток при испытаниях и т.д.The direction of the greatest tensile stresses acting in the part, for example, in the blade, is determined by one of the following methods: calculation, using fractograms of the centers of destruction of the material of the blades during testing, etc.

Отличительными признаками предлагаемой лопатки от указанной выше известной, наиболее близкой к ней, является изготовление полки и пера лопатки в виде отдельных монокристаллов, которые соединяются между собой и имеют различные направления кристаллизации каждого из них относительно продольной оси лопатки.Distinctive features of the proposed blade from the above known, closest to it, is the manufacture of the shelf and feather of the blade in the form of individual single crystals, which are interconnected and have different directions of crystallization of each of them relative to the longitudinal axis of the blade.

Для изготовления отдельно монокристаллического пера и монокристаллической полки лопатки, или блока лопаток может быть использовано, например, керамическое устройство с верхней прибыльной полостью, рабочей полостью и затравочной полостью, причем рабочая полость может содержать несколько рабочих полостей, количество которых соответствует изготавливаемому количеству перьев и полок лопаток. Каждая из рабочих полостей имеет свою затравочную полость и сопряженные с ними стартовые полости. Верхняя прибыльная полость выполняется общей для всех рабочих полостей.For the manufacture of a single-crystal pen and a single-crystal blade shelf, or a block of blades, for example, a ceramic device with an upper profitable cavity, a working cavity and a seed cavity can be used, and the working cavity may contain several working cavities, the number of which corresponds to the number of feathers and blades of the blades to be manufactured . Each of the working cavities has its own seed cavity and associated starting cavities. The upper profitable cavity is common for all working cavities.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлена конструкция лопатки, перо и полка которой представляют собой монокристаллы с различным направлением кристаллизации каждого из них относительно продольной оси лопатки, в случае, когда направления кристаллизации пера и полки совпадают с направлениями наибольших растягивающих рабочих напряжений, действующих в них.The present invention is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows the design of a blade, the feather and the shelf of which are single crystals with different crystallization directions of each of them relative to the longitudinal axis of the blade, in the case where the crystallization directions of the pen and the shelf coincide with the directions of the highest tensile working stresses, acting in them.

На фиг.2 представлена лопатка, в случае, когда направление кристаллизации пера лопатки не совпадает с направлением наибольших растягивающих рабочих напряжений в нем, а направление кристаллизации полки лопатки не совпадает с направлением наибольших растягивающих рабочих напряжений в полке.Figure 2 shows the blade, in the case when the direction of crystallization of the feather of the blade does not coincide with the direction of the greatest tensile working stresses in it, and the direction of crystallization of the shelf of the blade does not coincide with the direction of the largest tensile working stresses in the shelf.

На фиг.3 показан разрез керамического устройства для изготовления пера и полки лопатки в виде отдельных монокристаллов.Figure 3 shows a section of a ceramic device for the manufacture of a pen and shelf blades in the form of individual single crystals.

Заявляемая лопатка авиационных компрессоров и турбин содержит соединенные между собой монокристальные перо 1 и полку 2 с различными направлениями кристаллизации 3 и 4 пера 1 и полки 2 относительно продольной оси 5 лопатки. Направления кристаллизации 3 и 4 пера 1 и полки 2 лопатки могут совпадать как с направлениями наибольших растягивающих напряжений 6 и 7 в них (фиг.1), так и не совпадать с ними, т.е. образовывать углы α и β(фиг.2). При этом продольная ось 5 лопатки, в случае рабочей лопатки, представляет собой прямую, направленную радиально от хвостовика лопатки к торцу пера и проходящую через центр тяжести корневого сечения. В случае направляющей лопатки, например сопловой лопатки, ось 5 лопатки представляет собой прямую, направленную радиально от хвостовика лопатки к оси статора (ОСТ 1 02639-87 “Лопатки авиационных осевых компрессоров и турбин”, УДК 001.4:621.43.031.35-253.5:629.7).The inventive blade of aviation compressors and turbines contains interconnected single crystal feather 1 and shelf 2 with different directions of crystallization 3 and 4 of feather 1 and shelf 2 relative to the longitudinal axis 5 of the blade. The directions of crystallization 3 and 4 of pen 1 and shelf 2 of the blade can coincide with the directions of the greatest tensile stresses 6 and 7 in them (Fig. 1), and may not coincide with them, i.e. to form angles α and β (figure 2). In this case, the longitudinal axis 5 of the blade, in the case of a working blade, is a straight line directed radially from the shank of the blade to the end of the pen and passing through the center of gravity of the root section. In the case of a guide vane, for example a nozzle vane, the axis 5 of the vane is a straight line directed radially from the shank of the vane to the stator axis (OST 1 02639-87 “Aircraft axial compressor and turbine vanes”, UDC 001.4: 621.43.031.35-253.5: 629.7) .

Керамическое устройство 8, которое позволяет получить перо 1 и полку 2 заявляемой лопатки, в случае, если одновременно изготавливают более одной лопатки, может иметь, например, следующую конструкцию: рабочие полости 9, 10, 11, 12 для литья отдельных элементов (перьев и полок) лопатки, затравочные полости 13, 14, 15, 16 и сопряженные с ними стартовые полости (на чертеже не показаны). Рабочие полости 9 и 10, предназначенные для изготовления перьев лопаток, ориентируются в устройстве таким образом, чтобы их оси 17 и 18 совпадали, например, с направлением кристаллизации и вертикалью. При наличии третьей полости пера лопатки ее располагают между полостями для литья бандажных полок.Ceramic device 8, which allows you to get a pen 1 and a shelf 2 of the inventive blades, if more than one blade is made at the same time, can have, for example, the following design: working cavities 9, 10, 11, 12 for casting individual elements (feathers and shelves ) blades, seed cavities 13, 14, 15, 16 and associated starting cavities (not shown in the drawing). The working cavities 9 and 10, intended for the manufacture of feathers of the blades, are oriented in the device so that their axes 17 and 18 coincide, for example, with the direction of crystallization and the vertical. In the presence of the third cavity of the feather blades it is located between the cavities for casting retaining shelves.

Керамическое устройство 8 имеет общую для всех рабочих полостей верхнюю прибыльную полость 19, что целесообразно для получения лопатки с одинаковым химическим составом материала ее элементов, т.е. пера и полки.The ceramic device 8 has an upper profitable cavity 19 common to all working cavities, which is expedient for producing a blade with the same chemical composition of the material of its elements, i.e. pen and shelves.

Во избежание снижения градиента температуры на фронте кристаллизации, которое приводит к образованию “струйных дефектов” (цепочек мелких поверхностных равноосных зерен, вытянутых в направлении кристаллизации в отливках) рабочие полости полок должны быть повернуты хордами 20 и 21 к оси симметрии керамического устройства, при этом расположение однотипных полостей должно быть симметричным относительно нее.In order to avoid a decrease in the temperature gradient at the crystallization front, which leads to the formation of “jet defects” (chains of small surface equiaxed grains elongated in the crystallization direction in castings), the working cavities of the shelves should be turned by chords 20 and 21 to the axis of symmetry of the ceramic device, while cavities of the same type should be symmetrical about it.

Процесс изготовления заявляемой лопатки может быть следующим: в керамическое устройство со стороны нижних торцев затравочных полостей 13, 14, 15, 16 устанавливают затравки, с заданной кристаллографической ориентацией, например [001] в рабочих полостях для изготовления перьев и [111] в рабочих полостях для изготовления полок и замазывают их жаростойким крепящим составом. Керамическое устройство 8 устанавливается, например, в вакуумную печь типа УВНК-8П и нагревается до температуры 1550°С. Затем керамическое устройство заполняют жаропрочным сплавом типа ЖС (ЖС3, ЖС6, ЖС6У и др.) и производят его выдержку в течение 2-3 мин. После чего осуществляют процесс контролируемого его охлаждения, например, погружением устройства с заданной скоростью в жидкометаллический охладитель, во время которого происходит кристаллизация сплава с образованием монокристаллической макроструктуры пера и полки лопаток. При кристаллизации главные оси дендритов в рабочих полостях 9, 10, 11, 12 растут в направлении наибольших растягивающих напряжений 6 и 7.The manufacturing process of the inventive blades can be as follows: in the ceramic device from the lower ends of the seed cavities 13, 14, 15, 16 set the seed, with a given crystallographic orientation, for example [001] in the working cavities for the manufacture of feathers and [111] in the working cavities for making shelves and cover them with heat-resistant fixing composition. Ceramic device 8 is installed, for example, in a vacuum furnace type UVVNK-8P and is heated to a temperature of 1550 ° C. Then, the ceramic device is filled with a heat-resistant alloy of the ZhS type (ZhS3, ZhS6, ZhS6U, etc.) and its exposure is carried out for 2-3 minutes. After that, a process of controlled cooling is carried out, for example, by immersing the device at a given speed in a liquid metal cooler, during which the alloy crystallizes with the formation of a single-crystal macrostructure of the pen and the shelf of the blades. During crystallization, the main axis of the dendrites in the working cavities 9, 10, 11, 12 grow in the direction of the greatest tensile stresses 6 and 7.

Усадка сплава во время кристаллизации в рабочих полостях 9, 10, 11, 12 компенсируется равномерной подпиткой жидким металлом из верхней прибыльной полости 19, за счет чего отливки получаются плотными, т.е. лишенными пористости.The shrinkage of the alloy during crystallization in the working cavities 9, 10, 11, 12 is compensated by the uniform feeding of liquid metal from the upper profitable cavity 19, due to which the castings are dense, i.e. devoid of porosity.

Полученные таким образом литые элементы лопатки освобождаются от керамического материала устройства 8 и проходят ряд этапов контроля (например: на макроструктуру, на кристаллографическую ориентацию и т.д.), после чего механически обрабатываются и соединяются в лопатку или блок лопаток одним из способов, обеспечивающих прочность соединительным швам. Таким способом может быть, например, пайка в кондукторе специальной конструкции, или соединение пера и полки с использованием крепящего состава, при этом соединительному шву обеспечивается прочность не ниже 0,7-0,9 от прочности основного сплава, что, по крайней мере, на 20% выше получаемой известным способом.Thus obtained cast elements of the blade are freed from the ceramic material of the device 8 and go through a number of control stages (for example: on the macrostructure, crystallographic orientation, etc.), after which they are machined and connected to the blade or block of blades using one of the methods providing strength connecting seams. This method can be, for example, soldering in a conductor of a special design, or connecting a pen and a shelf using a fixing composition, while the connecting seam is provided with a strength of at least 0.7-0.9 of the strength of the main alloy, which, at least, 20% higher than obtained in a known manner.

Изготовленная таким образом лопатка имеет ряд преимуществ:A blade made in this way has several advantages:

- повышенные механические свойства материала в полках, что позволяет увеличить ресурс ее работы;- increased mechanical properties of the material in the shelves, which allows to increase the resource of its work;

- отсутствие пористости, что позволяет увеличить выход годного при литье;- lack of porosity, which allows to increase the yield when casting;

- упрощенная технология нанесения защитных покрытий на перо и полку (отсутствие затененных зон);- simplified technology for applying protective coatings on the pen and shelf (no shaded areas);

- упрощенная технология ремонта (например, распайка, изъятие поврежденных пера или полки и повторная спайка бездефектных составляющих).- simplified repair technology (for example, desoldering, removing a damaged pen or shelf and re-soldering defect-free components).

Claims

1. Лопатка авиационных компрессоров и турбин, содержащая перо с входной и выходной кромками и полку, причем перо лопатки и ее полка выполнены в виде отдельных, соединенных между собой монокристаллов, отличающаяся тем, что монокристаллы пера и полки имеют различное направление кристаллизации относительно продольной оси лопатки, а отклонение между направлением кристаллизации пера и/или полки лопатки и направлением действующих в них наибольших растягивающих рабочих напряжений не превышает 15°.1. The blade of aircraft compressors and turbines, containing a pen with an inlet and outlet edges and a shelf, the feather of the blade and its shelf made in the form of separate, interconnected single crystals, characterized in that the single crystals of the pen and shelf have a different crystallization direction relative to the longitudinal axis of the blade and the deviation between the direction of crystallization of the pen and / or shelf of the scapula and the direction of the greatest tensile working stresses acting in them does not exceed 15 °.

2. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что перо лопатки и ее полка соединены между собой с использованием пайки.2. The blade according to claim 1, characterized in that the feather of the blade and its shelf are interconnected using soldering.

3. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что перо лопатки и ее полка соединены между собой с использованием крепящего состава.3. The blade according to claim 1, characterized in that the feather of the blade and its shelf are interconnected using a fixing composition.