RU2252109C1 - Method for casting hollow cooled articles and cast cooled hollow article - Google Patents

Abstract

FIELD: manufacture of hollow articles such as blades of gas turbine engine by casting with use of penetration cooling.

SUBSTANCE: method comprises steps of making article with use of composite ceramic core produced by two stages; placing preliminarily made and fired additional cores into pattern press-mold; making pattern and placing it into core press-mold; at temperature 90 - 110°C pressing-in ceramic mass for making main core to be joined in press-mold with additional cores as one piece; removing pattern and subjecting composite core to high-temperature annealing. Ready article features 3 - 5 accuracy class and surface of 3 - 5 purity class.

EFFECT: enhanced quality of articles.

2 cl, 3 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при отливке полых изделий, в частности газотурбинных лопаток с проникающим охлаждением.The invention relates to foundry and can be used in the casting of hollow products, in particular gas turbine blades with penetrating cooling.

В современных авиационных двигателях лопатки турбины высокого давления работают при температурах, намного превышающих температуру плавления сплавов. Поэтому такие лопатки имеют сложную конструкцию внутренней полости для обеспечения интенсивного воздушного охлаждения. Внутренняя полость лопаток формируется керамическими стержнями в процессе литья, а затем эти стержни удаляются. Повышение эффективности воздушного охлаждения идет по пути усложнения конструкции керамического стержня и технологии его изготовления. В настоящее время наиболее эффективной является проникающая система охлаждения, позволяющая поднять температуру газа на входе в турбину до 2400 К.In modern aircraft engines, high pressure turbine blades operate at temperatures well above the melting point of the alloys. Therefore, such blades have a complex design of the internal cavity to provide intensive air cooling. The internal cavity of the blades is formed by ceramic rods during the casting process, and then these rods are removed. Improving the efficiency of air cooling goes along the path of complicating the design of a ceramic rod and its manufacturing technology. Currently, the most effective is a penetrating cooling system, which allows raising the gas temperature at the turbine inlet to 2400 K.

Известен способ получения монокристаллических лопаток ГТД, включающий двухстадийный способ изготовления трехмерных керамических стержней для формирования проникающей системы охлаждения. На первой стадии изготавливают два промежуточных тонкостенных стержня из растворимой массы. Внутренняя сторона одного из этих стержней повторяет профиль основного керамического стержня со стороны спинки, а второго - со стороны корыта. На внешней поверхности растворимых стержней имеются продольные пазы, форма и размеры которых соответствуют будущим радиальным каналам в стенке лопатки. Затем в пазах сверлят отверстия диаметром 1 мм в местах расположения входных отверстий внутренней полости охлаждаемой лопатки.A known method of producing single-crystal GTE blades, comprising a two-stage method of manufacturing three-dimensional ceramic rods to form a penetrating cooling system. At the first stage, two intermediate thin-walled rods are made of soluble mass. The inner side of one of these rods repeats the profile of the main ceramic rod from the back, and the second from the side of the trough. On the outer surface of the soluble rods there are longitudinal grooves, the shape and dimensions of which correspond to future radial channels in the wall of the scapula. Then, holes with a diameter of 1 mm are drilled in the grooves at the locations of the inlet openings of the internal cavity of the cooled blade.

На второй стадии оба промежуточных стержня помещают в пресс-форму для изготовления основного керамического стержня. В процессе прессования последнего стержневая масса заполняет центральную полость, продавливается через отверстия в промежуточных стержнях и заполняет пазы. Перед обжигом основного стержня промежуточные стержни растворяют [Irwin S.R. High pressure turbine blade cooling manufacturing implication of design evolution // Proc.4^th symposium on advanced technologies and processes for metals and alloys. Frankfurt (Germany) 1999, p.17.]In the second stage, both intermediate rods are placed in the mold for the manufacture of the main ceramic rod. In the process of pressing the latter, the rod mass fills the central cavity, is forced through the holes in the intermediate rods and fills the grooves. Before firing the main rod, the intermediate rods are dissolved [Irwin SR High pressure turbine blade cooling manufacturing implication of design evolution // Proc. 4 ^th symposium on advanced technologies and processes for metals and alloys. Frankfurt (Germany) 1999, p.17.]

Наибольшие трудности при производстве трехмерных стержней указанным способом связаны с подбором совместимых материалов для изготовления основного и промежуточных стержней. Материал промежуточных стержней должен быть достаточно прочным, чтобы не разрушаться при сверлении отверстий и при продавливании стержневой керамической массы через эти отверстия в процессе прессования основного стержня. При удалении промежуточных стержней не должна растравливаться поверхность основного стержня. Кроме того, реологические свойства стержневой массы должны обеспечивать формование толстых и тонких сечений с минимальной степенью сепарации. Для фиксации положения трехмерных стержней в оболочковой форме используются платиновые заклепки. Выход годного лопаток, полученных этим способом, не превышает 40%.The greatest difficulties in the production of three-dimensional rods in this way are associated with the selection of compatible materials for the manufacture of the main and intermediate rods. The material of the intermediate rods should be strong enough so as not to deteriorate when drilling holes and when punching rod ceramic material through these holes in the process of pressing the main rod. When removing the intermediate rods, the surface of the main rod must not be etched. In addition, the rheological properties of the core mass should ensure the formation of thick and thin sections with a minimum degree of separation. To fix the position of three-dimensional rods in shell form, platinum rivets are used. The yield of blades obtained by this method does not exceed 40%.

Известна конструкция лопатки с проникающим охлаждением и способ ее получения, включающий последовательное изготовление основного и дополнительного керамических стержней, которые получают в два этапа. На первом этапе основной стержень помещают в промежуточную модельную пресс-форму, наносят на него слой износостойкой модельной массы и получают промежуточную модель с отверстиями, а на втором этапе промежуточную модель переносят в стержневую пресс-форму, имеющую выемки и штырьки для образования соответственно наружных выступов и отверстий в дополнительном стержне, при этом формование дополнительного стержня ведут запрессовкой керамической массы с обеспечением соединения его с материалом основного стержня [Патент РФ №2093304].A known design of a blade with penetrating cooling and a method for its production, including the sequential manufacture of the main and additional ceramic rods, which are obtained in two stages. At the first stage, the main rod is placed in the intermediate model mold, a layer of wear-resistant model mass is applied to it and an intermediate model with holes is obtained, and at the second stage, the intermediate model is transferred to the core mold having recesses and pins to form external protrusions and holes in the additional rod, while the formation of the additional rod is pressed into the ceramic mass to ensure its connection with the material of the main rod [RF Patent No. 2093304].

Недостаток аналога состоит в том, что современные методы неразрушающего контроля не позволяют определить надежность соединения штырьков дополнительного стержня с материалом основного стержня, учитывая малые диаметры штырьков d=0,5-0,7 мм и их большое количество (до 100 штук).The disadvantage of the analogue is that modern methods of non-destructive testing do not allow to determine the reliability of the connection of the pins of the additional rod with the material of the main rod, given the small diameters of the pins d = 0.5-0.7 mm and their large number (up to 100 pieces).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ литья полых охлаждаемых изделий, включающий изготовление составных керамических стержней. Согласно этого способа, составной керамический стержень состоит из основного стержня, на поверхности которого имеются продольные шлицевые пазы, и дополнительных стержней, выполненных в виде рамки с продольной перегородкой. Основной и дополнительные стержни прессуют и обжигают раздельно. Соединение дополнительных стержней с основным стержнем осуществляется шлицевым методом [Патент РФ №2090299].Closest to the technical nature of the claimed is a method of casting hollow cooled products, including the manufacture of composite ceramic rods. According to this method, a composite ceramic rod consists of a main rod, on the surface of which there are longitudinal spline grooves, and additional rods made in the form of a frame with a longitudinal partition. The main and additional rods are pressed and fired separately. The connection of additional rods with the main rod is carried out by the splined method [RF Patent No. 2090299].

Основной недостаток описанного способа состоит в том, что в промышленных условиях невозможно изготовить составные керамические стержни высокого класса размерной точности. Ручная установка дополнительных стержней в шлицевые пазы не обеспечивает получение лопаток стабильно заданной геометрии и чистоты поверхности даже при использовании специальных кондукторов. В результате этого после литья на профильных поверхностях лопаток образуется облой в виде заусенцев и шероховатости, которую необходимо удалять механической обработкой. При несоответствии требований чертежа и размерной точности и чистоты поверхности литой лопатки следует вводить значительные припуски на механическую обработку. Введение таких припусков увеличивает трудоемкость обработки и делает предложенный способ мало рентабельным в серийном производстве получения литых полых охлаждаемых лопаток.The main disadvantage of the described method is that in industrial conditions it is impossible to produce composite ceramic rods of high class dimensional accuracy. Manual installation of additional rods in the slotted grooves does not provide blades with a stably specified geometry and surface cleanliness even when using special conductors. As a result of this, after casting on the profile surfaces of the blades, a burr is formed in the form of burrs and roughness, which must be removed by machining. If the requirements of the drawing and dimensional accuracy and surface finish of the cast blade do not match, significant allowances for machining should be introduced. The introduction of such allowances increases the complexity of processing and makes the proposed method unprofitable in the mass production of cast hollow cooled blades.

Технической задачей настоящего изобретения является разработка экономичного способа литья полых охлаждаемых изделий с использованием составного керамического стержня, отличающийся тем, что изготовление составного керамического стержня исключает ручную операцию установки дополнительных стержней и их шлицевого соединения с основным стержнем и обеспечивает получение литых охлаждаемых лопаток 3-5 классов точности и с поверхностью 3-5 классов чистоты, что позволит повысить качество отливаемых полых изделий и увеличить выход годного.The technical task of the present invention is to develop an economical method of casting hollow cooled products using a composite ceramic rod, characterized in that the manufacture of a composite ceramic rod eliminates the manual operation of installing additional rods and their spline connection with the main rod and provides cast cooled blades 3-5 accuracy classes and with a surface of 3-5 classes of cleanliness, which will improve the quality of the molded hollow products and increase the yield.

Для решения поставленной задачи предложен способ литья полых охлаждаемых изделий с использованием составного керамического стержня, включающий изготовление основного керамического стержня, дополнительных керамических стержней рамочной конструкции и последующее изготовление составного стержня, отличающийся тем, что изготовление составного стержня осуществляют в два этапа. На первом этапе предварительно изготовленные и обожженные дополнительные стержни устанавливают в модельную пресс-форму и изготавливают модель, на втором этапе модель переносят в стержневую пресс-форму и запрессовывают керамическую массу для изготовления основного стержня и монолитного соединения его с дополнительными стержнями, удаляют модель и осуществляют высокотемпературный обжиг составного керамического стержня.To solve this problem, a method is proposed for casting hollow cooled products using a composite ceramic rod, including the manufacture of the main ceramic rod, additional ceramic rods of the frame structure and the subsequent manufacture of the composite rod, characterized in that the manufacture of the composite rod is carried out in two stages. At the first stage, prefabricated and fired additional rods are installed in a model mold and a model is made, at the second stage, the model is transferred to a rod mold and the ceramic mass is pressed in to make the main rod and its monolithic connection with additional rods, the model is removed and high-temperature firing a composite ceramic rod.

Существенным отличительным признаком предлагаемого изобретения является изменение способа соединения дополнительных стержней с основным. Согласно прототипу, такое соединение осуществляется шлицевым методом, тогда как в предлагаемом способе получение основного стержня и его монолитное соединение с дополнительными стержнями совмещено в одной операции прессования.An essential distinguishing feature of the present invention is a change in the method of connecting additional rods with the main. According to the prototype, such a connection is made by the splined method, whereas in the proposed method, the preparation of the main rod and its monolithic connection with additional rods are combined in one pressing operation.

На фиг.1 приведен чертеж дополнительного стержня в виде трапецеидальной рамки, с боковыми стенками треугольного поперечного сечения, где 1 - боковые стенки.Figure 1 shows a drawing of an additional rod in the form of a trapezoidal frame, with side walls of a triangular cross section, where 1 is the side walls.

На фиг.2 схематически изображена пресс-форма для изготовления модели из двух секторов, где 2 - дополнительные стержни, 3 - модель из двух секторов.Figure 2 schematically shows a mold for manufacturing a model from two sectors, where 2 are additional rods, 3 is a model from two sectors.

На фиг.3 схематически изображена пресс-форма для изготовления основного стержня, где 2 - дополнительные стержни, 3 - модель из двух секторов, 4 - основной керамический стержень.Figure 3 schematically shows the mold for the manufacture of the main rod, where 2 are additional rods, 3 is a model of two sectors, 4 is the main ceramic rod.

Модельная пресс-форма состоит из двух металлических матриц и сердечника. Профильные поверхности матриц повторяют часть внешнего контура лопатки со стороны корыта и спинки, а обводы сердечника соответствуют форме основного стержня. На поверхности сердечника и матриц выполнены продольные треугольные пазы. В собранном виде между профильными поверхностями матриц и сердечника образуется щелевая полость, поперечный размер которой равен толщине стенки пустотелой лопатки. Предварительно отпрессованные и обожженные дополнительные стержни (2) вставляют в треугольные пазы сердечника и матрицы, а затем щелевую полость заполняют вымываемой модельной массой, например мочевиной. Затем пресс-форму разнимают и снимают секторы (3).The model mold consists of two metal dies and a core. The profile surfaces of the matrices repeat part of the outer contour of the scapula from the side of the trough and back, and the contours of the core correspond to the shape of the main rod. On the surface of the core and matrices, longitudinal triangular grooves are made. Assembled between the profile surfaces of the matrices and the core, a slit cavity is formed, the transverse dimension of which is equal to the wall thickness of the hollow blade. The pre-pressed and calcined additional rods (2) are inserted into the triangular grooves of the core and matrix, and then the slot cavity is filled with a leachable model mass, for example, urea. Then the mold is opened and removed sectors (3).

На втором этапе секторы (3) переносят в стержневую пресс-форму, и в центральную полость запрессовывают керамическую массу, которая обволакивает выступающие стенки дополнительных стержней 2 и тем самым обеспечивается надежная и прочная заделка последних в тело основного стержня 4.At the second stage, sectors (3) are transferred to the core mold, and a ceramic mass is pressed into the central cavity, which envelops the protruding walls of the additional rods 2 and thereby ensures a reliable and durable sealing of the latter into the body of the main rod 4.

Таким образом, в ходе одной операции прессования основного стержня достигается монолитное соединение с дополнительными стержнями и при этом гарантируется высокая точность их позиционирования, как по высоте, так и по углу к профильной поверхности основного стержня.Thus, during one pressing operation of the main rod, a monolithic connection with additional rods is achieved, and at the same time, their positioning accuracy is guaranteed both in height and in angle to the profile surface of the main rod.

После разборки стержневой пресс-формы модель удаляют, в случае использования мочевины вымывают водой, а затем составной стержень обжигают. Поскольку основной и дополнительные стержни изготовлены из керамической массы одинакового химического состава, то они совместимы по термическим коэффициентам линейного расширения и линейной усадке. Поэтому в процессе высокотемпературного обжига отсутствует коробление дополнительных стержней.After disassembling the core mold, the model is removed, if urea is used, it is washed with water, and then the composite rod is fired. Since the main and additional rods are made of ceramic mass of the same chemical composition, they are compatible in terms of thermal linear expansion coefficients and linear shrinkage. Therefore, in the process of high temperature firing, there is no warping of additional rods.

Конструкция дополнительных стержней и их монолитная заделка в основной стержень обеспечивают строгую фиксацию последнего в полости оболочковой формы и гарантирует постоянство толщины стенки по всему периметру литой детали, в частности пустотелой лопатки, а также качественную литую поверхность в пределах допусков.The design of additional rods and their monolithic embedment into the main rod ensure strict fixation of the latter in the cavity of the shell mold and ensures the constancy of the wall thickness around the entire perimeter of the cast part, in particular a hollow blade, as well as a high-quality cast surface within tolerances.

Пример получения составного керамического стержня для отливки монокристаллической лопатки с проникающим охлаждением:An example of obtaining a composite ceramic rod for casting a single-crystal blade with penetrating cooling:

Методом прессования получали дополнительные стержни из керамической массы, содержащей порошки электрокорунда определенного гранулометрического состава, термопластификатор и спекающие добавки. Геометрические размеры дополнительных стержней составляли: длина рамки 50 мм, сечение продольной стойки равнялось 0,5-2 мм, диаметр цилиндрических перемычек составлял 0,6 мм, а их длина изменялась от 0,5 до 1,5 мм. Затем обожженные дополнительные стержни монтировали в модельной пресс-форме так, чтобы боковые стенки вошли в треугольные пазы сердечника и матрицы, и получали модель из мочевины.By pressing method, additional rods of ceramic mass containing electrocorundum powders of a certain particle size distribution, thermoplasticizer and sintering additives were obtained. The geometric dimensions of the additional rods were: frame length 50 mm, the cross section of the longitudinal strut was 0.5-2 mm, the diameter of the cylindrical bridges was 0.6 mm, and their length varied from 0.5 to 1.5 mm. Then, the fired additional rods were mounted in a model mold so that the side walls entered the triangular grooves of the core and matrix, and a model was obtained from urea.

Полученную модель из двух секторов переносили в стержневую пресс-форму и прессовали основной стержень при температуре 90-110°С из керамической массы на основе порошков электрокорунда различной зернистости, термопластификатора и таких же спекающих добавок, как и в керамической массе для дополнительных стержней с целью согласования термических коэффициентов линейного расширения. После отверждения керамической массы основной стержень извлекали из пресс-формы и растворяли модель в воде. Составной керамический стержень обжигали при температуре 1350°С в течение 6 часов в засыпке глинозема.The resulting model from two sectors was transferred to a core mold and pressed to the main core at a temperature of 90-110 ° C from a ceramic mass based on electrocorundum powders of different grain sizes, thermoplasticizer and the same sintering additives as in the ceramic mass for additional rods for matching thermal linear expansion coefficients. After curing the ceramic mass, the main core was removed from the mold and the model was dissolved in water. The composite ceramic rod was fired at a temperature of 1350 ° C for 6 hours in a bed of alumina.

Окончательную модель лопатки прессовали из восковых композиций при температуре 65°С, оболочковую форму изготавливали методом послойного нанесения керамической суспензии на основе электрокорунда и связующего. Модельный состав удаляли в горячей воде, а затем оболочковую форму прокаливали при температуре 1100°С.The final model of the blade was pressed from wax compositions at a temperature of 65 ° C, the shell mold was made by layer-by-layer deposition of a ceramic suspension based on electrocorundum and a binder. The model composition was removed in hot water, and then the shell mold was calcined at a temperature of 1100 ° C.

Заливку формы и получение монокристаллической лопатки с проникающим охлаждением проводили в печи для направленной кристаллизации.Mold casting and obtaining a single-crystal blade with penetrating cooling was carried out in a directional crystallization furnace.

В предварительно нагретую до температуры 1500°С оболочковую форму заливали никелевый жаропрочный сплав при температуре 1560°С и проводили направленную кристаллизацию с использованием затравки путем погружения формы в расплав металлического теплоносителя со скоростью 3-5 мм/мин. После обрезки литников из отливки удаляли керамический стержень в расплаве бифторида калия.A heat-resistant nickel alloy was poured into a shell mold preheated to a temperature of 1500 ° C at a temperature of 1560 ° C and directional crystallization was carried out using seed by immersing the mold in a molten metal coolant at a speed of 3-5 mm / min. After trimming the sprues, the ceramic core in the potassium bifluoride melt was removed from the casting.

Выход годных лопаток с предельными размерами 3-5 классов точности и с поверхностью 3-5 классов чистоты составил 87-90%, тогда как согласно прототипа выход годного равнялся 80-85%.The yield of blades with maximum sizes of 3-5 accuracy classes and with a surface of 3-5 purity classes was 87-90%, while according to the prototype the yield was 80-85%.

С использованием составных керамических стержней, изготавливаемых предложенным способом, методами прецизионного литья получают монокристаллические лопатки с проникающей системой охлаждения с предельными размерами 3-5 классов точности и с поверхностью 3-5 классов чистоты. Это позволяет снизить расходы, связанные с механической обработкой лопаток из трудно обрабатываемых никелевых высокожаропрочных сплавов, и экономить дорогостоящий металл на соответствующих припусках.Using composite ceramic rods manufactured by the proposed method, precision casting methods produce single-crystal blades with a penetrating cooling system with maximum dimensions of 3-5 accuracy classes and with a surface of 3-5 purity classes. This allows you to reduce the costs associated with the machining of blades made of hard-machined nickel high-temperature alloys, and save expensive metal on appropriate allowances.

Claims (2)

1. Способ литья полых охлаждаемых изделий с использованием составного керамического стержня, включающий изготовление основного керамического стержня, дополнительных керамических стержней рамочной конструкции, и последующее изготовление составного керамического стержня, отличающийся тем, что изготовление составного стержня осуществляют в два этапа, на первом этапе предварительно изготовленные и обожженные дополнительные стержни устанавливают в модельную пресс-форму и изготавливают модель, на втором этапе модель переносят в стержневую пресс-форму и запрессовывают керамическую массу для изготовления основного стержня и монолитного соединения его с дополнительными стержнями, удаляют модель и осуществляют высокотемпературный обжиг составного керамического стержня.1. The method of casting hollow cooled products using a composite ceramic rod, including the manufacture of the main ceramic rod, additional ceramic rods of the frame structure, and the subsequent manufacture of the composite ceramic rod, characterized in that the manufacture of the composite rod is carried out in two stages, the first stage is prefabricated and burnt additional rods are installed in a model mold and a model is made; in the second stage, the model is transferred to the rod -hand mold and molded ceramic mass for producing stem and main monolithic coupling thereof with additional rods removed model and performed a high-temperature firing of the ceramic composite rod. 2. Литое полое охлаждаемое изделие, отличающееся тем, что оно получено способом по п.1.2. Cast hollow cooled product, characterized in that it is obtained by the method according to claim 1.

Images