CC BY
68МОНОКРИСТАЛИЧЕСКОЕ ЛИТЬЕ ЛОПАТОК ТУРБИНЫ ГТД Макеев Д.А.1, Келарев В.И.2
1Макеев Дмитрий Александрович - бакалавр, кафедра технической эксплуатации летательных аппаратов и наземного оборудования; 2Келарев Валерий Иванович - старший преподаватель, Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону
Аннотация: в данной статье рассмотрена технология монокристаллического литья лопаток турбины газогенератора.
Ключевые слова: ГТД, лопатка, монокристалл, зерно, затравка, дендрид.
Лопатки турбины газогенератора являются наиболее нагруженным участком газотурбинного двигателя. Основные эксплуатационные факторы, влияющие на ресурс лопаток: время работы ГТД в различных режимах мощности, уровень динамических нагрузок, количество запусков ГТД, рабочие напряжения, скорость и амплитуда перепадов температур.
Одним из способов увеличения ресурса лопаток турбины является монокристаллическое литье.
1. Требования к структуре отливок лопаток турбины из жаропрочных сплавов Результаты исследования поликристаллических жаропрочных сплавов показали,
что разрушение происходит в процессе ползучести на границах зерен, расположенных перпендикулярно оси действующих напряжений. Следовательно, можно добиться высокой степени упрочнения сплава, путем ориентирования структуры зерен параллельно нагрузке. Эта цель была реализуема благодаря использованию технологии направленной кристаллизации (метод Бриджмена-Стокбаргера).
Создание технологии изготовления монокристалла позволило улучшить составов жаростойких сплавов, в частности, создать целый класс сплавов, не содержащих элементов, упрочняющих границы зерен, B, 2г, С Это, в свою очередь, позволило внедрить системы сплавов и режимы термообработки, что привело к значительному увеличению прочностных свойств по сравнению со свойствами обычных сплавов. Следует отметить, что с учетом высоких требований к структуре роста процесс получения монокристаллического литья правильнее назвать не технологией литья, а технологией роста монокристаллической лопатки.
Одним из главных требований к структуре этих сплавов является полное отсутствие посторонних кристаллов в отливке. Это обусловлено тем, что прочность межзеренного пространства практически нулевая. Чтобы предотвратить образование рекристаллизованного зерна, отливки не должны подвергаться обработки поверхности перед высокотемпературной термообработкой (гомогенизирующим отжигом). Особое внимание следует уделять при выбивке отливок из литников. Пескоструйная обработка поверхности отливки после извлечения заготовки из формы не допускается.
2. Формирование монокристаллической структуры лопатки турбины Монокристаллическая отливка представляет собой единую дендритно-ячеистую
структуру или одни дендрит, зародившийся от одного зародыша или затравки. Однако обратное заключение не всегда верно, так как дендридная структура, появившаяся от одного зародыша, может искажаться в ходе роста.
В процессе отливки заготовки могут возникать ростовые дефекты монокристаллов. К ним относятся посторонние кристаллы и субзерна. Посторонние кристаллы можно разделить на два вида по механизму из появления: -зарождение от отдельного кристалла-зародыша;
- возникновение кристалла в ходе деформации дендридного каркаса монокристалла в результате роста.
Посторонние кристаллы, возникшие от отдельного зародыша, произвольно ориентированы внутри заготовки и не меняют своего положения в ходе роста. Они представляют собой крупное столбчатое зерно, и образуется ввиду наличия в сплаве неметаллических включений.
Ко второму виду посторонних кристаллов относят тонкие столбчатые зерна, состоящие из 1-3 дендридных ветвей 1-го порядка.
Для устранения данных недостатков литья во Всероссийском научно-исследовательском институте авиационных материалов была разработана технология высокоградиентной направленной кристаллизации с применением жидкометаллического охладителя литейного блока
Субзерна являются областями с достаточно малой разориентацией относительно основного кристалла. Они подразделяются на малоугловые( с углом отклонения от 3 до 5 градусов) и среднеугловые ( угол отклонения от 5 до 8 градусов). Данные дефекты могут допускаться на отдельных, слабо нагруженных областях отливок.
В России для формирования монокристаллической отливки лопаток используется разработанная в ВИАМ затравочная технология монокристаллического литья, основанная на создании затравок из сплавов никеля, вольфрама и углерода, и использовании кристаллоотборника, позволяющего добиться высокого структурного совершенства отливок в любой заданной кристаллографической ориентации. Затравки образуются путем вырезки из монокристаллических заготовок произвольной ориентации.
При помощи конуса-кристалловода структура подводится непосредственно к плоскости самой лопатки, в точку, лежащую на средней линии среза пера. Для выравнивания условий кристаллизации, со стороны выходной кромки выполняется цилиндр. Его радиус близок к радиусу самой входной кромки. Так как конус-кристалловод примыкает к перу, то его края образуют конические поверхности диаметрами вверху 6-8мм, внизу 2-3мм. Кромки наклонены под углом а к направлению роста структуры, и не превышает 30-45 градусов по контуру кристалловода.
При отливке лопаток турбины из рений содержащихбез углеродистых сплавов используют два способа кристаллизации: "замком вниз" и "замком вверх"
Использование первого способа является более надежным для формирования структуры отливки без бандажной полки. В данном случае области, в которых происходит рост монокристалла в радиальном направлении практически отсутствуют, но основным недостатком является необходимость применения массивного конуса-кристалловода в нижней полке лопатки, что обуславливает дополнительную обработку замка.
Техника литья "замком вверх" лишена данного недостатка, но в данном способе идет формирование структуры при переходе от пера к полке лопатки в условиях радиального роста.
Список литературы
1. Кишкин С.Т., Поляк Э.В. Исследования по жаропрочным сплавам: Труды ИМЕТ. М.: АН СССР, 1962, Т. 7. С. 295.
2. Шалин Р.Е., Светлов И.Л., Толораия В.Н. и др. Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов. М.: Машиностроение, 1997. С. 185; 187; 205; 207.
3. Толораия В.Н., Светлов И.Л., Кривко А. И. и др. Способ получения затравок для литья монокристаллических изделий из никелевых жаропрочных сплавов: Пат. 1822375(РФ), 1992.
