Лопатки турбин ГТД изготавливают методом литья по выплавляемым моделям. Литейное производство позволяет получать лопатки разной формы, так как исходное состояние материала заготовки – жидкое. Благодаря специально сконструированным жаропрочным сплавам, имеющим в своем составе от 10 и более легирующих элементов, литая лопатка получается с требуемой структурой, которая в дальнейшем определяет ее эксплуатационные свойства. Естественно, чтобы добиться стабильных свойств каждого вновь отливаемого изделия, пришлось проводить немало работ, связанных с литейными проблемами: химической неоднородностью закристаллизовавшегося сплава и образованием дефектов структуры вследствие перехода сплава из жидкого в твердое агрегатное состояние. Рассмотрим упрощенное описание технологической цепочки изготовления лопаток турбин ГТД.
В зависимости от условий работы лопаток меняется их конструкция и предъявляемые к ним требования. Поэтому инженер перед началом работы по созданию технологического процесса изготовления отливки должен внимательно изучить конструкторскую документацию и технические условия, обозначенные в технических требованиях чертежа детали. Например, если требуется изготовить охлаждаемую лопатку, потребуется изготавливать керамический стержень. После ознакомления с требованиями к конкретной отливке следует выбор расположения отливки при заливке, выбор литниково-питающей системы (ЛПС), расчет размеров ЛПС, выбор материалов для изготовления моделей, формы стержней и т.д. Проектируется вся необходимая оснастка: модельная пресс-форма, стержневая пресс-форма и т.д. Проводится разработка технологического процесса получения отливок.
Для полых лопаток изготавливают керамические стержни, которые оформляют внутренние полости отливки. Требования к стержню весьма жесткие: химическая инертность к сплаву, достаточная прочность при высоких температурах, геометрическая стабильность при нагреве, стабильность усадки при обжиге и т.д. Поэтому основным материалом для изготовления керамических стержней в производстве лопаток является электрокорунд. Мелкий порошок электрокорунда смешивают с пластификатором (например, смесь воска с полимером) для придания формуемости. Затем данную смесь запрессовываю в пресс-форму, в которой она охлаждается. После охлаждения полученной заготовки "сырой" стержень извлекают из пресс-формы. В зависимости от конфигурации стержня (толщина может быть 0,5 мм) "сырой" стержень рихтуют в драйере, после чего упаковывают в глинозем и обжигают.
Упаковка в глинозем необходима в первую очередь для предотвращения коробления стержня при спекании. Сам процесс упаковки представляет собой следующую последовательность действий. Рабочий берет керамический короб, в который насыпает немного глинозема. После производит аккуратно укладку "сырых" стержней на данную "подушку" и так несколько рядов (в зависимости от размеров коробов и стержней). Далее производится засыпка стержней и уплотнение глинозема посредством вибрации. Загрузку упакованных в глинозем стержней осуществляют на специальные тележки, которые въезжают во внутреннее пространство печи (печи непрерывного действия). Важно, чтобы печь имела несколько температурных зон для того, чтобы стержни, проходящие через данные зоны, медленно нагревались. В процессе нагрева происходит выжигание пластификатора и спекание порошка электрокорунда. Окончательными операциями по изготовлению керамического стержня являются выбивка из коробов, зачистка стержней от остатков глинозема. Каждый стержень обязательно подвергается контролю в специальном приспособлении.
Изготовление моделей производят на установках для запрессовки модельного состава. Модельный состав представляет собой комплекс компонентов, обеспечивающих различные свойства: физические, химические и технологические. Важно, чтобы модельный состав имел достаточную прочность в твердом состоянии, оптимальную температуру плавления, низкую зольность, формуемость и т.д. Обычной практикой является приготовление модельного состава непосредственно на территории цеха. Для этого компоненты модельного состава смешивают в строгой последовательности в специальной установке, представляющей собой нагревательный бак с мешалкой. Процесс изготовления моделей будущих отливок состоит из следующих этапов: установка пресс-формы на оборудование для запрессовки, укладка керамического стержня в пресс-форму (при его наличии), запрессовка модельного состава и его охлаждение, извлечение модели из пресс-формы, очистка от облоя, отрезка подводов и т.д. Полученные модели также после извлечения из пресс-формы, с целью снижения коробления, могут укладывать в драйер.
Литье по выплавляемым моделям – это особенный вид литья, отличающийся от других способов тем, что каждая модель используется только один раз, поэтому стабильность изготовления качественных отливок сильно зависит от стабильности качества каждой модели. На конечном этапе работы с моделями проводится их визуальный контроль и при необходимости ремонт. Годные модели припаивают к ЛПС, состоящей, как правило, из более дешевой и простой модельной массы, так как требования к геометрической точности ЛПС невысокие. Полученный модельный блок (восковые модели, припаянные к ЛПС) также визуально контролируется на наличии дефектов, после чего его выдают на участок формовки.
На участке формовки в литейном цехе получают керамические формы, которые и будут определять конфигурацию будущей отливки. Упрощенно изготовление керамической формы можно описать следующим образом. Предварительно обезжиренный модельный блок окунают в емкость с огнеупорной суспензией. Огнеупорная суспензия представляет собой смесь пылевидного зернистого материала и связующего. Далее его вынимают и дают излишкам суспензии стечь. Практически сразу производят обсыпку модельного блока крупным зернистым материалом. Как правило, в производстве лопаток турбин в качестве зернистого материала используют электрокорунд. Таким образом, суспензия за счет сил адгезии удерживается на поверхности модельного блока и удерживает слой крупного зернистого материала. Нанесенный слой сушат, а операцию окунания в суспензию и обсыпку зернистым материалом повторяют несколько раз, пока не получат требуемую толщину керамической формы.
Сформированная керамическая оболочка в непрокаленном состоянии помещается в установку для вытопки модельного состава. В зависимости от принятого способа удаления модельного состава на конкретном предприятии, "рабочим" телом может выступать горячая вода или пар. Удаление модельного состава производится через литниковую чашу. Далее производят первичную прокалку керамической формы. На этапе первичной прокалки температура печи для электрокорундовых форм в момент загрузки не превышает 400C и повышается до 900C. Равномерный нагрев необходим прежде всего для того, чтобы остатки модельного состава медленно выгорели, не повреждая керамическую форму. Далее проводят вторичную прокалку для обеспечения требуемой прочности керамической форме и вывода ее температуры на заданное значение.
Заливку жидким металлом керамической формы лопаток турбины производят в вакуумных печах. Печи имеют специальное устройство – печь подогрева форм, которое способно поддерживать заданную температуру керамической формы до момента заливки. Подготовленную шихту загружают в плавильную камеру, где формируют вакуум. Металл нагревают с помощью индуктора, температура для никелевых сплавов может достигать значений 1650C. Такая температура требуется для проведения качественного рафинирования сплава. В момент заливки температура расплава заметно ниже и в зависимости от конкретного сплава может достигать значений 1520C. Заливка производится за счет наклона тигля с расплавленным металлом. Далее залитую керамическую форму выдерживают некоторое время в печи подогрева формы, обеспечивая более медленное остывание металла с целью снижения термических напряжений. После выдержки в печи подогрева форм залитый блок перемещают в термостат, в котором залитый блок остывает до необходимой температуры. Дальнейшее охлаждение проводят на воздухе.
Охлажденный блок отливок транспортируют на участок выбивки, где производят отделение керамики от металла. Далее отливки отрезают от ЛПС. Производят химическое травление стержней из внутренних полостей лопаток, проводят термообработку и обрубку.
Изготовленные отливки лопаток поступают на участки контроля (некоторые виды контроля описаны здесь).
Литье по выплавляемым моделям лопаток турбины – достаточно сложный процесс с многочисленными факторами. С целью обеспечения высокой точности геометрии, соответствия структуры отливок заданной требуется не только разработать и внедрить годную оснастку и стабильный технологический процесс, но и обеспечить оптимальные условия для хранения всех материалов, которые должны соответствовать определенным условиям.
⚡ Подписывайтесь на наш канал, ставьте лайки, пишите комментарии! Вас ждет много интересных и полезных статей на самые разные темы.
