Технологія та обладнання литва

ЗА ВИТОПНИМИ МОДЕЛЯМИ

Загальні відомості

Отримання деталей литвом знижує витрати на механічну обробку і зменшує кількість матеріалу. Це особливо важливо для виробів із жароміцних стопів, які є дуже коштовними і важко піддаються механічній обробці.

Технологія отримання лопаток ГТД методом литва застосовується у випадках, коли жароміцний стоп не піддається пластичній деформації і потрібно виготовити лопатку з особливо високою жароміцністю, а також при виготовленні лопаток з порожнинами для охолодження.

Литво лопаток за витопними моделями, дозволяє застосовувати для їх виготовлення ливарні стопи, які мають високу жароміцність і забезпечують вищий ресурс і надійність в порівнянні з лопатками, виготовленими зі штампованих заготовок. Це особливо важливо для лопаток 1-ої та 2-ої ступеней, де робочі температури газів можуть досягати 1200…1350°С.

Процес отримання лопаток ГТД методом литва за витопними моделями складається з наступних етапів:

а) створення ливарної моделі лопатки з воску, пластмаси або комбінація обох матеріалів та розташування в моделі заздалегідь приготовленого керамічного стрижня, якщо в лопатках повинні бути канали;

б) виготовлення виливниці, що передбачає нанесення на поверхню моделі декілька шарів керамічної оболонки, висушування їх та наступного заливання моделі вогнетривкою керамічною масою;

в) витоплення воску з керамічної оболонки та відпалення виливниці для надання їй необхідної міцності;

г) отримання відливки (лопатки) шляхом литва у вакуумі в підігріту виливницю зі спеціальним охолодженням для забезпечення монокристалічної, стовпчастої або рівновісьової зеренної структури.

Після охолодження відливку від нього відділяються форма-оболонка і стрижні (механічними або хімічними способами), а сам відливок відділяється від літникової системи. Залежно від вимог, що висуваються до виробу, він може після литва піддаватися термічній обробці або ущільнюватися шляхом гарячого ізостатичного пресування.

Далі розглянемо особливості виконання різних етапів литва лопаток за витопними моделями.

В табл.3.1 наведено послідовність операцій та обладнання для виготовлення заготовок лопаток турбіни.

Таблиця 3.1 – Технологічний процес і обладнання для виготовлення заготовок лопатки турбіни

№ п/н	Операції	Обладнання
	Пресування керамічних стрижнів	Установка PVE-10
	Обпалення керамічних стрижнів при температурі 1320°С	Піч ПГ-30
	Виготовлення моделей, літникової системи	Стіл
	Збирання модельних блоків	Стіл
	Виготовлення керамічних форм: - фарбування 6…8 шарів; - видалення модельної маси при р=3 ат, t=250…300°С - прожарювання форм при температурі 1080°С	Автоклав Піч ПГ-30
	Отримання заготовок лопаток (основні параметри процесу): - витоплення стопу ЖС26ВИ при температурі 1570±10°С, заливка розтопу при температурі 1530±10°С; - швидкість переміщення форм в кристалізаторі - 20±2 мм/хв; - температура рідкого алюмінію в кристалізаторі в момент введення керамічних форм - 660…740°С; - залишковий тиск - 8×10^-2 мм рт.ст.; - число відлитих лопаток з однієї порції розтопу - 12	Установка УВНК-8П
	Очищення відлитих лопаток від кераміки	Піскоструменева установка
	Відрізання лопаток від літнікової системи	Абразивно-відрізний верстат
	Обдування лопаток	Піскоструменева установка
	Дефектоскопічне щавлення в розчині HCl+H2O і контроль макроструктури	Ванна. Контрольний стіл.
	Видалення керамічних стрижнів з внутрішньої порожнини лопаток: - повне розчинення стрижнів з лопаток в розтопі біфторида калія при температурі 350…370°С, час витримки - 2,5…3 год.; - видалення фторидних плівок з поверхонь внутрішньої порожнини лопаток в розчині підкисленого чотириокису цитронія уротропіну при кімнатній температурі; - промивка внутрішньої порожнини лопаток гарячою водою (температура води - 70…80°С, тиск води ³6МПа).	Спеціальна установка
	Контроль литих лопаток на металургійні, геометричні та інші дефекти методами рентгеноскопії; іонометричне визначення залишкових іонів калія, ЛЮМ контроль тангенціальних каналів	Прилад типу ПОМКЛ, рентгенівська установка.

Виготовлення моделей

Для виготовлення моделей використовують спеціальні матеріали, які повинні легко вилучатися з керамічної оболонки, стійко зберігати свої розміри і забезпечувати гладку поверхню. Як матеріали для моделі використовують суміші з натуральної і синтетичної воскової маси у поєднанні з різними вуглеводневими смолами. В деяких випадках використовують пластмаси (зазвичай полістирен); вони міцні, добре опираються ударним навантаженням, придатні для тривалого зберігання, добре зберігають розміри, відносно дешеві.

Матеріали для моделей повинні задовольняти наступним вимогам:

- достатня міцність для того, щоб витримувати операцію витягання з модельної форми, протистояти напруженням, що виникають при формуванні модельних блоків і при нанесенні оболонок;

- рідкотекучісгь для отримання моделей складної форми, щоб знизити ризик пошкодження крихких керамічних стрижнів при заповненні форми і не ускладнювати вилучення моделі з форми;

- швидке твердіння в прес – формі при виготовленні моделей;

- сумісність з матеріалами керамічної оболонки, стрижнів та стопом (запобігти попаданню домішок);

- стабільність розмірів для забезпечення гранично малих спотворень моделі впродовж виробничого циклу;

- низьке термічне розширення для забезпечення розмірної відповідності з оболонкою;

- безпека для навколишнього середовища (бути нетоксичним);

- бути придатним для багаторазового повторного використання.

Воскові матеріали краще за інші матеріали поєднують в собі ці характеристики. Прикладом є використання суміші наступного складу: 70% парафіну, 8% буровугільного воску, 22% гарматного мастила. Така суміш має лінійну усадку 0,6 – 1,0%, границю міцності на згин 300 – 400 Н/мм². Проте пластмаси міцніші за воскові матеріали, краще зберігають розміри і в набагато меншому ступені потребують ретельного регулювання температури і вологості навколишнього середовища. Тому їх застосовують у випадках, коли головними визначальними чинниками є міцність і розмірна стабільність, наприклад при виготовленні дуже тонких лопаток або суцільнолитих турбінних дисків.

Більшість воскових моделей виготовляються низькотемпературною заливкою рідкої або продавлюванням рідкотвердої маси. Для приготування пластмасових моделей застосовують машини з поворотним гвинтовим приводом для наповнення форми під тиском. Залита модель закріплюється, калібрується і піддається доведенню. Збирання декількох воскових моделей проводиться вручну з використанням для їх з'єднання відповідних технічних засобів.

Керамічні стрижні

Керамічні стрижні використовують при литві лопаток за витопними моделями, щоб сформувати складні внутрішні порожнини (переходи), призначені для перетікання потоків повітря, що застосовують для охолодження. Класичний матеріал для керамічних стрижнів - оксид кремнію. Проте останнім часом іноді застосовується і оксид алюмінію. При створенні воскової моделі стрижень повинен бути «вкладеним» в цю модель. Після витоплення воску стрижень не повинен змінювати своє початкове положення. Оскільки коефіцієнти термічного розширення стрижня і оболонки неоднакові, то для зменшення напружень стрижень скріпляються з оболонкою лише в одній точці. Після того, як метал заповнить порожнину, звільнену витопленою моделлю, стрижень опиниться всередині відливка. Потім відливок відділяється від ливарної оболонки, а з відливка видаляється стрижень. Таким чином, у відлитій лопатці отримують порожнину, що зберігає початкову форму керамічного стрижня.

Стрижень повинен бути достатньо міцним, щоб протистояти напруженням, що виникають при нагнітанні воскової маси, бути хімічно сумісним із стопами при дуже високій температурі, бути достатньо важкотопким і жароміцним, щоб зберігати свою форму при видаленні моделі, підігріванні і операціях заливки, коли на стрижень впливає потік рідкого розтопу. Стрижні повинні протистояти термоудару, щоб без утворення тріщин витримувати напруження, які виникають при підігріванні і заливці стопу. Він повинен легко вилучатися з відлитої деталі. Для вилучення стрижня використовуються як хімічні, так і механічні методи. Тому стрижні переважно виготовляються з матеріалів, що містять велику частку оксиду кремнію; останній легко вилуговується реактивами КОН, NаOH і (або) кислотами, які не повинні вступати в хімічну реакцію з жароміцними стопами.

Більшість керамічних стрижнів, що брикетуються, одержують або інжекційним методом (методом вприскування), або методом литва під тиском. Інжекційне формування застосовують в основному при виготовленні великих стрижнів не дуже складної форми. При виготовленні стрижнів методом литва під тиском можна отримати стрижні набагато складнішої форми, ніж інжекційним методом.

В умовах сучасного виробництва можна отримати відливки, в яких товщина стінок і (або) прорізів має усього 0,4 мм. За допомогою керамічних стрижнів в відливках отримують отвори діаметром 0,5 мм. Довжина таких отворів, а отже і стрижнів може бути більше 38 см. В процесі інжекції воскової маси і литва необхідно уникати зсуву, прогину або скручування стрижня, що може призвести до порушення заданої товщини стінок відливка.