Юрий Елисеев,
генеральный директор ММПП «Салют»;
Владимир Фролов,
главный металлург ММПП «Салют»

Одним из наиболее важных направлений совершенствования газотурбинных двигателей является повышение температуры газов перед турбиной. Для чего необходимо обеспечить работоспособность ее лопаток при высоких температурах. В настоящее время изготовление лопаток осуществляется в основном прецизионным литьем в оболочковые формы. Такая технология позволяет добиться более высокой жаропрочности сплавов по сравнению со штамповкой. Это фактически единственный способ получения охлаждаемых лопаток. Исследование механизмов деформации жаропрочных сплавов показало, что разупрочнение материала вызывается стоком вакансий и дислокацией на границе зерен, ориентированных перпендикулярно к оси действующих напряжений. Исключить поперечные границы зерен или границы вообще — значит повысить механические характеристики материала.
Разработки серийных технологических процессов отливки рабочих лопаток с ориентированной структурой начались на ММПП «Салют» в 1970 г. За основу был взят метод отбора кристаллов при литье на водоохлаждаемый поддон. Принцип действия изготовленной установки ПНК-1 (рис.1) заключается в следующем. Литейная форма помещается в нагреватель установки на медный водоохлаждаемый кристаллизатор. Она нагревается до температуры на 100-1800 С выше ликвидуса, после чего заливается металлом и вытягивается на холодильник.
Разработанная технология позволила получать отливки с ориентированной структурой. Так, в частности, отливались опытные комплекты рабочих лопаток для изделия «Ал-21». При данном способе производства направленный теплоотвод создается за счет водоохлаждаемого поддона и радиационного теплоотвода от формы. Причем с увеличением затвердевшего слоя металла количество теплоты, передаваемой в холодильник, уменьшается.
Когда толщина затвердевшего слоя достигает 70 мм, отливка в основном охлаждается излучением боковых поверхностей формы в вакууме.
В условиях серийного производства этот способ реализован на установках ПМП-2 разработки ВИАМ (рис.2). В ПМП-2 осевой температурный градиент составляет 20 С, что обеспечивает формирование ориентированной структуры при скорости роста затвердевшего слоя Р= 3-4 мм/мин. Невысокая эффективность теплоотдачи является причиной низкой скорости кристаллизации, что ведет к образованию крупных карбидных включений на
поверхности отливок, а также равноосных кристаллов, являющихся дефектными зонами.
Исследованиями в ВИАМ установлено, что прочностные свойства отливок с ориентированной и монокристаллической структурой в значительной степени зависят от междендритного расстояния (l). Чем оно меньше, тем лучшими прочностными свойствами обладает литой материал отливки. При этом величина находится в прямой зависимости от скорости кристаллизации. В отливках, изготовленных в установках ПМП-2, междендритное расстояние составляет 400 — 450 мкм. Для получения отливок с более высокими свойствами на ММПП «Салют» совместно с литейной лабораторией НИАТ в 1970 г началась работа по созданию установок с охлаждением при кристаллизации в расплавленном алюминии. Последний наиболее полно отвечает требованиям, предъявляемым к охладителю. Он имеет высокий коэффициент теплопроводности, большую теплоемкость и не оказывает вредного влияния на материал отливки в случае попадания в расплав, так как является легирующим компонентом в применяемых сплавах. Результаты расчетов показывают, что, по сравнению с литьем на водоохлаждаемый медный поддон, эффективность теплоотдачи возрастает в 18 раз, обеспечивая скорость кристаллизации до 20 мм/мин. Это позволяет получать отливки лопаток с междендритным расстоянием 180 — 200 мкм.
Кристаллизация отливок с использованием жидкометаллического охладителя реализована в установке УВНК-8П, разработанной ВИАМ (рис. 3). Сравнительные эксперименты по кристаллизации сплава ЖС6У со скоростями 4 и 20 мм/мин показали значительные микроструктурные изменения в отливках. Во втором случае их механические свойства улучшились.
На ММПП «Салют» создан специализированный цех по изготовлению лопаток турбины с направленной и монокристаллической структурой, в том числе охлаждаемых с циклонно-вихревой системой охлаждения. Он оборудован установками УВНК-8П со скоростью кристаллизации 20 мм/мин. В цехе серийно производятся лопатки турбины из сплавов ЖС-26 и ЖС-32 для изделий «Д-436Т1» и «Ал-31Ф».
В последние годы все больше внимания уделяется проблемам литья лопаток с ориентированной и монокристаллической структурой для газоперекачивающих и энергетических установок. Для решения этой задачи на предприятии совместно с ВИАМ завершаются работы по созданию установки УВНК-12, позволяющей отливать лопатки c размером пера до 400 мм с монокристаллической структурой. Принципиальным ее отличием от УВНК-8П является наличие печи подогрева форм в шлюзовой камере. Для повышения производительности разработан механизм перемещения подогретых форм в кристаллизационную камеру, а залитых форм в шлюзовую.
Объем производства изделий с направленной и монокристаллической структурой из жаропрочных сплавов, в частности лопаток, возрастает с каждым годом. Поэтому совершенствование технологий изготовления лопаток турбин авиационных двигателей и энергетических установок является приоритетным направлением в литейном производстве нашего предприятия.

Скорость направленной сигма(в), МПа дельта, % Долговечность (тау), ч
кристаллизации (при T=293 K) (при T=293 K) (при T=1248 K
мм/мин и сигма(в)=260 МПа)
4 890 7,0 38
20 1115 7,7 52
970 5,5 40-60
при сигма(в)=230 МПа

Примечание: последняя строка — для равноосной структуры.

Московское машиностроительное производственное предприятие Салют.
105118, Москва, проспект Буденного, д.16.
Тел.: (095) 369-8014, 369-8566. Факс: (095) 365-0003.

1. Схема установки ПНК-1 для направленной кристаллизации методом вытягивания из нагревателя:
1 — форма; 2 — нагреватель; 3 — подвижный водоохлаждаемый кристаллизатор; 4 — приспособление для крепления формы; 5 — тепловой экран; 6 — шток.
2. Схема печи ПМП-2 для направленной кристаллизации:
1- оболочковые формы в графитовых опоках;
2 — водоохлаждаемый кристаллизатор;
3 — нагреватель в зоне кристаллизации.
3. Схема установки УВНК-8П для высокоскоростной направленной кристаллизации:
1 — кристаллизационная камера;
2 — ванна с расплавленным алюминием; 3 — нагреватель
сопротивления; 4 — оболочковые формы; 5 — плавильная печь;
6 — подвески форм; 7 — механизм вертикального перемещения форм; 8 — вакуумный затвор;
9 — механизм горизонтального перемещения форм;
10 — шлюзовая камера.
4. Схема теплового узла и блока литейных форм печи УВНК-8П для получения монокристаллических лопаток:
1 — лопатка; 2 — затравка; 3 — конус; 4 — верхний нагреватель; 5 — нижний нагреватель;
6 — расплавленный теплоноситель;
7 — тепловой экран.
5. Генеральный директор Юрий Елисеев знакомит мэра Москвы Юрия Лужкова с производством.

1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (проголосуйте)
Загрузка...