Спосіб виготовлення лопаток з жароміцного сплаву

1. Спосіб виготовлення лопаток з жароміцного сплаву, що полягає у виготовленні прес-форми з ливниковою системою, одержанні моделі лопаток, формуванні на моделі керамічної оболонкиформи, пропіканні форм та заливанні форм розплавом, який відрізняється тим, що моделі ливникових систем пресують з модельного складу ВИАМ-12, при цьому температуру модельної маси витримують у межах 65-75 °С, а тиск пресування витримують у межах 2-4 кг/см2, час утримання у прес-формі 1-3 хвилини, перед заливанням метал 3 Відомий спосіб виготовлення художніх виливків, що включає одержання моделі і по ній форми, прокалку і заливання форми сплавом, при цьому модель одержують із укладу, мас. %: ГІПС 40,0-55,56 Крохмаль 14,29-22,22 Вода решту На її поверхню методом чорнового формування наносять композицію складу, мас. %: Полуводний сульфат кальцію 30,0-40,9 Діоксид кремнію 30,0-40,7 Азбест 3,0-10,7 Вода решта Потім на зовнішній поверхні форми формують кожух із жароміцного бетону, витримують отриманий єдиний блок на повітрі не менше 14 діб з наступним прокалюванням у печі при 500-700°С протягом не менше 40хв. (див. наприклад, патент РФ №2051008 МПК B22D 25/02). Однак, зазначений спосіб не дозволяє одержати точний виливок лопатки з жароміцних сплавів. Відома технологія точного лиття моделей, що виплавляються. Таким способом відливають точні вироби зі складною конфігурацією: інструменти (свердла, фрези), відповідальні деталі автомобілів, тракторів, лопаток турбін (див. В.И. Добровольський, Н.Г. Чумак «Технологія металів і інших конструкційних матеріалів», Вища школа, 1980 р., стор.78-80). Спосіб виготовлення деталей за цією технологією полягає у виготовленні прес-форми з двох частин із ливниковою системою і подальшим одержанням моделі лопаток, що виплавляється з установкою стержнів, прокалюванням форм у печі і заливання форм розплавленим сплавом. Прес-форми дозволяють одержати з застосуванням лиття під тиском точну, так називану модель виробу, що виплавляється зі сплаву парафіну (30%) із стеарином (70%), моделі об'єднуються загальною ливниковою системою в комплект (блок) у вигляді «ялинки». Легкоплавкий комплект («ялинка») занурюється у формувальну фарбу, що складається з порошку: 90% дрібного кварцового піску, 7% каоліну, 3% графіту. Порошок розмішується в складі, що перебуває з 20% рідкого скла і 80% води. Після занурювання «ялинка» покривається трьохміліметровою оболонкою. Місця, що не мають оболонки, посипають дрібним піском або корундом і сушать блок при кімнатній температурі біля 5-6год., потім поміщають у сушильну піч з температурою 100-120°С, де відбувається плавлення легкоплавкої моделі з літником ("ялинки") і видалення розплаву в збірник через ливникову систему, що утворилася в оболонці. Після видалення розплаву форму (оболонку) пропікають у печі при температурі 800-850°С. Легкоплавкий матеріал, що частково залишився на поверхні, вигорає, а внутрішня поверхня форми стає твердою і гладкою. Оболонку наформовують в опоці. Розплавлений метал заливають у форми відцентровим або іншим способом. Після твердіння й охолодження форму розбивають, деталі звільняють від літників і зачищають. Отримані деталі відрізняються високою точністю. Але це технічне 42737 4 рішення не дозволяє використати його для виготовлення суцільнолитих лопаток турбін низького тиску газоперекачувальних агрегатів ГТК-101, ГТК-251 (виробництва "Дженерал електрик", США) Відомий також спосіб виготовлення лопаток з жароміцних сплавів для турбін високого тиску газоперекачувальних агрегатів закордонного виробництва, що полягає у виготовленні прес-форми з ливниковою системою, одержання моделі лопаток, формування на моделі керамічної оболонки форми, виплавці модельної маси, пропікання форм у печі і заливання форм розплавом. Спосіб відрізняється від відомих тим, що стрижні виготовляють із маршаліту пресуванням 15-20кг/см2 при температурі 130-140°С і витримкою під пресом 15-20сек., форми пропікають при температурі 950-980°С в плині 2,0-2,5год., а перед заливанням у форму сплав перегрівають до 1570°С, при цьому заливання сплаву у форму роблять при температурі 1520°С. Воскові моделі лопаток виготовлюють з маси ВІАМ-102 із температурою розм'якшення 77-85°С і зольністю 0,2% із додаванням 50% каніфолі і сечовини у відношенні 6:1. Лопатки виготовлюють із жароміцного сплаву ЗМІ-ЗУ та призначені при роботі у турбінах з високим тиском (див. патент України №35519А, бюл. 2 за 2001р.) У фірмових поставках робочі лопатки турбін низького тиску виготовляються зі сплаву Udimet250 (Удимет-500). Проведені роботи з технологічного опробування сплавів ЗМИ-ЗУ-М та Удимет-500 підтвердили можливість використання сплаву ЗМИ-ЗУ-М у серійному виробництві лопаток низького тиску газоперекачувальних агрегатів ГТК-101, ГТК-251. Тривала експлуатація газоперекачувальних установок ГТК-101, ГТК-251 можлива в умовах своєчасної заміни лопаток. Для виробництва нових лопаток турбін низького тиску (ТНТ) необхідно мати сплав, яких за комплексом властивостей не поступається раніше застосованому імпортному сплаву Udimet-500. Відомо, що сплав ЗМИ-ЗУ-М був застосований для виробництва соплових апаратів авіадвигунів та зарекомендував себе як високотехнічний у литті та механічній обробці. Зазначене технічне рішення прийнято як прототип. В основу корисної моделі поставлена задача розробити такий спосіб виготовлення лопаток низького тиску газоперекачувальних агрегатів за допомогою нових технологічних операцій, який забезпечить підвищення жароміцності, опору корозійному пошкодженню в умовах сульфідноокисного впливу, високі технологічні властивості лиття. Відливок із сплаву ЗМИ-ЗУ-М повинен також піддатися виправленню у штампах у холодному та гарячому стані, задовільно зварюватися аргонно-дуговим зварюванням та оброблятися різанням. Ця задача вирішується тим, що у відомому способі виготовлення лопаток із жароміцних сплавів, який полягає в виготовленні прес-форми з ливниковою системою, одержання моделі лопаток, формування на моделі керамічної оболонки, виплавці модельної маси, пропікання форм у печі, заливання форм розплавом, моделі ливникових 5 42737 систем пресують з модельного складу ВИАМ-12, при цьому температуру модельної маси витримують у межах 65-75°С, тиск пресування 2-4кг/см2, час утримання у прес-формі 1-3 хвилини, перед заливанням метал перегрівають до 1550-1565°С, а заливання метала у форми виконують при температурі 1480-1530°С, після заливання блок витримують в муфелі підігріву форм не менш 5хв., а потім блоки розміщують у термостаті, який нагрівають попередньо до температури 900±20°С та витримують у термостаті не менше однієї години. Блоки пропікають при температурі 1000±50°С, час пропікання 10-12 годин. Термічна обробка лопаток повинна включати загартування при Т - 1150°С та втримання у печі в термін 4 години з наступним охолодженням на повітрі та старінням. Моделі ливникових систем пресують з модельного складу ВИАМ-12, при цьому температуру модельної маси витримують у межах 65-75°С, тиск пресування витримують у межах 2-4кг/см2, витримка у прес-формі 1,5-3,0хв. Дефекти на елементах лісникової системи виправляють ремонтною масою ВИАМ-12. Перед заливанням метал перегрівають до температури 1550-1650°С а заливанням металу у форми виконують при температурі 14801530°С. Після заливання блок витримують в муфелі підігріву форм не менше 5хв., а потім блоки розміщують у термостаті, який підігрівають попередньо до температури 900±20°С, та витримують у термостаті не менш однієї години. Блоки пропікають при температурі 1000±50°С, час пропікання 6 10-12 годин. Обсипку блоків провадять наступної зернистості: 1-3 шар №20, 4-12 шар №50. Після нанесення 1 і 2 шару покриття блоки витримують на повітрі не менш 3 годин. Термічна обробка лопаток повинна включати загартування при Т 1150°С та втримання у печі в термін 4 години з наступним охолодженням на повітрі та старінням. Після термічної обробки мікроструктура характеризується наявністю зміцнюральної у-фази, кількість якої залежить від хімічного складу (ніжній, середній і верхній рівень легування). Для захисту від корозійного пошкодження рекомендується алітування в порошку фероалюмінію з добавкою NH4Cl при 980±20°С на протязі 6-7 годин. Отриманий при алітуванні шар товщиною 0,04-0,07мм має задовільну пластичність і не викришується при ударах. Спосіб пояснюється кресленнями. На Фіг.1 представлена тривала міцність сплавів при температурі 800°С, на Фіг.2 - параметрична залежність жароміцних сплавів (температурно-часовий параметр Міллера-Ларсона). Креслення Фіг.1 та Фіг.2 показують можливість використання сплаву ЗМИЗУ-М у серійному виробництві лопаток низького тиску газоперекачувальних агрегатів ГТК-101, ГТК251 замість сплаву закордонного виробництва Удимет-500. Дослідження механічних і жароміцних характеристик показало, що сплав забезпечує тривалу стабільність властивостей при робочих температурах. Деякі дослідження зведені в таблиці. Таблиця 1 Виготовлення моделі ливникових систем з модельного складу ВИАМ-12 №№ експе- Температура модельного Витримка прес-форм Витримка прес-форм Характеристика експерименту складу під тиском без тиску рименту 1,2-1,6кгс/см2 Значні дефекти на за1 40-45°С 1хв. 2хв. мку та полиці лог 2 1,6-1,8кгс/см Значні дефекти на за2 45-50°С 1хв. 3хв. мку та полиці лог 2 1,8-2,0кгс/см Дефекти 3 50-55°С 1 хв. 4хв. на замку та полиці 4 65-75°С 2,0-4,0кгс/см2 1,5-3хв. Відсутність дефектів Відсутність дефектів досягнуто у експерименті 4, який проведено при температурі модельного складу 65-75°С, витримці пресформ під тиском 2,0-4,0кгс/см2, витримці пресформ без тиску протягом 1,5-3 хвилин. В таблиці 2 показано залежність якості форм від умов проведення експерименту. Таблиця 2 Пропікання форм №№ експе- Попередній нагрів тер- Температура пропірименту мостату кання 1 800°С 900-920°С 2 820-840°С 920-950°С 3 840-850°С 950-970°С 4 860-870°С 950-970°С 5 880-920°С 1000-1060°С 6 950-100°С 1100-1150°С Плин пропікання, години 5 7 8 10 12 13 Характеристика експерименту якість форми низька якість форми низька якість форми низька якість форми добра якість форми добра якість форми низька 7 42737 Як видно з таблиці 2, добру якість форми досягнуте в експериментах 4 та 5. При цьому температуру попереднього нагріву термостату встановлено від 860 до 920°С, температуру пропікання - від 950 до 1060°С, тривалість пропікання -10-12 годин. 8 В таблиці 3 проаналізовано якість відливки сплаву від умов заливання сплаву в форму - температури перегріву сплаву та температури заливання сплаву у форму. Таблиця 3 Заливання сплаву в форму №№ експерименту Температура перегріву Температура заливансплаву ня сплаву в форми 1 1400°С 1380°С 2 1430°С 1400°С 3 1500°С 1400°С 4 1520°С 1420°С 5 1550°С 1480°С 6 1565°С 1530°С 7 1600°С 1550°С Таким чином, найкращі відливки сплаву отримано у експериментах 5 та 6. Характеристика експерименту наявність окисної плівки та бруду на поверхні металу наявність окисної плівки та бруду на поверхні металу наявність окисної плівки та бруду на поверхні металу наявність окисної плівки та бруду на поверхні металу відсутність окисної плівки та бруду на поверхні металу, якість відливки гарна відсутність окисної плівки та бруду на поверхні металу, якість відливки гарна перегрів металу, якість відливки низька В таблиці 4 показано залежність тривкості, текучості, подовження та звуження сплаву ЗМИ-ЗУМ від температури під час експериментів. Таблиця 4 Короткочасна міцність сплаву ЗМИ-ЗУ-М Температура дослідження Т, °С 20 700 750 800 Границя тривкості, σВ, МПа 890 897 916 765 790 815 780 795 810 620 636 650 Найкращі показники короткочасної міцності сплаву отримані при температурі 700 та750°С. Границя текучості, σ0,2, Звуження Ψ, Подовження δ, % МПа % 705 714 4,0 4,5 5,0 4,6 750 9,0 6,0 620 675 5,0 5,4 8,0 9,5 690 5,9 10,0 630 642 5,6 7,3 8,2 9,3 650 9,0 11,0 540 570 5,0 7,6 8,0 9,2 595 8,5 14,0 В таблиці 5 наведено показники жароміцності сплаву ЗМИ-ЗУ-М при різних температурах дослідження. 9 42737 10 Таблиця 5 Жароміцність сплаву ЗМИ-ЗУ-М при різних температурах Температура дослідження Т, °С напруга, σ, МПа 220 180 200 140 450 420 400 380 370 340 330 320 300 180 180 180 200 140 150 150 130 130 100 80 70 70 700 800 900 950 Тривала міцність час до руйнування, подовження, δ, % τ, г 100 7,0 160 7,4 100 8,2 500 8,7 320 7,1 430 6,9 100 6,8 100 7,4 240 9,0 500 7,0 520 7,7 560 8,3 570 8,8 90 7,2 102 7,5 ПО 8,9 100 9,0 490 10,5 500 12,5 520 14,0 100 10,2 90 12,5 100 8,4 230 11,0 400 14,6 450 16,0 Найкращі показники жароміцності під час експерименту досягнуті при температурі 800°С. звуження, ψ, % 7,2 7,6 8,0 8,8 7,4 7,0 6,8 8,0 10,0 7,8 8,1 8,5 9,0 7,4 7,5 9,0 9,0 10,8 12,0 14,0 10,5 13,0 8,6 11,4 14,8 16,0 Таблиця 6 містить значення фізичних властивостей сплаву ЗМИ-ЗУ-М при різних температурах. Таблиця 6 Фізичні властивості сплаву ЗМИ-ЗУ-М Температура Т, °С Питома тепломісткість Ср, Дж/Кг·°С Питома теплопровідність λ, кап/см·сек·°С Густина γ, кг/м3 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0,023 0,026 0,030 0,038 0,041 0,044 0,048 0,052 0,055 419,0 439,9 460,9 481,9 502,8 544,7 586,6 649,5 712,3 Як можна встановити з таблиці, найкращі показники сплаву отримані при температурах 700800°С. 3 8,33-10 В таблиці 7 показано залежність коефіцієнту термічного розширення від температури сплаву. 11 42737 12 Таблиця 7 Коефіцієнт термічного розширення Температура Т, °С 20-100 Коефіцієнт термічного розширення 11,9 α·10-6, 1/°С Температура Т, °С 20-100 Коефіцієнт термічного розширення 11,9 α·10-6, 1/°С 20-200 20-300 20-400 20-500 20-600 20-700 20-800 20-900 12,3 12,7 13,0 13,3 13,6 14,1 14,8 15,7 100-200 200-300 300-400 400-500 500-600 600-700 700-800 12,7 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 13,4 14,1 14,5 Підписне 15,0 17,4 800-900 19,5 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 23,0