Размеры рабочей зоны пресс-форм рассчитываются с учетом усадки модельного состава и металла отливки при охлаждении. Рабочие поверхности прессформ покрываются тонким слоем смазки (смесь 50%-го этилового спирта и 50%-го касторового масла). Стержень вкладывается в матрицу корыта пресс-формы. Собранная пресс-форма вакуумируется, заливается модельный состав, и производится прессование модели лопатки, затем зачистка облоя, заусенцев и контроль модели.
Сборка моделей лопаток в секции производится на кондукторе, что обеспечивает высокую точность взаимного расположения моделей лопатки и литниковой системы.
К модельным составам предъявляется ряд требований, которые зависят от размера и назначения отливок, класса точности и класса шероховатости поверхности будущих заготовок. Модельные составы должны обеспечивать возможность создания высококачественных моделей при наибольшей технологичности процесса.
В отечественной практике литья, в качестве материала модели наиболее часто используют парафин, церезин, буроугольный воск, торфяной воск, канифоль, карбамид, стеарин, полиэтилен и другие добавки. Вытопка модельной массы может выполняться в пароавтоклавах.
Керамическая оболочка формируется путем последовательного нанесения на модели 7−12 слоев огнеупорной суспензии, которые получают керамической обмазкой и обсыпкой электрокорундом. Закрепляющий слой наносят без обсыпки. Толщина каждого слоя составляет 1 — 1,5 мм. После нанесения каждого слоя производится сушка в вытяжном шкафу в течение 2 ч, а затем в аммиачно-газовой среде в течение 40−50 мин.
Прокаливание оболочек производится после вытапливания из них модельной массы. Процесс проводится в камерных печах путем нагрева оболочек от 700 °C до 1085±15°С, и обжига при этой температуре в течение 6−8 ч, после чего проводится охлаждение в печи до температуры 800 °C.
Различными технологическими приемами литья получают заготовки с поликристаллической равноосной структурой, с направленной кристаллизацией и монокристаллические, имеющие столбчатую дендритную структуру. Поликристаллические лопатки получают добавлением в расплав дисперсных включений, которые создают множественные зародыши кристаллизации. Монокристалл выращивают из специальной затравки, от которой ведут фронт кристаллизации.
Высококачественные заготовки из жаропрочных сплавов получают, выплавляя их в вакуумных индукционных печах. После остывания металла в формах и разрезки секций проводится удаление керамических стержней из заготовки. Керамический стержень удаляют механическим способом при помощи клепального пневмомолотка или химическим способом в расплаве соли бифторида калия.
Монокристаллические лопатки ТВД имеют кристаллографическую ориентацию 001 относительно их вертикальной оси. Применение технологии монокристаллического литья с легированием, содержащих элементы, упрочняющие границы зерен, не позволяет формировать монокристалл во всем обьеме заготовки.
Полученных отливок подвергаются рентгеновскому и люминисцентному контролю для выявления дефектов литья: пор, микротрещин, рыхлот; проверки целостности каналов охлаждения; наличия в полостях фрагментов керамических стержней; для оценки качества кристаллизации и контроля геометрических параметров отливки.
Отливка и контроль материала выполняется в соответствии с ТУ01.
1073.
Для производства пресс-форм на сегодняшний день применяются автоматизированные методы, которые позволяют перейти к выпуску изделий без полного комплекта чертежей, благодаря включению электронной модели в комплект документации.
Наиболее ответственной операцией является ручная окончательная обработка профиля рабочей части лопаток, она проводится на специальных шлифовальных станках абразивными кругами без охлаждения. При этом лопатки подвергаются периодическому местному нагреву и охлаждению, что ведет к росту внутренних напряжений. Контроль профиля проводится визуальным сравнением заготовки с шаблонами и зависит от качества работы контролера.
Проектирование модели отливки или штамповки проводят на основе модели детали в строгом соответствии с исходным чертежом и технологическими требованиями. Наличие электронной трехмерной модели отливки позволяет конструктору определить оптимальное направление разъема пресс-формы и сформировать поверхности разъема, а также установить возможность появления «затененных» зон в пресс-форме, чтобы помочь конструктору спроектировать ее без отрицательных углов по отношению к разъему. Создание электронной модели отливки занимает по трудоемкости в среднем 100 ч — для рабочих лопаток турбины, 250 ч — для наиболее сложных лопаток с вихревой матрицей в полости охлаждения. При получении электронной модели лопатки от разработчика трудоемкость самого моделирования сокращается в 4−5 раз.
При обработке основных поверхностей замковой части лопатки и формировании окончательного профиля замка, важнейшей задачей является обеспечение точности расположения замка лопатки относительно пера. Параметры точности расположения пера лопатки относительно технологических баз, полученные в процессе отливки исходной заготовки, необходимо сохранить и обеспечить совпадение оси замка с осью технологических баз исходной заготовки. Эта задача выполнима только шлифованием замковой части лопатки.
В целях обеспечения надежности и долговечности ГТУ, работы в условиях агрессивных сред, высоких температур, в прибрежных районах (где возможно попадание солей натрия и кальция в проточную часть двигателя, что особенно актуально для морской авиации), предъявляются жесткие требования к материалам и технологиям получения защитных покрытий рабочей части пера лопатки.
В технологии создания термостойких защитных покрытий высоконагруженных деталей используются различные методы: электронно-лучевое испарение и конденсация в вакууме; вакуумно-плазменная технология высоких энергий; плазменное и вакуумно-плазменное напыление в динамическом вакууме; денатационное напыление; диффузионное насыщение[13].
Нагрев и испарение материала поверхности осуществляется в специальных установках. Из медных тиглей с охлаждаемыми стенками и дном, которые перемещаются вертикально, происходит испарение. Для этого используются литые трубные катоды. Напыление осуществляется плазменными струями. Сжатие дуги в сопле плазмотрона обеспечивает повышение температуры до 10 000 … 15 000 К. при этом скорость движения струи достигает скорости звука. Такой метод позволяет напылять любые материалы.
Процесс создания термостойкого многослойного покрытия, имеет сложную зависимость на микроуровне формируемого слоя. Ионно-плазменное напыление, ионная имплантация, лучевая обработка требуют глубокого изучения процессов на макро-, мезои микроуровне с учетом состояния кристаллических решеток материалов заготовок и нанесенных слоев. Качество и толщина слоя при этом сильно зависит от расположения источника. Таким образом, проведение оптимизации параметров технологического цикла, создает возможность увеличения надежности и качества изделий ГТД.
Выводы.
В настоящей работе изложены основные аспекты, изготовления лопаток турбореактивного двигателя.
Сформулированы основные термины, кратко описано устройство турбореактивной установки, физический принцип ее работы, пути ее технического совершенствования. Изложены требования к материалу лопаток как компрессорной, так и турбинной части.
Описана краткая история создания турбореактивных двигателей, проблемы, стоявшие перед конструкторами на протяжении их создания и совершенствования, основные этапы развития от момента появления и до современности. Кроме того, сформулированы некоторые возникавшие на этих этапах научные и инженерные проблемы и пути, которыми они решались.
Перечислены основные технологические этапы изготовления турбинных лопаток современной газотурбинной установки и их краткое описание.
Г. С. Скубачевский Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей, Москва.: Машиностроение, 1969.
Газотурбинные установки [Электронный ресурс].
http://doidpo.rusoil.net/storage/EUMC_GT/teor/teor3.htm?30.
Ф.И. Демин, Н. Д. Проничев Технология изготовления основных деталей газотурбинных двигателей, Самара.: СГАУ, 2012.
Евтифьев М. Огненные крылья (история создания реактивной авиации СССР) Москва.: Вече, 2005.
Журнал «Авиация и космонавтика» 1996 № 12.
У. Бетерридж Жаропрочные сплавы типа нимоник. Москва.: 1961, 306.
Е.Б. Качанов Технология легких сплавов, № 1−4, 2005, стр. 10−18.
Суперсплавы II кн.
1., 2, М., Металлургия, 1995.
И.В. Завалишин, А. Г. Финогеев Особенности технологической подготовки производства деталей турбины газотурбинного двигателя, Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск № 56.
В.В. Крымов, Ю. С. Елисеев, К. И. Зудин Производство лопаток газотурбинных двигателей / Под ред. В. В. Крымова. М.: Машиностроение — Полет, 2002. 376 с.
Ю.С. Елисеев, В. В. Крымов, К. А. Малиновский, В. Г. Попов, Н. Л. Ярославцев Испытания, обеспечение надежности и ремонт авиационных двигателей и энергетических установок: Учеб. пособие / - М.: Изд-во МАИ, 2005.-540 с.
Аддитивные технологии в газотурбостроении [Электронный ресурс].
http://www.ciam.ru/press-center/interview/additive-technologies-in-gas-turbine-construction/.
С.А. Мубояджян, А. Г. Галоян, В. П. Лесников Покрытие для защиты внутренней полости лопаток турбины из монокристаллических безуглеродистых жаропрочных сплавов, ВИАМ/2007;204 812.
