ФГУП ВИАМ, Москва, Россия:

Е. И. Яковлев, ведущий инженер, эл. почта: y-e-i@yandex.ru

В первой части данной работы проведен анализ условий качественного структурообразования при литье лопаток турбин методами направленной кристаллизации. Отмечено, что основным способом получения турбинных лопаток с направленной и монокристаллической структурами в Западной Европе и США является процесс Бриджмена – Стокбаргера, при котором из-за невысокого температурного напора и малых скоростей кристаллизации в крупногабаритных отливках возникают ликвационные дефекты, которые существенно снижают эксплуатационные характеристики лопаток. При попытках увеличить скорость кристаллизации за счет повышения скорости протяжки происходит возрастание соотношения поперечной и продольной векторных составляющих градиента температур на фронте ликвидуса, что приводит к смещению фронта в зону охлаждения и возникновению недопустимых паразитных кристаллов в лопатках с направленной и монокристаллической структурами. Одним из направлений увеличения скорости охлаждения при направленной кристаллизации является повышение коэффициента теплоотдачи от наружной поверхности форм. В 1975 г. на опытной установке ВИАМ был реализован процесс жидкометаллического охлаждения в расплаве алюминия. В настоящее время в РФ накоплен достаточно большой производственный опыт использования алюминиевой ванны для литья лопаток длиной до 200 мм с направленной и монокристаллической структурами, в которой ликвационные дефекты, связанные с малой скоростью охлаждения при кристаллизации, исключены. Специалистами ВИАМ разработаны технологические процессы
получения монокристаллических лопаток авиационных турбин с выходом годного по макроструктуре свыше 80 %. Вместе с тем возникает ряд технологических особенностей при литье крупногабаритных рабочих лопаток перспективных наземных газотурбинных установок. В связи с увеличением времени пребывания формы с отливкой в охладителе и большим гидростатическим давлением охладителя, происходит растрескивание оболочки формы и попадание охладителя на отливку, что вызывает брак деталей. В последнее время идут изыскания новых способов получения крупногабаритных лопаток с монокристаллической и направленной структурами, анализ которых будет проведен во второй части данной
работы.

1. Шеин Е. А. Тенденции в области легирования и микролегирования жаропрочных монокристаллических сплавов на основе никеля (обзор) // Труды ВИАМ. 2016. № 3. Ст. 02. DOI: 10.18577/2307-6046-2016-0-3-2-2.
2. Wahl J., Harris K. New single crystal superalloys, CMSX^®-7 and CMSX^®-8 // Supperalloys 2012. Proc. of the 12th International Simposium of Superalloys. — Hoboken : Wiley, 2012. P. 179–188.
3. Reed R., Moverare J., Sato A., Karlsson F., Hasselqvist M. A new single crystal superalloy for power generation applications // Supperalloys 2012. Proc. of the 12th International Simposium of Superalloys. — Hoboken : Wiley, 2012. P. 197–204.
4. McLean M. Directionally solidified materials for high temperature service. — London : The Metals Society, 1983. — 337 p.
5. Каблов Е. Н. Производство турбинных лопаток ГТД методом направленной кристаллизации // Газотурбинные технологии. 2000. № 3. С. 10–13.
6. Каблов Е. Н., Герасимов В. В., Шалимов А. С. и др. Вакуумное литейное оборудование для высокоскоростной направленной кристаллизации // Литейное производство. 1995. № 10. С. 30–32.
7. Толорайя В. Н., Орехов Н. Г., Каблов Е. Н. Усовершенствованный метод монокристаллического литья турбинных лопаток ГТД и ГТУ // Металловедение и термическая обработка металлов. 2002. № 7. С. 11–15.
8. Versnyder F. L., Shank M. E. The development of columnar grain and single crystal high temperature materials though directional solidification // Mater. Sci. and Eng. 1970. Vol. 6, No. 4. P. 213–247.
9. Miller J., Pollock T. Development and application of an optimization protocol for directional solidification: integrating fundamental theory, experimentation and modeling tools // Supperalloys 2012. Proc. of the 12th International Simposium of Superalloys. — Hoboken : Wiley, 2012. P. 653–662.
10. Кутателадзе С. С., Боришанский В. М. Справочник по теплопередаче. — М. : ГЭИ, 1959. — 418 с.
11. Фок В. А. Освещенность от поверхностей произвольной формы // Труды Гос. оптич. ин-та. 1924. Т. III. Вып. 28. С. 1–12.
12. Михеев М. А., Михеева И. М. Краткий курс теплопередачи. — М., Л. : Госэнергоиздат, 1960. — 208 с.
13. Кац Э. Л. Технологические основы управления затвердеванием п ри литье лопаток газовых турбин : дис. … докт. техн. наук. — М. : ЦНИИТмаш, 1986. — 555 с.
14. Bouse G. K., Schaeffer J. C., Henry M. F. Optimizing SC rene N4 alloy for DS AFT-stage bucket applications for industrial gas turbine // Supperalloys 2008. Proc. of the 11th International Symposium of Superalloys. 2008. P. 99–108.
15. Кац Э. Л., Скоробогатых В. Н., Лубенец В. П., Яковлев Е. И. Процессы направленной кристаллизации для крупногабаритных лопаток газовых турбин // Технология металлов. 2015. № 3. С. 22–28.
16. Pat. 3763926 US. Apparatus for casting of directionally solidified articles / Tschinkel J., Giamei A., Kearn B. ; fil. 15.09.1974 ; publ. 09.10.1973.
17. Боришанский В. М., Кутателадзе С. С., Новиков И. И., Федынский О. С. Жидкометаллические теплоносители : 3-е изд. — М. : Атомиздат, 1976. — 328 с.
18. Elliott A. J., Karney G. B., Gigliotti M. F. X., Polloc T. M. Issues in processing by the liquid-Sn assisted DS technnique // Superalloys 2004. Proc. of the 10th International Symposium of Superalloys. 2004. Р. 421–430.
19. Elliott A. J., Pollock T. M., Tin S., King W. T., Huang S.-C., Gigliotti M. F. X. Directional solidification of large superalloy castings with radiation and luquid-metal cooling: a comparative assessment // Metallurgical and Materials Transactions: A. 2004. Vol. 35 (10). P. 3221–3231.
20. Ечин А. Б., Бондаренко Ю. А. Особенности высокоградиентной направленной кристаллизации и современное оборудование, используемое при производстве лопаток газотурбинных двигателей // Труды ВИАМ. 2014. № 12. Ст. 03. DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-12-3-3
21. Кац Э. Л. Разработка сплавов и технологических процессов литья лопаток стационарных газовых турбин // Cб. трудов «Повышение качества и эффективности литья по выплавляемым моделям». Материалы семинара общества «Знание». — М., 1989. C. 20–22.
22. Строганов Г. Б., Логунов А. В., Кац Э. Л., Герасимов В. В. и др. Высокоскоростная направленная кристаллизация жаропрочных сплавов // Литейное производство. 1983. № 12. С. 20–22.
23. Кац Э. Л., Герасимов В. В. Высокоскоростная направленная кристаллизация жаропрочных сплавов // Новые технологические процессы и надежность ГТД / ЦИАМ. 1979. № 2 (18). С. 73–78.
24. Пат. 839153 СССР. Способ изготовления отливок из жаропрочных сплавов с монокристаллической структурой / Петров Д. А., Толорайя В. Н., Рогов А. В., Торопов В. М., Никишин В. А., Яковлева А. В. ; заявл. 16.01.1980 ; опубл. 27.07.2000.
25. Каблов Е. Н., Герасимов В. В., Висик Е. М., Демонис И. М. Роль направленной кристаллизации в ресурсосберегающей технологии производства деталей ГТД // Труды ВИАМ. 2013. № 3. Cт. 01.
26. Каблов Е. Н., Толорайя В. Н. ВИАМ — основоположник отечественной технологии литья монокристаллических турбинных лопаток ГТД и ГТУ // Авиационные материалы и технологии. 2012. № S. С. 105–117.
27. Герасимов В. В., Висик Е. М., Колядов Е. В. Об освоении технологии получения крупногабаритных литых лопаток с монокристаллической структурой // Литейное производство. 2014. № 3. С. 29–32.