ФГУП «ВИАМ», Москва, Россия:

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

В первой части данной работы был проведен анализ условий качественного структурообразования при литье лопаток турбин методами направленной кристаллизации, показаны особенности существующих технологий. В этой работе рассмотрены перспективные направления развития процессов направленной кристаллизации лопаток турбин. Так, в ФГУП «ВИАМ» предложен «альтернативный кристаллизатор», который представляет собой водоохлаждаемую емкость с раздвигающимися над ней тепловыми экранами. В установку вводится инертный газ под давлением 4–20 кПа, и начинается процесс направленной кристаллизации путем перемещения формы с расплавом из зоны нагрева в зону охлаждения через раздвигающийся по программе тепловой экран. Как показывает теплофизический анализ, по интенсивности охлаждения этот процесс незначительно превосходит метод Бриджмена – Стокбаргера, однако плотно облегающий форму теплозащитный экран позволяет повысить продольную векторную составляющую температурного градиента и скорость кристаллизации, что улучшает качество отливок. Данным методом получен комплект проставок реактивного сопла с высоким выходом годного по макроструктуре. Дальнейшее развитие процесса направленной кристаллизации возможно путем интенсивного конвективного охлаждения форм инертным газом в вакууме. Так, процесс направленной кристаллизации с газовым охлаждением отливок впервые запатентован в 1996 г. известной фирмой Howmet (ныне Alcoa Howmet) для литья крупногабаритных лопаток с монокристаллической и направленной структурами авиационных и энергетических турбин. Автором данной статьи совместно со специалистами ОАО «НПО «Сатурн» разработан процесс направленной кристаллизации с охлаждением форм аргоном для литья крупногабаритных лопаток газовых турбин. Для этой цели была модернизирована имеющаяся установка для направленной кристаллизации по методу Бриджмена – Стокбаргера, в которой предусмотрено более интенсивное охлаждение форм — конвекцией от обдува формы струями аргона. Новый процесс позволяет повысить число лопаток в блоке и скорость протяжки, что обеспечивает увеличение производительности в 1,8–2,0 раза и подавление структурных дефектов по сравнению с методом Бриджмена – Стокбаргера.

1. Каблов Е. Н. Производство турбинных лопаток ГТД методом направленной кристаллизации // Газотурбинные технологии. 2000. № 3. С. 10–13.
2. 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.
3. Толорайя В. Н., Орехов Н. Г., Каблов Е. Н. Усовершенствованный метод монокристаллического литья турбинных лопаток ГТД и ГТУ // Металловедение и термическая обработка металлов. № 7. 2002. С. 11–15.
4. Miller J., Pollock T. Development and application of an optimization protocol for directional solidification: integrating fundamental theory, experimentation and modeling tools // Supperalloys 2012. TMS (The Minerals, metals and materials Society). 2012. P. 653–662.
5. Reed R., Mover Jare, Sato A., Karlsson F., Hasselqvist M. A new single crystal superalloy for power generation applications // Supperalloys 2012. Proc. of the 12^th International Symposium of Superalloys. — Hoboken : Wiley, 2012. P. 197–204.
6. Каблов Е. Н., Герасимов В. В., Висик Е. М., Демонис И. М. Роль направленной кристаллизации в ресурсо сберегающей технологии производства деталей ГТД // Труды ВИАМ. 2013. № 3. Ст. 01.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10. Pat. 0749790 EP. Process for casting a directionally solidified article and apparatus for carrying out this process / Kats E. L., Konter M., Roesler J., Lubenets V. P. ; fil. 20.06.95 ; publ. 26.10.1995.
11. Pat. 5921310 US. Process for producing a directionally solidified casting and apparatus for carrying out this process / Kats E. L.; Konter M.; Roesler J.; Lubenets V. P. ; fil. 26.09.1997 ; publ. 13.07.99.
12. Pat. 1375034 EP. Method and apparatus for directional solidification of a metal melt / Brinegar J. R. ; fil. 03.06.03 ; publ. 02.01.2004.
13. Pat. 1531020 EP. Method for casting a directionaly solidified article / Balliel M., Eckardt D., Konter M., Weiland A. ; fil. 06.11.03 ; 18.08.
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 11^th 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. Пат. 2536853 РФ. Способ получения отливки лопатки газовой турбины с направленной и монокристаллической структурой / Кац Э. Л., Лубенец В. П., Скоробогатых В. Н., Кузнецов К. Ю., Яковлев Е. И., Виноградов А. И., Берестевич А. И., Копин П. А., Жабрев С. Б. ; заявл. 11.06.2013 ; опубл. 20.10.2014.
17. Чалмерс Б. Теория затвердевания ; пер. с англ. — М. : Металлургия, 1968. — 288 с.
18. Оспенникова О. Г. Стратегия развития жаропрочных сплавов и сталей специального назначения, защитных и теплозащитных покрытий // Авиационные материалы и технологии. 2012. № S. С. 19–36.
19. Назаркин Р. М., Колодочкина В. Г., Оспенникова О. Г., Орлов М. Р. Необратимые изменения тонкой структуры монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов в процессе длительной эксплуатации турбинных лопаток // Труды ВИАМ. 2015. № 12. Cт. 03. DOI: 10.18577/2307-6046-2015-0-12-3-3
20. Rowe A., Wells J., West G., Thomson R. Microstructural evolution of single crystal and directionally solidified rejuvenated nickel superalloys // Supperalloys 2012. Proc. of the 12^th International Symposium of Superalloys. — Hoboken : Wiley, 2012. P. 245–254.
21. Giraud R., Cormier J., Hervier Z., Bertheau D., Harris K., Wahl J., Mühet X., Mendez J., Organista A. Effect of the prior microstructure degradation on the high temperature / Low stress non-isothermal creep behavior of CMSX-4. Ni-based single crystal superalloy // Proc. of the 12^th International Symposium of Superalloys. — Hoboken : Wiley, 2012. Р. 265–274.