Современные способы изготовления лопаток газовых турбин

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°С до 1085±15°С, и обжига при этой температуре в течение 6-8 ч, после чего проводится охлаждение в печи до температуры 800°С.
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-, мезо- и 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.















Список литературы

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?3_0
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/2007-204812








4