CC BY
67
ВИАМ/2014-Тр-12-02
УДК 621.74:669.018.44
DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-12-2-2
УСТАНОВКИ ТИПА УВНК ДЛЯ ЛИТЬЯ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ (обзор)
А.В. Беликов Т.С. Синичкина Е.М. Висик
кандидат технических наук
Декабрь 2014
Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ) - крупнейшее российское государственное материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет разрабатывающее и производящее материалы, определяющие облик современной авиационно-космической техники. 1700 сотрудников ВИАМ трудятся в более чем тридцати научно-исследовательских лабораториях, отделах, производственных цехах и испытательном центре, а также в четырех филиалах института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку металлических и неметаллических материалов, покрытий, технологических процессов и оборудования, методов защиты от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов, полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по государственным программам РФ, так и по заказам ведущих предприятий авиационно-космического комплекса России и мира.
В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.
За разработку и создание материалов для авиационно-космической и других видов специальной техники 233 сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены наградами на выставках и международных салонах в Женеве и Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3 бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.
Возглавляет институт лауреат государственных премий СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.
УДК 621.74:669.018.44
DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-12-2-2
А.В. Беликов1, Т.С. Синичкина1, Е.М. Висик1
УСТАНОВКИ ТИПА УВНК ДЛЯ ЛИТЬЯ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ (обзор)
Рассмотрены установки типа УВНК (экспериментальных и промышленных, различных габаритов) для литья жаропрочных сплавов в ВИАМ, а также в условиях промышленного производства. Установки, перечисленные в статье, удовлетворяют всем требованиям литейных предприятий (крупно- и мелкосерийного производства), позволяя получать более качественные по структуре и свойствам отливки.
Ключевые слова: монокристаллическое литье, вакуумные установки, шлюзовая камера, кристаллизатор, жаропрочные сплавы, крупногабаритное литье.
A.V. Belikov, T.S. Sinichkina, E.M. Visik
UVNK-TYPE VACUUM UNITS FOR CASTING OF SUPERALLOYS (review)
Experimental and industrial UVNK-type units of various sizes purposed for casting of heat-resistant alloys not only at VIAM, but also in industrial production are described in the paper. The units listed in the article cover all requirements of large-scale and short-run production providing an opportunity to manufacture cast products of higher quality.
Keywords: single crystal casting, vacuum units, sluice chamber, mold, heat-resistant alloys, large-sized cast products.
"'Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «All-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: [email protected]
Введение
В ВИАМ ведется разноплановая исследовательская деятельность по апробации и разработке различных литейных процессов для нужд серийного производства. Эта дея-
тельность приводит к необходимости иметь литейные вакуумные установки различного типа, некоторые из них являются экспериментальными и не имеют мировых аналогов
[1-4].
Материалы и методы
Процесс и порядок технологических действий при литье жаропрочных сплавов заключается в следующем: загрузка керамических форм и шихтовой заготовки в печь, откачка воздуха до глубокого ваккума, нагрев формы до необходимой температуры, расплавление металла в тигле, заливка его в форму, погружение в жидкий металлический охладитель и охлаждение печи подогрева форм (ППФ) [5-8].
Ниже приведены характеристики установок типа УВНК.
Экспериментальная установка ВИАМ-1790
Мощность установленная, кВт..........................................400
Мощность потребляемая (максимальная), кВт.............................330
Рабочая среда в плавильной камере: вакуум, Па (мм рт. ст.)......... 0,665 (5-10-3)
Объем тигля, кг........................................................6
Температура (максимальная), °С:
металла в тигле...................................................1700
электропечи подогрева форм........................................1700
Скорость вертикального перемещения форм
при кристаллизации, мм/мин..........................................1-10.
Рисунок 1. Общий вид установки ВИАМ-1790
Общий вид установки представлен на рис. 1. Установка позволяет получать экспериментальные отливки из разрабатываемых жаропрочных сплавов. Хорошо подходит для исследовательской деятельности ввиду ее небольших габаритов и экономичности.
Установка нового поколения УВНК-15 со шлюзовой камерой (для получения крупногабаритных отливок)
Мощность установленная, кВт..........................................430
Мощность потребляемая (максимальная), кВт.............................360
Рабочая среда в плавильной камере: вакуум, Па (мм рт. ст.)......... 0,665 (5-10-3)
Объем тигля, кг.................................................15 или 25
Температура (максимальная), °С:
металла в тигле...................................................1700
электропечи подогрева форм........................................1700
Максимальные размеры рабочего пространства печи подогрева форм
(ширина, длина, высота), мм....................................160х300х650
Скорость вертикального перемещения форм, мм/мин:
при кристаллизации...............................................1-10
при обратном ходе...............................................2-170
Скорость горизонтального перемещения форм, мм/мин................. 1500±10
Максимальная температура кристаллизатора, °С...........................800
Объем кристаллизатора по алюминию, кг.............................. 200±20.
Рисунок 2. Общий вид установки УВНК-15 Общий вид установки представлен на рис. 2. Эта вакуумная установка позволяет получать крупногабаритные отливки из жаропрочных сплавов в промышленных масштабах благодаря наличию шлюзовой камеры.
Уникальная установка УВНК-10
Рабочая среда в плавильной камере: вакуум, Па (мм рт. ст.)......... 0,665 (5 • 10-3)
Объем тигля, кг.................................................60 или 80
Температура (максимальная), °С:
металла в тигле...................................................1700
электропечи подогрева форм ........................................ 1650
Габарит установки (ширина, длина, высота), мм................ 8000*8000*6000
Скорость вертикального перемещения форм, мм/мин:
при кристаллизации...............................................2-10
при обратном ходе.................................................120
Максимальная температура кристаллизатора, °С ...........................800.
Рисунок 3. Общий вид установки УВНК-10 Общий вид установки представлен на рис. 3. Установка разработана по заданию ВИАМ, работает в периодическом режиме, так как не имеет шлюзовой камеры. В частности, на ней успешно получена партия отливок деталей ГТД и ГТУ высотой 600 мм (максимальная высота получаемых отливок 800 мм). Отличительной особенностью установки является трехзонный нагреватель и раздвигающийся по программе, в зависимости от геометрии отливки, тепловой экран [9-11].
Экспериментальная установка УВНК-14
Мощность установленная, кВт .......................................... 400
Мощность потребляемая (максимальная), кВт ............................. 320
Рабочая среда в плавильной камере: вакуум, Па (мм рт. ст.).......... 0,665 (5-10-3)
Объем тигля, кг....................................................17-25
Температура (максимальная), °С:
металла в тигле...................................................1700
электропечи подогрева форм........................................1650
Скорость вертикального перемещения форм, мм/мин:
при кристаллизации...............................................5-10
при обратном ходе..................................................50
Максимальная температура кристаллизатора, °С...........................800
Объем кристаллизатора по алюминию, кг.............................. 300±20.
Рисунок 4. Общий вид установки УВНК-14 Общий вид установки представлен на рис. 4. Установка является экспериментальной и предназначена для получения крупногабаритных отливок (например, на ней успешно отлиты крупногабаритные заготовки дисков турбины ГТД).
Литейная установка УВНК-9А
Мощность установленная, кВт .......................................... 400
Рабочая среда в плавильной камере: вакуум, Па (мм рт. ст.).......... 0,665 (5 • 10-3)
Температура (максимальная), °С:
металла в тигле...................................................1700
электропечи подогрева форм ........................................ 1650
Скорость вертикального перемещения форм, мм/мин:
при кристаллизации...............................................2-10
при обратном ходе ..................................................50
Скорость горизонтального перемещения форм, мм/мин................. 1500±10
Максимальная температура кристаллизатора, °С ...........................800.
Рисунок 5. Общий вид литейной установки УВНК-9А
Общий вид установки представлен на рис. 5. Благодаря наличию шлюзовой камеры на установке УВНК-9А можно проводить несколько плавок в смену. Установка нашла широкое применение на таких предприятиях, как ФГУП «ВИАМ», «ММП им. В.В. Чернышева», ФГУП «НПЦ газотурбостроения „Салют"», ОАО «Климов», а также на заводах Индии [12-17].
Результаты
На данных установках возможно изготавливать отливки для аттестации жаропрочных сплавов, а также применять их для литья отливок в промышленных масштабах.
а) б)
20, град 29, град
Рисунок 6. Дифрактограммы образцов из жаропрочных сплавов ЖС32 (а) и ЖС36 (б), полученных на установках типа УВНК
Возможна также отработка технологии литья монокристаллов с заданной кристаллографической ориентацией (КГО). На рис. 6 представлены графики кривых КГО образцов из сплавов ЖС32, ЖС36, полученные с помощью дифрактометра общего назначения ДРОН-3, и проведена их оценка. Представленные дифрактограммы свидетель-
ствуют как о малом отклонении кристаллографической ориентации образцов от заданного направления [001], так и о высокой степени структурного совершенства полученных отливок [18, 19].
Обсуждение и заключения
С развитием монокристаллического литья предприятиям необходимо оборудование, отвечающее техническим запросам и мировым стандартам. ВИАМ является единственным научно-исследовательским центром, предоставляющим широкий выбор установок типа УВНК. Только такой научно-исследовательский институт, как ВИАМ, обладая передовыми технологиями, может удовлетворить всем требованиям заказчика и гарантировать качество, выход годных по структуре отливок, а также надежность оборудования, так как имеет огромный опыт по производству оборудования, отвечающего мировым стандартам. Изделия, получаемые на установках типа УВНК, соответствуют высоким стандартам качества.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7-17.
2. Каблов Е.Н., Петрушин Н.В., Светлов И.Л., Демонис И.М. Никелевые литейные жаропрочные сплавы нового поколения //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 36-52.
3. Каблов Е.Н., Светлов И.Л., Петрушин Н.В. Никелевые жаропрочные сплавы для литья лопаток с направленной и монокристаллической структурой (Часть I) //Материаловедение. 1997. №4. С. 32-39.
4. Каблов Е.Н., Светлов И.Л., Петрушин Н.В. Никелевые жаропрочные сплавы для литья лопаток с направленной и монокристаллической структурой (Часть II) //Материаловедение. 1997. №5. С. 14-16.
5. Беликов А.В., Висик Е.М., Герасимов В.В. Модернизация оборудования для направленной кристаллизации - эффективный путь совершенствования технологии монокристаллического литья //Литейное производство. 2014. №4. С. 34-36.
6. Герасимов В.В., Колядов Е.В., Висик Е.М. О направленной кристаллизации крупногабаритных отливок на установке УВНК-15 //Литейное производство. 2013. №3. С. 21-24.
7. Беликов А.В., Герасимов В.В., Висик Е.М. Технология получения образцов для аттестации жаропрочных сплавов, выплавленных с применением отходов литейного производства заводов отрасли //Труды ВИАМ. 2013. №6. Ст. 02 (viam-works.ru).
8. Герасимов В.В., Колядов Е.В. Технические характеристики и технологические возможности установок УВНК-9А и ВИП-НК для получения монокристаллических отливок из жаропрочных сплавов //Литейщик России. 2012. №11. С. 33-37.
9. 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. Ст. 01 (viam-works.ru).
10. 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.
11. Горюнов А.В., Ригин В.Е. Современная технология получения литейных жаропрочных никелевых сплавов //Авиационные материалы и технологии. 2014. №2. С. 3-7.
12. Колядов Е.В., Герасимов В.В., Висик Е.М. Получение крупногабаритных заготовок дисков турбины ГТД направленной кристаллизацией //Литейное производство. 2013. №10. С. 28-32.
13. Базылева О.А., Аргинбаева Э.Г., Туренко Е.Ю. Жаропрочные литейные интерме-таллидные сплавы //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 57-60.
14. Толорайя В.Н., Остроухова Г.А., Демонис И.М. Формирование монокристаллической структуры литых крупногабаритных турбинных лопаток ГТД и ГТУ на установках высокоградиентной направленной кристаллизации //МиТОМ. 2011. №1. С. 25-33.
15. Герасимов В.В., Висик Е.М. Технологические аспекты литья деталей горячего тракта ГТД из интерметаллидных никелевых сплавов типа ВКНА с монокристаллической структурой //Литейщик России. 2012. №2. С. 19-23.
16. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Сидоров В.В. и др. Особенности технологии выплавки и разливки современных литейных высокожаропрочных никелевых сплавов //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2011. №SP2. С. 68-79.
17. Колядов Е.В., Герасимов В.В., Висик Е.М. О получении образцов для экспресс-анализа химсостава жаропрочных сплавов //Металлургия. 2012. №3. С. 27-28.
18. Каблов Е.Н., Бондаренко Ю.А., Каблов Д.Е. Особенности структуры и жаропрочных свойств монокристаллов <001> высокорениевого никелевого жаропрочного сплава, полученного в условиях высокоградиентной направленной кристаллизации //Авиационные материалы и технологии. 2011. №4. С. 25-31.
19. Каблов Е.Н., Петрушин Н.В., Бронфин М.Б., Алексеев А.А. Особенности монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов, легированных рением //Металлы. 2006. №5. С. 47-57.
REFERENCES LIST
1. Kablov E.N. Strategicheskie napravlenija razvitija materialov i tehnologij ih perera-botki na period do 2030 goda [Strategic directions of development of materials and technologies to process them for the period up to 2030] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 7-17.
2. Kablov E.N., Petrushin N.V., Svetlov I.L., Demonis I.M. Nikelevye litejnye zharo-prochnye splavy novogo pokolenija [Casting nickel superalloys new generation] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 36-52.
3. Kablov E.N., Svetlov I.L., Petrushin N.V. Nikelevye zharoprochnye splavy dlja lit'ja lo-patok s napravlennoj i monokristallicheskoj strukturoj (Chast' I) [Nickel superalloys for casting blades with directional and single-crystal structure] //Materialovedenie. 1997. №4. S. 32-39.
4. Kablov E.N., Svetlov I.L., Petrushin N.V. Nikelevye zharoprochnye splavy dlja lit'ja lo-patok s napravlennoj i monokristallicheskoj strukturoj (Chast' II) [Nickel superalloys for casting blades with directional and single-crystal structure] //Materialovedenie. 1997. №5. S. 14-16.
5. Belikov A.V., Visik E.M., Gerasimov V.V. Modernizacija oborudovanija dlja napravlennoj kristallizacii - jeffektivnyj put' sovershenstvovanija tehnologii monokristalliche-skogo lit'ja [Modernization of equipment for directional solidification - an effective way of improving the technology of single crystal casting] //Litejnoe proizvodstvo. 2014. №4. S. 34-36.
6. Gerasimov V.V., Koljadov E.V., Visik E.M. O napravlennoj kristallizacii krupnogabar-itnyh otlivok na ustanovke UVNK-15 [About the directional solidification of large castings for installation UVNK-15] //Litejnoe proizvodstvo. 2013. №3. S. 21-24.
7. Belikov A.V., Gerasimov V.V., Visik E.M. Tehnologija poluchenija obrazcov dlja attes-tacii zharoprochnyh splavov, vyplavlennyh s primeneniem othodov litejnogo proizvod-
stva zavodov otrasli [The technology of obtaining samples for certification superalloys melted using foundry waste branch factories] //Trudy VIAM. 2013. №6. St. 02 (viam-works.ru).
8. Gerasimov V.V., Koljadov E.V. Tehnicheskie harakteristiki i tehnologicheskie vozmozhnosti ustanovok UVNK-9A i VIP-NK dlja poluchenija monokristallicheskih otlivok iz zharoprochnyh splavov [Specifications and technological capabilities installations UVNK-9A and VIP-NK to produce single crystal castings of superalloys] //Litejshhik Rossii. 2012. №11. S. 33-37.
9. Kablov E.N., Gerasimov V.V., Visik E.M., Demonis I.M. Rol' napravlennoj kristal-lizacii v resursosberegajushhej tehnologii proizvodstva detalej GTD [The role of directional solidification in the resource-saving technology of production of gas-turbine] //Trudy VIAM. 2013. №3. St. 01 (viam-works.ru).
10. Gerasimov V.V., Visik E.M., Koljadov E.V. Ob osvoenii tehnologii poluchenija krupnogabaritnyh lityh lopatok s monokristallicheskoj strukturoj [About the development of technology for production of large cast blades with single-crystal structure] //Litejnoe proizvodstvo. 2014. №3. S. 29-32.
11. Gorjunov A.V., Rigin V.E. Sovremennaja tehnologija poluchenija litejnyh zharoprochnyh nikelevyh splavov [Modern technology of production of heat-resistant nickel alloys casting] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2014. №2. S. 3-7.
12. Koljadov E.V., Gerasimov V.V., Visik E.M. Poluchenie krupnogabaritnyh zagotovok diskov turbiny GTD napravlennoj kristallizaciej [Getting large workpieces drives turbines GTE directional solidification] //Litejnoe proizvodstvo. 2013. №10. S. 28-32.
13. Bazyleva O.A., Arginbaeva Je.G., Turenko E.Ju. Zharoprochnye litejnye intermetallid-nye splavy [Heat-resistant casting intermetallic alloys] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 57-60.
14. Tolorajja V.N., Ostrouhova G.A., Demonis I.M. Formirovanie monokristallicheskoj struktury lityh krupnogabaritnyh turbinnyh lopatok GTD i GTU na ustanovkah vysokogradientnoj napravlennoj kristallizacii [Formation of a single-crystal structure of large cast turbine blades and turbine engine gas turbine installations on high-gradient directional solidification] //MiTOM. 2011. №1. S. 25-33.
15. Gerasimov V.V., Visik E.M. Tehnologicheskie aspekty lit'ja detalej gorjachego trakta GTD iz intermetallidnyh nikelevyh splavov tipa VKNA s monokristallicheskoj strukturoj [Technological aspects of the casting of turbine engine hot section of the in-
termetallic nickel alloys such VKNA with single-crystal structure] //Litejshhik Rossii. 2012. №2. S. 19-23.
16. Kablov E.N., Ospennikova O.G., Sidorov V.V. i dr. Osobennosti tehnologii vyplavki i razlivki sovremennyh litejnyh vysokozharoprochnyh nikelevyh splavov [Features of technology of smelting and casting foundry modern nickel-base superalloys] //Vestnik MGTU im. N.Je. Baumana. Ser. «Mashinostroenie». 2011. №SP2. S. 68-79.
17. Koljadov E.V., Gerasimov V.V., Visik E.M. O poluchenii obrazcov dlja jekspress-analiza himsostava zharoprochnyh splavov [On receipt of the samples for the rapid analysis of chemical composition of high-temperature alloys] //Metallurgija. 2012. №3. S. 27-28.
18. Kablov E.N., Bondarenko Ju.A., Kablov D.E. Osobennosti struktury i zharoprochnyh svojstv monokristallov <001> vysokorenievogo nikelevogo zharoprochnogo splava, poluchennogo v uslovijah vysokogradientnoj napravlennoj kristallizacii [Structure and properties of single crystals of high-temperature <001> high-rhenium nickel superalloy obtained under high-gradient directional solidification] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2011. №4. S. 25-31.
19. Kablov E.N., Petrushin N.V., Bronfin M.B., Alekseev A.A. Osobennosti monokristal-licheskih zharoprochnyh nikelevyh splavov, legirovannyh reniem [Features single-crystal high-temperature nickel alloys doped with rhenium] //Metally. 2006. №5. S. 4757.
