Введение

Рабочие лопатки, изготавливаемые из жаропрочных сплавов на основе никеля, – это наиболее ответственные элементы газотурбинных двигателей и газотурбинных установок. Они принимают на себя поток раскаленных газов, испытывая при этом в течение длительного времени воздействие агрессивной коррозионной среды, возникающей как следствие образования продуктов сгорания топлива. Работа лопаток также связана со статическими и динамическими напряжениями растяжения, знакопеременными, термическими и иными нагрузками [1–3].

Температура газа на входе в турбину намного превышает температуру плавления сплава, из которого изготавливают лопатки. Работоспособность лопаток, определяющая мощность самого двигателя, достигается большей частью за счет системы их транспирационного (или проникающего) охлаждения и комплекса теплозащитных покрытий, что позволяет эффективно повышать температуру газа перед турбиной до высоких значений [1, 2, 4, 5]. Кроме того, приблизительно 1/3 прироста температуры обеспечивают такие факторы, как улучшение служебных характеристик жаропрочных сплавов, достигаемое за счет их легирования, а также оптимизация процессов металлургии (выплавки сплавов) и внедрение монокристаллического литья [4].

Изначально, на рубеже 1940–1950-х гг. во Всесоюзном научно-исследовательском институте авиационных материалов под научным руководством академика С.Т. Кишкина было найдено решение проблемы повышения температурного порога применения рабочих лопаток, когда удалось организовать производство деталей газотурбинных двигателей из жаропрочных литейных сплавов [1, 2, 6]. Тогда появились новые марки сплавов (ЖС3, ЖС6, ЖС6К) и разработано специальное литейное оборудование. Технология литья по выплавляемым моделям, которая также называется прецизионным (от французского précision – точность) или точным литьем, применяющаяся и в настоящее время, позволила обеспечить следующие преимущества: получение идеального качества поверхности и высокой точности размеров отливок, причем любой геометрически сложной формы. Если ранее технологию точного литья использовали в основном при производстве художественных изделий, то для деталей газотурбинных двигателей различных конструкций точное литье оказалось единственно возможным способом получения.

Отметим, что в турбинах современных газотурбинных двигателей практически полностью отсутствуют рабочие неохлаждаемые лопатки, изготовленные методом горячей объемной штамповки из заготовок [7].

Требования к процессу удаления модельных композиций

Один из самых важных этапов прецизионного литья – это удаление модельных композиций из керамических оболочковых форм. От качества проведения данной технологической операции зависит как наличие дефектов в виде шероховатостей и трещин керамической формы (а значит, и дефектов готовой литой детали), так и чистота ее поверхности. По этой причине требуется обеспечить сохранение прочностных свойств и целостности огнеупорной оболочки, а также максимально возможную полноту удаления модельного состава. Оставшуюся в форме модельную массу, как правило, выжигают во время прокаливания керамики, однако при наличии внутренних труднодоступных полостей будет существовать опасность их загрязнения остаточным углеродом, что может повлечь за собой образование литейных дефектов и привести к браку готовой детали.

Непосредственно процесс выплавления (или вытапливания) модельного состава обычно происходит в результате контакта модельного блока с внешней теплоносящей средой. Существует ряд способов удаления модельных композиций из оболочковых форм. Наиболее часто используются следующие теплоносители: горячая вода, горячий воздух, расплав модельного состава, высококипящие органические жидкости типа глицерина, перегретый водяной пар [8–13]. Данные варианты удаления различаются температурой и продолжительностью процесса, вероятностью образования трещин на огнеупорной форме, возможным количеством остаточного материала модели.

Еще один известный и перспективный способ заключается в возможности генерации тепла непосредственно в форме и представляет собой так называемый диэлектрический нагрев, а именно ‒ воздействие на форму микроволновым электромагнитным излучением сверхвысокочастотного диапазона [8, 14–18].

Коэффициент литейного теплового расширения воскообразного модельного состава значительно превышает подобный коэффициент для керамики, поэтому при нагреве возрастает воздействие расширяющейся модели на оболочковую форму. Медленное повышение температуры при этом недопустимо, поскольку оно приводит к равномерному прогреву модели и ее расширению одновременно по всему объему. Возникающие напряжения могут превысить предел прочности керамики, в результате чего на форме образуются трещины и возможно даже ее разрушение.

Поэтому важно обратить внимание на то, что применение резкого нагрева – это основной технологический прием против возникновения трещин. Величина напряжений значительно уменьшается как только происходит подплавление пограничного слоя модельного состава. Он начинает вытекать из полости формы, что сопровождается образованием зазора между оболочковой формой и поверхностью модели.

Особенности применения бойлерклава

для удаления модельных композиций

В настоящее время современным, эффективным и часто используемым на предприятиях способом удаления воскообразных модельных композиций из оболочковых форм является применение в качестве теплоносителя перегретого водяного пара под высоким давлением. Подобная технология заключается в крайне быстром нагреве с использованием специального оборудования (бойлерклава) и оплавлении тонкого внешнего слоя восковой модели, граничащего с огнеупорной формой. Расплавившись, поверхностный слой модельной композиции вытекает из полости формы, исключая механическую нагрузку на ее стенки [11]. Данный способ отличается технологичностью, безопасностью, рациональностью, высокой производительностью, качеством получаемой продукции.

Чаще всего на отечественных предприятиях используются бойлерклавы производства следующих стран: Великобритании, Италии, Китая, а ранее – производства СССР (г. Тирасполь, Тираспольский завод литейных машин им. С.М. Кирова).

На рис. 1 [10] представлена схема, а на рис. 2 – фотографии бойлерклава.

Конструкция бойлерклава представляет собой изготовленный из стали горизонтальный сварной аппарат типа «сосуд в сосуде», состоящий из двух соединенных трубопроводом рабочих пространств: бойлера, называемого также парогенератором, и автоклава. Рабочая камера автоклава размещена внутри бойлера. В камере бойлера находится вода, контактирующая с электрическими нагревательными элементами. Она поддерживает высокую температуру, создавая эффект так называемой «нагревательной рубашки». Вследствие этого генерируется пар, поступающий за счет перепада давления в автоклав. На трубопроводе, соединяющем бойлер и автоклав, обычно устанавливают шаровой кран. В конструкцию бойлерклава входят также водяной насос, арматура, предохранительные устройства и контрольно-измерительные приборы. В современных бойлерклавах внешние поверхности камер имеют многослойную теплоизоляцию.

Процесс выплавления модельного состава в бойлерклаве состоит из следующих технологических операций: включение бойлерклава; задание необходимых технологических параметров (давление и продолжительность выдержки); выработка пара по заданным параметрам; открытие двери бойлерклава; установка и загрузка готовящихся к удалению моделей керамических форм в рабочую камеру; закрытие двери камеры; напуск пара в рабочую камеру, расплавляющего модельную композицию; выдержка блоков в камере; сброс давления и выпуск пара; открытие двери при атмосферном давлении внутри камеры; разгрузка и выключение бойлерклава. Расплавленный модельный состав удаляется в специальную емкость для его сбора.

Рис. 1. Принципиальная схема бойлерклава для удаления модельных композиций: 1 – рабочая камера; 2 – керамическая форма; 3 – вода; 4 – электрический нагреватель; 5 – бойлер; 6 – разделитель воды и модельной композиции; 7 – емкость для сбора модельной композиции

Рис. 2. Бойлерклав для удаления модельных композиций: а – вид сбоку; б – вид спереди

В процессе выплавления моделей в рабочей камере автоклава температура перегретого пара может повышаться до 200 °С, а крайне быстрое оплавление модели происходит ввиду высокой теплоемкости пара. Трещины в оболочковой форме не успевают образовываться, так как модельная композиция не успевает расширяться в результате нагревания.

Продолжительность цикла удаления модельного состава занимает не более 50 мин, производительность процесса зависит от объема рабочей камеры и может составлять несколько сотен килограммов в час. К достоинствам применяемого оборудования можно отнести повышенный ресурс сосуда, рассчитанный на десятки тысяч циклов, и срок службы – не менее 20 лет.

В соответствии с нормами международных стандартов контроль безопасности работы обеспечивается функционирующими надежными системами защиты и блокировки. Так, в отсек для форм невозможно подать пар, пока дверь не будет надежно закрыта, а также нельзя открыть дверь до сброса давления пара в рабочей камере. Бойлерклав снабжен предохранительным клапаном от повышения давления внутри аппарата выше допустимого значения, в случае его превышения срабатывает звуковая сигнализация. Бойлерклав должен быть заземлен, а у пульта управления необходимо разместить диэлектрический коврик.

Помимо перечисленных достоинств, применение бойлерклава имеет и некоторые недостатки:

– насыщение паром модельных композиций ухудшает их свойства, и для повторного использования требуется проведение регенерации;

– высокие капитальные затраты, связанные со стоимостью оборудования;

– применение бойлерклава недопустимо для вытапливания солевых модельных композиций, содержащих карбамид Co(NH₂)₂, так как выделяющийся аммиак может оказать негативное влияние на детали из меди и ее сплавов в случае их наличия [10]. На некоторых предприятиях существует практика использования водорастворимых, теплоустойчивых модельных композиций (например, МОН-10К, МПВС-2), которые имеют низкую усадку, обладают высокой текучестью в расплавленном виде и дают возможность получать сложные модели свободной заливкой.

В работе важно учитывать, что эксплуатация бойлерклава подразумевает соблюдение ряда определенных норм и правил в области промышленной безопасности Федеральной службы по экологическому и атомному надзору (Ростехнадзора) при использовании оборудования, работающего под давлением.

Основные меры безопасности при эксплуатации бойлерклава

для удаления модельных композиций

К персоналу, допущенному для обслуживания бойлерклава, предъявляется ряд требований: возраст сотрудника ‒ не моложе 18 лет; прохождение первичного и повторного инструктажей по охране труда и промышленной безопасности при работе с сосудами, работающими под давлением, ‒ не реже одного раза в 3 мес.; отсутствие медицинских противопоказаний; производственное обучение безопасным приемам и методам работы и регулярная специальная аттестация. Работники должны иметь выданное в установленном порядке удостоверение на право работы с сосудом, а также должны быть обеспечены сертифицированными средствами индивидуальной защиты: хлопчатобумажными халатами, резиновыми и теплозащитными перчатками, противогазоаэрозольными респираторами и защитными очками.

Перед началом работы проверяется работа вентиляции; проводится осмотр оборудования на предмет отсутствия неплотностей, деформаций и повреждений отдельных элементов оборудования; проверяется работа манометров и предохранительных клапанов, исправность блокировочных устройств, арматуры и защитного заземления, наличие средств пожаротушения и аптечки первой помощи. Во время работы шум должен быть ровный без стуков и ударов, не свойственных нормальной работе.

Бойлерклав должен быть оснащен приточно-вытяжной вентиляцией, а помещение, в котором он установлен, – местной вытяжной вентиляцией в виде зонта.

В сменном журнале требуется фиксировать каждый цикл работы оборудования с указанием технологических параметров, производить записи о сдаче и приемке смены, отмечать замеченные отклонения и неисправности, фиксировать нарушения режима и прочее. После выработки бойлерклавом гарантированного числа циклов нагружения он должен подвергаться испытаниям на техническое освидетельствование и профилактическим работам.

Применение бойлерклава для удаления модельных композиций

в литейном производстве отечественных машиностроительных предприятий

В настоящее время технология вытапливания модельных композиций с помощью бойлерклава находит широкое применение в литейном производстве ведущих машиностроительных предприятий Российской Федерации. Приведем несколько примеров.

В 2023 г. одной из отечественных компаний организовано импортозамещающее высокотехнологичное производство лопаток горячего тракта газовых турбин большой мощности. Литейный комплекс оснащен уникальным современным технологическим промышленным оборудованием и нацелен на решение проблем импортозамещения в производстве лопаток энергетических турбин большой мощности. В технологическую цепочку производства лопаток турбин входит бойлерклав, где под действием высоких значений температуры и давления пара модельная масса расплавляется, при этом ее остатки устраняются из форм в предварительной прокалочной печи [19].

Бойлерклав зарубежного производства также применяется на запущенном в 2017 г. участке литья по выплавляемым моделям одного из известных российских предприятий, разрабатывающих и производящих газотурбинные двигатели и многофункциональные газотурбинные энергоагрегаты, в том числе для силовых установок. Производство литых деталей на этом предприятии базируется исключительно на высококачественных материалах и технологиях [20].

В практике НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ при изготовлении литых деталей газотурбинных двигателей используются современные модельные композиции нового поколения на основе отечественных сырьевых материалов. Они обладают комплексом улучшенных и стабильных свойств, обеспечивают импортонезависимость и высокую технологическую безопасность [21]. Основным способом выплавления данных композиций также является применение сосуда, работающего под давлением, – бойлерклава.

Работа выполнена при поддержке ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Заключения

Приведенные в данном обзоре особенности способа удаления модельных композиций из литейных оболочковых форм с помощью бойлерклава в производстве ответственных деталей газотурбинных двигателей подтверждают его целесообразность, так как способ подходит для изготовления лопаток различной геометрической конфигурации.

Удаление модельных масс из керамических форм перегретым водяным паром под высоким давлением происходит с минимальными затратами времени и материалов, помогает исключить образование трещин в оболочковых формах, позволяет минимизировать брак, обеспечивает высокое качество форм и отливок. Способ отлично зарекомендовал себя благодаря высоким технологичности, производительности и эффективности. Это подтверждается в том числе опытом ряда отечественных современных промышленных предприятий, занимающихся производством литых лопаток для авиационных и энергетических газовых турбин большой мощности.