Как производят турбинные лопатки

Филиал АО «Газэнергосервис» — завод «Турбодеталь» имени И.И. Соколовского был создан в 1989 году в результате технического перевооружения Центральной базы промтехобслуживания и комплектации. За годы производственной деятельности завод стал передовым предприятием на территории России и СНГ по изготовлению точнолитых деталей из жаропрочных сплавов для турбин газоперекачивающих агрегатов импортного и отечественного производства.
Сегодня «Турбодеталь» специализируется на производстве лопаток газовых турбин из жаропрочных сплавов методом литья по выплавляемым моделям и предлагает более ста двадцати наименований рабочих и направляющих лопаток газовых турбин как отечественного, так и импортного производства.

Этап 1
Технологический процесс производства литых заготовок турбинных лопаток из жаропрочных сплавов начинается с изготовления керамических стержней, формирующих в лопатках охлаждаемые внутренние полости. Прессование керамических стержней осуществляется на инжекционном прессе. Разогретый до пластичного состояния керамический шликер на основе плавленого кварца заполняет полость пресс-формы керамического стержня и затвердевает, формируя сырой керамический стержень. Извлеченный из пресс-формы стержень фиксируют в драйере для обеспечения стабильной геометрии. После выдержки в драйере керамические стержни укладывают в керамические короба с порошком засыпки и проводят сушку и обжиг в электрической или газовой печах для придания им прочности и способности противостоять воздействию жидкого металла. После обжига стержни извлекаются из материала засыпки, очищаются от прилипших частиц порошка и поступают на зачистку облоя.
Зачистка больших партий керамических стержней производится на лазерной установке высокой производительности. Луч лазера по специальной управляющей программе удаляет облой, технологические перемычки и скругляет острые кромки стержня. Далее обожженные керамические стержни поступают на визуальный контроль, пропитку специальным составом для увеличения прочности, контроль геометрии и подготовку к запрессовке в восковые модели.

Осмотр керамического стержня после прессования и извлечения из пресс-формы
Зачистка прокаленных керамических стержней для отливок рабочих лопаток
Подготовка лазерной установки к работе. Загрузка управляющей программы

Этап 2
Изготовление восковых моделей производится методом запрессовки расплавленной модельной композиции в формообразующую оснастку с предварительно установленным в нее керамическим стержнем. При запрессовке пластичная модельная масса заполняет полость оснастки, образуя модель со стержнем. После извлечения из пресс-формы восковая модель устанавливается в драйер для стабилизации геометрических размеров. Далее восковые модели передаются на операции проведения визуального и рентгеновского контроля, ультразвукового контроля толщины стенки пера, подготовки к сборке в блоки восковых моделей.

Запрессовка восковых моделей отливок рабочих лопаток из полимерной композиции

Этап 3
Блоки восковых моделей состоят из моделей отливок и элементов литниково-питающих систем, литниковых чаш, также изготовленных из модельных восков. Конструкция литниково-питающей системы должна обеспечивать равномерное заполнение керамической формы расплавленным металлом и его затвердевание без появления в отливках недопустимых металлургических дефектов. Операция сборки литейных блоков очень ответственна, так как качество сборки оказывает ключевое влияние на металлургическое качество отливки. Собранные модельные блоки поступают на роботизированную линию для изготовления керамической формы. Перед изготовлением керамической формы проводится операция обезжиривания блоков в целях обеспечения смачиваемости керамической суспензией поверхностей восковой модели и модельного блока.

Подготовка восковых моделей отливок рабочих лопаток к сборке в литейные блоки
Операция обезжиривания модельного блока на роботизированной линии

Этап 4
Изготовление керамических форм производится последовательным (послойным) нанесением керамической суспензии и материала обсыпки на модельный блок с сушкой каждого слоя. Количество слоев керамической формы различно для каждого блока и зависит от массогабаритных размеров отливки и параметров заливки жидким металлом. После сушки последнего слоя керамической оболочки и вскрытия литейной чаши, формы-оболочки устанавливаются в корзину бойлерклава, где под действием температуры и давления пара модельная композиция расплавляется и удаляется через вскрытую литейную чашу. Остатки модельной массы выжигаются из полости формы при ее предварительном прокаливании. Полученные формы оборачиваются огнеупорным теплоизоляционным материалом для создания оптимального режима охлаждения отливки после заполнения формы жидким металлом. Таким образом, снижается количество металлургических дефектов и повышается уровень качества отливок.

Изготовление литейных форм на роботизированном комплексе. Установка блоков на конвейер для сушки
Подготовка керамических литейных форм к заливке металлом

Этап 5
Заливка прокаленных горячих керамических форм осуществляется в вакуумной плавильно-заливочной установке подготовленным жидким жаропрочным сплавом. При этом контролируются все важнейшие параметры процесса плавки и заливки металла. Залитую металлом форму после кристаллизации сплава извлекают из плавильной установки и устанавливают на стол для охлаждения.

Установка залитого блока на стол для охлаждения

Литейные формы после охлаждения до температуры цеха и удаления остатков наружной керамической оболочки проходят операцию абразивной отрезки отливок от литейного блока. Для удаления остатков керамической формы с наружных поверхностей, отливки проходят струйно-абразивную обработку. В местах отрезки остатки от литников, элементы для удаления воска удаляются с помощью абразивно-шлифовальных и ленточно-шлифовальных станков, ручных шлифовальных машинок. Здесь же производится зачистка облоя отливок. Полученные отливки направляются на операцию удаления керамических стержней из их внутренних полостей в автоклаве. В автоклаве, под действием давления, температуры и раствора щелочи керамический стержень разрушается, освобождая внутреннюю полость отливки. В заключении выполняется контроль геометрических размеров сравнением оцифрованных объёмных изображений реальных литых заготовок с теоретической 3D-моделью отливки.

Установка блока отливок на отрезной станок
Загрузка отливок лопаток в корзину автоклава для удаления керамических стержней из внутренних полостей

Этап 6
При передаче отливок из литейного в механический цех контролируется химический состав каждого залитого блока, а все отливки проходят визуальный контроль, контроль макроструктуры, люминесцентный контроль, рентгеновскую дефектоскопию.

Этап 7
Механическая обработка газодинамических профилей отливок производится на ленточно-шлифовальных станках для обеспечения соответствия требованиям конструкторской документации, а также для увеличения класса чистоты поверхности. После обработки пера все отливки рабочих и направляющих лопаток поступают для контроля геометрии с помощью оптической измерительной системы или контрольно-измерительных приборов. При контроле геометрических размеров с использованием оптической измерительной системы производится сравнение оцифрованных объёмных изображений реальных литых заготовок с теоретической 3D-моделью отливки. На этом этапе выполняется также ультразвуковой контроль толщины стенок пера отливок.

Оцифровка отливки пакета лопаток

Этап 8
Обработка профилей хвостовика и других поверхностей рабочих лопаток производится с использованием методов глубинного шлифования и фрезерования с контролем соответствия геометрических размеров и качества поверхности требованием конструкторской документации после выполнения каждой операции.

Доводка профиля отливки шлифованием бесконечной лентой

Этап 9
На рабочие и направляющие лопатки методом ионно-плазменного напыления, а также с использованием шликера или засыпки высокоактивных порошков наносятся высокотемпературные защитные покрытия на проточные поверхности пера и полок и поверхности внутренних полостей отливок.

Загрузка изделий в вакуумную печь  для проведения термической обработки
Загрузка изделий в вакуумную печь для проведения термической обработки

Все лопатки и отливки подвергаются термической обработке в вакууме с точностью поддержания температуры в садке ±10 0 С и регулируемой скоростью охлаждения в среде защитного газа аргона для придания металлу, из которого они изготовлены, необходимого комплекса прочностных свойств. Для рабочих лопаток производится взвешивание моментных весов и балансировка в комплектах с предоставлением карты порядка установки лопаток на диск.