Opracowanie składu tworzywa do wytwarzania rdzeni łopatek turbin gazowych i turbosprężarek metodą wtrysku niskociśnieniowego

• Autorzy: Gromada M. , Nowak R. , Kostecki M. , Tłuczek A. , Olszyna A.

Warianty tytułu

EN

Development of material composition for low pressure injection moulding of blade cores of gas turbines and turbocompressors

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Zastosowanie rdzeni ceramicznych w procesie wytwarzania łopatek turbin gazowych i turbosprężarek spowodowało wzrost ich sprawności, gdyż uzyskane dzięki temu wewnętrzne kanały łopatek pozwoliły na ich chłodzenie, a przez to umożliwiły pracę w spalinach o wyższej temperaturze. W pracy przedstawiono opracowaną technologię wytwarzania rdzeni łopatek turbin gazowych i turbosprężarek, wykorzystującą metodę wtrysku niskociśnieniowego. Tworzywo na rdzenie powinno cechować się następującymi właściwościami: możliwością formowania skomplikowanych kształtów, małą skurczliwością podczas formowania i spiekania, wysoką odpornością na oddziaływanie stopu oraz niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej. Ponadto musi ono spełniać często bardzo przeciwstawne wymagania jak na przykład wysoka wytrzymałość mechaniczna umożliwiająca montaż rdzeni w formach odlewniczych przy porowatości rdzeni sięgającej 30 %, pozwalającej na stosunkowo łatwe ich roztwarzanie za pomocą wodnych roztworów zasad. Aby sprostać tym wymaganiom opracowano recepturę na tworzywo oparte na aktywowanym szkle kwarcowym i dodatkach modyfikujących oraz dobrano termoplastyfikatory o niskiej temperaturze topnienia i skurczliwości krzepnięcia. W celu zoptymalizowania otrzymanej receptury zostały przeprowadzone prace badawcze obejmujące określenie wpływu składu ziarnowego proszków krzemionkowych na formowalność i możliwość usuwania lepiszcza oraz właściwości końcowe rdzeni, a także wpływu rodzaju niskokurczliwych termoplastyfikatorów na lepkość masy, stopień wypełniania małych przekrojów i skurczliwość na etapie formowania. Ponadto zbadano możliwość zastosowania kompozycji różnych termoplastyfikatorów umożliwiających stopniowy ich rozkład w procesie usuwania lepiszcza oraz określono wpływ zasypki zastosowanej w procesie usuwania lepiszcza na deformacje i pękanie rdzeni. Dodatkowo określono wpływ szybkości przyrostu temperatury i jej końcowej wartości w procesie usuwania lepiszcza na deformacje oraz pękanie rdzeni, a w procesie wypalania właściwego na parametry końcowe rdzeni. Sprawdzono możliwość roztwarzania próbek w wodnych roztworach zasad. Do oceny właściwości mas ceramicznych i przydatności tworzywa na rdzenie posłużyły następujące parametry: skład ziarnowy proszku użytego do przygotowania masy wtryskowej, lepkość masy w temperaturze wtryskiwania, gęstość pozorna, porowatość, nasiąkliwość po wypaleniu, współczynnik rozszerzalności cieplnej, wytrzymałość na zginanie, chropowatość powierzchni oraz mikrostruktura rdzeni. Otrzymane wyniki badań wskazują, że uzyskano tworzywo do wtrysku niskociśnieniowego o odpowiednich właściwościach w zastosowaniu na rdzenie łopatek.

EN

Application of ceramic cores in the manufacture process of blades caused an increase in efficiency of gas turbines and turbo compressors because internal channels obtained in such a way allowed the blades to be cooled, and as a result to work at a higher temperature of combustion gases. In this paper, a manufacture technology of the cores for the gas turbine and turbo compressor blades by low pressure injection moulding is presented. Material for the cores should be characterised by the following properties: possibility to form the complicated shapes, small shrinkage during the forming and sintering processes, high resistance to the alloy impact and low coefficient of thermal expansion. Moreover, it often must satisfy very opposing requirements as for example high mechanical strength which enables to assemble the cores in casting moulds and simultaneously core porosity up to 30 % needed for easy leaching the cores with a base in water solution. In order to satisfy these requirements, a recipe for the material was worked out which based on activated silica glass and modifying additives, and thermoplasticizers of low both melting temperature and solidification shrinkage were selected. In order to optimize the recipe, research and development works were carried out, including the determination of influence of the particle size distribution of silica powders on their formability, binder removal and final properties of the cores. The influence of low shrinkage thermoplasticizers on mass viscosity, state of filling small sections and shrinkage during forming was also studied. Moreover, the application of compositions of different thermoplasticizers enabling their gradual removal during the debinding process was investigated, and the influence of a mould powder used for the debinding process on deformation and fracture of the cores was determined. Additionally, effects of heating rate and final temperature on deformation and fracture of the cores were studied during the debinding process, and characterised during the sintering process with respect to final properties of the cores. Finally, the possibility of leaching the samples with a basic aqueous solution was checked. For an assessment of the ceramic material properties and the usability of core masses for the injection, the following parameters were determined: particle size distribution of the powder used for the feedstock preparation, material viscosity at the injection temperature, density, porosity and water absorbability after sintering, coefficient of thermal expansion, bending strength, surface roughness and core microstructure. The obtained results point out getting the low pressure injection moulding material of the appropriate properties applicable for the blade cores.

Słowa kluczowe

PL

rdzeń ceramiczny; wtrysk niskociśnieniowy; turbina gazowa; turbosprężarka

EN

ceramic core; low pressure injection moulding; gas turbine; turbo compressor

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2011
• Tom: T. 63, nr 2
• Strony: 337--341
• Opis fizyczny: Bibliogr. 5 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Gromada M.

autor

Nowak R.

autor

Kostecki M.

autor

Tłuczek A.

autor

Olszyna A.

• Instytut Energetyki, Oddział Ceramiki CEREL, ul. Techniczna 1, 36-040 Boguchwała,

Bibliografia

• [1] Klug F. J., Giddings R. A.: „Core compositions and articles with improved performance for use in castings for gas turbine application”, Patent US 6345663 B1, (2002).
• [2] Haihua W., Dichen L., Yiping T., Bo S., Dongyang X.: „Rapid fabrication of alumina-based ceramic cores for gas turbine blades stereolithography and gelcasting”, J. Mater. Proc. Techn., 209, (2009), 5886.
• [3] Qin Y., Pan W.: „Effect of silica sol on the properties of alumina- based ceramic core composites”, Mater. Sci. Eng. A, 508, (2009), 71.
• [4] Robb R. R., Yaker C., Burd L.: „Ceramic cores for manufacturing hollow metal casting”, Patent US 4190450, (1980).
• [5] Ling-Yi W., Min-Hsiung H.: „The Effect of Cristobalite Seed on the Crystallization of Fused Silica Based Ceramic Core - A Kinetic Study”, Ceram. Int., 21, (1995), 187.