УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОФИЛИРОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ БЕСТИГЕЛЬНОЙ НАПРАВЛЕННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ Российский патент 1994 года по МПК C30B13/08 

Изобретение относится к турбостроению, конкретно к получению деталей турбинных двигателей методами направленной кристаллизации. Предложенное устройство можно использовать также в оптической, полупроводниковой технике и химической технологии.

Известно техническое решение, направленное на получение деталей газотурбинных двигателей, включающее в себя форму, устройство для крепления формы на холодильнике в полости нагревателя, приспособление для приготовления расплава и заливки его в форму, средства контроля температурного поля вокруг формы при направленной кристаллизации в ней расплава [1] .

Недостатком этого технического решения является дефектность получаемых деталей в виде "струйчатой полосчатости", возникающей из-за малости температурного градиента вдоль детали. Особенно трудно получить качественно крупную деталь в форме диска.

Известно также устройство для направленной кристаллизации, включающее в себя нагреватель, тигель для расплава, затравку и ее держатель, механизмы перемещения затравки по вертикали и вращения вокруг горизонтальной оси, тигель для расплава [1] .

Недостатком такого устройства является невозможность получить с его помощью крупные детали заданного сложного профиля, т. к. в процессе кристаллизации можно изменять только температуру расплава у границы раздела фаз и скорость вертикального перемещения границы, что позволяет уменьшить или увеличить толщину изделия. Сложнопрофильное изделие, в том числе турбинный диск, заодно с валом получить нельзя. Кроме того, из-за сегрегационных явлений возникает неоднократность изделия по составу. Для тугоплавких материалов трудно изготовить тигель. В случаях, когда такой тигель изготавливают, он обычно разрушается после проведения процесса кристаллизации.

Наиболее близким к заявленному является принятое за прототип устройство бестигельной направленной кристаллизации, состоящее из нагревателя вокруг переплавляемой заготовки, затравки, механизма перемещения затравки по вертикали, механизм вертикальных перемещений заготовки [3] .

Недостатком устройства-прототипа является невозможность получения прочного изделия сложного профиля, т. к. одновременно из жидкой в твердую фазу превращение идет по всему поперечному сечению, и для крупных изделий с поперечником более 10 мм нельзя обеспечить однородность температурного поля, а значит при кристаллизации электрических составов и одинаковость микроструктуры по всему поперечнику.

Целью изобретения является получение турбинных дисков сложного профиля заодно с валом.

Это достигается за счет того, что в устройстве для получения дисков бестигельной направленной кристаллизацией, включающем в себя нагреватель вокруг переплавленной заготовки, приспособление вертикальных перемещений этой заготовки, затравку с держателем и приспособление ее перемещений, согласно изобретению приспособление перемещений затравки выполнено с возможностью возвратно-поступательного перемещения по горизонтали с регулируемым размахом и одновременного вращения вокруг этой оси.

Достижение поставленной цели обусловлено согласованностью перемещения затравки в вертикальном и горизонтальном направлении с вращением.

На фиг. 1 изображена схема устройства в целом; на фиг. 2 - схема приспособления для одновременного вытягивания затравки, вращения ее вокруг горизонтальной оси и возвратно-поступательного перемещения вдоль этой оси.

Устройство состоит из нагревателя 1, заготовки из исходного материала в виде тонкой полосы 2, верхний торец которой превращают в расплавленную зону 3. Затравка 4 укреплена в затравкодержателе 5, соединенным со средством для одновременного ее вертикального вытягивания, вращения вокруг горизонтальной оси и возвратно-поступательного перемещения по горизонтали. Система 7 перемещения затравки согласовывает формирование на затравке изделия 8 с подачей с помощью механизма 9 через направляющие 10 полосы 2.

Средство 6 для перемещений затравки 4 с затравкодержателем 5 включает в себя валы 11, 12, укрепленные в корпусе 13, шестерни 14, 15 привод 16 вращений затравки, привод 17 механизма 18 перемещений затравки по вертикали, привод 19 и механизм 20 возвратно-поступательных перемещений затравки по горизонтали.

Устройство монтируется в герметичной камере, снабженной системами вакуумирования, напуска защитных газов и окнами для отслеживания процесса (не показаны).

Устройство работает следующим образом.

Исходную заготовку в виде полосы 2, приготовленную из материала данного состава, вводят через вакуумный затвор в камеру устройства, герметизируют камеру, вакуумируют ее и в случае необходимости заполняют газом. С помощью нагревателя 1 готовят расплавленную зону 3 на верхнем конце заготовки в виде полосы 2. Приводят затравку 4 в контакт с расплавом, вращают ее, регулируют температуру нагревателя, приводят в возвратно-поступательное перемещение по горизонтали и вытягивают вверх по вертикали, формируя на затравке сначала вал, а затем, изменяя по заданному закону амплитуду возвратно-поступательных перемещений, диск заданного профиля. При этом с согласованной скоростью перемещается по вертикали вверх переплавленная полоса с помощью механизма подачи.

По завершении процесса разрывают столбик расплава между диском и заготовкой 2, отключают нагреватель 1, охлаждают изделие, разгерметизируют камеру и извлекают из него изделие - диск с валом.

С помощью предложенного устройства изготовлены турбинные диски диаметра 200 мм заодно с валом диаметром 70 мм и длиной 80 мм из эвтектики в системе оксидов Al₂O₃ - ZrO₂ (J₂O₃)
Макроскопическая однородность и спиральная микроструктура обеспечивают их высокую прочность - свыше 60 кг/мм². Точность поддеpжания заданной геометрии в процессе бестигельной направленной кристаллизации - ≈±0,6 мм против ±(2-3,5) мм при использовании известных устройств. Кроме этого, важным преимуществом является отсутствие тиглей и форм, которые дороги, не могут использоваться многократно и поэтому сильно удорожают процесс. (56) 1. Патент США N 3568757, кл. 164-353, 1971.

2. O'Conner Mc. Zanglin W. A. Growth of silicon and germanium disks. - j. Appl. Phys. , 1958, v. 29, p. 222.

3. Патент ФРГ N 1141978, кл. B 01 J 17/18, 1959.

Изобретение относится к получению деталей турбинных двигателей методом направленной кристаллизации. Устройство содержит нагреватель и затравкодержатель, соединенный со средством вертикального вытягивания, вращения вокруг горизонтальной оси и регулируемого возвратно-поступательного перемещения в горизонтальной плоскости. Для образования расплавленной зоны заготовку исходного материала в виде полосы расплавляют при помощи нагревателя. Затравку приводят в контакт с расплавом и формируют на ней сначала вал, а затем диск, изменяя при этом амплитуду возвратно-поступательных перемещений. Изготовлены турбинные диски диаметром 200 мм заодно с валом диаметром 70 мм и длиной 80 мм. 2 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОФИЛИРОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ БЕСТИГЕЛЬНОЙ НАПРАВЛЕННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ, содержащее затравкодержатель, соединенный со средством вертикального перемещения, и нагреватель, отличающееся тем, что, с целью получения турбинных дисков сложного профиля заодно с валом, затравкодержатель снабжен дополнительным средством регулируемого возвратно-поступательного перемещения в горизонтальной плоскости и вращения вокруг горизонтальной оси.