СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК С МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ Российский патент 1994 года по МПК B22D27/04 

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при получении изделий из жаропрочных сплавов с направленной и монокристаллической структурой заданной ориентации, например турбинных лопаток ГТУ (газотурбинных установок).

Известен способ получения изделий с монокристаллической структурой заданной ориентации, включающий заливку расплава в нагретую керамическую форму с применением затравки, при этом с целью удаления загрязнений, образующихся на рабочей поверхности затравки, на последней формируют защитный поверхностный слой переменного состава толщиной 75-125 мкм (мах 250 мкм), содержащий до 4-5 мас.% бора или до 10 мас.% кремния. В результате температура плавления указанного защитного слоя на 35-45^оС ниже температуры ликвидуса сплава затравочного монокристалла. При нагреве формы вместе с затравкой происходят расплавление поверхностного слоя и образование жидкой прослойки между монокристаллом затравки и слоем загрязнений на ее поверхности, что должно, как предполагается облегчить их удаление (патент США N 4289570, кл.164-122.1, 1978.).

Однако данный способ не позволяет обеспечить гарантированное удаление загрязнений и передачу кристаллографической ориентации от затравки к отливке при практическом его использовании.

Это обусловлено тем, что в условиях длительного нагрева форм и динамического вакуума в промышленных агрегатах на рабочей поверхности затравки помимо окислов образуется слой загрязнений, вызванный сублимацией моноокислов алюминия и кремния, возникающих при высокотемпературных реакциях, а также локальным разрушением внутренней поверхности литейных форм и осыпанием частиц керамики на рабочую поверхность затравки.

Образующийся на поверхности затравки слой загрязнений представляет собой сплошную компактную оболочку, которая полностью изолирует затравку от расплава, исключая возможность передачи кристаллографической ориентации от материала затравки к отливке, в результате чего получаемые отливки имеют произвольную кристаллографическую ориентацию, отличную от заданной, что является браком отливок по структуре.

В связи с тем, что при использовании указанного выше способа образующаяся на поверхности затравки жидкая прослойка имеет незначительную толщину (до 250 мкм), она удерживается на поверхности монокристалла силами поверхностного натяжения, при этом возникающего в расплаве прослойки гидростатического давления недостаточно для разрушения образовавшегося монолитного слоя загрязнений. Увеличение толщины защитного слоя более 250 мкм не представляется возможным в связи с ограниченной глубиной диффузии указанных элементов в материал затравки.

Передача кристаллографической ориентации согласно описываемой технологии достигается лишь в 15-18% случаев.

Известен способ получения изделий с монокристаллической структурой заданной ориентации, включающий заливку расплава и нагретую до температуры 1400-1550^оС керамическую форму с применением затравки, имеющую температуру плавления на 20-170^оС выше температуры ликвидуса отливки, при этом предварительно на рабочую поверхность затравки наносят защитный слой углеродсодержащего вещества, предназначенный для восстановления окислов, образующихся на рабочей поверхности затравки, преимущественно раствор поливинилбутираля с графитовой пылью в этиловом спирте или графите (авторское свидетельство СССР N 839153, кл. В 22 D 27/04, 1980).

Однако, как и описанный выше способ, данное предложение не позволяет устранить образование на поверхности затравки большого количества загрязнений, т.к. процессы образования загрязнений и восстановление окислов протекают не одновременно, например сублимация моноокислов происходит при относительно невысоких температурах в области затравки, в то время как их активное восстановление возможно только при более высоких температурах (более 1000^оС), когда на поверхности затравки уже образуется достаточно большое количество загрязнений и восстановительной способности защитного слоя оказывается недостаточно для их удаления.

Указанный способ выбран в качестве прототипа.

Цель изобретения - снижение брака монокристаллических отливок при серийном и массовом производстве за счет обеспечения надежной передачи кристаллографической ориентации от затравки к отливке.

Это достигается тем, что в способе получения отливок с монокристаллической структурой заданной ориентации преимущественно из жаропрочных сплавов, включающем изготовление тугоплавкой монокристаллической затравки заданной ориентации из сплава с температурой плавления на 20-170^оС выше температуры ликвидуса сплава отливки, нанесение на торцевую поверхность затравки защитного слоя, установку полученной затравки в полость литейной формы, нагрев формы до технологически необходимой температуры, заливку расплава, кристаллизацию, охлаждение и извлечение отливки, защитный слой на торце затравки выполняют из сплава, идентичного или аналогичного сплаву отливки по температуре плавления и типу кристаллической решетки, заливку формы осуществляют после нагрева формы до технологически необходимой температуры и полного расплавления материала защитного слоя затравки, а кристаллизацию отливки начинают не позднее полного растворения материала затравки в расплаве материала защитного слоя.

Нанесение защитного слоя на затравку осуществляют путем заливки расплава материала защитного слоя и его последующей кристаллизацией в специальной литейной форме, в которой предварительно устанавливают монокристаллические затравки с обеспечением непосредственного контакта их торцевых поверхностей с заливаемым металлом. Толщина получаемого таким образом защитного слоя составляет 3-15 мм.

Предлагаемый способ позволяет осуществить надежную передачу кристаллографической ориентации от затравки к отливке за счет гарантированного удаления с поверхности затравочного кристалла загрязнений, образующихся при нагреве литейной формы до технологически необходимой температуры заливки.

Заявителю не известны технические решения, содержащие приемы, указанные в формуле изобретения в качестве существенных отличительных признаков. Т.о. данное решение соответствует критерию изобретения "существенные отличия".

При нагреве формы до технологически необходимой температуры, которая выше температуры ликвидуса сплава отливки на 20-170^оС, происходят расплавление нанесенного защитного слоя затравки и образование жидкой ванны в стартовой полости формы над поверхностью затравочного монокристалла. Возникающее в образующемся жидком слое расплава гидростатическое давление обуславливает разрушение компактной оболочки загрязнений на поверхности защитного слоя. При этом происходит нарушение сплошности указанной оболочки загрязнений на отдельные не связанные между собой частицы, которые вытесняются на поверхность образовавшейся жидкой ванны. В указанных местах нарушений сплошности обеспечивается непосредственный контакт заливаемого металла с расплавом поверхностного слоя. Кроме того, при заливке расплавленного металла в форму происходит оттеснение указанных частиц загрязнений струей расплава с поверхности жидкой ванны к стенкам формы, что значительно увеличивает площадь контакта залитого расплава через промежуточный поверхностный слой с затравочным кристаллом, обеспечивает передачу кристаллографической ориентации от затравочного кристалла к сплаву отливки и тем самым позволяет существенно снизить брак при литье монокристаллических изделий. Использование материала защитного слоя, идентичного или аналогичного сплаву отливки по температуре плавления и типу кристаллической решетки, обусловлено следующими причинами.

Учитывая, что для обеспечения направленной кристаллизации технологически необходимая температура нагрева формы должна быть выше температуры плавления сплава отливки на 20-170^оС, применение предлагаемого материала защитного слоя при выполнении указанных условий гарантирует его расплавление и образование жидкой прослойки на поверхности затравки с последующей передачей кристаллографической ориентации. В тоже время это позволяет избежать преждевременного расплавления защитного слоя и связанного с этим длительного взаимодействия расплава с затравочным кристаллом, что может привести к полному растворению последнего, потере им первоначальной кристаллографической ориентации и сделает невозможным получение отливки с заданной кристаллографической ориентаций и свойствами.

Идентичность типа кристаллической решетки в значительной мере облегчает передачу ориентации от затравки через образующийся промежуточный слой к отливке.

Согласно изобретению заливку сплава в форму необходимо осуществлять после нагрева ее до технологически необходимой температуры, и расплавления защитного слоя затравки, т.к. в противном случае нерасплавленный защитный слой окажется окруженным со всех сторон преждевременно залитым в форму расплавом, в результате чего компактная оболочка загрязнений, образовавшаяся на поверхности защитного слоя, не будет разрушаться при его расплавлении и затравочный монокристалл будет изолирован от залитого в форму расплава, препятствуя тем самым передаче кристаллографической ориентации.

Согласно изобретению толщина поверхностного слоя на торцевой поверхности затравочного кристалла должна составлять 3-15 мм. При уменьшении указанной толщины не происходит разрушения образовавшейся компактной оболочки загрязнений на поверхности затравки, что обусловлено незначительным гидростатическим давлением и действием сил поверхностного натяжения на границе затравочный кристалл - расплав. Увеличение толщины нецелесообразно в связи с неоправданным увеличением расхода сплава на изготовление затравок и их габаритов.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Для получения защитного слоя на поверхности монокристаллической затравки применяют специальную литейную форму (керамическую или постоянную), имеющую рабочую полость для заливки сплава и несколько полостей для установки затравок. Предварительно изготовленные монокристаллические затравки устанавливают в указанные полости таким образом, чтобы боковые поверхности затравок фиксировались стенками формы, а торцевые выходили в рабочую полость формы. Собранную форму после нагрева до температуры 500-600^оС в вакуумной плавильно-заливочной установке периодического действия заливают расплавленным металлом, который заполняет рабочую полость формы, контактируя с рабочими поверхностями установленных в ней затравок. В результате усадки залитого расплава при его затвердевании образуется плотное механическое соединение между затравочным монокристаллом и залитым металлом защитного слоя на его поверхности.

Благодаря невысоким температурам нагрева формы в данном случае исключается протекание высокотемпературных реакций с образованием моноокислов алюминия и кремния, а следовательно, и образование соответствующих загрязнений на рабочей поверхности затравки. Кроме того, окисление поверхности затравок может быть значительно снижено при использовании высоковакуумного плавильно-заливочного оборудования периодического действия. Таким образом, в процессе получения защитного слоя обеспечивается отсутствие загрязнений на рабочей поверхности затравочного монокристалла и, следовательно, на границе контакта затравка - защитный слой.

После затвердевания расплава полученную отливку извлекают из формы и отделяют затравки с нанесенным защитным слоем от элементов литниковой системы. Полученные затравки устанавливают в заранее изготовленные по методу выплавляемых моделей керамические формы для литья монокристаллических изделий. Установку осуществляют через специальные отверстия - затравочные "карманы", выполненные в донной части формы и сообщающиеся с рабочей полостью формы.

При этом затравку располагают в затравочном "кармане" таким образом, чтобы ее защитный слой выступал из последнего в рабочую полость формы, а затравочный монокристалл фиксировался стенками "кармана" и находился в требуемом положении относительно геометрической оси формы (отливки). После установки затравки полость затравочного кармана заполняют с внешней стороны формы огнеупорной суспензией, исключая вытекание расплава из формы в процессе литья. Подготовленные таким образом формы нагревают до технологически необходимой температуры 1450-1500^оС, в результате чего происходит расплавление защитного слоя затравки с образованием над торцем монокристалла затравки жидкой ванны. Полное расплавление материала защитного слоя при достижении технологически необходимой температуры обеспечивается выбором его материала. Образовавшиеся загрязнения, уже не составляющие компактной структуры, оказываются на свободной поверхности жидкой ванны и при заливке сплава оттесняются к стенкам формы. Кристаллизацию отливки начинают не позднее полного растворения в залитом расплаве материала затравочного монокристалла, т.к. при этом происходит потеря его первоначальной кристаллографической ориентации. Время полного растворения обусловлено с учетом внешних температурных условий нагрева длительностью взаимодействия материала затравочного монокристалла с расплавленным защитным слоем и залитым в формы расплавом и рядом других факторов. Поэтому в условиях реального промышленного производства это время определяется экспериментальным путем для конкретных условий процесса литья. Формирование структуры отливок начинается от затравочного монокристалла, где происходит передача кристаллографической ориентации от него к сплаву отливки, а в процессе направленного затвердевания растущий кристалл распространяется на всю отливку, обеспечивая получение изделия с монокристаллической структурой заданной ориентацией.

Промышленное опробование предложенного способа проводили при литье из жаропрочного сплава опытной партии монокристаллических заготовок рабочих лопаток газовой турбины. Процесс литья проводили на промышленной установке непрерывного действия для направленной кристаллизации - ПМП-2. В качестве затравок использовали монокристалл диаметром 5 мм и высотой 6 мм с ориентацией (001) из сплава Ni-30%W, имеющего температуру плавления 1505^оС. Нанесение защитного слоя на затравки осуществляли в керамических формах, полученных по методу выплавляемых моделей на установке УППФ-3 в соответствии с режимами, описанными выше. Для защитного слоя использовали тот же жаропрочный сплав, что и для литья заготовок лопаток, имеющий температуру плавления 1360^оС. Защитный слой на рабочей поверхности затравки выполнен в виде усеченного конуса высотой 15 мм. Технологически необходимая температура нагрева формы перед заливкой расплава составляла 1430-1480^оС, а скорость нагрева формы выше температуры 1300^оС была равна 20^оС/мин. Предварительными опытами было определено время полного растворения затравочного монокристалла в расплаве защитного слоя после его расплавления и заливки металла, которое составило 35-45 мин. В связи с этим кристаллизацию отливки начинали не позднее 30 мин после расплавления защитного слоя затравки (температура формы 1360^оС). С использованием предлагаемого способа и по известной технологии было отлито соответственно 100 и 50 заготовок лопаток. Макроструктуру полученных заготовок исследовали визуально и металлографическими методами. При исследовании макроструктуры заготовок лопаток, полученных по предлагаемому способу, было установлено, что передача кристаллографической ориентации от затравочного монокристалла к сплаву отливки была достигнута на 93 лопатках. Таким образом, брак лопаток по макроструктуре составил 7% и был связан с преждевременной заливкой сплава в формы (до расплавления защитного слоя затравки), что обусловлено особенностями заводской технологии литья на установке ПМП-2 и может быть устранено при усовершенствовании процесса заливки форм путем применения механической стопорной системы.

Исследование макроструктуры лопаток, полученных по способу-прототипу, показало, что передача кристаллографической ориентации от затравочного кристалла к сплаву отливок была достигнута лишь в 8 случаях. В остальных случаях поверхность затравок была отделена от сплава отливки слоем загрязнений, и отливки имели столбчатую структуру, состоящую из нескольких зерен случайной кристаллографической ориентации, отличной от <100> . Таким образом, брак лопаток по макроструктуре при использовании известного способа составил 76%.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что применение предлагаемого способа взамен известного позволяет существенно снизить брак и затраты на изготовление отливок с монокристаллической структурой заданной ориентации.

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при получении изделий из жаропрочных сплавов с направленной и монокристаллической структурой заданной ориентации, например турбинных лопаток. Цель изобретения - снижение брака отливок по макроструктуре при серийном и массовом производстве за счет повышения надежности передачи кристаллографической ориентации от затравки к отливке. Затравку используют со слоем защитного покрытия на торце толщиной 3 - 15 мм из сплава, идентичного или аналогичного по температуре плавления и типу кристаллической решетки сплаву отливки, при этом заливку формы осуществляют после нагрева ее до технологически необходимой температуры и полного расплавления материала защитного слоя затравки, а кристаллизацию отливки начинают не позднее полного растворения материала затравки в расплаве материала защитного слоя. 1 з.п. ф-лы.

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК С МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ преимущественно из жаропрочных сплавов, включающий размещение в полости литейной формы монокристаллической затравки, выполненной из тугоплавкого сплава с температурой плавления на 20 - 170^oС выше температуры ликвидус сплава отливки и имеющей на торцевой поверхности слой защитного покрытия, заливку расплава в полость литейной формы, кристаллизацию, охлаждение и извлечение отливки, отличающийся тем, что, с целью снижения брака отливок по макроструктуре при серийном и массовом производстве за счет повышения надежности передачи кристаллографической ориентации от затравки к отливке, монокристаллическую затравку используют со слоем защитного покрытия из сплава, идентичного или аналогичного сплаву отливки по температуре плавления и типу кристаллической решетки, заливку осуществляют после полного расплавления сплава защитного покрытия затравки, а кристаллизацию сплава отливки начинают не позднее полного растворения сплава затравки в расплаве защитного покрытия. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что монокристаллическую затравку используют со слоем защитного покрытия, полученного наплавкой, толщиной 3 - 15 мм.