СПОСОБ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ЛИТЬЯ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ С НАПРАВЛЕННООРИЕНТИРОВАННОЙ СТРУКТУРОЙ Российский патент 1997 года по МПК B22D13/00 

Изобретение относится к литейному производству, а именно к центробежному литью сложнопрофильных деталей из жаропрочных сплавов, но может найти применение при изготовлении отливок из других сплавов и сталей, как черных, так и цветных.

Известны технические решения, предназначенные для решения производственных задач, связанных с изготовлением литых лопаток газотурбинных двигателей из жаропрочных сплавов с направленной или монокристаллической структурами (см. например [1-6]).

В известных технических решениях предлагается изготавливать отливки с ориентированной структурой за счет организации направленного теплоотвода от затвердевающего металла. В это случае, после заполнения расплавом всей формы, расположенной вертикально, в жидкой фазе образуется градиент температуры, величина которого по существу и предопределяет качество структуры.

Градиент температуры G_т и скорость кристаллизации зависят от способа охлаждения формы:
теплоотвод осуществляют через металлическую охлаждаемую плиту /см. 1, 2, 5, 6/;
отбор тепла производят в жидкометаллическом охладителе /3, 4/.

Однако, во всех известных технических решениях сохраняются без изменения недостатки, свойственные современной технологии производства литых лопаток:
заполняют расплавом всю форму, хотя процесс кристаллизации некоторых сплавов может продолжаться в течение нескольких часов, поэтому жидкий металл достаточно длительное время контактирует с материалом формы, из которой идет "натяжка" вредных примесей (таких, как SiO₂), а на поверхность отливок образуется термический пригар;
формирование структуры осуществляют только за счет градиента температуры (Gт), создаваемого направленным теплоотводом по оси отливки;
во всем объеме залитого расплава возникают конвективные потоки, отрицательно влияющие на качество направленной структуры;
при направленном затвердевании металла от кромки пера лопатки к ее замковой части линейно уменьшается давление жидкой фазы на фронт кристаллизации (ФК), что изменяет условия формирования структуры по высоте отливки, т.е. изменяется качество литого металла.

Как результат, брак отливок до сих пор остается еще очень большим: периферийный теплоотвод приводит к искажению ФК, направленности и ценности структуры, на поверхности образований, создающих морфологию типа "звездное небо", выявляется пористость. Крайне низким сохраняется коэффициент использования металла (КИМ), в т.ч. из-за больших расходов на литниковую систему.

Наиболее близким к заявленному предложению по технической сути является способ центробежного литья отливок, известный из Авторского свидетельства N 1424952, кл. B 22 D 13/00, 1985 г. /7/, принятый в качестве прототипа.

Согласно описания а.с. N 1424952 известный способ центробежного литья, обеспечивающий заливку расплава в нагретую керамическую форму, размещенную во вращающемся теплоизолированном кристаллизаторе, заполненном перегретым жидкометаллическим наполнителем, причем скорость вращения кристаллизатора доводят до такой величины, чтобы получить в периферийной зоне расплава (центробежное) давление, необходимое для увеличения температуры его кристаллизации на величину, равную метастабильности расплава, определяемую из механического выражения:

где
Toкр.

температура кристаллизации расплава при нормальном давлении;
T*кр. температура кристаллизации расплава при давлении P_x;
Bi коэффициент математической модели зависимости T_кр(P_x).

В качестве жидкометаллического наполнителя кристаллизатора подбирают сплав сходный по плотности с металлом отливки, а величина его перегрева создает вокруг керамической формы постоянное температурное поле.

Оказывая необходимое давление (P_x) в дальней от оси вращения части отливки, подготавливают условия начала процесса кристаллизации при температуре Toкр.

которая несколько выше T*кр.. (т.е.T*кр.- Toкр.= ΔT ). Смещая это необходимое давление (P_x) в глубь жидкой фазы, последовательно поднимает температуру кристаллизации в этих частях отливки, поэтому ФК, как предполагают, распространяется без направленного теплоотвода с периферийной области к оси вращения только за счет увеличения число оборотов кристаллизатора.

Таким образом, в прототипе /7/ предложено формировать направленный рост структуры за счет повышенного давления на ФК при постоянстве температурного поля вокруг затвердевающего металла, т.е. за счет изменения только одного фактора (центробежного) давления.

Известный способ не обеспечивает направленную кристаллизацию, т.к. нет стабильности результатов для отливок различной массы и различной основы ЖС.

Это обусловлено следующими обстоятельствами:
перегрев жидкометаллического опорного наполнителя (а, следовательно, расплава ЖС для отливки) над Toкр.

т.е. ΔT должен быть незначительным по величине (в описании а.с. N 1424952 указана величина ΔT равная 0,1-1,0^oC), т. к. чем выше перегрев, тем с большей скоростью требуется вращать форму, создавая чрезмерные перегрузки на все вращаемые элементы (свыше 500g);
термостатирование с помощью жидкометаллического наполнителя не гарантирует достижение постоянной величины ΔT в расплаве формирующейся отливки по ее длине, что вызывает рост паразитных кристаллизаторов формы жидкой фазе, нарушается ФК, направление и целостность структуры;
длительная по времени выдержка расплава в керамической форме до его затвердевания, особенно в тем частях, которые расположены ближе вращения, способствует диффузии в расплав вредных примесей (например, SiO₂), что увеличивается концентрацию карбонитридных образований и возникновению термического пригара;
в тех частях отливок, которые расположены ближе к свободной поверхности залитого в форму расплава, практически невозможно создать необходимое давление того, чтобы завершить процесс кристаллизации при температуре T*кр. т.к. в этой зоне металл (при сохранении неизмененной температуры в жидкометаллическом опорном наполнителе) не затвердевает, т.е. процесс направленной кристаллизации прекращается;
чрезмерные нагрузки на вращаемый объем расплава отливки вызывают в нем сепарацию частиц по плотности, что является причиной ликвидации в металле отливки.

Таким образом, недостатки, свойственные аналогам, появляются в прототипе.

Задачей настоящего изобретения является достижение управления направленным ростом кристаллов в ЖС с помощью взаимосвязанного изменения полей температур и давлений.

Следствием изменения условий формирования отливок является повышение качества за счет уменьшения брака по структуре, пористости, повышение качества за счет уменьшения брака по структуре, пористости, карбидным и карбонитридным образованьям, термическому пригару, трещинам, а это в конечном итоге повышает эксплуатационные свойства деталей, что следует рассматривать в качестве цели изобретения.

Цель достигается тем, что способ центробежного литья сложнопрофильных деталей с направленно ориентированной структурой включает заливку расплава в керамическую вращаемую форму нагретую до температуры, превышающей температуру ликвидуса, с последовательным увеличением скорости ее вращения. При этом форма с торца охлаждается, заливку расплава производят дозами с временными интервалами, зоны формы над свободными поверхностями залитого расплава, смещенные к оси вращения, дополнительно подогревают до поступления новой дозы, а после заполнения ее расплавом нагрев прекращают.

Причем, форму перед заливкой нагревают равномерно по всей длине до температуры, превышающей температуру ликвидуса на величину равную 3^oC10^oC, а дополнительный подогрев ее в зоне над свободной поверхностью расплава проводят до температуры, превышающей температуру предварительного нагрева на 5^oC50^oC тогда, как угловую скорость вращения формы увеличивают после заливки очередной дозы. Приведенная совокупность признаков и каждый из них в отдельности влияют на повышение качества отливок, т. е. на эксплуатационные свойства деталей. Форма равномерно нагретая по всей длине до температуры, превышающей температуры ликвидуса T_лик. на 3-10^oC не позволяет остыть первой дозе металла при его движении к дальнему от оси вращения торцу. Более того, при заливке формы перегретым металлом, она способна понизить температуру расплава за счет теплопередачи, т.к. при центробежном литье поток растягивается по длине формы с уменьшением его "живого" сечения, что увеличивает теплоотдачу стенки формы.

Ограничения по нижнему пределу нагрева вызваны техническими возможностями приборов контроля температуры. Ограничения по верхнему пределу, т.е. до 10^oC, из-за необходимости вызвать быстрый теплоотвод от слоев металла, контактируемых с торцевой стенкой формы и обеспечить направленный теплоотвод к плите охлаждения.

Превышение температуры предварительного нагрева формы (термостатирования) выше 10^oC замедляет рост затравочных кристаллов, в залитом слое жидкого металла могут возникать конвективные потоки.

Зональный подогрев части формы над свободной поверхностью каждого залитого металла проводить с отключением нагрева зоны формы с уже залитой дозой; что организует на части длины формы (равной ширине двух зон) температурный перепад, способствующий формированию и поддерживанию в слое расплава градиента температуры G_т. Кроме того, достигается некоторый перегрев (за счет светоизлучения от стенок формы и теплопроводности расплава) способной поверхности залитого металла, что исключает образование в этом слое новых центров кристаллизации, выпадение которых отрицательно влияет на формирование направленной структуры.

Величина дополнительного подогрева формы не должна превышать 5^oC50^oC над температурой термостатирования формы. Следует отметить, что для разных типов ЖС, различных габаритных размеров отливок и с учетом положения зон заливок температура подогрева должна быть строго определенной. Тем не менее в общем случае, для всех сплавов подогрев зоны заливку ниже 5^oC практически нивелирует температуры, что не позволяет повысить температуру над свободной поверхности залитой дозы. Нагрев оболочкой формы выше 50^oC существенно снижает теплоаккумулирующую способность ее материала, замедляет кристаллизацию, увеличивается диффузия примесей, вредных для жаропрочных сплавов все это отрицательно влияет на стабильность ФК, на рост карбонитридных образований, т. е. на качество отливок. Признак, характеризующий действие, связанное с увеличением угловой скорости вращения формы ω после заливки очередной дозы, позволяет поддерживать необходимое давление (P_ц) столба (слоя) жидкой фазы (h) на ФК, при его смещении в теле формирующейся отливки к оси вращения. При таких условиях заполнение очередной зоны дозой расплава происходит без возмущения состояния "твердого" вращения оставшегося слоя жидкой фазы перед ФК в предыдущей зоне, что не нарушает условий формирования направленной структуры. При этом, в момент заполнения зоны, слой расплава, увеличивающийся по толщине (h) уже в этот период обеспечивает подъем давления на ФК, что подтверждает сказанное математическое выражение:
P_ц= ρ•ω²r_ср•h (1)
где
r_ср расстояние от оси вращения до центра тяжести залитой дозы расплава.

Таким образом, в заявленном способе предложено осуществлять процесс направленной кристаллизации при одновременном и взаимосвязанном воздействии на формирующуюся структуру полей температур и давлений, следствием чего около ФК возникают градиенты температур и давлений (С_т и С). Особенность указанной взаимозависимости С_т и С состоит в том, что для всех типов жаропрочных сплавов при смещении ФК в отливке к сои вращения (С_т) уменьшается (в т.ч. из-за снижения температуропроводности при росте фазы в теле отливки), тогда как (С) следует увеличивать. Такое совместное воздействие на ФК стабилизирует направленный рост структуры, устраняет пористость и трещины в теле отливки.

Дозовое заполнение формы исключает длительное по времени контактирование расплава с материалом формы, что устраняет термический пригар, сводит к минимуму диффузию из керамической оболочки (формы) вредных примесей и ликвационные проявления из-за различной плотности составляющих сплава.

Изложенное позволяет констатировать, что каждый признак из совокупности является необходимым и достаточным для решения поставленной задачи.

Предложенная совокупность признаков не выявлена в известных технических решениях.

Заявленный способ реализуется следующим образом.

Оболочковая форма по выплавляемым моделям, равномерно нагретая до температуры Т_ф, превышающей температуру ликвидуса Т_л заливаемого сплава на 3-10^oC, т. е. Т_ф=Т_л+(3-10^oC), вращается, предпочтительно, вокруг вертикальной оси. Форма должна быть смещена в радиальном направлении от оси вращения на некоторое расстояние. С торца (дальнего от оси вращения) оболочковую форму следует опирать на плиту охлаждения, за счет чего организует направленную теплопередачу от затвердевающего металла отливки и создают градиент температуры в жидкой фазе - C_т.

Расплав заливают в оболочковую форму с таким расчетом, чтобы перед ФК всегда сохранялся слой жидкой фазы толщиной δ 1^oC40 мм. Выбор толщины ( d ) осуществляется в зависимости от габаритных размеров отливки, типа сплава и т. д. а также с учетом необходимости поддерживания требуемого давления на ФК при смещении его к оси вращения.

Температуру заливаемого металла должна превышать температуру ликвидуса на 5^oC50^oC, а весовую скорость V_м заливки следует выдерживать в пределах 1^oC100 г/мин. Приведенные режимы назначают с учетом массы отливки, типа ЖС, скорости перемещения ФК и т.д.

Затравочную часть формы (контактирующую с плитой охлаждения) заполняют расплавом при температуре термостатирования, т.е. при Т_ф=Т_л+(3^oC10^oC). С момента поступления в форму дозы жидкого металла в зоне, над свободной поверхностью залитой дозы расплава, повышают температуру нагрева над температурой термостатирования еще на 5^oC50^oC, сохраняя эту величину перегрева до поступления в эту зону новой дозы жидкого металла. Ширину зоны подогрева следует назначать на 3^oC5 мм больше толщины слоя расплава, поступающего в форму со следующей дозой. Величина подогрева формы зависит от положения ФК относительно оси вращения, требуемых градиентов температур и давлений и ее следует изменять по длине отливки. С поступлением в форму каждой последующей дозы подогрева в зоне заполнения прекращают, а новую часть формы, т.е. зону над свободной поверхностью нового залитого слоя подогревают в пределах указанного выше диапазона температуры. Такую смену зон охлаждения и подогрева продолжают до заполнения всей формы.

Временные промежутки заполнением соседних фон формы дозами металла зависят от основы ЖС, скорости кристаллизации, величин градиентов G_т и G_д. До сих пор не разработано устройств и способов, позволяющих осуществлять активный контроль за положением ФК в теле отливки. Следует учитывать, что оптимальные скорости кристаллизации ЖС с различной основой отличаются достаточно существенно, поэтому время перемещения ФК в отдельных отливках может быть установлено только опытным путем. Опытным же путем определяют время подачи очередной дозы расплава.

Термодинамическое состояние формы и металла дополняется воздействием силового поля, создающего центробежное давление столба жидкой фазы на ФК, что позволяет рассматривать из совместное влияние на рост направленной структуры.

Величина этого центробежного давления может быть различной, ее величину возможно оценить через гравитационный коэффициент K, как известно, равный:
где
g ускорение земного притяжения, использую для этого математическое выражение (1), заменив в нем ω²r_ср на кд:
P_ц= Kρ•gh
Для практических целей при изготовлении отливок из ЖС гравитационный коэффициент следует назначать в пределах 4^oC10, достигаемый за счет последовательного увеличения угловой скорости вращения формы. При заполнении очередной зоны формы дозой расплава, угловую скорость вращения формы ( ω ) не изменяют. Однако, в этот момент перед ФК увеличивается столб (слой), что будет приводить к росту центробежного давления (см. 1). В промежутках времени между заливками оптимальную величину P_ц следует поддерживать набором оборотов формы.

В производственных условиях заявленный способ не был апробирован в виду отсутствия необходимого оборудования. Более того, по материалам заявки разработано техническое задание на специальную установку. Однако в лабораторных условиях проведено моделирование процесса дозового заполнения форм и экспериментальная проверка технической сути заявленного способа, известного из формулы изобретения. Были получены положительные результаты.

Источники информации
1. "Matels and materials", 1985j, v. 1, N 1, p.602-604, 606.

2. Авторское свидетельство СССР N 132614, кл. C 30 B 11/00, 1960.

3. Авторское свидетельство N 132613, кл. C 30 B 11/00, 1960.

4. Авторское свидетельство N 863171, кл. B 22 D 27/04, 1979.

5. Авторское свидетельство N 1069942, кл. B 22 D 27/04, 1981.

6. Авторское свидетельство N 1424964, кл. B 22 D 27/04, 1985.

Изобретение относится к литейному производству, а именно к центробежному литью сложнопрофильных деталей из жаропрочных сплавов. Сущность изобретения: способ включает заливку расплава во вращаемую форму, нагретую до температуры выше ликвидуса, и последовательное увеличение угловой скорости ее вращения, форму нагревают на 3-10^oC выше ликвидуса и с торца охлаждают, заливку расплава производят дозами с временными интервалами, при этом зоны формы над свободными поверхностями залитого расплава, смещаемые к оси вращения, дополнительно подогревают до поступления новой дозы, после чего нагрев прекращают, а угловую скорость вращения формы увеличивают после заливки очередной дозы, при этом каждую зону формы дополнительно подогревают до температуры, превышающей температуры предварительного нагрева на 5-50^oC. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ центробежного литья сложнопрофильных деталей с направленно ориентированной структурой, включающий заливку расплава во вращаемую форму, нагретую до температуры, превышающей температуру ликвидуса, и последовательное увеличение угловой скорости ее вращения, отличающийся тем, что форму нагревают на 3 10^oС выше температуры ликвидуса и с торца охлаждают, заливку расплава производят дозами с временными интервалами, при этом зоны формы над свободными поверхностями залитого расплава, смещаемые к оси вращения, дополнительно подогревают до поступления новой дозы и после ее заполнения расплавом нагрев прекращает, а угловую скорость вращения формы увеличивают после заливки очередной дозы. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что каждую зону формы дополнительно подогревают до температуры, превышающей температуру предварительного нагрева на 5 50^oС.