СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ОТЛИВОК Российский патент 1998 года по МПК B22D27/04 

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при литье крупногабаритных монокристаллических лопаток газотурбинных установок различного назначения.

Известны способы получения монокристаллических отливок, включающие изготовление модели и керамической оболочковой формы, нагрев керамической формы, заполнение ее расплавом и направленную кристаллизацию отливки путем опускания формы с расплавом из зоны нагрева в зону охлаждения, в том числе и в жидкометаллический охладитель (пат. США N 3857436, 3915761, авт. св. СССР N 1061926, пат. РФ N 2010672 и др.)
Недостатком указанных технических решений является невозможность получения крупногабаритных лопаток с монокристаллической структурой.

Наиболее близким по технической сущности и назначению к заявляемому является способ получения протяженных отливок с направленной структурой, описанный в патенте РФ N 2021878, опубликованном в Б.И. N 20, 1994 г.

Способ по прототипу включает изготовление модели отливки, получение оболочковой керамической формы, содержащей затравочную, стартовую и рабочую зоны, нагрев ее на подвеске до заданной температуры, расплавление сплава, порционную заливку в оболочковую форму с затравкой и направленную кристаллизацию формы с расплавом путем опускания оболочковой формы из зоны нагрева в зону охлаждения.

Недостатком данного изобретения является то, что заливка расплава осуществляется непосредственно в керамическую форму, что приводит даже при наличии порционной заливки к возникновению больших турбулентных возмущений, приводящих к поломке растущих дендритных ветвей сплава и к появлению "паразитных" зерен.

Это снижает выход годного, особенно в протяженных и широкохордных отливках лопаток ГТУ. Кроме того, способ не позволяет получать отливки с монокристаллической структурой по всей высоте.

Технической задачей предлагаемого изобретения является получение бездефектных монокристаллических отливок за счет снижения турбулентности заливаемого расплава над фронтом кристаллизации; повышение надежности и долговечности оборудования и элементов подвески формы.

Поставленная задача достигается тем, что при изготовлении модели отливки с одной из ее боковых сторон устанавливают модель заливочного стояка, которая соединяется по всей высоте с моделью перемычками, расположенными под углом от 20 до 160^o к вертикальной оси стояка. Поперечное сечение перемычки выбирается в интервале 1-3 мм, исходя из того, чтобы они выполняли роль фильтров при заливки металла. При изготовлении модели также изготавливают модель каркаса для элементов подвесок, выполненного, например, в виде цилиндрических элементов с фланцами на торцах. После получения керамической оболочковой формы по серийной технологии, включающей стартовую, затравочную и рабочую части, внутри каркаса устанавливают все элементы подвески и заделывают торцы каркаса керамической суспензией. Элементы каркаса устанавливают выше стартовой части, располагают равномерно по всей высоте керамической формы. Керамическую форму на подвеске нагревают до заданной температуры, заливают ее расплавом на высоту 20 - 30%, начинают кристаллизацию путем опускания формы из зоны нагрева в зону охлаждения, одновременно продолжая заливать в форму расплав через неподвижную воронку, телескопически входящую в заливочный канал формы и закрепленную на верхнем экране установки.

При заливке двух блоков одновременно используется неподвижная воронка с двумя заливочными каналами для каждого заливочного стояка.

Заливка расплава в полость формы из стояка через каналы, расположенные под углом к горизонтальной плоскости, обеспечивает плавное движение расплава без турбулентных потоков, вызывающих появление и рост "паразитных" зерен в отливке. Кроме того, каналы малого размера позволяют исключить появление засоров в отливке без использования специальных керамических фильтров. При этом ни один элемент подвески не препятствует зарождению и росту монокристальной структуры от затравки в стартовой зоне отливки.

Элементы подвески, расположенные в керамическом каркасе, торцы которого закрыты керамикой, не взаимодействуют с материалом жидкометаллического охладителя и могут использоваться неоднократно.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1 и 2.

Фиг. 1 - схематическое изображение керамической формы:
1 - керамическая оболочковая форма,
2 - заливочный стояк,
3 - каналы малого поперечного сечения,
4 - неподвижная заливочная воронка,
5 - неподвижная воронка для заливки одновременно двух блоков лопаток (фиг. 1б),
6 - неподвижный экран установки.

Фиг. 2 - схематическое изображение модельного блока:
1 - модель отливки,
2 - модель каркаса,
3 - фланцы,
4 - стартовая часть
Пример осуществления изобретенияю
К модели крупногабаритной лопатки к одной из боковых сторон устанавливали заливочный стояк, который соединялся с полостью отливки по всей ее высоте 8 перемычками диаметром 2 мм, расположенными под углом 20^o к вертикальной оси стояка. Затем изготовили модель каркаса с фланцами на торцах для элементов подвесок.

После получения модели изготавливали керамическую оболочковую форму с затравкой по стандартной технологии, а прокаливали ее при 1250^oC в течение 4 часов. В остывшую форму, а именно во внутрь керамического каркаса, вставляли элементы молибденовой подвески и заделывали торцы керамической суспензией. Форму с подвеской размещали в нагревателе установки УВНК-8П, создавали вакуум 1•10^-3 мм рт.ст. Расплавляли жаропрочный сплав типа ЖС в индукционной печи и через неподвижную воронку, телескопически вставленную в заливочный стояк, заливали его в форму через наклонные каналы. При этом заливка осуществлялась в 2 этапа. Сначала заливали 20% сплава и начинали кристаллизацию путем опускания формы в охладитель со скоростью 10 мм/мин. После начала кристаллизации стартовой зоны продолжали заливку сплава в форму, продолжая перемещение формы из зоны нагрева в зону охлаждения. К моменту окончания заливки сплава форма опускалась из зоны нагрева в зону охлаждения на половину своей высоты. Форму с расплавом продолжали опускать до полного погружения ее в жидкометаллический охладитель. После окончания процесса кристаллизации и выключения печи подогрева форму извлекали из охладителя, закристаллизовавшуюся отливку освобождали от подвески и керамики и выявляли микроструктуру полученной отливки. Отливка высотой 450 мм была монокристаллической по всей высоте с ориентацией [001]. Керамическая форма в процессе направленной кристаллизации абсолютно не деформировалась. Элементы подвески были защищены от металла охладителя.

Аналогичные результаты были получены при заливке через каналы диаметром 3 мм, расположенные под углом 20^o.

При углах наклона каналов менее 20^o к вертикальной оси стояка в острых углах формы образуются тонкие внутренние слои керамики, разрушаемые расплавом и приводящие к засорам.

При диаметре каналов больше 3 мм они не выполняют роль фильтров. Возможно попадание в отливку крупных засоров. Каналы диаметром менее 1 мм трудно изготовить и сохранить их неразрушенными при получении керамической формы.

Таким образом, применение предлагаемого способа позволит получать крупногабаритные монокристаллические лопатки ГТУ требуемых геометрических размеров, многократно использовать элементы подвески формы при направленной кристаллизации, повысить выход годного больше 80%. Все это позволяет решить проблему создания крупногабаритных турбин энергетических установок большой мощности.

Изобретение используется при литье крупногабаритных монокристаллических лопаток газотурбинных установок различного назначения. Изготавливают модель, оболочковую форму и ведут заливку 20-30%-ного расплава в оболочковую форму через воронку, а дальнейшую заливку расплава производят одновременно с направленной кристаллизацией путем опускания оболочковой формы с расплавом из зоны нагрева в зону охлаждения. При этом модель заливочного стояка устанавливают при изготовлении модели отливки с одной из ее сторон и соединяют с полостью отливки перемычками, расположенными по всей ывсоте под углом от 20 до 160^o к вертикальной оси стояка с поперечным сечением 1-3 мм, а заливку осуществляют через неподвижную воронку, телескопически соединенную с заливочным стояком. По периметру отливки при изготовлении модели также размещают модель каркаса для элементов подвесок с фланцами на торцах. Изобретение позволяет решить проблему создания крупногабаритных турбин энергетических установок большой мощности. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

\ \ \1 1. Способ получения монокристаллических отливок, включающий изготовление модели отливки, получение оболочковой керамической формы с затравкой, стартовой и рабочей частями формы, нагрев ее на подвеске до заданной температуры, расплавление сплава, порционную заливку расплава в оболочковую форму с затравкой с одновременной направленной кристаллизацией путем опускания оболочковой формы с расплавом из зоны нагрева в зону охлаждения, отличающийся тем, что заливку расплава осуществляют через неподвижную воронку, телескопически соединенную с заливочным стояком, а опускание оболочковой формы начинают после заполнения ее 20% расплава, модель изготавливают вместе с моделью заливочного стояка, соединяя его по всей высоте с моделью отливки перемычками сечением 1 - 3 мм, расположенными к вертикальной оси стояка под углом 20 - 160<198>, и вместе с моделью каркаса для элементов подвесок с фланцами, причем модель каркаса располагают на верхней части модели, соответствующей рабочей части керамической формы. \\\2 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после установки элементов подвески в керамический каркас фланцы его заделывают керамической суспензией. \\\2 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при заливке одновременно двух керамических форм используют воронку с двумя заливочными каналами, телескопически входящими в заливочные стояки двух форм.