СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК С НАПРАВЛЕННОЙ И МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ Российский патент 2000 года по МПК B22D27/04 

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при получении отливок с направленной и монокристаллической структурой из никелевых сплавов, в частности рабочих и сопловых лопаток ГТД и ГТУ.

Известны способы получения монокристальных отливок в вакууме из никелевых сплавов с заданной кристаллографической ориентацией (КГО) с использованием затравки из чистого никеля или из того же жаропрочного никелевого сплава, что и сплав отливки (патенты США N 3915761,НКИ 148-32; N 3939895, НКИ 164-60; N 4580163, НКИ 164-35; N 4469160, НКИ 164- 122.1; EP N 0126550, МКИ 0127552 и т.д.).

Для получения заданной ориентации в отливке монокристальную затравку, как правило, подплавляют и передача ориентации происходит через твердо-жидкую зону. При этом невысокие температуры плавления указанных сплавов (< 1450^oC), требующие охлаждения нижнего основания затравки, во избежание ее полного расплавления, например с помощью подвода холодильника, или расположения нижней части формы с затравкой вне горячей зоны печи, а также сложная система закрепления затравки в форме создают трудности при использовании указанных аналогов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ получения монокристальных отливок по патенту РФ N 2021877 (МКИ В 22 D 27/04), принятый нами за прототип. Согласно прототипу способ изготовления отливок с направленной и монокристаллической структурой включает размещение формы с затравкой в нагревателе, нагрев ее до технологической температуры, заполнение формы расплавом и извлечение отливки из зоны нагрева в зону охлаждения. Используют тугоплавкую затравку с температурой плавления на 20-170^oC выше температуры плавления жаропрочного сплава отливки, а форму нагревают до температуры 1430-1480^oC.

Авиационные лопатки имеют размеры от 70 мм до 350 мм, а лопатки ГТУ до 1030 мм. Если все формы своей нижней частью "привязаны" к нижней части нагревателя, то возникают дополнительные трудности с заполнением формы металлом в одной установке.

Согласно прототипу, для предотвращения расплавления затравки местоположение формы в нагревателе выбирают так, чтобы нижняя часть формы с затравкой была нагрета до 1400-1480^oC, т.е. форма оказывается жестко "привязана" к нижнему срезу нагревателя или делается сложная система экранирования. Низкие температуры в нижней части формы способствуют образованию окисной пленки на рабочей поверхности затравки. Для предотвращения этого на затравку предварительно наносят защитный слой (в специальной литейной форме).

Недостатками прототипа являются возможность полного расплавления затравки перегретым расплавом металла, что приводит к браку по макроструктуре, необходимость применения дополнительного защитного слоя от окисления рабочей поверхности затравки, невозможность повышения технологических температур процесса.

Поэтому применение затравок с температурой плавления, превышающей максимально возможные температуры на форме (>1550-1580^oC), существенно повысят стабильность и надежность процесса получения монокристаллических отливок.

Технической задачей изобретения является повышение надежности технологического процесса, повышение выхода годного по структуре за счет исключения возможного полного расплавления затравки при максимальных рабочих температурах процесса.

Для реализации технической задачи предлагается способ получения отливок с направленной и монокристаллической структурой, который включает размещение в полости литейной формы монокристаллической тугоплавкой затравки, нагрев формы до рабочей температуры, заливку расплава в полость литейной формы, направленную кристаллизацию расплава путем перемещения формы из зоны нагрева в зону охлаждения. Используют тугоплавкую затравку из никелевого сплава с температурой ликвидус на 180-260^oC выше температуры ликвидуса сплава отливки. Форму с затравкой нагревают до температуры на 20-100^oC ниже температуры ликвидус сплава затравки. Перемещение формы из зоны нагрева в зону охлаждения начинают одновременно с заливкой расплава в форму. Перемещение формы из зоны нагрева в зону охлаждения ведут с максимально возможной скоростью до момента достижения затравкой температуры ликвидус сплава отливки, а дальнейшее перемещение осуществляют с технологической скоростью в зависимости от способа охлаждения и поперечного сечения отливки. Заливку расплава в форму прекращают не позднее, чем фронт кристаллизации достигнет половины высоты отливки.

В качестве затравочного сплава предлагается использовать тугоплавкие сплавы с температурой ликвидус на 180- 260^oC выше температуры жаропрочного сплава отливки, что на 20-100^oC превышает максимальную возможную температуру нагрева форм в процессе.

Передача ориентации от затравки к изделию осуществляется за счет растворения торца затравки залитым на него расплавом, а не расплавлением части затравки, как в прототипе. Применение затравок из этих сплавав снимает опасность полного расплавления затравок независимо от местоположения формы в нагревателе, что существенно повышает надежность технологического процесса и снижает брак по макроструктуре, обеспечивает получение отливок, значительно отличающихся по габаритам в одной установке. Расположение затравочной части формы в высокотемпературной зоне нагревателя решает еще одну задачу: предохраняет рабочую поверхность от конденсации на ней соединений кремния и других окислов, которые препятствовали бы передаче ориентации от затравки к изделию. Следовательно, не требуется наносить дополнительные защитные слои на рабочий торец затравки.

Перемещение формы из зоны нагрева в зону охлаждения начинают одновременно с заливкой расплава в форму с максимальной скоростью до достижения затравкой положения, соответствующего температуре ликвидус сплава отливки. Дальнейшее перемещение осуществляют с технологически необходимой скоростью в зависимости от способа охлаждения (конвективное, радиационное и т.д.), поперечного сечения отливки и обеспечивают направленную кристаллизацию залитой части отливки. Заливку расплава прекращают не позднее, чем фронт кристаллизации достигнет половины высоты отливки. Увеличение указанного положения фронта кристаллизации по высоте отливки может привести к образованию структурных дефектов (разрушению дендритных ветвей, образованию новых центров кристаллизации и т.д.)
ПРИМЕР 1
Предлагаемый способ осуществлялся на установке УВНК-8П. Получали монокристаллические отливки из жаропрочного сплава ЖС-32 с температурой ликвидус 1390^oC. Для обеспечения заданной ориентации использовали тугоплавкие затравки из сплава с температурой ликвидус 1610^oC (что на 220^oC выше Тлик. сплава отливки). В качестве охладителя использовали A1 марки A99 с температурой 680-780^oC.

Процесс осуществлялся следующим образом. Два керамических блока по 6 рабочих лопаток ГТД (длиной 140 мм) с установленными в них монокристаллическими затравками помещали в печь подогрева форм (ППФ) установки и создавали вакуум. Исходное положение форм в нагревателе было на 100 мм выше нижнего среза нагревателя. В этом положении форму нагревали до температуры 1580^oC (на 30^oC ниже Тлик.сплава затравки). Нагрев осуществлялся со скоростью 30-50 ^oC/мин при полностью закрытом нижнем экране. После стабилизации температур нагревателей и формы расплавляли жаропрочный сплав и начинали заливку его в форму при Т=1580^oC с одновременным перемещением формы из зоны нагрева в охладитель. Формы опускали со скоростью 10 мм/мин до достижения положения затравки Т =1390^oC, а затем перемещение и погружение осуществляли со скоростью 10 мм/мин. При этом экран открывался по мере перемещения отливки в соответствии с заданной программой.

Заливку расплава в форму прекращали при достижении фронта кристаллизации (его положение определяли экспериментальным путем с помощью термометрирования) уровня 60-65 мм высоты отливки и продолжали направленную кристаллизацию отливок. С использованием предлагаемого способа было получено 10 монокристальных отливок лопаток из 12 залитых. Выход годного 75%.

ПРИМЕР 2
В установке УВНК-8П отливали рабочие лопатки ГТД, аналогичные примеру 1. В отличие от примера 1 для получения лопаток из сплава ЖС-32 с монокристальной структурой использовали тугоплавкие затравки с температурой ликвидус 1650^oC, что на 260^oC выше Тлик. сплава отливки. Заливку расплава осуществляли при температуре 1590^oC, при этом температура в нижней части формы была 1550^oC (на 100^oC ниже Тлик. сплава затравки).

По указанным режимам из 12 лопаток - 10 лопаток имели годную монокристальную структуру по всей высоте (выход годного составил -84%).

ПРИМЕР 3
Предлагаемым способом можно получать лопатки с направленной реграментированной структурой.

В отличие от примера 1 использовали широкохордную лопатку энергетической турбины длиной 270 мм с хордой 80 мм. Поскольку такие лопатки работают в условиях максимального нагружения кромок пера, то необходимо обеспечивать более высокую жаропрочность на входной и выходной кромках. Поэтому кромки лопатки изготавливали монокристальными, а среднюю часть пера - с направленной структурой. Для получения такой лопатки в стартовые полости керамической формы со стороны входной и выходной кромок устанавливали монокристаллические тугоплавкие затравки из сплава с температурой ликвидус 1540^oC (на 180^oC выше Тлик. сплава) с наиболее благоприятной КГО в осевом направлении вблизи угла [001] и азимутальном - вблизи [100], а в стартовую полость средней части пера, удлиненную по сравнению с кромками, - тугоплавкие вкладыши с равноосной структурой.

Подготовленные блоки форм по 2 лопатки на каждом помещали в ППФ установки УВНК-8П и проводили процесс аналогично примеру 1. Для заливки форм расплавляли никелевый коррозионно-стойкий сплав GTD-111 с Тлик.=1360^oC. Исходное положение форм в нагревателе было со стороны входной и выходной кромок на 30 мм выше нижнего среза нагревателя и на 30 мм ниже указанного уровня в средней удлиненной части пера. Температура на форме перед заливкой на уровне расположения тугоплавких затравок составляла 1520^oC (на 20^oC меньше Т лик. затравки). Металл расплавляли в индукторе и осуществляли заливку при температуре 1580^oC с одновременным началом перемещения формы из нагревателя с максимальной скоростью до достижения температуры ликвидус сплава отливки, а затем со скоростью 8 мм/мин. Заливку заканчивали при кристаллизации ~ 120- 130 мм по высоте отливки.

Полученные лопатки турбины имели монокристальные входную и выходную кромки с КГО, близкой к направлению 001, и столбчатую структуру в средней части пера отливки.

Предложенный способ литья с использованием тугоплавких затравок позволяет получать лопатки ГТД и ГТУ с направленной и монокристальной структурой, обеспечивает повышение надежности технологического процесса, повышение выхода годного по макроструктуре ~ на 10-15% за счет исключения возможного полного расплавления затравки при максимальных рабочих температурах процесса.

Изобретение может быть использовано при получении отливок с направленной и монокристаллической структурой из никелевых сплавов, в частности рабочих и сопловых лопаток ГТД и ГТУ. В полости литейной формы размещают монокристаллическую тугоплавкую затравку из никелевого сплава с температурой ликвидус на 180-260^oС выше температуры ликвидус сплава отливки. Нагревают форму с затравкой до температуры на 20-100^oC ниже температуры ликвидус сплава затравки. Заливают в форму расплав и одновременно перемещают форму из зоны нагрева в зону охлаждения. Перемещение осуществляют с максимально возможной скоростью до достижения затравкой температуры ликвидус. Дальнейшее перемещение осуществляют с технологической скоростью. Заливку расплава прекращают не позднее, чем фронт кристаллизации достигнет половины высоты отливки. Обеспечивается повышение надежности процесса, выхода годного по макроструктуре за счет исключения полного расплавления затравки при максимальных рабочих температурах процесса. 2 з.п.ф-лы.

1. Способ получения отливок с направленной и монокристаллической структурой, включающий размещение в полости литейной формы монокристаллической тугоплавкой затравки, нагрев литейной формы с затравкой до рабочей температуры, заливку расплава в полость литейной формы, направленную кристаллизацию путем перемещения формы из зоны нагрева в зону охлаждения, отличающийся тем, что тугоплавкая затравка выполнена из никелевого сплава с температурой ликвидус на 180 - 260^oC выше температуры ликвидус сплава отливки, нагрев литейной формы с затравкой осуществляют до температуры на 20 - 100^oC ниже температуры ликвидус сплава затравки, а перемещение литейной формы из зоны нагрева в зону охлаждения начинают одновременно с заливкой расплава в полость литейной формы. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перемещение формы из зоны нагрева в зону охлаждения ведут с максимально возможной скоростью до момента достижения затравкой температуры ликвидус сплава отливки, а дальнейшее перемещение осуществляют с технологической скоростью в зависимости от способа охлаждения и поперечного сечения отливки. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что заливку расплава в полость литейной формы прекращают не позднее, чем фронт кристаллизации достигнет половины высоты отливки.