СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК С НАПРАВЛЕННОЙ И МОНОКРИСТАЛЬНОЙ СТРУКТУРОЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК B22D27/04 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при получении отливок с направленной и монокристальной структурой из жаропрочных сплавов, в частности отливок турбинных лопаток газотурбинных двигателей и установок.

Известны способ и устройство для получения отливок из жаропрочных сплавов с однонаправленной и монокристальной структурой, в которых литейная форма с расплавом, установленная на водоохлаждаемом холодильнике, вытягивается из нагревателя через нижний срез последнего. Направленная кристаллизация осуществляется за счет радиационного охлаждения вышедшей из нагревателя части формы (пат. США 3260505). Недостатком этого способа является невозможность получения достаточно высокого уровня аксиального температурного градиента G_z, который составляет для крупных отливок турбинных лопаток всего ≈2^oС/мм, поскольку интенсивность радиационного теплоотвода от формы невелика. Расположенные под нагревателем экраны недостаточно эффективны для значительного повышения градиента.

В результате, на отливках появляются ростовые дефекты в виде полос струйчатой ликвации, которые представляют собой цепочки равноосных зерен, обогащенных выделениями эвтектических фаз. Эти полосы образуются вследствие конвективных потоков, возникающих в жидко-твердой зоне растущей отливки, когда более легкий расплав в нижней части этой зоны как бы всплывает в направлении ее верха. Наличие таких дефектов является браковочным признаком отливок лопаток. Кроме того, конвективные потоки в жидко-твердой зоне вызывают появление в структуре блочности и отдельных посторонних кристаллов.

Известны также способ и устройство для получения монокристаллов жаропрочных сплавов, обеспечивающие получение высокого градиента G_z, а значит и устранение полос струйчатой ликвации, за счет увеличения интенсивности теплоотвода от литейной формы. Это достигается охлаждением ее путем погружения в расплав легкоплавкого металла, например олова.

Устройство включает камеру подогрева с нагревателем, керамическую форму и систему ее подвески, камеру охлаждения с емкостью, наполненной жидкометаллическим охладителем (патент США 3763926).

Дефекты типа струйчатой ликвации при этом практически полностью отсутствуют, однако применение данного способа требует использования большого количества расплавленного охладителя. При этом усложняется конструкция установки, так как под нагревателем необходимо размещать большую емкость для жидкометаллического охладителя, в которой необходимо поддерживать определенную температуру. Кроме того, для крупногабаритных отливок требуется сложная система подвески литейного блока в нагревателе, которая разгружает керамику от растягивающих напряжений, вызванных весом залитого в форму металла.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и назначению является способ получения отливок с направленной и монокристальной структурой, включающий нагрев керамической формы до температуры выше температуры ликвидуса сплава в камере подогрева, заливку сплава в керамическую форму через отдельный стояк, соединенный снизу литниковым ходом с нижней частью керамической формы, и последующую направленную кристаллизацию в направлении, противоположном направлению действия силы тяжести (патент США 3752221).

Однако в известном способе направленная кристаллизация осуществляется путем снижения температуры на отдельных секциях многосекционного нагревателя, что резко снижает ростовые температурные градиенты и скорость кристаллизации. Из-за того, что кристаллизация идет сверху вниз, полосы струйчатой ликвации на отливке не образуются, однако структура материала (размер дендритов, эвтектических выделений) резко огрубляется, что негативно сказывается на прочностных свойствах отливок. Кроме того, разность высот расплавленного металла в стояке и в отливке создают путем использования отдельного дополнительного нагревателя, собственно стояка, что значительно удорожает способ за счет усложнения конструкции установки. Также к усложнению конструкции ведет применение узла зарождения монокристальной структуры, представляющего собой несколько водоохлаждаемых холодильников, установленных на верхнем торце каждой формы.

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство для получения отливок с направленной и монокристальной структурой (патент США 5921310), которое содержит вакуумную камеру с размещенными в ней камерой подогрева с нагревателем, керамической формой, камерой охлаждения, кольцевым экраном, отделяющим камеру подогрева от камеры охлаждения, соплами для подвода и отвода охлаждающего инертного газа и механизм перемещения керамической формы. При этом камера подогрева размещена в верхней части вакуумной камеры, камера охлаждения расположена в ее нижней части, а сопла для подвода и отвода инертного газа - под кольцевым экраном.

Обдувка инертным газом позволяет значительно увеличить интенсивность теплоотвода от литейной формы и, соответственно, увеличить аксиальный температурный градиент G_z. Однако полностью исключить появление полос струйчатой ликвации с использованием данного технического решения не удается, так как струя газа, попадая на поверхность формы, одновременно попадает и внутрь нагревателя. Поскольку последний нагрет до температуры 1550-1600^oС, возникают сильные конвективные потоки, охлаждающие его нижнюю часть и саму форму в зоне ее нагрева. В результате величина Gz падает, что приводит к возникновению на отливе дефектов в виде полос струйчатой ликвации и посторонних кристаллов.

Технической задачей предлагаемого изобретения является получение качественных отливок из жаропрочных сплавов с направленной и монокристальной структурой, в которых отсутствуют такие дефекты, как полосы струйчатой ликвации и посторонние кристаллы.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения отливок с направленной и монокристальной структурой, включающем нагрев керамической формы до температуры выше температуры ликвидуса сплава в камере подогрева, заливку сплава в керамическую форму через отдельный стояк, соединенный снизу литниковым ходом с нижней частью керамической формы, и последующую направленную кристаллизацию в направлении, противоположном направлению действия силы тяжести, направленную кристаллизацию осуществляют в процессе перемещения керамической формы через верх камеры подогрева и кольцевой экран в зону охлаждения, а для создания разности интенсивности теплоотвода от формы и стояка на стояк наносят дополнительный теплоизолирующий слой. В процессе перемещения керамической формы через камеру подогрева и кольцевой экран в зону охлаждения осуществляют обдув керамической формы потоком инертного газа. Кроме того, в верхней части керамической формы размещают монокристальную затравку.

Поставленная задача решается также тем, что устройство для получения отливок с направленной и монокристальной структурой, содержащее вакуумную камеру с размещенными в ней керамической формой, камерой подогрева керамической формы с нагревателем, камерой охлаждения с расположенными в ней соплами для подвода и отвода охлаждающего газа, кольцевой экран, разделяющий камеру подогрева и камеру охлаждения, механизм перемещения керамической формы из камеры подогрева в камеру охлаждения, снабжено стояком, соединенным снизу литниковым ходом с нижней частью керамической формы, при этом верхняя часть формы закрыта, кольцевой экран и камера охлаждения расположены в верхней части вакуумной камеры, а камера подогрева - в нижней части вакуумной камеры. Кроме того, сопла, подводящие охлаждающий инертный газ, расположены в нижней части камеры охлаждения и имеют конфигурацию, охватывающую каждую керамическую форму, а сопла, отводящие охлаждающий инертный газ, расположены непосредственно над подводящими соплами.

Предлагаемые способ и устройство позволяют получать отливки с монокристальной и направленной структурой без дефектов типа полос струйчатой ликвации и посторонних кристаллов.

Существенным отличием предлагаемого способа является то, что направленная кристаллизация осуществляется при перемещении формы из камеры подогрева в расположенную над ней камеру охлаждения, то есть в направлении, противоположном действию силы тяжести. Это позволяет полностью исключить возникновение конвективных потоков в жидко-твердой зоне отливки, а значит полностью исключает образование полос струйчатой ликвации независимо от величины аксиального градиента G_z. Для обеспечения питания кристаллизующейся части отливки на фронте роста создается металлостатическое давление, возникающее из-за разности уровней расплава, который в стояке, соединенном с низом формы, на 20-150 мм выше, чем в самой форме. При разности уровней менее 20 мм в отливке может возникнуть рыхлота из-за ее недостаточного питания при кристаллизации. Разность уровней 20-150 мм обеспечивает получение отливок без рыхлоты. Выше 150 мм разницу в уровнях поднимать нецелесообразно, так как неоправданно возрастает высота стояка, а значит и габариты литейного блока, а питание отливки практически не меняется.

Чтобы поддерживать эту разницу в уровнях в процессе направленной кристаллизации создают разность в интенсивности теплоотвода от стояка и от формы, соответственно от стояка меньше, а от формы больше. Это достигается двумя путями:
первый - на стояк наносят дополнительный слой теплоизоляции в виде пористой керамики толщиной 10-40 мм. Толщина пористой керамики в указанных пределах обеспечивает уменьшение теплоотдачи от стояка по сравнению с формой, что позволяет получить разность уровней расплава в них от 20 до 150 мм.

второй - увеличивают интенсивность охлаждения формы за счет обдува ее струей инертного газа. При этом каждая форма в блоке (за исключением стояка) обдувается газом через сопло, имеющее конфигурацию с возможностью охвата каждой формы в отдельности.

Расположение подающих сопел над верхним срезом нагревателя препятствует возникновению конвективных потоков газа внутри последнего, поскольку газ, нагреваясь, поднимается вверх и попадает в отводящие его сопла.

На чертеже показан общий вид устройства для получения отливок с направленной и монокристальной структурой, где
1 - вакуумная камера;
2 - камера охлаждения;
3 - стояк для заливки расплава;
4 - слой теплоизоляции(пористой керамики) на стояке;
5 - монокристальная затравка;
6 - керамическая форма;
7 - сопло, отводящее инертный газ;
8 - сопло, подводящее охлаждающий инертный газ;
9 - камера подогрева;
10 - кольцевой экран;
11 - нагреватель;
12 - подставка механизма перемещения формы.

В нижней части вакуумной камеры 1 расположена камера подогрева 9, а над ней - камера охлаждения 2, разделенные кольцевым экраном 10. В камере подогрева 9 в нагревателе 11 установки направленной кристаллизации на подставке механизма перемещения 12 установлена керамическая литейная форма с расплавом 6. Металл в форму заливается через стояк 3, покрытый теплоизолирующим слоем 4, выполненным из пористой керамики. После заливки металла производится направленная кристаллизация при перемещении (вытягивании) формы 6 вверх в камеру охлаждения 2. Выходящий из нагревателя 11 конец формы дополнительно охлаждается струей инертного газа (аргона), подающегося из кольцевого сопла 8, расположенного над кольцевым экраном 10. Поданный газ после охлаждения поверхности формы 4 попадает в отводящее сопло кольцевой формы 7, соединенной с системой откачки. За счет разности интенсивности теплоотвода от стояка 3 и формы 6 в последних создается разность высоты уровня металла ΔН, обеспечивающая питание кристаллизующейся части отливки в течение всего процесса направленной кристаллизации.

Для получения монокристальных отливок заданной кристаллографической ориентации в верхнем закрытом торце керамической формы 6 размещена затравка 5.

Проведение процесса направленной кристаллизации по предлагаемому способу позволяет полностью исключить появление на отливках такого дефекта, как полосы струйчатой ликвации, уменьшить вероятность появления посторонних кристаллов и повысить структурное совершенство монокристальных отливок.

Пример.

Изобретение проверялось при отливке плоских прямоугольных образцов с однонаправленной и монокристальной структурой размером 15х30х100 мм. Керамические литейные формы изготовливались из керамики на основе электрокорунда методом выплавляемых моделей. В центральной части блока выполнялся стояк диаметром 15 мм. Блоки изготовливались двух типов: - с высотой стояка, превышающей высоту формы в одном случае на 20 мм, а в другом - на 150 мм. При этом на стояки меньшей высоты при изготовлении литейных блоков накладывался слой теплоизоляции из пористой керамики толщиной 10 мм, а стояки большей высоты - 40 мм. В каждом блоке две формы были снабжены затравочными полостями для установки монокристальных затравок. После удаления модельной массы блоки форм обжигались на воздухе при температуре 1000^oС.

Экспериментальные плавки проводились на установке направленной кристаллизации ВИАМ 1604. Охлаждающий инертный газ - аргон - подавался на формы через четыре кольцевых сопла, установленных над верхним срезом нагревателя. Над ними были установлены сопла аналогичной конфигурации для отвода инертного газа, которые соединялись с системой вакуумной откачки.

Для получения отливок с монокристальной структурой [001] в затравочные полости форм устанавливались затравки из сплава никель - 30% вольфрама той же ориентации. При получении отливок с однонаправленной структурой затравки не использовались.

Плавки проводились по следующему режиму: Т_{нагре вагеля}= 1570^+20 oС, Т_{заливкимет.}= 1550^+10 oС скорость вытягивания формы из нагревателя - 5 мм/мин. В качестве сплава для отливок был выбран ЖС36С с добавкой 0.05% углерода, поскольку этот сплав наиболее склонен к образованию полос струйчатой ликвации. Для сравнения на этом же сплаве были получены отливки с монокристалической структурой по способу, принятому за прототип.

Полученные отливки контролировались визуально после травления в смеси азотной и плавиковой кислот. Контроль ориентации полученных монокристальных отливок проводился рентгеноструктурным методом на дифрактометре ДРОН-3.

Результат контроля ростовой структуры показал, что на всех полученных отливках по предлагаемому способу полностью отсутствовали дефекты в виде полос струйчатой ликвации. Монокристальные отливки, кроме того, не имели посторонних кристаллов, ориентация их соответствовала [001] с точностью до 5-7^o. Выход годного составил 95-100%. В то время как отливки, полученные по известному способу, имели дефекты в виде полос струйчатой ликвации и посторонние кристаллы с ориентацией, не соответствующей [001] более 30%. Выход годного составлял 50%.

Предлагаемые способ и устройство позволяют получать отливки с направленной и монокристальной структурой, в частности турбинные лопатки газотурбинных двигателей и установок, без дефекта "полосы струйчатой ликвации". Это особенно важно при получении крупногабаритных отливок лопаток, а также отливок из ренийсодержащих жаропрочных сплавов, поскольку в том и другом случае вероятность появления данного дефекта при обычной направленной кристаллизации резко возрастает.

Изобретение может быть использовано для получения отливок из жаропрочных сплавов, в частности отливок турбинных лопаток газотурбинных двигателей и установок. Устройство содержит вакуумную камеру с камерой подогрева, камерой охлаждения и разделяющим их кольцевым экраном. Экран и камера охлаждения расположены в верхней части вакуумной камеры, а камера подогрева - в нижней части. Заливку расплава в керамическую форму ведут через стояк, соединенный с нижней частью формы литниковым ходом. Направленную кристаллизацию осуществляют при перемещении керамической формы из камеры нагрева в камеру охлаждения против силы тяжести. В результате исключаются конвективные потоки в жидко-твердой зоне отливки. Качество отливки повышается за счет исключения образования полос струйной ликвации. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения отливок с направленной и монокристальной структурой, включающий нагрев керамической формы до температуры выше температуры ликвидуса сплава в камере подогрева, заливку сплава в керамическую форму через отдельный стояк, соединенный снизу литниковым ходом с нижней частью керамической формы и последующую направленную кристаллизацию в направлении, противоположном направлению действия силы тяжести, отличающийся тем, что направленную кристаллизацию осуществляют в процессе перемещения керамической формы через верх камеры подогрева и кольцевой экран в зону охлаждения, а для создания разности интенсивности теплоотвода от формы и стояка, на стояк наносят дополнительный теплоизолирующий слой. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе перемещения керамической формы через камеру подогрева и кольцевой экран в зону охлаждения осуществляют обдув керамической формы потоком инертного газа. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для получения монокристальной структуры в отливке, в верхней части керамической формы размещают монокристальную затравку. 4. Устройство для получения отливок с направленной и монокристальной структурой, содержащее вакуумную камеру с размещенными в ней керамической формой, камерой подогрева керамической формы с нагревателем, камерой охлаждения с расположенными в ней соплами для подвода и отвода охлаждающего инертного газа, кольцевой экран, разделяющий камеру подогрева и камеру охлаждения, механизм перемещения керамической формы из камеры подогрева в камеру охлаждения, отличающееся тем, что устройство снабжено стояком, соединенным снизу литниковым ходом с нижней частью керамической формы, при этом верхняя часть формы закрыта, кольцевой экран и камера охлаждения расположены в верхней части вакуумной камеры, а камера подогрева - в нижней части вакуумной камеры. 5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что сопла, подводящие охлаждающий инертный газ, расположены в нижней части камеры охлаждения и имеют конфигурацию, охватывающую каждую керамическую форму, а сопла, отводящие охлаждающий инертный газ, расположены непосредственно над подводящими соплами.