СПОСОБ ЛИТЬЯ НАПРАВЛЕННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ ОТЛИВОК И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК B22D27/04 

Изобретение относится к области металлургии при литье по выплавляемым моделям и может быть использовано при литье точных заготовок деталей ответственного назначения в производстве газотурбинных лопаток (ГТД), преимущественно для литья охлаждаемых лопаток с моно- и поликристаллической структурой, а также заготовок силовых деталей с плотной, герметичной структурой, например деталей шасси.

При направленной кристаллизации, в зависимости от величины температурного градиента (G_L, град/мм) в жидкой фазе на фронте кристаллизации отливки, а также от природы используемого сплава (интервала кристаллизации) структура сплава отливки может быть строго односторонне направленной в виде монокристалла или ряда столбчатых кристаллов, или ряда ориентированных поликристаллов, текстурированных в направлении кристаллизации, повышенной плотности. Величина G_L определяет скорость кристаллизации (R, мм/мин), параметры и свойства макро- и микроструктуры отливки.

Управляя температурным градиентом (G_L), можно формировать структуру в литой детали в соответствии с требованиями условий ее работы и напряжений, возникающих в ней. Важно иметь способ управления G_L в жидкой фазе, контактирующей с фронтом кристаллизации отливки.

Известные способы направленной кристаллизации, осуществляющиеся по нескольким схемам, основанным на принципе Стокбаргера /1/, в частности отвод тепла на охлаждаемый поддон (кристаллизатор); погружением формы с расплавом в жидкий металлический или другой теплоноситель; обдувка формы с расплавом направленной высокоскоростной струей инертного газа /2/; погружение формы с расплавом в псевдоожиженную среду /3/, состоящую из высокотеплопроводной металлической или неметаллической твердой фазы в виде сыпучих материалов регулируемой гранулометрии, например гранулы алюминия в инертных газах (Ar, Не).

Перечисленные способы односторонне направленного отвода тепла, используемые при направленной кристаллизации лопаток ГТД, имеют неодинаковые возможности в части управления структурой и свойствами сплава в отливке.

Способ отвода тепла от расплава в литейной форме на охлаждаемый поддон (кристаллизатор), как и более эффективный отвод тепла при погружении формы с расплавом в жидкий металлический теплоноситель (алюминий, олово), имеют ряд недостатков.

Главный среди них - ограниченные возможности управления процессом теплообмена между охладителем и охлаждаемой формой с расплавом.

При донном отводе тепла от отливки (сплава в литейной форме) к охлаждаемому кристаллизатору, по мере наращивания твердой фазы в отливке увеличивается сопротивление теплоотводу. падает температурный градиент G_L, уменьшается скорость кристаллизации (скорость опускания кристаллизатора), увеличивается вероятность нарушения кристаллографической ориентации в структуре сплава и вероятность образования новых "паразитных" литых зерен, называемых в практике "веснушками". Необходимость уменьшения скорости кристаллизации приводит к падению производительности процесса литья.

Оптимизировать программу изменения скорости опускания кристаллизатора можно опытным путем, с перестраховкой в сторону ее уменьшения, но не управлять ею от систем управления.

При охлаждении формы с расплавом способом погружения ее в жидкометаллический теплоноситель теплоотвод от формы значительно выше, чем при охлаждении от донного кристаллизатора. Однако эффективно управлять отводом тепла от расплава в форме в жидкий теплоноситель, по мере повышения температуры теплоносителя и теплового сопротивления твердой отливки в форме путем охлаждения теплоносителя, представляется трудной задачей из-за высокой тепловой инерции жидкометаллического теплоносителя.

Использование в качестве жидкометаллических теплоносителей расплавов Аl и Sn сопряжено с производственными трудностями: их загрязнением и потерей, их заменой, особенно по причине нарушения энергетического режима, когда приходится охлаждать систему.

Из вышеперечисленных способов отвода тепла при направленной кристаллизации отливок ближайшим аналогом заявляемому является описанный в патенте США /3/ способ, при котором охлаждающей средой является псевдоожиженный теплоноситель, состоящий из твердой фазы - частиц керамики Аl₂О₃, имеющих высокую химическую инертность к расплаву в литейной форме, витающих в атмосфере инертного газа (Аr, Не).

Описанное в данном патенте устройство для направленной кристаллизации отливок содержит вакуумную камеру с вентилем для подачи в нее инертного газа, печь для нагрева литейной формы со сплавом, водо-охлаждаемую металлическую плиту, систему транспортирования литейной формы из печи нагрева в камеру кристаллизации с псевдоожиженным охладителем, генератор псевдоожиженного охладителя. Это устройство является наиболее близким аналогом к заявленному.

В известное способе литейная форма с расплавом размещается в печи подогрева формы, расположенной над кристаллизационной камерой. После термостатирования форма на кристаллизаторе опускается в псевдоожиженный наполнитель кристаллизационной камеры. Авторы патента рекомендуют регулирование температуры псевдоожиженного теплоносителя осуществлять посредством змеевика, расположенного на поверхности камеры кристаллизации. Генерируемый в этих условиях теплообмена псевдоожиженный теплоноситель имеет повышенную тепловую инерцию из-за сложного тепломассообмена в многослойной теплопроводящей среде от расплава в литейной форме к охладителю (охлаждающая вода - стенки змеевика и корпуса кристаллизатора - стенка литейной формы с расплавом). Тормозит теплоотвод от формы к охладителю пристеночный слой теплоносителя, непосредственно примыкающий к литейной форме.

Погружение в псевдоожиженный охладитель литейной формы, расположенной на металлическом водоохлаждаемом кристаллизаторе, экранирующим снизу форму от восходящего потока охладителя, препятствует смыву слоя охладителя, непосредственно примыкающего к стенке литейной формы. Наличие донного кристаллизатора на маршруте восходящего потока псевдоожиженного охладителя препятствует равномерному распределению охладителя по сечению кристаллизационной камеры и в сечениях между стенками камеры и литейной формы.

Как показано выше, система охлаждения при этом способе теплоотвода является значительно менее инерционной в части управления температурным градиентом. Однако при направленной кристаллизации и направленном затвердевании отливки в сравнении с двумя описанными выше способами и она имеет нереализованные возможности управления отводом тепла от кристаллизующейся отливки к псевдоожиженному охладителю.

Предлагаемое изобретение на способ литья направленного затвердевания и направленной кристаллизации отливок и устройство для его осуществления преследуют решение двух главных задач:
- повышение эффективности управления отводом тепла от расплава в литейной форме к охладителю и, таким образом, улучшить управление температурным градиентом G_L в приграничном слое к фронту кристаллизации отливки, при повышении и стабилизации G_L со всеми вытекающими от этого положительными последствиями;
- создание устройства для направленной кристаллизации и направленного затвердевания отливок, удовлетворяющего требованиям повышения эффективного управления величиной G_L по заявляемой технологии и условиям эксплуатации оборудования.

Поставленная задача решается тем, что в способе литья направленной кристаллизацией отливок по выплавляемым моделям в вакууме в контролируемой атмосфере инертного газа, включающем расположение формы в печи подогрева, заливку расплава в форму, отвод тепла в начальный период затвердевания отливки через охлаждаемый металлический кристаллизатор, погружение формы на выходе из печи в псевдоожиженный инертным газом охладитель, после формирования стартовой кристаллической структуры отливки металлический кристаллизатор удаляют из-под формы, а погружение формы в псевдоожиженный охладитель осуществляют в подвешенном состоянии при одновременном вращении ее вокруг вертикальной оси с заданной постоянной или переменной скоростью, при этом температуру псевдоожиженного охладителя изменяют путем изменения температуры подаваемого инертного газа, давления его и состава псевдоожиженного охладителя.

Поставленная задача решается также тем, что в устройстве для направленной кристаллизации отливок, содержащем вакуумную камеру с вентилем для подачи в нее инертного газа, печь для нагрева литейной формы со сплавом, водоохлаждаемую металлическую плиту, систему транспортирования литейной формы из печи нагрева в камеру кристаллизации с псевдоожиженным охладителем, генератор псевдоожиженного охладителя, водоохлаждаемая металлическая плита выполнена с возможностью перемещения в горизонтальном направлении для удаления ее от литейной формы, а система транспортирования - с возможностью осуществления перемещения формы в подвешенном состоянии и вращения формы вокруг вертикальной оси.

На фиг. 1 представлено схематично устройство для направленной кристаллизации на стартовом этапе процесса; на фиг.2 -то же, на завершающем этапе.

Кристаллизационное устройство представляет собой герметичную камеру с системой вакуумирования, с клапанами напуска и сброса инертного газа и воздуха.

Камера разделена водоохлаждаемым кристаллизатором А на верхнюю и нижнюю части. В верхней располагается печь шахтного типа 3 для нагрева и термостатирования литейной формы 1 со сплавом, закрепленной на транспортной штанге 2. Штанга через вакуумное охлаждаемое уплотнение выведена вне камеры к приводу вертикального перемещения (вверх-вниз) и вращения формы вокруг своей оси.

Нижняя часть камеры с псевдоожиженным охладителем 5 является камерой кристаллизации 8 отливки. В ней также размещены генератор 6 псевдоожиженного охладителя, ложное дно 7, коллектор 9 вывода аргона, вентиль 10.

Генератор псевдоожиженного охладителя представлен ложным дном 7 в виде распределительной решетки и объемом под ней, сообщающимся с вентилем 10, через который поступает газовая фаза охладителя. Ложное дно служит опорой для твердой фазы охладителя. Поступая под твердую фазу, газовая фаза распределяет охладитель в кристаллизационной камере над ложным дном, генерируя его псевдоожиженное состояние.

Газообразная фаза охладителя удаляется из кристаллизационной камеры через кольцевой коллектор 9 в автономную оборотную систему ее регенерации.

Система регенерации расположена вне кристаллизационной камеры. В ее функции входят: очистка газа от твердых включений, от воздуха и химически активных газов; управление температурой, давлением и расходом очищенного газа, возвращаемого через вентиль 10 в кристаллизационную камеру.

Предлагаемая в настоящей заявке на изобретение двухэтапная кристаллизация отливок с регламентированной направленной поли- и монокристаллической структурой, а также равноосной текстурированной плотной герметичной структурой отличается тем, что на первом этапе кристаллизации, называемой "стартовой", литейная форма (1) с затравочным кристаллом или без него, с открытым дном или без него, подвешивается на транспортной штанге (2), размещается в печи (3) подогрева и термостатирования формы (ППТФ), термостатируется при температуре, превышающей температуру ликвидус сплава в форме. Под дно формы подводится металлический охлаждаемый кристаллизатор (4), форма опускается на него и одновременно в форму заливается расплав, затем форма с расплавом выдерживается определенное время для начальной (стартовой) кристаллизации расплава, после этого кристаллизатор отводится из-под формы и форма опускается при вращении в псевдоожиженный охладитель 5, представляющий собой гранулы высокотеплопроводной твердой фазы, витающие в атмосфере инертного газа. Этот этап кристаллизации отливки является "рабочим", осуществляется в псевдоожиженном охладителе до завершения кристаллизации отливки и ее охлаждения в нем.

Изменение температуры псевдоожиженного теплоносителя с целью управления температурным градиентом в кристаллизирующейся отливке осуществляется посредством управления температурой инертного газа, подаваемого в кристаллизационную камеру из автономной системы его очистки и регенерации.

Таким образом, предлагаемый способ направленной кристаллизации осуществляется в два этапа, отличающиеся способами отвода тепла от кристаллизирующейся отливки в литейной форме и уровнем управления величиной G_L:
- первый этап - начальная (стартовая) кристаллизация на охлаждаемом металлическом поддоне - для формирования стартовой моно-, поликристаллической или столбчатой структуры отливки. Это короткий по времени этап, отвечающий за начальную ориентацию структуры кристаллов. Он характеризуется быстроизменяющимся температурным градиентом и скоростью кристаллизации вследствие изменяющегося теплового сопротивления в процессе наращивания донной твердой фазы отливки. В этой связи это этап процесса трудноуправляемый и по скорости затухающий;
- второй этап - кристаллизация отливки в отсутствии водоохлаждаемого поддона. Отвод тепла осуществляется только в псевдоожиженный охладитель, характеризуемый высокой теплопроводностью. Управление теплоотдачей происходит за счет регулирования температуры псевдоожиженного теплоносителя, имеющего низкую тепловую инерцию.

Эффективность предлагаемого способа и устройства, обеспечивающего управление отводом тепла от отливки к охладителю и типа охлаждения охладителя, характеризуются показателями, представленными в таблицах 1 и 2 (см. в конце описания).

Данные таблицы 1 свидетельствуют о заметном влиянии на параметры литой структуры отливки способа отвода тепла от расплава к псевдоожиженному охладителю, когда форма проходит через него на водоохлаждаемом кристаллизаторе и без него. Это влияние особенно заметно при использовании в псевдоожиженном охладителе гелия вместо аргона и использования вращения формы в охладителе. Не рассматривая отдельно величину этого влияния в зависимости от характера восходящего потока охладителя и типа охлаждения (от стенок охлаждаемой камеры или от изменения температуры инертного газа), можно однозначно утверждать, что эффект охлаждения увеличивается в среднем на 30...50% и более при использовании в качестве инертного газа гелия вместо аргона и вращения формы.

Уменьшение размера дендритной ячейки при использовании аргона в качестве охладителя псевдоожиженного теплоносителя свидетельствует о повышении отдачи тепла от формы со сплавом к теплоносителю.

Предлагаемый способ и устройство для направленной кристаллизации отливки характеризуется:
- экономичностью за счет сокращения безвозвратных потерь и возвращения в оборот материалов, используемых в составе охладителя;
- пониженными затратами электроэнергии на 30...50% в сравнении с охлаждением в жидкометаллическом теплоносителе;
- сокращением времени и трудозатрат на подготовку производства, обслуживание устройства, переналадку при изменении номенклатуры отливок;
- повышенной технической безопасностью.

Литература
1. Ч. Симе, В. Хатель. Жаропрочные сплавы. М., Металлургия, 1976, с. 469-477.

2. Патент ЕП 0749790 В1 от 23 августа 2000 г.

3. Патент США 4.573.516 от 4 марта 1976 г.

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при изготовлении литых заготовок охлаждаемых лопаток газотурбинных двигателей. Форму располагают в печи нагрева, заливают расплав и осуществляют кристаллизацию отливки путем отвода тепла от формы в два этапа. В начальный период затвердевания отливки отвод тепла от формы с расплавом осуществляют через донный охлаждаемый металлический кристаллизатор. После формирования стартовой структуры отливки металлический кристаллизатор удаляют из-под формы. На втором этапе форму погружают в кристаллизационную камеру с псевдоожиженным охладителем. Одновременно вращают форму вокруг вертикальной оси с заданной скоростью. При этом примыкающий к стенке формы слой охладителя смывается, обеспечивая равномерное распределение охладителя по сечению кристаллизационной камеры. Изобретение позволяет повысить интенсивность теплоотвода, увеличить эффективность управления отводом тепла, а также экономичность процесса. 2 с.п. ф-лы, 2 табл., 2 ил.,

1. Способ литья направленной кристаллизацией отливок по выплавляемым моделям в вакууме в контролируемой атмосфере инертного газа, включающий расположение формы в печи подогрева, заливку расплава в форму, отвод тепла в начальный период затвердевания отливки через охлаждаемый металлический кристаллизатор, погружение формы на выходе из печи в псевдоожиженный инертным газом охладитель, отличающийся тем, что после формирования стартовой кристаллической структуры отливки металлический кристаллизатор удаляют из-под формы, погружение формы в псевдоожиженный охладитель осуществляют в подвешенном состоянии при одновременном вращении ее вокруг вертикальной оси с заданной постоянной или переменной скоростью, при этом температуру псевдоожиженного охладителя изменяют путем изменения температуры подаваемого инертного газа, давления его и состава псевдоожиженного охладителя.2. Устройство для направленной кристаллизации отливок, содержащее вакуумную камеру с вентилем для подачи в нее инертного газа, печь для нагрева литейной формы со сплавом, водоохлаждаемую металлическую плиту, систему транспортирования литейной формы из печи нагрева в камеру кристаллизации с псевдоожиженным охладителем, генератор псевдоожиженного охладителя, отличающееся тем, что водоохлаждаемая металлическая плита выполнена с возможностью перемещения в горизонтальном направлении для удаления ее от литейной формы, а система транспортирования - с возможностью осуществления перемещения формы в подвешенном состоянии и вращения формы вокруг вертикальной оси.