Способ получения монокристаллических отливок

 

Использование: в металлургии, а именно в области литья монокристаллических турбинных лопаток заданной кристаллографической ориентации из жаропрочных сплавов, преимущественно от тугоплавких затравок для повышения выхода годного по структуре, снижения энергозатрат, повышения надежности и времени эксплуатации литейного оборудования. Сущность изобретения: способ включает нагрев формы с затравкой с размещением их в постоянном по высоте температурном поле в области температур выше температуры ликвидус жаропрочного сплава, но ниже температуры ликвидус сплава затравки, заполнение формы расплавом, перемещение формы первоначально со скоростью 20 - 1000 мм/ мин в области постоянного и части переменного тепловых полей до положения затравки не ниже уровня изотермы ликвидус жаропрочного сплава. Дальнейшее перемещение и последующее погружение в жидкометаллический охладитель осуществляют со скоростью, обеспечивающей положение фронта кристаллизации над уровнем охладителя. Способ обеспечивает выход годного по структуре 90% , снижает рабочие температуры нагревателей на 100 - 160С, повышает в 3 - 5 раз срок эксплуатации нагревателей, экранов, систем контроля температур и установки в целом. Потребляемая мощность нагревателей снижается на 30% , повышается надежность работы керамических форм и стержней. 1 ил. , 1 табл.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при литье монокристаллических турбинных лопаток заданной кристаллографической ориентации из жаропрочных сплавов.

Известны способы получения монокристаллических отливок заданной ориентации, включающие нагрев керамической формы, заполнение формы расплавом и направленную кристаллизацию отливки от металлической затравки путем опускания формы с расплавом из зоны нагрева в зону охлаждения, в том числе в жидкометаллический охладитель (патент США N 3857436, кл. 164/60, приоритет СССР, N 3763926, кл. авт. св. СССР N 1330838, 839153, 863171 и др. ).

Наиболее близким к заявляемому является способ получения монокристаллических отливок из жаропрочных сплавов, изложенный в патенте США N 3915761, кл. 148-32, 1975.

Способ включает нагрев формы, укрепленной на плите, находящейся на поверхности жидкометаллического охладителя выше температуры ликвидус жаропрочного сплава за исключением ее части, непосредственно примыкающей к плите и размещением затравки в углублении плиты, заполнение формы расплавом и погружение в жидкометаллический охладитель со скоростью, обеспечивающей положение фронта кристаллизации над уровнем охладителя. Таким образом, при нагреве форма с затравкой находятся в переменном по высоте температурном поле с обеспечением температуры на затравке и ниже температуры ликвидус сплава затравки во избежание ее полного расплавления и невозможности передачи монокристаллической структуры.

Недостатком указанных способов, в том числе и прототипа, является невысокий выход годного по монокристальности из-за ненадежности обеспечения требуемой температуры затравки, расположенной в охлаждаемой плите. При этом указанный способ требует большой до 260^оС разницы температур в рабочей части полости формы и температуры затравок, что вызвано необходимостью сохранения затравки и подавления посторонних кристаллов на отливках. В этом случае (согласно прототипу) форма нагрета до 1565^оС, а следовательно, температура нагревателя должна быть на 100^оС выше и составлять 1665^оС. Это связано с повышенным расходом электроэнергии и снижением надежности работы керамических форм, стержней и литейного оборудования в целом.

В отечественной практике литья монокристаллов заданной кристаллографической ориентации широко используются тугоплавкие затравки (например, из сплавов системы N₁-W).

Цель изобретения - повышение выхода годного по структуре, снижение энергозатрат, повышение надежности и времени эксплуатации литейного оборудования.

Цель достигается тем, что в способе получения монокристаллических отливок из жаропрочных сплавов направленной кристаллизацией расплава, преимущественно с использованием тугоплавких затравок, включающем размещение формы с затравкой в нагревателе, имеющем участки с постоянным, в средней части и переменным, у торцов, температурными полями, нагрев формы выше температуры ликвидус жаропрочного сплава с расположением затравки в области температур ниже температуры ликвидуса сплава затравки, заполнение формы расплавом и погружение в жидкометаллический охладитель со скоростью, обеспечивающей положение фронта кристаллизации над уровнем охладителя. Согласно предложенному изобретению, форму с затравкой при нагреве располагают в области постоянного по высоте теплового поля в указанном интервале, а после заполнения формы расплавом до погружения в охладитель ее первоначально перемещают со скоростью 20-1000 мм/мин в области постоянного и части переменного по высоте тепловых полей до положения затравки не ниже уровня соответствующего изотерме ликвидус жаропрочного сплава, а дальнейшее перемещение осуществляют со скоростью погружения.

Отличительные признаки предложенного способа существенно отличают его от прототипа и других известных технических решений. Нагрев формы с затравкой осуществляют в зоне нагревателя с постоянным по высоте температурным полем, т. е. в зоне, не чувствительной к торцевым теплопотерям. Это позволяет обеспечить равномерный нагрев затравки и рабочих полостей, форм отливок при существенно меньших значениях температуры нагревателя по сравнению с прототипом температуры нагревателя снижена на 100 - 150^оС. Перемещение залитой расплавом формы из зоны нагрева с постоянным по высоте температурным полем вплоть до положения затравки на уровне изотермы ликвидус жаропрочного сплава со скоростью в указанных пределах подготавливает расплав к направленной кристаллизации с оптимальным размером структурных составляющих сплава. При более низких скоростях перемещения наблюдается огрубление структуры. Верхний предел скорости (1000 мм/мин) связан с большой инерционностью существующих систем перемещения, не обеспечивающих необходимую точность попадания в заданную точку теплового поля. Дальнейшее перемещение от указанного уровня со скоростью погружения, т. е. со скоростью, обеспечивающей положение фронта кристаллизации над уровнем охладителя, обеспечивает начальный этап кристаллизации, стабилизируя условия зарождения и роста монокристалла от затравки без образования паразитных зерен.

Такая организация процесса в целом и обеспечивает получение монокристаллических отливок с высоким выходом годного, снижение энергозатрат, повышение надежности процесса и времени эксплуатации оборудования.

П р и м е р. Предлагаемый способ осуществляется на установке УВНК-8П, принципиальная схема которой представлена на чертеже.

Устройство содержит верхнюю зону нагревателя 1, нижнюю зону нагревателя, жидкометаллический охладитель 3, литейную форму 4, затравку 5.

Тепловой зазор (Н) между охладителем и срезом нагревателя составляет 70 ± 5 мм. В качестве охладителя использовали алюминий марки А99 с температурой 680-780^оС. Получали монокристаллические отливки из жаропpочного сплава ЖС 32 с температурой ликвидус 1390^оС.

Для обеспечения заданной ориентации использовали затравки из сплава N_i-W с содержанием вольфрама 30 - 32% , диаметром 6-8 мм и высотой 2-3 мм. Температура ликвидус сплава затравки 1520^оС.

Процесс осуществлялся следующим образом. Два керамических блока по шесть лопаток в каждом с помощью молибденографитовой подвески закрепляли на каретке, с помощью приводов горизонтального перемещения каретку с формами передавали в рабочую камеру на направляющую, связанную с приводом вертикального перемещения. При этом в рабочей камере был создан вакуум 1.10^-3 мм рт. ст. После закрытия торцевой крышки нагревателя формы оказывались внутри графитового нагревателя, как указано на схеме (условно показана только одна лопатка).

Исходное положение формы в нагревателе было на 60-100 мм выше нулевой отметки, за которую условно принят уровень нижнего среза нижнего нагревателя. В этом положении форму нагревали до температуры на 100 ± 20^оС выше температуры ликвидус жаропрочного сплава, но на 5-30^оС ниже температуры ликвидус сплава затравки, т. е. температура формы с затравкой составляла 1460, 1480^оС. При этом температура верхней зоны нагревателя была равна температуре нижней зоны и составляла соответственно 1480, 1500^оС ± 20^оС.

Нагрев осуществляли со скоростью 30 - 50^оС/мин. После стабилизации температур нагревателей и формы, расплавляли жаропрочный сплав в плавильном тигле индукционной печи (на схеме не показан) и заливали его в форму при температуре 1580^оС с учетом снижения температуры металла во время заливки. После заливки жаропрочного сплава.

Формы опускали с помощью привода вертикального перемещения с первой (маршевой) скоростью в области постоянного и затем переменного поля до положения затравки, соответствующего уровню изотермы ликвидус сплава (1370^оС). Далее перемещение и погружение осуществляли с рабочей скоростью 10 мм/мин.

После полного погружения отливок в охладитель нагреватели выключали и при снижении температуры в печи подогрева форм до 1250^оС формы с отливками на маршевой скорости извлекали из охладителя и перемещали их в шлюзовую камеру, из которой формы с отливками при перекрытии внутреннего затвора и открытии наружного передавались на погрузочно-разгрузочный стол установки. Далее процесс повторялся.

На той же установке получали отливки с использованием способа по прототипу.

Результаты экспериментов приведены в таблице.

Результаты испытаний показывают, что предложенный способ имеет следующие преимущества: обеспечивает высокий выход годного 90% по сравнению с 67% по прототипу; снижение рабочих температур нагревателей на 100 - 160^оС, что в 3 - 5 раз повышает срок эксплуатации нагревателей, экранов, систем контроля температур и установки в целом; потребляемая мощность нагревателей снижается на 30% ; снижается взаимодействие расплав-форма, что повышает качество отливок и снижает трудоемкость их последующей мехобработки; повышается надежность работы керамических форм и стержней, что снижает брак по нарушению геометрии и исключает "пробои" форм с потерей дорогостоящего сплава.

Брак по разрушению форм по сравнению с прототипом сократился на 10% . Брак по геометрии лопаток, определяемый формоустойчивостью керамического стержня, сократился с 9-12% до 2-3% .

Предлагаемый способ позволяет получать детали заданной кристаллографической ориентации, микроструктура которых характеризуется параметрами: расстояние между осями дендритов первого порядка 130 - 300 мм, расстояние между осями дендритов второго порядка 20 - 40 мкм, средний размер островков эвтектик 10 - 30 мкм, размер МС карбидов 10 - 30 мкм.

По оптимальному режиму на заводе отрасли на установке УВНК-8П было проведено 23 плавки, отлито 276 лопаток, из которых брак по структуре после травления выявлен только на 6 лопатках, т. е. выход годного по макроструктуре составил 94% . (56) Патент США N 3915761, кл. 148-32, 1975.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ОТЛИВОК из жаропрочных сплавов направленной кристаллизацией расплава преимущественно с использованием тугоплавких затравок, включающий размещение формы с затравкой в нагревателе, имеющем участки с постоянным в средней части и с переменным у торцов температурными полями, нагрев формы выше температуры ликвидуса жаропрочного сплава с расположением затравки в области температур ниже температуры ликвидуса сплава затравки, заполнение формы расплавом и погружение в жидкометаллический охладитель со скоростью, обеспечивающей положение фронта кристаллизации над уровнем охладителя, отличающийся тем, что, с целью повышения выхода годного по структуре, снижения энергозатрат, повышения надежности и времени эксплуатации литейного оборудования, форму с затравкой при нагреве располагают в области постоянного по высоте теплового поля в указанном интервале температур, после заполнения формы расплавом до погружения в охладитель ее перемещают сначала со скоростью 2,0 - 1000 мм/мин в области постоянного и части переменного по высоте температурных полей до положения затравки не ниже уровня, соответствующего изотерме ликвидуса жаропрочного сплава, а дальнейшее перемещение осуществляют со скоростью погружения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины заподдержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 16.02.2009

Дата публикации: 20.07.2011

---