Устройство для получения монокристальных отливок

 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при получении монокристальных отливок турбинных лопаток из жаропрочных сплавов. Устройство для получения монокристальных отливок содержит керамическую оболочку, которая выполнена с последовательно расположенными затравочной полостью с размещенным в ней затравочным кристаллом, соединительным литниковым ходом и полостью для формирования отливки, при этом между соединительным литниковым ходом и затравочной полостью выполнена дополнительная полость с размещенной в ней керамической вставкой с кристаллоотборником в виде криволинейного литникового хода, причем площадь выходного отверстия криволинейного литникового хода вставки больше площади примыкающего к нему входного отверстия соединительного литникового хода, а площадь входного отверстия криволинейного хода вставки меньше площади примыкающего к нему торца затравочного кристалла. Керамическая вставка может быть выполнена с углублением по ее боковой поверхности и с литниковым ходом, имеющим расширенную часть у торцевой поверхности вставки, примыкающей к затравке. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

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

Известно устройство для получения монокристальных отливок, содержащее керамическую оболочку, выполненную со стартовой полостью, полостью кристаллоотборника в виде геликоида, служащего для отбора одного кристалла из множества столбчатых зерен и рабочей полостью для формирования отливки (патент. США N 3519083, 4133368). Однако, при применении такого устройства оболочковой литейной формы необходимо использовать заливку металла непосредственно на водоохлаждаемый холодильник, в связи с этим форма выполнена с открытой донной частью и установлена непосредственно на холодильник-кристаллизатор. Крепление формы в этом случае представляет значительные трудности, т.к. необходимо обеспечить плотную посадку на кристаллизатор. Кроме того, выполнение литникового хода кристаллоотборника в форме создает трудности при ее изготовлении из-за возможной поломки модели в этом области при нанесении слоев керамической суспензии.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для получения монокристальных отливок (патент. США N 4714101 кл. B 22 D 27/04), содержащее керамическую оболочку с последовательно соединенными затравочной полостью, литниковым ходом и полостью для формирования отливки. В затравочной полости размещен затравочный кристалл, установленный в гнезде, выполненным в холодильнике. Недостатком указанного устройства является трудность получения в нем совершенных монокристаллов. Это связано с тем, что на рабочей поверхности затравки в процессе нагрева формы под заливку, образуется налет, затрудняющий контакт расплава с ней, в результате чего в отливке формируются столбчатые субзерна с разориентацией 3^o. Это в свою очередь ведет к снижению прочностных характеристик материала.

Задачей данного изобретения является увеличение структурного совершенства получаемых монокристальных отливок. Это достигается путем создания устройства для получения монокристальных отливок, содержащего керамическую оболочку с последовательно расположенными в ней затравочной полостью с затравочным кристаллом, соединительным литниковым ходом и полостью для формирования отливки, при этом согласно изобретению между соединительным литниковым ходом и затравочной полостью выполнена дополнительная полость с размещенной в ней керамической вставкой с кристаллоотборником в виде криволинейного литникового хода, причем площадь отверстия выхода криволинейного хода вставки больше размера примыкающего к нему соединительного литникового хода, а площадь отверстия выхода криволинейного литникового хода меньше площади примыкающего к нему торца затравочного кристалла.

Для исключения возможности образования посторонних кристаллов керамическая вставка может быть выполнена с углублением по ее боковой поверхности.

Для улучшения контакта расплава с поверхностью затравки керамическая вставка может быть выполнена с литниковым ходом, имеющим расширенную часть у торцевой поверхности вставки, примыкающей к затравке.

Предлагаемое устройство литейной формы и использование вставки кристаллоотборника с указанным соотношением размеров кристаллоотборника и примыкающих к нему элементов позволяет получать монокристальную структуру высокого совершенства за счет отбора в криволинейном литниковом ходе одного субзерна, если их образовалось несколько. Кроме того, этот литниковый ход препятствует образованию налета на затравке, поскольку из-за своей геометрии экранирует рабочей торец затравки от основного объема формы. При этом сохраняется высокая технологичность изготовления форм. Увеличение площади отверстия выхода криволинейного литникового хода относительно размера выхода соединительного литникового хода, исключает образование посторонних кристаллов в этой области формы.

Выполнение вставки с углублением по периметру ее боковой поверхности, которое при заливке формы заполняется расплавом, создает условия для подавления радиальных температурных градиентов, что, в свою очередь, уменьшает вероятность образования посторонних кристаллов при росте монокристаллов в криволинейном литниковом ходе.

Выполнение кристаллоотборника в керамической вставке с расширенной частью у ее торцевой поверхности, примыкающей к затравочному кристаллу, увеличивает площадь контакта расплава с торцом затравки, а значит и надежность зарождения монокристальной структуры заданной кристаллографической ориентации.

На фиг.1 показан общий вид устройства для получения монокристальных отливок; на фиг.2 вид керамической вставки с углублением по периметру боковой поверхности и с расширенным выходом криволинейного литникового хода.

Устройство для получения монокристальных отливок содержит керамическую оболочку 1, выполненную с затравочной полостью 2, кристаллоотборной полостью 3, соединительного литникового хода 4 и полостью 5 для формирования отливки.

В затравочной полости 2 размещен затравочный кристалл 6 и фиксирован керамической массой 7.

В полости 3 размещена керамическая вставка 8, содержащая криволинейный литниковый ход 9, при этом площадь выходного отверстия криволинейного литникового хода 10 больше размера примыкающего к нему входного отверстия соединительного литникового хода 4, а площадь входного отверстия криволинейного литникового хода меньше размера примыкающего торца затравочного кристалла 6.

В соответствии с фиг. 2 по боковой поверхности керамической вставки 8 выполнена кольцевая выемка 12, а криволинейный литниковый ход 9 выполнен с расширенной частью 13.

Пример. Изобретение проверялось при отливке монокристаллов из безуглеродистого сплава CMSX-4. Плавки проводились на установке направленной кристаллизации с радиационным теплоотводом от литейной формы. Режим плавки: температуры нагревателей 1500 1550^oC, скорость вытягивания формы 3 мм/мин.

Отливались монокристаллы в виде цилиндров диаметров 20 мм и высотой 120 мм. Заданные ориентации <001>, <011> и <111> достигались за счет использования затравок соответствующих ориентаций, полученных методом ориентированной вырезки из заготовок произвольной ориентации. Контроль структурного совершенства и ориентации отливок осуществлялся на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3.

Как показала аттестация ростовой структуры, точность заданной ориентации составляла ≈3^o, а структурное совершенство (разориентация блоков) не превышала 1,0 1,2^o, что в 2-3 раза меньше, чем для отливок, полученных по устройству-прототипу.

Применение предлагаемой конструкции устройства значительно повышает структурное совершенство отливок и, соответственно, увеличивает прочностные характеристики, в особенности на длительных базах испытаний с одновременным увеличением выхода годного литья на ≈10 15% за счет исключения образования посторонних кристаллов в зоне зарождения.

Формула изобретения

1. Устройство для получения монокристальных отливок, содержащее керамическую оболочку, которая выполнена с последовательно расположенными затравочной полостью с размещенным в ней затравочным кристаллом, соединительным литниковым ходом и полостью для формирования отливки, отличающееся тем, что между соединительным литниковым ходом и затравочной полостью выполнена дополнительная полость с размещенной в ней керамической вставкой с кристаллоотборником в виде криволинейного литникового хода, причем площадь выходного отверстия криволинейного литникового хода вставки больше площади примыкающего к нему входного отверстия соединительного литникового хода, а площадь входного отверстия криволинейного литникового хода вставки меньше площади примыкающего к нему торца затравочного кристалла.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что керамическая вставка выполнена с углублением по ее боковой поверхности.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что керамическая вставка выполнена с литниковым ходом, имеющим расширенную часть у торцевой поверхности вставки, примыкающей к затравке.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2