Способ получения отливок и устройство для его реализации

Изобретение относится к области литейного производства. Изготавливают керамическую оболочку, облицовывают отдельные участки оболочки теплоизоляционным огнеупорным войлоком. В опоку устанавливают съемный контейнер, в котором размещают часть оболочки с рабочей полостью отливки и заформовывают чугунной или стальной дробью, обладающей повышенной термоаккумулирующей способностью. Формуют оболочку в целом в опоке графитовой или шамотной крошкой. Подогревают заформованную оболочку до температуры 900-1050°С, сливают расплав в оболочку в вакууме, извлекают опоку с отливкой на воздух. Достигается снижение пористости отливок с мелкозернистой равноосной макроструктурой. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения и предназначено преимущественно для получения методом литья по выплавляемым моделям из жаропрочных никелевых сплавов заготовок турбинных лопаток с регламентированной равноосной макроструктурой и плотностью.

Известен способ получения отливок по выплавляемым моделям, заключающийся в изготовлении огнеупорной керамической оболочки с сообщающимися полостями рабочей части отливки, заливочной воронки, прибыли и элементов литниково-питающей системы, заформовывание оболочки твердеющим опорным наполнителем в опоке без дна, когда после затвердевания наполнителя жестко консолидированную с ним оболочку извлекают из опоки, подогревают и заливают расплавленным металлом (В.Н.Иванов, С.А.Казеннов, Б.С.Курчман и др., «Литье по выплавляемым моделям», Москва, «Машиностроение», 1984, стр.233-234).

Недостаток способа связан с повышенной жесткостью наполнителя, препятствующей усадке отливок и приводящей к возникновению в ней пор и трещин. К недостаткам также относится ограниченность возможностей управления температурным полем отливки при кристаллизации расплава, что не позволяет получить металл отливок с заданной первичной структурой и свойствами.

Наиболее близким к заявляемому и выбранному в качестве прототипа является способ получения методом литья по выплавляемым моделям отливки турбинной лопатки, состоящий в изготовлении керамической оболочки, облицовывании оболочки гибким теплоизоляционным огнеупорным волокном, толщина которого изменяется по высоте оболочки, подогреве облицованной оболочки при температуре 1000°С, установке подогретой оболочки на засыпанное холодным или подогретым огнеупорным или сыпучим металлическим материалом дно холодной камеры (опоки), заливке расплавленного металла в оболочку, выдержке в течение ~15 минут оболочки в охлаждаемом контейнере до завершения кристаллизации металла, извлечении оболочки с отливкой из контейнера и полном охлаждении на воздухе (патент РФ №2142352, В22С 9/02). Недостатком этого способа является необходимость изготовления толстостенных керамических оболочковых форм, т.к. без опорного наполнителя при сливе металла в тонкостенную оболочку происходит ее раздутие и даже разрушение. Увеличение толщины оболочки повышает ее жесткость, что приводит к затрудненной усадке отливки и связанным с этим дефектам - порам и трещинам. Кроме этого, изготовление толстостенных оболочек требует повышенного расхода дорогостоящих связующих и обсыпочных материалов. При переносе из печей подогрева в вакуумные плавильно-заливочные печи облицованных оболочек из-за их малой термоаккумуляции происходит существенная потеря тепла, что не позволяет выполнить тонкие кромки лопаток. Если компенсировать эти потери тепла перегревом сливаемого в оболочковую форму металла, то образуется крупнозернистая пористая отливка.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является получение отливок лопаток с мелкозернистой равноосной макроструктурой, снижение пористости отливок.

Для решения поставленной задачи способ получения отливок турбинных лопаток из жаропрочных никелевых сплавов включает изготовление керамической оболочки с сообщающимися полостями рабочей части отливки, заливочной воронки, прибыли и элементов литниково-питающей системы, облицовывание отдельных участков оболочки теплоизоляционным огнеупорным войлоком, заформовывание оболочки в целом в опоке холодным сыпучим наполнителем, подогрев заформованной оболочки до температуры 900-1050°С, слив расплава в горячую оболочку в вакууме, извлечение из печи опоки с отливкой на воздух.

В процессе заформовывания в опоку устанавливают съемный контейнер, фиксируемый в полости опоки сыпучим наполнителем. В контейнере размещают часть оболочки с рабочей полостью отливки и заформовывают наполнителем с повышенной термоаккумулирующей способностью, например, чугунной или стальной дробью. Контейнер выполнен из графита или из листовой углеродистой стали с покрытием на основе кремнезема и корунда.

Сыпучий наполнитель с повышенной термоаккумулирующей способностью интенсивно отбирает тепло, привносимое в систему заливаемым металлом, когда у внутренней стенки оболочки с рабочей полостью температура повышается до ~1400°С. За счет интенсивного отбора тепла повышается скорость кристаллизации металла и происходит измельчение макрозерен и дендритов. Снижение пористости отливок обусловлено тем, что крупные поры и рыхлоты остаются в прибыльной части оболочки, поскольку она заформована сыпучим наполнителем с более низкой термоаккумулирующей способностью, и металл прибыли кристаллизуется в последнюю очередь.

Таким образом, предлагаемый способ получения отливок позволяет решить поставленную задачу путем достижения следующего технического результата, а именно получение отливок лопаток с мелкозернистой равноосной макроструктурой и снижение пористости отливок за счет применения для формовки части оболочки с рабочей полостью отливки сыпучего наполнителя с повышенной термоаккумулирующей способностью.

Новым в заявляемом изобретении является то, что в процессе заформовывания в опоку устанавливают съемный контейнер, фиксируемый в полости опоки сыпучим наполнителем. В контейнере размещают часть оболочки с рабочей полостью отливки и заформовывают наполнителем с повышенной термоаккумулирующей способностью, например чугунной или стальной дробью. Контейнер выполнен из графита или из листовой углеродистой стали с покрытием на основе кремнезема и корунда.

Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию патентоспособности "новизна".

Анализ каждого из отличительных признаков показал, что установка съемного контейнера, фиксируемого в полости опоки сыпучим наполнителем, размещение в контейнере части оболочки с рабочей полостью отливки и заформовывание наполнителем с повышенной термоаккумулирующей способностью, например чугуной или стальной дробью, выполнение контейнера в опоке из графита или из листовой углеродистой стали с покрытием на основе кремнезема и корунда не выявлено из существующего уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Разработано два варианта реализации способа. Первый с подогревом заформованной оболочки в вакуумной плавильно-заливочной установке, а второй - при подогреве вне вакуумной установки в отдельной печи подогрева в воздушной атмосфере.

Способ реализуется с помощью устройства, схематично представленного на фиг.1. Устройство содержит опоку 1 с дном и стенками, съемный контейнер 2, фиксируемый в полости опоки сыпучим опорным наполнителем 3 и вмещающий в себя часть оболочки 5 с рабочей полостью отливки, заформованную другим опорным наполнителем 4 с повышенной термоаккумулирующей способностью. На фиг.1 показаны также полоса 6 теплоизоляционного войлока, облицовывающая участок оболочки у тонкой кромки отливки, войлочный разделитель 7 двух типов наполнителей 3 и 4, участки оболочки с полостями прибыли 8 и заливочной воронки 9 с крышкой 10, закрывающей воронку при заформовывании оболочки.

В первом варианте реализации способа при подогреве заформованной оболочки в вакуумной плавильно-заливочной установке используется графитовая опока 1 с графитовой крошкой в качестве наполнителя 3.

Во втором варианте реализации способа при подогреве оболочки вне вакуумной плавильно-заливочной установки опока 1 выполнена из жаростойкой стали, а наполнителем 3 служит шамотная крошка.

В обоих вариантах наполнителем 4 является чугуная или стальная дробь, а материалом внутреннего контейнера для дроби является графит или стальной лист из углеродистой стали с покрытием на основе кремнезема и корунда.

Изобретение поясняется также фиг.2 и фиг.3.

На фиг.2 схематично представлена опока 1 и съемный контейнер 2 на стадии установки и фиксации наполнителем 3 контейнера 2, закрываемого крышкой 11, в опоке 1. Фиг.3 изображает стадию заформовывания в контейнере 2 чугунной или стальной дробью 4 части оболочки 5 с рабочей полостью отливки и наклеенной облицовочной теплоизоляционной войлочной полоской 6 у тонкой кромки отливки, а также установки войлочного огнеупорного разделителя 7 двух разносортных наполнителей. После доформовывания в опоке 1 наполнителем 3 оболочки до верхней кромки заливочной воронки (фиг.1) опока 1 с оболочкой 5 передается для осуществления операций нагрева до температуры 900-1050°С и слива в вакууме в нагретую оболочку расплава никелевого сплава, разогретого до заданной техпроцессом температуры. После извлечения на воздух и выдержки отливки в заформованной оболочке в течение времени, исключающего деформацию отливки и возникновение в металле закалочных напряжений, производят расформовку, освобождают отливку от керамики, отрезают ее рабочую часть и осуществляют контроль качества литой заготовки лопатки.

Вышеизложенные сведения позволяют сделать вывод о том, что предложенное устройство технически реализуется.

Следовательно, предлагаемое решение соответствует критерию патентоспособности изобретения "промышленная применимость".

1. Способ получения отливок турбинных лопаток из жаропрочных никелевых сплавов, включающий изготовление керамической оболочки с рабочей полостью отливки, заливочной воронкой, прибылью и элементами литниково-питающей системы, облицовывание отдельных участков оболочки теплоизоляционным огнеупорным материалом, формовку оболочки холодным сыпучим наполнителем в опоке, подогрев заформованной оболочки в вакууме, извлечение опоки с отливкой на воздух, отличающийся тем, что при формовке в опоку устанавливают съемный контейнер и фиксируют его сыпучим опорным наполнителем, размещают в контейнере часть оболочки с рабочей полостью отливки и формуют ее наполнителем с повышенной термоаккумулирующей способностью.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве наполнителя с повышенной термоаккумулирующей способностью используют чугунную или стальную дробь.

3. Устройство для получения отливок турбинных лопаток из жаропрочных никелевых сплавов, содержащее опоку и оболочку, отличающееся тем, что в опоке размещен съемный контейнер, фиксируемый опорным наполнителем, при этом контейнер выполнен из графита или из листовой углеродистой стали с покрытием на основе кремнезема и корунда.