Способ получения отливок с направленной структурой



Способ получения отливок с направленной структурой
Способ получения отливок с направленной структурой
Способ получения отливок с направленной структурой

 


Владельцы патента RU 2411106:

Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" (RU)

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при производстве лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) из жаропрочных сплавов. Способ включает изготовление оболочковой формы, размещение в донной части формы перед ее подогревом затравки, нагрев формы до температуры выше температуры ликвидуса жаропрочного сплава, заполнение формы расплавом и направленную кристаллизацию с помощью затравки из тугоплавкого материала. Затравку изготавливают литьем в вакуумной печи в форме с открытым дном, установленной на неохлаждаемый медный кристаллизатор. После охлаждения затравки шлифуют поверхность затравки, контактирующую с медным неохлаждаемым кристаллизатором, на глубину зоны аморфных замороженных кристаллов. Затем осуществляют глубокое травление поверхностного слоя затравки до образования в структуре рельефа выраженных границ между столбчатыми зернами кристаллов. Обеспечивается получение отливок с регулярной направленно-кристаллической макроструктурой, каждое зерно которой является совершенным монокристаллом с кристаллографической ориентацией {001} с количеством зерен не менее пяти. 3 ил.

 

Предполагаемое изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при производстве лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) из жаропрочных сплавов.

Известен способ получения отливок с направленной структурой, включающий изготовление оболочковой формы, нагрев ее до температуры выше температуры ликвидуса жаропрочного сплава, заполнение формы расплавом и направленную кристаллизацию с помощью плоской затравки из тугоплавкого материала, затравку размещают в донной части формы перед ее подогревом, при этом между стартовой полостью формы и затравкой размещают керамический фильтр (описание изобретения к патенту РФ №2285580, МПК B22D 27/04, заявл. 2005.01.13, опубл. 2006.10.20).

Недостатком такого способа получения отливок с направленной кристаллизацией является трудность получения большого количества зерен-кристаллов в отливке. При этом существует высокая вероятность того, что какое-либо из зерен не будет совершенным по кристаллографической ориентации. Это связанно с тем, что при изготовлении плоских затравок применяется тот же способ литья опусканием формы в жидкометаллический охладитель, что и при литье самой лопатки (в структуре затравки и соответственно пера лопатки в результате конкурентного отбора формируется 2…5 крупноразмерных зерна-кристалла). Наличие разделительного керамического фильтра также способствует снижению выхода годных лопаток по количеству зерен, составляющих макроструктуру пера (включается дополнительный инерционный кристаллоотборник).

Также известен способ получения отливок с направленной структурой из жаропрочных сплавов, включающий изготовление затравки из тугоплавкого материала, изготовление оболочковой формы, размещение затравки в донной части оболочковой формы, нагрев ее до температуры выше температуры ликвидуса жаропрочного сплава, заполнение оболочковой формы расплавом и направленную кристаллизацию.

Затравку изготавливают из порошкового материала, которую нагревают до температуры, не превышающей температуру плавления. Затравка имеет конфигурацию контактирующего с ней торца отливки (описание изобретения к патенту РФ №2043855, МПК B22D 27/04, заявл. 1992.02.24, опубл. 1995.09.20).

Такой способ получения отливок с направленно-кристаллической структурой обеспечивает большое количество зерен-кристаллов.

Однако он не позволяет сформировать совершенную дендритную структуру по кристаллографической ориентации в каждом, без исключения, кристалле, т.к. в качестве затравки используют заведомо равноосный (гранульный, порошкообразный и т.п.) материал с произвольной кристаллографической ориентацией в каждом зерне.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является обеспечение в макроструктуре отливки регулярной направленно-кристаллической структуры, каждое зерно которой является совершенным кристаллом с кристаллографической ориентацией {001} с количеством зерен не менее пяти.

Заявленный технический результат достигается тем, что способ получения отливок с направленной структурой из жаропрочных сплавов включает изготовление затравки из тугоплавкого материала, изготовление оболочковой формы, размещение затравки в донной части оболочковой формы, нагрев ее до температуры выше температуры ликвидуса жаропрочного сплава, заполнение оболочковой формы расплавом и направленную кристаллизацию.

Новым в заявляемом способе является то, что затравку изготавливают литьем в форму с открытым дном, установленную на медный неохлаждаемый кристаллизатор в вакуумной печи. После охлаждения и извлечения затравки с формой из вакуумной печи осуществляют шлифование поверхности затравки, контактирующей с медным неохлаждаемым кристаллизатором, на глубину зоны замороженных кристаллов и глубокое травление до образования в структуре рельефа поверхностного слоя затравки выраженных границ между столбчатыми зернами кристаллов.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где

фиг.1 - схема формы для получения отливки;

фиг.2 - фотография рабочей плоскости направленно-кристаллической затравки;

фиг.3 - фотография структуры рельефа поверхностного слоя (а) и поперечного сечения (б) плоской затравки после шлифования на глубину замороженных кристаллов и глубокого травления.

При реализации способа получения отливок с направленной структурой из жаропрочных сплавов изготавливают затравку из тугоплавкого материала, например сплава Ni50%-W, литьем в форму с открытым дном, установленную на медный неохлаждаемый кристаллизатор, представляющий собой брикет пластин, в вакуумной печи.

В процессе заливки в контактной зоне медного неохлаждаемого кристаллизатора и заливаемого расплава мгновенно формируется зона из нескольких тысяч замороженных кристаллов, которая в процессе медленного охлаждения вместе с печью обеспечивает начальные признаки конкурентного отбора множества столбчатых зерен, ориентированных в направлении, противоположном направлению теплоотвода, т.е. вертикально. Т.к. в начальный момент контакта расплав материала затравки кристаллизуется на медном кристаллизаторе, имеющем гранецентрированную кристаллическую решетку (чистая медь марки М0), то образовавшимся в результате конкурентного отбора столбчатым зернам кристаллов в средней части заготовки затравки будет передана та же морфология.

Форму с затравкой извлекают из печи после ее охлаждения, затем осуществляют шлифование поверхности затравки, контактирующей с медным неохлаждаемым кристаллизатором, на глубину зоны замороженных кристаллов, разрезают на мерные пластины и производят глубокое травление до образования в структуре рельефа поверхностного слоя затравки выраженных границ между столбчатыми зернами кристаллов.

Далее затравку устанавливают в донную часть оболочковой формы, форму нагревают в вакуумной печи до температуры выше температуры ликвидуса жаропрочного сплава, но ниже температуры плавления материала затравки, заполняют расплавом и осуществляют направленную кристаллизацию протяжкой через жидкометаллический охладитель. В результате от имеющегося большого количества близких к совершенству столбчатых зерен кристаллов контактной поверхности затравки в отливке сформируется большое количество совершенных кристаллов, удовлетворяющих требованиям к качеству направленно-кристаллической макроструктуры.

Пример конкретного осуществления способа.

Способ получения узкохордной (10 мм) ГТД с направленной структурой из жаропрочного сплава.

Изготавливали оболочковую форму, у которой со стороны замковой части лопатки была выполнена затравочная полость, для размещения в ней затравки.

Затравку изготавливали из тугоплавкого материала Ni-W (50%-50%) литьем в форме с открытым дном, установленной на медный неохлаждаемый кристаллизатор в вакуумной печи. В качестве кристаллизатора использовали набор из 6 медных пластин толщиной 10 мм каждая, при этом форму устанавливали на верхнюю пластину набора и оборачивали техническим войлоком. После охлаждения и извлечения затравки с формой из вакуумной печи, полученную заготовку разрезали в размер, соответствующий площади поперечного сечения замка лопатки, и шлифовали поверхность затравки, контактирующую с кристаллизатором, на глубину зоны замороженных кристаллов. Затем поверхность затравки подвергали глубокому травлению в химическом реактиве на основе соляной кислоты и хлорного железа до образования в структуре рельефа поверхностного слоя затравки выраженных границ между столбчатыми зернами кристаллов.

В затравочную полость оболочковой формы устанавливали затравку, на нижнюю часть затравочной полости наносили керамическую суспензию и сушили форму по типовой технологии. Затем форму нагревали до температуры выше температуры ликвидуса сплава MAR-M-200 (1530°) и заливали в нее расплав.

От столбчатых зерен кристаллов рабочей плоскости затравки в замке лопатки зарождалось большое количество столбчатых зерен кристаллов (порядка 1000), структура которых заведомо близка к совершенной. В результате конкурентного отбора в кристалловоде в перо лопатки выводилось ограниченное 40…80 число наиболее совершенных зерен кристаллов; структура и морфология каждого кристалла строго соответствовала заданным параметрам качества.

Скорость перемещения литейной формы с расплавом из зоны нагрева в зону охлаждения 5 мм/мин.

Выход годных лопаток по качеству макроструктуры 80…90%.

Такой способ позволяет получить в макроструктуре отливки регулярную направленно-кристаллическую структуру, каждое зерно которой является совершенным кристаллом с кристаллографической ориентацией {001} с количеством зерен не менее пяти.

Применение такого способа получения отливок с направленной структурой позволило снизить затраты энергии на зарождение зерен при малой степени переохлаждения расплава, увеличить степень дисперсности столбчатых зерен, что повысило качество отливок.

Способ получения отливок с направленной структурой из жаропрочных сплавов, включающий изготовление затравки из тугоплавкого материала, изготовление оболочковой формы, размещение затравки в донной части оболочковой формы, нагрев ее до температуры выше температуры ликвидуса жаропрочного сплава, заполнение оболочковой формы расплавом и направленную кристаллизацию, отличающийся тем, что затравку изготавливают литьем в форму с открытым дном, установленную на медный неохлаждаемый кристаллизатор в вакуумной печи, после охлаждения и извлечения затравки с формой из вакуумной печи осуществляют шлифование поверхности затравки, контактирующей с медным неохлаждаемым кристаллизатором, на глубину зоны замороженных кристаллов и глубокое травление до образования в структуре рельефа поверхностного слоя затравки выраженных границ между столбчатыми зернами кристаллов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к терморегулированию пресс-формы литьевой машины. .

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при получении, например, турбинных лопаток, проставок, створок, деталей сопловых аппаратов и т.д., современных ГТД и ГТУ из никелевых жаропрочных сплавов.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при получении отливок, например, деталей горячего тракта ГТД, включая турбинные лопатки, створки.

Изобретение относится к области литейного производства. .

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при литье монокристаллических лопаток, имеющих замковые бандажные полки с лабиринтными гребешками, преимущественно крупногабаритных лопаток ГТУ.

Изобретение относится к области литейного производства. .

Изобретение относится к металлургии и может найти применение в авиационной промышленности, энергетике и других отраслях промышленности, связанных с газотурбостроением.

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для получения лопаток турбин из никелевых жаропрочных сплавов. .
Изобретение относится к металлургии, в частности к изготовлению литых заготовок на никелевой основе с равноосной или монокристаллической структурой. .

Изобретение относится к области литейного производства. .

Изобретение относится к охлаждающей составной части литейной формы для заливки литейного материала из легких металлов

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению заготовок для последующей деформации из жаропрочных труднодеформируемых никелевых сплавов, работающих при температурах выше 600°С, в частности сложнопрофильных дисков турбины, раскатных колец и др

Изобретение относится к области изготовления деталей, имеющих направленную кристаллографическую ориентацию

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при изготовлении крупногабаритных длинномерных отливок для газотурбинных установок и двигателей из монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов, работающих при температуре 1500°С

Изобретение относится к области литья фасонных (разностенных, сложнопрофильных) отливок с использованием литейных форм

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для получения лопаток стационарных ГТД и ГТУ, створок и проставок реактивного сопла, дисковых заготовок

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для получения отливок ответственного назначения. Способ включает нанесение на поверхность литейной формы перед заливкой расплавленного металла защитно-разделительных покрытий различных составов. На нижнюю часть стенок литейной формы наносят покрытие, состоящее из ультрадисперсного порошка оксида магния 20-25 мас.% и индустриального масла 75-80 мас.% толщиной 0,1-0,2 мм. На среднюю часть стенок наносят покрытие, состоящее из ультрадисперсного порошка оксида циркония 20-25 мас.% и индустриального масла 75-80 мас.% толщиной 0,2-0,3 мм. На верхнюю часть стенки наносят покрытие, состоящее из ультрадисперсного порошка оксида циркония 20-25 мас.% и индустриального масла 75-80 мас.% толщиной 0,3-0,4 мм. Создаются условия для направленной кристаллизации металла, обеспечивается повышение прочностных свойств отливок. 1 ил., 1 пр.

Изобретение относится к литейному производству. Способ включает помещение сплава в литейную форму и окисление элемента сплава с формированием защитного слоя на поверхности отливки. Литейная форма имеет внутреннее покрытие, содержащее оксид хрома, оксид ниобия, оксид титана, оксид тантала, оксид кремния, циркон, оксид иттрия или их сочетания. Защитный слой формируют восстановлением одного или более составляющих внутреннего покрытия одним или более элементами сплава. Обеспечивается уменьшение образования поверхностных раковин в отливках. 9 з.п. ф-лы, 5 ил., 8 пр.
Наверх