Способ изготовления монокристаллических затравок

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при литье монокристаллических изделий, например рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей с заданной кристаллографической ориентацией. Способ включает получение литьем заготовок затравок, имеющих цилиндрическую форму. В процессе литья на образующей заготовки вдоль оси цилиндра выполняют метки в виде одного или двух диаметрально расположенных выступов или пазов. Проводят кристаллографический анализ отлитых заготовок, отбирают заготовки, у которых положение меток совпадает с азимутальным кристаллографическим направлением структуры заготовки, и осуществляют резку отобранных заготовок на затравки. Обеспечивается повышение точности ориентирования затравок отливок, снижение трудоемкости изготовления затравок. 2 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам литейного производства с кристаллизацией расплава из затравки, и может найти применение для изготовления затравок, используемых для литья монокристаллических изделий, например рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей с заданной кристаллографической ориентацией и повышенными требованиями по ресурсу и рабочей температуре.

Известен способ получения затравок для литья монокристаллических изделий из никелевых жаропрочных сплавов с заданной кристаллографической ориентацией, включающий отливку монокристаллической заготовки затравок с произвольной кристаллографической ориентацией, определение положения плоскости с заданной кристаллографической ориентацией, составляющей максимальный угол с осью заготовки, нанесение на заготовку метки положения этой плоскости на торце заготовки и резку заготовки на затравки под найденным углом с расположением плоскости резания параллельно указанному положению плоскости с заданной кристаллографической ориентацией (см. патент РФ №1822375, кл. B22D 27/04, 1993 г.).

Анализ известного способа показывает, что при его осуществлении перед установкой в литейную форму необходимо наносить метки на поверхность каждой затравки вручную. Поскольку затравка имеет обычно цилиндрическую форму, для указания положения азимута необходимо выполнять дополнительную трудоемкую операцию - маркировать выбранное азимутальное кристаллографическое направление каждой затравки путем нанесения вручную метки (риски) на их поверхность, что при массовом производстве существенно повышает трудоемкость осуществления способа и снижает качество получаемых данным способом отливок вследствие невысокой точности указания азимутального ориентирования положения затравки.

Известен способ получения монокристаллических изделий из никелевых жаропрочных сплавов с заданной кристаллографической ориентацией, включающий отливку монокристаллической заготовки для затравок произвольной кристаллографической ориентации, травление отлитой заготовки для выявления ее макроструктуры, определение ориентации заготовки как угла между ее геометрической осью и нормалью к плоскости выбранной кристаллографической ориентации, резку заготовки на затравки под найденным углом с расположением плоскости реза параллельно плоскости выбранной кристаллографической ориентации, травление торцов затравок для выявления макроструктуры и нанесение на торцы затравок меток, соответствующих кристаллографическим ориентациям, лежащим в плоскости реза.

Для получения изделия полученную приведенным выше способом затравку устанавливают в затравочный карман литейной формы таким образом, чтобы торец затравки был расположен вдоль геометрической оси изделия, а кристаллографическую ориентацию изделия задают совмещением метки заданной кристаллографической ориентации с геометрической осью изделия, после чего осуществляют отливку изделия (см. патент РФ №2492025, кл. B22D 27/04, 2013 г.) - наиболее близкий аналог).

Анализ известного способа показывает, что он также предусматривает маркировку заданного кристаллографического направления в плоскости каждой отдельной затравки вручную с той же низкой точностью нанесения метки, определяющей заданное кристаллографическое направление затравки. Совмещение нанесенной на затравку метки «на глаз» с меткой на поверхности затравочного кармана литейной формы, куда помещают затравку, не гарантирует затравку от азимутальных смещений - поворотов вокруг нормали к плоскости затравки, и во многом зависит от индивидуального мастерства и сноровки оператора (плавильщика). В целом точность установки затравок в затравочный карман литейной формы мала. Это снижает качество получаемых изделий, особенно при их массовом производстве. При установке затравки в форму визуально известным способом опытный плавильщик допускает отклонение от заданного азимута до 5-10°.

Техническим результатом настоящего изобретения является разработка способа изготовления монокристаллических затравок, обеспечивающего повышение точности ориентирования затравок отливок за счет точной установки их в затравочном кармане литейной формы и снижающего трудоемкость изготовления затравок путем исключения ручной операции нанесения метки, обозначающей кристаллографическое направление затравки.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления монокристаллических затравок, включающем литье заготовок затравок цилиндрической формы, резку заготовок на затравки, на поверхности которых имеются метки, соответствующие направлению определенной кристаллографической ориентации, новым является то, что метки выполняют на образующей заготовки в процессе ее литья вдоль оси цилиндра, проводят кристаллографический анализ отлитых заготовок, по результатам анализа отбирают заготовки, у которых положение меток совпадает с заданным азимутальным кристаллографическим направлением структуры заготовки, и осуществляют резку отобранных заготовок на затравки, причем метки выполняют в виде продольных выступов или пазов параллельно оси заготовки.

Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материалами, на которых:

- на фиг. 1 - заготовка для получения затравок, аксонометрическая проекция;

- на фиг. 2 - помещенная в литейную форму затравка, разрез;

- таблица - точностные параметры ориентации монокристаллических лопаток заявленным способом и способом - наиболее близким аналогом.

Заявленный способ осуществляют следующим образом.

Для реализации заявленного способа отливают партию заготовок 1 для затравок. Получение заготовок для затравок не представляет сложностей для специалистов и осуществляется по известным технологиям с использованием стандартного оборудования. Данные заготовки имеют форму цилиндра с отформованными на ней в процессе литья одной или двумя метками 2. Метка (метки) расположена(ы) на образующей цилиндрической заготовки вдоль ее оси. Метки могут быть конструктивно реализованы на заготовке различным образом, например в виде одного выступа или двух диаметрально расположенных на образующей заготовки продольных выступов 2. Для получения этих выступов в литейной форме заготовок для затравок формируют одну или две расположенные диаметрально канавки и в этих формах отливают цилиндрические стержни затравок с соответствующими выступами, имеющими первоначально случайную азимутальную ориентацию (например, [100] на фиг. 1). Метки могут быть выполнены в виде одного или двух диаметрально расположенных продольных пазов на образующей заготовки для затравок. Данные пазы формируются выступами, которые выполняют на литейной модели.

В дальнейшем описание заявленного способа будет раскрыто для конструкции затравки, у которой метки выполнены в виде двух диаметрально расположенных продольных выступов 2 на образующей заготовки 1. Сущность заявленного способа не меняется при выполнении меток иным описанным выше образом.

При диаметре заготовки и затравок 10 мм и ширине выступов затравки и пазов формы 0,2-0,3 мм точность их азимутального совмещения предлагаемым способом составляет 0,5-1°, что значительно точнее, чем при использовании известного способа - наиболее близкого аналога. В этом состоит преимущество предлагаемого способа в отношении метрологии. Операция установки полученной заявленным способом затравки в затравочный карман значительно более производительна, чем известным.

Далее из партии отлитых стержней 1 отбирают те, у которых заданное кристаллографическое направление, например [100] (фиг. 1), параллельное элементам микроструктуры - дендритам на торцевых поверхностях, параллельно отрезку прямой, проходящей через оба ребра на боковой поверхности. При этом используется ранее установленный факт: дендриты в литой структуре граничат с друг с другом по плоскости (100), а их направление на поперечном срезе совпадает с направлением [100]. При отборе отлитых стержней допускается отклонение от параллельности на 5-10°.

Отбор осуществляют проведением кристаллографического анализа заготовки, который осуществляют известным образом с помощью известных средств, например использованием стандартного рентгеновского или металлографического оборудования. Стержни для затравок, не прошедшие процедуру отбора, направляются на переплавку.

Отобранные описанным выше образом заготовки 1, у которых «носителем» азимутальной ориентации заданного кристаллографического направления являются метки (выступы 2), разрезают (например, алмазным кругом) на затравки 3. Предварительно уточняют аксиальную ориентацию заготовки, устанавливают последнюю в отрезном станке под углом плоскости реза к основанию заготовки, равным измеренному значению аксиального отклонения нормали к искомой кристаллографической плоскости от оси заготовки, и далее выполняют операции резки.

Полученные затравки готовы к использованию.

Предложенный способ исключает ручные операции выполнения меток. Они формируются на заготовке в процессе ее отливки.

Отбор заготовок, у которых заданное кристаллографическое направление совпадает с направлением выступов (меток), производится на стандартном оборудовании, что позволяет произвести практически полную отбраковку некондиционных заготовок с высокой производительностью и точностью.

Для отливки изделий, например рабочих лопаток турбин газотурбинного двигателя, полученную заявленным способом затравку 3 помещают в затравочный карман литейной формы 4. В затравочном кармане литейной формы выполнены метки 5 (фиг. 2), например риски, полоски краски, пазы. Метки 5 выполнены ориентированными относительно азимутальной ориентации монокристаллического изделия, например, при изготовлении рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей - относительно длинной стороны замка лопатки или в направлении оси двигателя. Оптимальное азимутальное положение меток литейной формы определяется предварительными исследованиями или расчетным путем.

Необходимая азимутальная и аксиальная ориентация затравок в затравочном кармане литейной формы, в основном, зависит от конструкции изделия и довольно подробно описана в технической литературе (см., например, Шалин Р.Е., Светлов И.Л., Толораия В.Н. и др. Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов. М., Наука, 1997 г.).

Наличие меток в виде выступов или пазов на боковой поверхности заготовки для затравок 1 и последующее размещение полученных из нее затравок с ответными метками - пазами или выступами затравочного кармана литейной формы - обеспечивает устойчивую азимутальную ориентацию полученных в ней отливок. При этом гарантируется единый азимут всех затравок, полученных из данной заготовки, что способствует повышению качества изделий, а также обеспечивает получение изделий с практически одинаковыми техническими характеристиками. При этом отпадает необходимость в азимутальной разметке торцевых поверхностей каждой затравки, что заметно снижает трудоемкость контроля и последующего их монтажа в литейной форме.

Сущность заявленного способа будет более понятна из приведенного ниже примера его реализации при изготовлении затравок для литья монокристаллических рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей с заданной кристаллографической ориентацией.

Для реализации заявленного способа из сплава Ni+30% W отливали 24 заготовки (две формы по 12 штук в каждой) для затравок, имеющих цилиндрическую форму длиной 150 мм диаметром 10 мм. На заготовках метки формировали в виде двух продольных диаметрально расположенных выступов, параллельных оси цилиндра. Ось заготовки параллельна кристаллографическому направлению [001].

Далее металлографически с использованием микроскопа при увеличении × 24 отобрали заготовки, у которых кристаллографическое направление [100] - направление длинной оси дендритов на поперечном срезе совпадает с направлением выступов. Из 24 отлитых заготовок отобраны 2 отливки с отклонением азимутального направления не более 1,5°.

Отобранные кондиционные заготовки разрезали на затравки абразивным диском на отрезном станке, устанавливая заготовку в суппорте станка под углом к ее оси, равным ранее измеренному углу отклонения оси от [001]. После резки затравки травили в смеси плавиковой и азотной кислот. Затем проверяли ориентацию полученных затравок на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3м с точностью 0,1°. Всего из двух заготовок получено 40 затравок с заданным азимутом.

Для отливки лопаток полученные затравки помещали в затравочный карман литейной формы лопатки, совмещая выступы затравки с пазами в затравочном кармане, что автоматически обеспечило заданное азимутальное положение затравки в затравочном кармане. Отливку лопаток проводили по традиционно используемой технологии отливки.

В результате было отлито 24 лопатки, их кристаллографическая ориентация определена на автоматизированном дифрактометре ДРОН-3м при съемке рентгеновских линий (004) - аксиальное отклонение от [001] и (024) - азимутальное отклонение заданного направления от [100].

Результаты контроля лопаток представлены в таблице.

Из приведенной таблицы очевидно почти двукратное повышение точности азимутального ориентирования при использовании разработанного способа по сравнению с известным.

Способ изготовления затравок для литья монокристаллических изделий, включающий получение литьем заготовок затравок, имеющих цилиндрическую форму, резку заготовок на затравки, на поверхности которых выполнены метки, соответствующие направлению кристаллографической ориентации, отличающийся тем, что метки выполняют на образующей заготовки в процессе ее литья вдоль оси цилиндра в виде одного или двух диаметрально расположенных на образующей заготовки продольных выступов или пазов, проводят кристаллографический анализ отлитых заготовок, по результатам анализа отбирают заготовки, у которых положение меток совпадает с требуемым азимутальным кристаллографическим направлением структуры заготовки, и осуществляют резку отобранных заготовок на затравки.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для литья отливок с монокристаллической и направленной структурой из жаропрочных никелевых сплавов.

Изобретение может быть использовано для литья лопаток из жаропрочных сплавов с монокристаллической структурой. Устройство представляет собой керамическую форму, имеющую рабочие полости 1 лопаток, стартовые 2 и раздельные затравочные полости с затравками 3.

Изобретение может быть использовано для литья деталей, имеющих сквозные отверстия, в частности блока цилиндров двигателей внутреннего сгорания. Способ включает подготовку литейной формы (2) с литейным стержнем (8-19) для образования сквозного отверстия (O1, O2), заливку расплава металла (S) в форму, охлаждение литой детали (Z1, Z2) до температуры ниже температуры начала кристаллизации расплава металла (S), но выше минимальной температуры, до которой при ускоренном охлаждении происходит образование высокопрочной структуры.

Изобретение относится к литейному производству. Шихтовую заготовку размещают в керамической форме или тигле, помещают в нижнюю область зоны нагрева двухзонной печи подогрева форм и нагревают в атмосфере инертного газа.
Заявленное изобретение относится к литейному производству. Керамическую форму обжигают при температуре от 800 до 1000°С в течение от 2 до 4 часов, охлаждают до температуры от 20 до 950°С и выдерживают при такой температуре в течение от 10 до 40 минут.

Изобретение относится к системе терморегуляции форм для литья под давлением, форм для кокильного литья и других подобных устройств. Система содержит резервуар (11), в котором находится жидкая охлаждающая среда, в частности вода, первичный гидравлический контур (12) для циркуляции жидкой охлаждающей среды от резервуара (11) к форме и от формы в резервуар через теплообменник (SC).

Изобретение относится к металлургии. Литая рабочая лопатка с монокристаллической структурой содержит перо, полку замка и замковую часть и состоит из двух фрагментов, соединенных зоной сплавления.

Изобретение относится к литейному производству. Устройство содержит камеру плавления 1 с плавильно-заливочным блоком, размещенным на стойке 8, и заливочной воронкой 25, камеру 2 нагрева литейной формы 19 с индуктором 21, размещенным снаружи камеры, и камеру 10 загрузки литейной формы Камеры плавления и нагрева выполнены из цилиндрических кварцевых труб, между торцами которых расположена водоохлаждаемая металлическая проставка 3, имеющая отверстие для соединения с вакуумной системой.

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для получения отливок направленной кристаллизацией из сталей и сплавов. Устройство содержит камеру нагрева 1, камеру охлаждения 2 и камеру 3 привода штока 38, образующие единую герметичную вакуумную камеру.
Изобретение относится к литейному производству, в частности к получению отливок из жаропрочных сплавов для изготовления рабочих и сопловых лопаток газовых турбин.

Изобретение относится к области литейного производства. Способ включает заливку расплавленного сплава в полость литейной формы через литейный канал. Литейный канал имеет прилегающую к полости переходную зону, в которой после литья образуется металлическая перемычка (261, 262, 263), прилегающая к металлической детали. Сечение перемычки увеличено в направлении основной оси (Х) секции полости формы, причем перемычка тоньше литейного канала. После затвердевания отливку подвергают термообработке и удаляют литейную форму. Обеспечивается ограничение рекристаллизации деталей. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для получения из жаропрочного сплава отливок лопаток газовых турбин. Устройство содержит размещенную в вакуумном кожухе (2) технологическую камеру (16), которая поделена по горизонтали на зону нагрева и зону охлаждения теплоизоляционным экраном (9), установленным на стопорном кольце (14). Кольцо (14) вмонтировано в цилиндрическую стенку (15) на расстоянии от основания стенки, составляющем 0,25, предпочтительно 0,30-0,55, ее высоты. Кожух (16) в зоне охлаждения состоит из двух частей, между которыми находится кольцевой газосборник (17), оснащенный двунаправленными эжекторами (18) газа, находящимися на расстоянии, по меньшей мере, 40 мм, предпочтительно 45-75 мм, от нижней поверхности теплоизоляционного экрана (9). Оболочковую форму 1 с расплавом перемещают из зоны нагрева в зону охлаждения, в которой отливку охлаждают сверхзвуковым потоком инертного газа, подаваемым в область кристаллизации отливки с расходом 0,5-2 г/сек на сопло. Обеспечиваются оптимальные условия для формирования направленной и монокристаллической структуры металла и устранения дефектов отливки в областях изменения толщины отливки. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для производства монокристаллических рабочих лопаток газовых турбин с повышенными характеристиками по ресурсу и рабочей температуре. При изготовлении монокристаллических рабочих лопаток газовых турбин отливают монокристаллическую заготовку лопатки заданной кристаллографической ориентации, удаляют с поверхности отливки пригар и остатки керамики пескоструйной обработкой с последующим контролем размеров лопатки для определения величины подлежащего удалению абразивной обработкой припуска. После удаления припуска осуществляют травление обработанной абразивом поверхности лопатки для удаления дефектного поверхностного слоя с искаженной кристаллической структурой. Затем проводят высокотемпературный отжиг лопатки. Изобретение позволяет повысить качество лопаток за счет стабилизации монокристаллической структуры рабочих лопаток турбин в процессе их производства. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к получению литьем постоянных магнитов толщиной не более 40 мм из сплава на основе неодим-железо-бор (Nd-Fe-B) или празеодим-железо-бор (Pr-Fe-B). Способ включает заливку сплава в литейную форму и его объемную кристаллизацию при скорости охлаждения не менее 200 град/мин. За счет объемной кристаллизации получают слиток с ультрамелкозернистой структурой с размерами зерна менее 1 мкм без использования дополнительных технологических переделов. 2 ил.

Изобретение относится к литейному производству. Нагретый до температуры выше температуры ликвидуса жаропрочный сплав через стояк 2 и коллектор 3 литниковой системы заливают в тонкостенную керамическую форму 1 с затравкой, расположенной в верхней части формы. Форму заполняют снизу вверх до контакта с затравкой 4 и по мере заполнения погружают ее через слой теплоизолирующего экрана в подогреваемую разгрузочную емкость 9 с расплавленным металлом 10, близким по плотности к сплаву отливки. Форму погружают в разгрузочную емкость на глубину, обеспечивающую одинаковый уровень сплава отливки в форме и расплавленного металла в емкости. Извлекают форму из разгрузочной емкости и охлаждают форму над поверхностью экрана потоком инертного газа, емкость заполняют расплавленным металлом. В процессе извлечения блок-формы из разгрузочной емкости стояк литниковой питательной системы подогревают. Обеспечивается повышение качества отливок за счет предотвращения растрескивания керамических форм и загрязнения сплава отливки. 5 ил.
Изобретение относится к области технологии литейного производства и может найти применение для изготовления отливок крупногабаритных рабочих и сопловых турбинных лопаток из жаропрочных и коррозионностойких сплавов. Способ включает изготовление литейной формы, нанесение на поверхность литейной формы частиц алюмината кобальта, нагрев литейной формы, заливку в литейную форму расплава сплава и кристаллизацию сплава с формированием пера, коробки замковой полки, хвостовика лопатки и прибыли. Для формирования пера и коробки замковой полки лопатки в литейную форму сначала заливают расплав с температурой на 50-80°С выше температуры ликвидус сплава, а затем для формирования хвостовика лопатки и прибыли заливают расплав с температурой, равной температуре ликвидус сплава или выше ее на 1-15°С. Обеспечивается получение плотной мелкозернистой структуры металла как в тонкостенном пере, так и массивном хвостовике лопатки. 4 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к литейному производству, в частности к получению кремниевых профильных отливок для мишеней магнетронного распыления. Шихту полупроводникового поликристаллического кремния расплавляют в графитовом тигле, который перемещают вертикально в полости нагревателя. В донном отверстии тигля формируется пробка из застывшего кремния. После расплавления пробки происходит слив расплава через донное отверстие в литниковое отверстие графитовой формы и его кристаллизация. Обеспечивается получение изделий из кремния высокой чистоты. 3 ил., 1 табл., 1 пр.

Изобретение относится к литейному производству, в частности к получению методом направленной кристаллизации литых постоянных магнитов из магнитотвердых материалов типа Al-Ni-Co-Ti-Fe со столбчатой структурой. Комбинированная литейная форма состоит из керамической формы, обернутой огнеупорным теплоизоляционным материалом в виде ткани толщиной 15-20 мм на основе керамического волокна, имеющего следующий состав, мас %: диоксид кремния 52-56, оксид алюминия 28-30, диоксид циркония 14-18. Керамическая форма и теплоизоляционный материал закреплены снаружи металлическими полосами из никелевой проволоки. Обеспечивается повышение основных магнитных характеристик изделий за счет улучшения качества столбчатой структуры. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к литейному производству. Литниковая система содержит приемную чашу 1, вертикальный колодец 2 с дросселирующим элементом 3 и зумпфом 4. От вертикального колодца 2 отходят нижние 5 и верхние 7 питатели, соединенные кольцевыми коллекторами 8. Нижние питатели 5 направлены под углом до 15 градусов к горизонтали, что обеспечивает равномерную скорость заполнения и затвердевания отливок, расположенных вертикально. Верхние питатели 7 обеспечивают выход газов при заполнении и подпитку прибылей отливок горячим сплавом. Обеспечиваются равные условия заполнения и затвердевания каждой лопатки в блоке для получения плотных отливок. 4 ил.

Изобретение относится к области литья и, в частности, к модели (12) для литья по разовой модели, выполненной в форме лопатки газотурбинного двигателя с хвостовиком (15) и пером (14) с обеих сторон полки (20), которая перпендикулярна основной оси лопатки. Перо лопатки (14) имеет внутреннюю поверхность (17), спинку (16), входную кромку (18) и выходную кромку (19). Модель (12) также включает расширительную полосу (21), смежную выходной кромке (19), и огнеупорный стержень (21), заделанный в модель (12), и имеющий как на корыте (17), так и на спинке (16) соответствующую выровненную лакированную поверхность (31) между выходной кромкой (19) и расширительной полосой (21). Перегородка (24) продолжается между полкой (20) и указанной расширительной полосой (21) и имеет свободную кромку (25) между ними. Изобретение также относится к способу изготовления оболочковой формы из модели (12) и способу литья с использованием оболочковой формы. В результате обеспечивается устранение образования зерен на пересечениях выходной кромки или расширительной полосой с полкой лопатки газотурбинного двигателя. 4 н. и 7 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при литье монокристаллических изделий, например рабочих лопаток турбин газотурбинных двигателей с заданной кристаллографической ориентацией. Способ включает получение литьем заготовок затравок, имеющих цилиндрическую форму. В процессе литья на образующей заготовки вдоль оси цилиндра выполняют метки в виде одного или двух диаметрально расположенных выступов или пазов. Проводят кристаллографический анализ отлитых заготовок, отбирают заготовки, у которых положение меток совпадает с азимутальным кристаллографическим направлением структуры заготовки, и осуществляют резку отобранных заготовок на затравки. Обеспечивается повышение точности ориентирования затравок отливок, снижение трудоемкости изготовления затравок. 2 ил., 1 табл.

Наверх