CS253553B2

CS253553B2 - Method of directionally solidifying metallic casting's displacement

Info

Publication number: CS253553B2
Application number: CS797075A
Authority: CS
Inventors: Anthony F Giamei
Original assignee: United Technologies Corp
Priority date: 1978-10-25
Filing date: 1979-10-18
Publication date: 1987-11-12
Also published as: EP0010538B1; BR7906839A; EP0010538A1; NO793399L; IN151958B; DE2965389D1; US4190094A; AU5181279A; JPS5557369A; IE792044L; ATE3311T1; NO156236C; NO156236B; CA1157631A; IL58455A; AU526151B2; IL58455A0; IE48975B1

Description

Vynález se obecně týká odlévání a usměrněného tuhnutí odlitků, při kterém se záměrně mění rychlost přemísťování tuhnoucího odlitku z horké zóny, kde má kov teplotu nad teplotou likvidu, do chladné zóny s teplotou pod teplotou solidu.

Usměrněné tuhnutí je postup pro výrobu kovových výrobků se seřazenou strukturou a tedy s výhodnými mechanickými vlastnostmi. Způsoby a zařízení к výrobě odlitků ztuhlých usměrněným tuhnutím jsou z literatury dobře známy. Z obchodního hlediska se jeví nejvýhodnější způsob, při kterém se kokila po dolití kovu svisle přemísťuje z horké zóny pece do studené zóny rychlostí, při níž se rozhraní tuhnutí pohybuje uvnitř odlitku stejnoměrně směrem nahoru podél jeho hlavní osy napětí.

Dřívější zdokonalení způsobu se týkala regulace teplot horké zóny pece, prostorového uspořádání dna kokily, izolace přepážkami mezi horkou zónou a studenou zónou a zvyšování tepelných ztrát v chladé zóně. V praxi se dosud postupovalo tak, že se odlitky přemísťovaly z horké zóny stejnoměrnou rychlostí nebo se při stejnoměrné rychlosti zařazovaly střídavé stacionární periody, jak je popsáno v pat. spise Sp. st. a. č. 3 700 023.

Optimální rychlost přemísťování je funkcí uspořádání celého zařízení, uspořádání a složené kokily, charakteristických vlastností slitiny při tuhnutí, mikrostruktury, kterou má mít odlitek a ekonomických úvah. Jedním z nejdůležitejších vztahů je vztah mezi teplotním gradientem G a rychlostí tuhnutí R. U většiny eutektických vysoce legovaných slitin, kde se používá usměrněného tuhnutí, obecně platí, že poměr G/R musí převyšovat určitou hodnotu charakteristickou pro každou slitinu a označovanou (G/R)^x. Nejčastěji se tato hodnota rovná poměru A T/D. kde Δ T značí rozmezí tavení slitiny a D je difúzní koeficient rozpuštěných atomů v kapalném kovu.

Z toho vyplývá, že к dosažení maximální přípustné rychlosti tuhnutí a tedy ke zvýšení výroby a snížení reakcí mezi kokilou a kovem je žádoucí zvětšit teplotní gradient G v roztaveném kovu. Jeden z výhodných způsobů, směřujících к tomuto cíli, je popsán v pat. spisech Sp. st. a. č. 3 763 926 ač. 3 915 761, podle kterých se kokila při přechodu do chladné zóny ponořuje do roztaveného kovu; tento technologický postup se nazývá chlazení tekutým kovem.

Zkušenost ukazuje, že к vytvoření výhodné mikrostruktury kovu je žádoucí udržovat rozhraní tuhnutí v podstatě rovinné, to znamená kolmé ke směru tuhnutí. Důvod tohoto opatření vyplývá z následující úvahy: Když při pevném teplotním gradientu G je rychlost tuhnutí R příliš vysoká nebo příliš nízká, je rozhraní tuhnutí konvexně zakřivené nahoru nebo dolů. Tento stav ukazuje, že mikroskopický růst uvnitř slitiny není srovnán s hlavní osou, podle které odlitek tuhne. Následkem toho má odlitek v závislosti na skutečné odchylce od jednosměrného růstu odlišný krystalografický nebo zrnitý růst a tedy horší kvalitu. Když mimo to odlitek tuhne příliš rychle, mohou vznikat před rozhraním tuhnutí krystalizační zárodky, což poruší žádanou stejnosměrnou směrovou nebo krystalografickou povahu tuhnutí. Když je naopak rychlost tuhnutí příliš malá, je pravděpodobné, že dendrity se znovu roztaví a že dojde ke vzájemnému působení mezi tuhnoucím kovem a kokilou, které zhoršuje kvalitu slitiny, a mimo to doba zpracování je příliš dlouhá a tedy nehospodárná.

Vzájemné vztahy mezi uvedenými parametry při tuhnutí podrobně popsali Giamei, Erickson v článku Computer Applications in Directional Solidification Processing, publikovaném v Proceedings of the Third International ΑΙΜΕ Symposium on Superalloys, Seven Springs, Pennsylvania, 19. září 1976, str. 405-424; B. Kear, Ed., Claitor, Baton Rouge, La,· 1977.

Zkušenosti ukazují, že optimální tuhnutí nastává za takových podmínek, když je rychlost přemísťování z horké do chladné zóny maximální a přitom nedochází к tvorbě krystalizačních zárodků. Tyto podmínky dávají rovněž optimální hospodářské výsledky. Proto směřují všechna zlepšení techniky usměrněného tuhnutí к tomu, aby se v odlitku vytvořily tyto podmínky.

Když má kokila konntantní průřez a je umístěna v zařízení, které vytváří v konkrétní slitině ronirétní teplotní gradient, lze maaimáání rychlost přemísťovaní určit a realizovat.

Věěštna vyráběných produktu však má proméěntvý průřez; dobrým příkladem je profil lopatek plynové turbíny, které mail silnou patu, tenký a obvykle zkosený list a často těžší bandái na konci středního profilu.

U takových výrobků se dosud postupovalo tak, že se z^c^klila pevná rychlost přemstu^¢^I^í, která zajišťovala uspokojivé ztuhnutí jak silné, tak tenké části při průchodu rozhraním tuhnutí. Takový postup samozřejmě vyžaduje určitý ^ι^Γοιηϊε, pokud jde o optimální volbu uvedených parametrů, a jeho výsledkem je roInmPomásní struktura v jednotlivých úsecích odlitku s odlišnými rozměry. Poněvadž maximmlní rychlost je určována těžším úsekem odlitku, ze se obtížněji odvádí teplo a v němž je velice těžké vytvokit strmý teplotní gradient, je výroby samozřejmě omezená.

kterého rychlost □ simmeného ztuhnutí lze pouužt k výrobě odlitku libovolného složení pro jakékoli avšak v poslední době se především používá k výrobě tří stále běžnějších, nicméně velice moUdrních katego^í áaltrillύ pro plynové turbíny; áaltrillů se sloupkovou strukturou, monokrystalických áaatrillů nebo srovnaných г^гГ^сГу^ áaltrillů. Četné ro^eti^I^:í vysoce legované slitiny byly tranfniránilny na sloupkovou stiurtuit a do áonnOrrttalického tvaru, jiné specializované slitiny byly přímo vyvinuty pro uvedené konstrukce. Eutektické slitiny, vhodné k uvedenému účelu, jsou typickými slitinaái s velkým počtem prvků a s velice úzkým ' teplotním rnz^dílem mezi Jugu^em a sn^l:^(íe^m; tento rozdú býv^{l 3} a^{ž 11} °C.

použití,

C.h

U těchto slitin je velice často obtížné dosáhnout tuhnutí usměrněným způsobem, poněvadž x o — 2 poměr (G/R) je vysoký, řádově 125 C.h , a i při vysokém rychlost R tuhnutí poměrně nízká, většinou nižší než snadno překročí.

parametr Δ T/D a v důsledku toho i teplotním gradientu G je mmxпШпní 3 cm.h a bez pečlivé regulace se

Při teplotním gradientu daném zařízením, lze vliv rychlooti R na miknoustrukturu zmíněných typů slitin shrnout takto: Při nízkých hodnotách R v slitinách na bázi niklu vzniká pLan^rní áikronSrtktura. Když se R zvyšuje, vzniká c^luHrní a poté dendriticn struktura. S těmito změnami mohou souviset zlepšené, vlastnosti odlitků, pokud jde o pevnost v tahu a mez tečení. V ettrtických slitinách je průběh podobný s tím rozdílem, že při velmi nízké rychlosti růstu může vzniknout lammU^ nebo lichoběžníková struktura. Když se rychlost zvyšuje, struktura se zjemňuje a stává se ceMám a potom denddí tlukou.

Je dávno známé, že je nezbytné pečlivě regulovat tepelné podmínky a rychlost usměrněného tuhnuuí. Naaříklad v pat. spise Sp. st. a. 3 124 452 je popsán způsob jednosměrného tvoření eutektických slitin se vzájemně oddělenými lamelami, při kterém se reguluje rychlost tuhnutí a teplotní gradient a současně se sleduje poměr mí z i nimi tak, aby ležel v širokém inzж^;^í od ^0,2 do 1 ⁰⁰⁰ °^C.ho^{d 1} .cm ¹ . Nenbytnoot v^o^^ tr^plntdí^hn gra^entu a co nejvyšsí rychlosti tuhnutu, kterou při tom lze d<^:slhd<^l^1t se uvádí v pat. spise Sp. st. a., 3 677 835 , kde se popisuje potlačení houboníté zóny před rozhraním tuhnuuí růstu a aby vznikly ce^Urní a rovinné struktury slitinách s vysokým gama.

aby se zabránilo dendritckémnu v niklových slitinách, zejména v jakostních tuhnutí řádově 0,5 cmh . V dalším pat. tepla horké zóny při různých rychlostech

V uvedeném spise se poppsuj nízké гус^Иос^ spise Sp. ^st· a· č. 3 897 815 se popisuje iyutití růstu, aby bylo možno regulovat roztavený stav odlitku a směrovost tuhnutí při odváděné kokily z horké zóny. V tomto spisu je rovněž zmínka o vzájemné vazbě mezi přemísťováním kokily s odlikkem a mezi zahříváním podle obecného vztahu G/R.

Někdy se postupuje tak, že po vlití kovu do kokily se podmínky nemění nebo se mění pouze pomalu, aby se kov mohl stabilizovat uvnitř kokily a aby se dosáhlo dobrého počátečního růstu zrn nebo krystalů, počínaje od dna kokily nebo od zárodečného monnkkrssalu. Třebaže je znám, vzájemný vztah parametrů závislých na zařízení a parametrů závislých na maatriálu a jejich vliv na odlitek, neprováděla se dosud výroba odlitků složitého tvaru jinak, než na základě komppomisní jedné rychlosti přemísťování'nebo případně s jedinou změnou rychlosti růstu. Lze to přičítat směru a stavu vývoje techniky usměrněného tuhnutí.

«

Tyto pochody vznikly v laboratoři a byly vypracovány pro vzorky s jednoduchým a konstantním průřezem, kde je konstastsí rychlost naprosto vhodná. Poznatky pak byly převedeny jako celek do výroby, která byla teprve v začátcích, a do předběžné výroby složitých tvarů. V současné době však působí ekonomické stimuly k tomu, aby se technologické postupy oppimlizov<^-Ly. Mimoto byla lépe poznána dúležžtost mikkootruktury kovů, poněvadž konnsTuktéři postupně častěji pouužvaai nových mae^2::iálů na mezích pružunoti, takže je nezbytné přesněji regulovat tuh^ι^t^:L. Dalším faktorem je pouužtí různých slitin, které jsou mnohem citlivější než dosavadní slřlnny, pokud jde o závislost vlastností na mikkostruktuře a závislost mikrostruktury na rychlosti tuhnuu!.

Výroba turbinových lopptek z eutektických slitin, které maj různé tvary, například rovný profil s rovnosou patou, je popsána v pat. spise Sp. st. a. č. 3 790 303. Při popsané výrobě byly měněny podmínky při tuhnutí odlitku, avšak pouze do míry nezbytné k dosažení různé struktury uvnštř odlitku; problémy spojené se vzájemnou závislostí podmínek při tuhnutí a změn průřezu odlitku se však zřejmě vůbec nevyskytovaly.

Třebaže tedy byla v omezeném rozsahu seznána nustnost změny růstu a rych].osti odlitku od jednoho průřezu odlitku ke druhému, neexistuje v dosavadním stavu techniky systematický způsob volby rycl-ih-Ojtí od ·jednoho průřezu odlitku ke druhému, ani náznak řízeného přechodu z jedné rych].osti do druhé. .

Cílem vynálezu je zlepšit usměrněné tuhnutí použitím různých rychhossí přemísťování odlitku s různými průřezy o^lit^^ů a regulace rych1osti tohoto přemísťování a vyrobbt výrobky z kovu s usměrněným tuhnutím·tak, aby mmly stejnoměrnou mikkootrukturu i při proměnlivém poměru obvodu k průřezu, dále přechodové úseky se žádoucími vlastnostmi iiebo mikrostrukturu v jednotlivých úsecích odlitku tak, aby odpovídaly požadavkům kladeným na mechanické vlastnosti příslušné části odlitku.

Předmětem vynálezu je způsob přemísťování usměrněně tuhnoucího kovového odlitku, který má po délce .odlišné pom^iry obvodu k průřezové ploše, z horké zóny o teplotě nad teplotou likvidu do chladné zóny o teplotě pod teplotou solidu kovu k vyvolání pohybu jienovntého rozhraní tth^ι^t:L, ležícího mezi izot^írmou likvidu a izotermou solidu, nejméně dvěma vzájemně odlišnými rychlostmi. Poddtata vynálezu spočívá v tom, že přechod z jedné rychlosti přemísťování odlitku na další rychlost, při změně poměru obvodu odlitku k jeho průřezové ploše, se provádí spojitě v průběhu průchodu rozhraní tuhnutí obbastí této změny, přičemž rychlost pohybu rozhraní tuhnuti se mění ve stešném smyslu jako poměr obvodu odlitku k jeho průřezové ploše.

Způsobem podle vynálezu lze vyrobbt odlitky s různým průřezem, které maj v celém objemu požadovanou mikinostrukturu a jsou prosté vad, jež jsou jinak výsledkem kompromisní stejnoměrné rychlosti přemísťování, a maj lepší strukturu a vlastnosti než odlitky vyrobené s přechody mezi různými rychlostmi přemísťování bez regulace podle předem stanoveného vztahu.

Vynniez zvyšuje pouužtelnost těchto výrobků, protože snižuje rozptyl jejich vlastností, který je nezbytným úkazem při hromadné výrobě. Při odlévání slitin citlivýcl na jednotlivé parametry, ummOňuje vynález rychlou a hospodárnou výrobu odlitků, které jsou prosté vad, jako je náhodná tvorba krystlLizačsícl zárodku, mikrosegregace, pórovítost a nepříznivé karbidy.

Vynález rovněž tmižňujt tuhnutí eutektických odlitků složitého tvaru se srovnanou mikrostrukturou, které maj nejméně 90 % lamel nebo vláken ve své struktuře a regulovanou vzájemnou vzdálenost lamel. Dále lze podle vynálezu vyrobbt odlitky se sloupkovou strukturou, které mají požadovanou vzdálenost mezi dendrity a srovnaná* zrna jak ve větších, tak v menších průřezech, a monokrystalické odlitky s požadovaným odstupem dendritů a minimálními defekty krystalografické orientace. Ve všech těchto odlitcích lze vytvořit požadované mikrosložení a dosáhnout lepších vlastností.

Vynález bude vysvětlen v souvislosti s přiloženými výkresy, kde značí obr. 1 svislý řez částečně usměrněně ztuhlým odlitkem, který je částečně přemístěn z horké zóny a ponořěn do chladicí zóny s tekutým kovem, obr. 2 typický odlitek s naznačenými rychlostmi přemístění a růstu, obr.3 odlitek s měnícími se rozměry jednotlivých jeho částí a odpovídající křivku přemísťování, obr. 4 křivku rychlostmi přemísťování z obr. 3, v závislosti na čase, obr. 5 graf znázorňující alternativní křivky rychlosti přemísťování a obr. 6 lopatku turbiny a příslušnou křivku rychlosti přemísťování.

Výhodné provedení vynálezu bude popsáno v souvislosti s výrobou odlitku z vysoce legované slitiny, například turbínové lopatky, s použitím způsobu přemísťování odlitku a chlazení tekutým kovem. Předpokládá se, že horká zóna a chladná zóna s kapalným kovem mají pevné teploty, což znamená, že teplotní gradient v odlitku je konstantní.

Je ovšem samozřejmé, že vynález je rovněž použitelný pro jiné typy zařízení к přemísťování odlitku, včetně těch typů, které mají horké zóny s proměnlivou teplotou, radiační chlazení a jinou konfiguraci kokily. Vynález je samozřejmě použitelný pro všechny kovy a tvary, které lze zpracovávat tuhnutím.

Zařízení к tuhnutí odlitku způsobem podle vynálezu je znázorněno na obr. 1. Kokila 20, naplněná roztaveným kovem 22, je připevněna ke kokilovému dnu 24. Kokila 20, která byla zpočátku úplně v horké zóně 26, se postupně přemísťuje do chladné zóny 18 pohybem kokilového dna 24. Přepážka 30, které se často používá, snižuje přenos tepla mezi horkou zónou 26 a chladnou zónou 28. Roztavený kov 22 se mění na ztuhlý odlitek 32 odnímáním tepla, které je odváděno kokilovým dnem 24 a chladnou zónou 28 kokilu 20. Hranice mezi ztuhlou částí 32 a roztaveným kovem 22 je rozhraním tuhnutí 34. Při normálním přemísťování leží rozhraní tuhnutí 34 v blízkosti přepážky 30, to znamená v blízkosti přechodu mezi horkou zónou 26 a chladnou zónou 28.

Na obr. 1 je znázorněno toto rozhraní vzdáleností L nad hladinou roztaveného kovu. Když je rychlost přemísťování příliš vysoká, pohybuje se rozhraní tuhnutí 34 směrem ke chladné zóně 28 a může dostat vypouklý tvar směrem nahoru. Když je naopak rychlost přemísťování příliš malá, leží rozhraní tuhnutí 34 blíže к horké zóně 26 nad přepážkou 30, což znamená, že vzdálenost L se zvětšuje, a mimoto může mít rozhraní tuhnutí 34 vydutý tvar směrem dolů.

V prvním případě je přenos tepla v chladné zóně 28 nedostatečný к odvedení měrného a skupenského tepla z roztaveného kovu rychlostí souměřitelnou s rychlostí přemísťování; ve druhém případě chlazení v chladné zóně 28 a přes střední část ztuhlého odlitku stačí к tomu, aby se rozhraní tuhnutí 34 pohybovalo po délce odlitku rychleji než je rychlost přemísťování, a to tak dlouho, až dosáhne bodu ustálené rovnováhy. Je samozřejmé, že změna teploty a přenosu tepla do horké zóny 26 nebo změna rychlosti přemísťování by měla na vzdálenost L podobný účinek při ostatních parametrech konstantních.

V následujícím popise znamená jmenovité rozhraní tuhnutí průměrnou polohu izotermy solidus- likvidus v tuhnoucím odlitku. Ve většině komerčních slitin je mezi solidem a likvidem značný teplotní rozdíl. V důsledku toho neexistuje ostře definované rozhraní mezi tuhou a pevnou fází, nýbrž vzniká tak zvaná houbovitá zóna, jejíž axiální délka se mění podle slitiny, teplotního gradientu, rychlosti přemísťování atd. Třebaže zařízení z obr. 1 je popisováno v souvislosti s přemísťováním odlitku, je samozřejmé, že v obecném případě je nezbytný pouze posuvný pohyb kokily vůči horké a chladicí zóně.

V rámci vynálezu lze tedy přemísťovat translačním pohybem horkou a chladnou zónu vzhledem k pevné kokile a k pevnému kokilovému dnu. V následujícím textu bude ukázáno, že existuje žádoucí vzájemný vztah mezi rychlostí přemísťování W a rychlostí tuhnutí R. RycClost tuhnutí R, alternativně nazývaná rychlost růstu, je ta rychlost, jakou se pohybuje rozhraní tuhnutí roztaveným kovem.

Na obr. 2 je znázorněn válcový odlitek, který má po délce odlišné průřezy. Na takovém typickém odlitku lze dobře provádět analýzu přemísťování a její vliv na rychlost růstu nebooi tuhnuuí. Podle obr. 2a má roztavená část 36 kovu skupenské teplo tuhnutí úměrné svému objemu. Během přemísťování závisí přenos tepla z této části 36 na velikosti válcové povrchové plochy 42. Poměr mezi teplem vázaným v této části 36 a teplem přenenseným z této části 36 lze tedy charakterizovat jako poměr povrchové plochy k objemu.

Když se délka části 36 postupně zmeešuje tím, že se k sobě přibližují obě o^eezjj^<cí roviny 38, 40 tak blízko, až je jednotková délka části 36 nepatrná, lze jednotkovou axiální délku zanedbat a poměr povrchu k objemu jako poměr obvodu P k průřezu A neboli

P/A. Předchozí popis se týká velice jednoduchého odlitku, lze však jej aplikovat i na odlitky složitého průřezu.

V právě popsaném případě značí P obvod odlitku. Třebaže P souvisí s vnějšími rozměry odlitku, v případě sekce obklopené kokUou se musí brát v úvahu také rozmar kok^y. Po vrácení se k obr. 1, musí se P uvažovat jako míra jednotkové plochy, která ovlivňuje přenos tepla ze ztuhlého odlitku 32 přes kokilu 20 do chladné zóny 28. V důsledku toho se musí

P upravit při změně kteréhokoli faktoru vyviSávaaícího změny v přenosu tepla, jako jsou změny tloušťky kokkly, změny složení, hrubooti povrchu a ostatních parametrů v ose odlitku. Běžně není . potřeba tyto úpravy provádět, poněvadž uvedené faktory nejsou proměnnivé. A je mírou tepla vázaného v odlitku a v kokile v daném bodě a musí se tedy upravit při změně složení a měrného tepla v přísuuňném průřezu, což by byl například případ, kdy by v odlitku bylo pevné keramické jádro.

Pro praktické pouužtí a většinu aplikací je pouužtí obvodu P a průřezu A kovového odlitku poosačušlo!, přičemž je třeba brát v úvahu jádro, pokud je v průřezu odlitku. U odlitku podle obr. 2a, postupujeli se zdola nahoru ve směru tuhnuuí, je patrné, že poměr P/A se nejprve zvětšuje v úseku 46 a pak zmennuje v úseku 48 na hodnotu ležící mezi hodnotou úseku 44 a 46.

Obr. 2b znázorňuje relativní optimální rychh-osti přemísťování W, které lze přiřadit délkovým úsekům odlitku z obr. 2a. Je zřejmé, že rychlosti se mění u jednoduchého válcovitého odlitku s poměrem P/A úseku neboo! s převratnou hodnotou,průměru, poněvadž P/A = 2nr/itr = = 2/r - 4/d. Oopimální rychlost přemísťování by byla taková dosažitelná maximální rychlost, při které by zůstalo zachováno rovinné rozhraní tuhnuuí; vlastnosti odlitku by odpovídaly požadavkům a odlitek by nemel vady. Pro příklad znázorněný na obr. 2b se předpokládá, že v celém odlitku se vyžaduje optimální struktura.

Rycdost přemísťování se musí tedy zvooit tak, aby vznikla požadovaná m)cr^r^í^t:ruktura v prvním úseku 44, podstatně vyšší rychlost W? se pak poušije pro střední úsek, který má mnohem větší poměr P/A, a pro horní úsek 4 8 se pou^je ry^l^h^c^E^tLi mezi uvedenými hodnotami.

Popsaná změna rychlosti založená na poměru P/A se vztahuje na případ, kdy se žádá mmximmání rychlost tuhnutí a přemísťování, což je při výrobě typické. V méně četných případech se však může stát, že v různých částech odlitků má být^Vnikrostruktura ma^TiHů odlišná, aby se tak optimalizovaly vzájemně se vylučuuící vlastností. V tomto případě by se rychlost v části dále áoSiíikovala urč^ým čišiteeeá, například procentem maxXrnminí rychlosti tuhnutí s rovinným rozhraním tshnuSí, aby se dosáhlo v odlitku požadovaných vlastností.

Za takových okolností bude rychlost v druhé části ve srovnání s rychlostí v první části vyplývat ze dvou faktorů: první z nich je změna poměru P/A ve druhé části oproti první části, přičemž změna rychlosti má stejný smyS·, a druhý z nich je změna mikmtruktury oproti mikrooSruktuře, která by vznikla při první rychlosti závislé ' na prvním faktoru, přičemž změna rychlosti má libovolný smmsi a velikost.

Jak bylo uvedeno, je obvyklé nechávat ztuhnout odlitky s různým průřezem nebooi s různým poměre^m P/A jednotnou rych lostí nebo při jediné skokové změně. Pro odlitek znázorněný na obr. 2a by se jako jednotná rychlost zvoHla rychlost W. , poněvadž jakU^c^o-i jiná rychlost by byla pro dolní úsek 44 příliš velká a mmia by za následek náhodný vznik zárodečných krystalů. Tato volba má dva důsledky: prvním důsledkem je to, že ve druhé části 46 a ve třetí horní části 48 jsou nižší než optimální podmínky, takže například rozhraní tuhnutí je vyduté směrem dolů a doba výroby odlitku je delší než je nezbytné. Druhým důsledkem, který je vysvětlen na obr. 2c, je rychlost tuhnutí R, která by byla důsledkem konstantní rycl^h^Oř^sLi přemísťování W.. '

Pro první dolní část 44 se rychlost růstu nebo tuhnutí R rovná ryc li losti přemísťování a je optimminí. Tato rychlost se udržuje i ve druhé a třetí části. Jak však ukazuje obr.. 2c, v přechodu mmzi první částí 44 a druhou částí 46 dochází k odchylce. Povaha odchylky je závislá na konkrétních podmínkách slitišr^y a zařízení; plná čára ukazuje zdánlivě neobvyklou, avšak typickou křivku vznňkající tehdy, když se pohyb rozhraní tuhnutí'podstatně zpommluje.

Lze to vyssettit tím, že přívod tepla do střední části 4 6 z horké zóny, vzhledem k tepelným ztrááám této střední části 46, závisí na poměru P/A. Lze pochoppt teoreticky i ovětit experimmnSálsě, že protože poměr P/A střední části 4 6 je větší než u dolní části 4 4 , vzdálenost ‘ L, podle obr. 1 mezi oozholn:^m tuhnutí i hranicí horké i chladné zóny, se zmeeSšje, když je rychlost W konnsantní. Roohraní tuhnutí se tedy si okamžik zpomaaí nebo zastaví, když prochází změnou průřezu. Podobným způsobem dochází k opačnému jevu, když rozhraní tuhnutí přechází ze střední části 46 do horní části 48.

Uvedené úkazy lze pozorovat při chlazení kapalným kovem, což je pochod chlrlkterisovluý velmi vysokým teplotním gradientem. V jiném zařízení, kde chladicí účinnost chladné zóny je nižší, může dojít na přechodu mezi částmi odlitku k jinému průběhu rozhraní tuhnut:!, jak znázorňuje na obr. 2c přerušovaná čára. NGezvésle na přesném vztahu rychlosti růstu a doby obecně platí, že když se mění průřez částí odlitku, dochází k přerušení rychlosti růstu, pokud se neprovede vhodná koaapnsace. OOdornncí si této skutečnooti dosud nebyli vědom.. Při přerušení rychlosti růstu se zmmní aikaootrtatura a vlastnosti odlitku, přičemž stupeň této změny závvsí na citlivosti slitUns a na podmínkách při pouužtí odlitku.

Z předchozí diskuse je zřejmé, že je výhodné mmění rychlossti v z^x^éí^^Ll^í^tLi na poměru P/A částí odlitku, avšak že změna rychlossti muuí být provedena tak, aby nedošlo k zastavení nebo naopak k urychlení pohybu rozhraní · tuhnul.

Obr. 3 znázorňuje odlitek poněkud složitějšího tvaru a vedle něj graf ukazuuící různé rychlosti přemísťování, které se mění podle smyslu zm^ny poměru P/A v každé části odlitku. Poměr změny rychlosti W s poměrem P/A závisí na konkaétnich parammtaech zařízení a maaeriálu a na typu požadované mikkootruktury odlitku a lze jej určit na základě uaušensoSi pro jakoukoli soustavu. Oba. 3 dále ukazuje různé drály, po kterých lze rychlost měěnt, když rozhraní tuhnutí prochází jednotlěvýai proměnlivými částmi odlitku.

Změna rychlosti přemísťování je lineární po délce odlitku při první změně jeho průřezu, jak ukazuje na grafu segment 50 . Náásedující dvě změny rychlooti, znázorněné segmenty 5 2 a 54, maaí parabolický průběh, a poslední zm^na naznačená segmentem 56 je skoková. Průběhy změny rychlosti na obr. 3 ěysvětluji změny a nepředstavuji nezbytně optimální průběhy pro daný tvar odlitku, poněvadž optimální průběhy závisí na konkkétní slitině, na použitém zařízení a na miakootruktuře odlitku.

Nicméně je zřejmé, že na základě vysvětlení к obr. 2 existují jemnější, nicméně však značné změny rychlosti růstu při složitějších změnách poměru P/A. Rovněž je zřejmé, že přesný čas začátku a průběh změny rychlosti je proměnlivý a závislý na okamžitém cyklu. Poněvadž však přechodový cyklus je přiřazen proměnlivému poměru P/A v přechodné části odlitku, platí axiomaticky, že přechodový cyklus se provádí během doby, kdy rozhraní tuhnutí leží v blízkosti tohoto průřezu.

Ten, kdo se prvně setkává s tímto problémem, by mohl považovat za vyhovující přímou úměrnost mezi rychlostí přemísťování odlitku a poměrem P/A v přechodové části odlitku. Zkušenost však ukazuje, že takové jednoduché řešení je nevyhovující, zčásti pro tytéž faktory, které ovlivňují vztah mezi rychlostí přemísťování v jedné konstantní části odlitku ve srovnání s jiným konstantním průřezem odlitku. Za této složité situace a při nejrůznějších přechodových částech odlitku bylo experimentálně zjištěno, že jsou vhodné určité matematicky definovatelné změny rychlosti vyjímání.

К vysvětlení některých těchto změn slouží obr. 4, který ukazuje graf rychlosti přemísťování odlitku podle obr. 3, avšak jako funkci času. Části 50' , 52 ' , 54 ' , 56’ křivky na obr. 4, které ukazují změnu rychlosti, lze vypočítat integrací segmentů z obr. 3. Když je rychlost W lineárně úměrná délce odlitku, jako je tomu u segmentu 50, tato rychlost W je exponenciální funkcí času v části 50' křivky z obr. 4. Analogicky když W je jednoduchá parabolická funkce vzdálenosti, jako je tomu u segmentu 52, je rychlost W lineární funkcí času na části 52* křivky z obr. 4.

Poněvadž regulaci rychlosti přemísťování odlitku lze nejlépe vyjádřit jako funkci času, bude v následujícím použito tohoto označení. Pro odborníka je však zřejmé, že samotné místo přemísťování je funkcí času, a že tedy z úvah činěných na základě času se lze snadno vrátit к analýze rychlosti přemísťování jako funkce vzdálenosti.

Obr. 5 ukazuje ve tvaru křivek různé průběhy nebo cykly, podle kterých lze rychlost přemísťování měnit vzestupně neboli kladně (obr. 5a) a sestupně neboli záporně (obr. 5b). Obr. 5a ukazuje několik průběhů, po kterých lze rychlost přemísťování zvětšovat z první rychlosti na druhou rychlost během doby ležící mezi a t%· Tyto křivky představují několik obecných kategorií, na které je lze rozdělit. Křivky s označením IA a IIA jsou virtuální skokové funkce, to znamená, že v době t se rychlost okamžitě mění z hodnoty na hodnotu W£. Je zřejmé, že skokovou změnu lze provést v jakémkoli okamžiku mezi dobou tj a t, a na obr. 5 jsou znázorněny pouze dva možné případy. Matematické vyjádření křivek IA a IIA je velice obtížné, předpokládá se však, že označení skoková funkce je vysvětluje dostatečně.

Křivky IB a IIB lze obecně popsat jako konvexní funkce. Křivka IB je typ změny rychlosti, kde po poměrně rychlé počáteční změně následuje pomalejší postupná změna. Křivka IIB označuje naopak poměrně pomalou změnu na začátku, za kterou následuje rychlá změna. Jednotlivé křivky IB a IIB lze popsat matematickými vztahy ,, _ nt . nW

W = Ae a t = Be a w = C-At~ⁿ, atd., kde А, В, C, n jsou konstanty. Křivka III je lineární změna rychlosti, při které se rychlost vyjímání mění přímo s časem, což znamená, že urychlení je konstantní. Tento typ změny lze vyjádřit matematicky vztahem

W = At kde A je konstanta.

Existují jiné křivky, které nejsou znázorněny a které mohou vyjádřit přechodné cykly. К těmto křivkám patří například křivky tvaru písmene S, které by vznikly postupnou kombinací křivek CIB a křivek I_B, a křivky ve tvaru obráceného písmene S, které by sestávaly z křivek 13, za kterými by následovaly křivky IIB. Analogicky lze navrhnout i jiné kombinace křivek /. obr. 5.

25553

Obecně je žádoucí provádět mezi první a druhou rychlostí podle hladkých křivek znázorněných na obr. 5. Regulační soustava a prvky, které vytvářejí minimalni změny premistovacího pohybu, mohou být diskrétní nebo číslicové, takže skutečný průběh zrniny rychhosti může být tvořen soustavou skoků, sledem lineárních změn, kmitavým průběhem nebo podobně. Takovéto nepravidelné nebo nedokonalé přechodové cykly a složité kombinace, které bud sledují průměrné dráhy nebo aproximuj hladké křivky popsané v souuiilosti s obr. 5, patří rovněž do rámce vynálezu.' ·’

Obr. 5b je podobný obr. 5a s tím . rozdílem, že znázorňuje zmenšování гу^ШИ. Srovnáním lze zjistit, že křivky označené čárkovaně odpooídaaí křivkám z horní části obr. 5 a že mají analouické chaaakteeistiky.

Křivky na obr. 5 patří do třídy křivek, které jsou vhodné k provádění změn rychlooti, při přemístění, když rozhraní tuhnuj kovu prochází změnou průřezu odlitku v intervalu _t, ležícím mezi t ' a t^2^.

Společné a charakkeeistické znaky křivek podle obr. 5 lze přesněji určit na základě jejich první derivace. V následujcí analýze se samozřejmě předpokládá, že v okamžicích t^ a t^₂ dochází ke změně derivace mezi určitou hodnotou a nulovou hodnotou, která charakterizuje konstantní rychlosti ' ' a tt' * NálledalícS tabulka 1. udává znaménko derivace pro každou třídu křivek a je z ní zřejmé, že hlavním rozdílem je to, že první derivace pro zvětšující se rychlost je kladná, zatímco při zmženulící se rychIooti je záporná. Dal^í zkoumání první derivace ukazuje však rozdíly v jejím průběhu v čase.

I

Tyto rozdíly jsou shrnuty v tabulce 2, z níž je zřejmé, že křivky III mai tonntαntns první derivaci, zatímco křivky ostatních tříd maaí derivace prommnlivé hodnoty. Der.v^<ci skokové funkce křivky IA a IIA lze jen obtížně stručně popsat. Předpokládá se, že skoková zm^^a probíhá v době dt, která je velice krátká oproti době t.

V tabulce 2 Je uveden trend změny absolutní hodnoty derivace. Je patrné, že užití absolutní hodnoty odstraňuje rozdíl mmzi případem vzrůssaaící a klesajcí rych].ooti.

Z tabulek lze odvodát některá další pozorování. Křivky IB a IB’ maaí rychlou počáteční změnu, po níž následuje pomžjejší změna a tedy klesajcí ab!^<^JLultní hodnota změny rycl-doos!, přechánzjící hladce v rychlost W'- Naopak křivky IIB a IIB¹ vycházzjí hladce z rychlosti W.j a maí vzrůssaaící absolutní hodnotu směrem k rycMooti t ' . Neznázorněné esovité křivky by měly izrůslající a potom klesáaící, nebo naopak klesáaící a pak vz^ůStaící rychlost vinmny.

deriva	ce křivek гус^Ы-ОБ^	přemísťování v době t
Vzrůs	tající rychlost	Kleesaíc í	rychlost
Ti' tda	Hodnota	Třída	Hodnota
IA	a	IA'	0
IB	kladná	IB'	záporná
IIA	Ω	IIA'	λ
IIB	kladná	IIB'	záporná
III	kladná	III	záporná

Vyysi'nlens a - nekonečně kladná pro dt, pak nulová, přičemž dt je velice mmlé vůči t, Ω -- nulová, pak nekonečná kladná pro dt

- stejně jako a , avšak s opačným znaménkem λ- stejně jako Ω, avšak s opačným znaménkem

Tabulka 2

Trend hodnoty první derivace rychlosti přemísťování s časem t

	Vzrůstající	rychlost	Klesající rychlost
	Třída	Hodnota	Třída	Hodnota
	IA	Ψ	IA’	Ψ ’
	IB	méně kladná	IB'	méně záporná
	IIA	π	IIA'	o ’
	IIB	kladnější	IIB'	zápornější
	III	konstantní	III '	konstantní
Vysvětlivky	₄
Ψ- kladná,	záporná, pak konstantní

o- konstantní, pak kladná, záporná

Ψ- stejně jako Ψ, ale s opačnými znaménky σ- stejně jako σ , ale s opačnými znaménky

Tabulka 3

Trend změny absolutní hodnoty první derivace křivek rychlosti přemísťování v čase t, s výjimkou doby dt

Vzrůstáj ící	rychlost \	Klesající	rychlost
Třída	Hodnota	Třída	Hodnota
IA	nula	IA'	nula
IB	méně kladná	IB'	méně kladná
IIA	nula	IIA’	nula
IIB	kladnější	IIB'	kladnější
III	nula	III '	nula

К podrobnějšímu objasnění vynálezu slouží následující příklady.

Příklad 1

S použitím rychlého usměrněného tuhnutí s radiačním chlazením byla vyrobena monokrystalická lopatka pro první stupeň plynové turbíny leteckého motoru.

Jmenovité hodnoty poměru P/A podél části odlitku, udané v cm , byly 10 pro patu lopatky, 46 pro list lopatky a 0,8 pro bandáž. Slitina byla podobného typu, jaký je popsán v pat. spise Sp. st. a. 4 116 723. Rychlost přemísťování v cm.h ¹ byla 7,6 pro monokrystalický závěs a navazující šikmý přechodový úsek, 15 pro patu lopatky a 25 pro list lopatky a bandáž. Tvar lopatky je znázorněn na obr. 6 společně s cyklem přemísťování, který je označen a. Výsledná lopatka měla zdravou strukturu, avšak krystalografické vady v oblasti bandáže, způsobené náhodným vylučováním zárodečných krystalů, к němuž došlo přiliš vysokou rychlostí přemísťování odlitku při krystalizaci bandáže. Krystalická struktura v přechodu mezi patou a listem lopatky byla rovněž mírně nedokonalá. Celková doba.tuhnutí byla 92 minut.

Příklad 2

Byla zpracovávána stejná lopatka a stejná slitina jako v příkladě 1. Rychlost vyjímání v cm.h^-1 byla 7,6 pro závěs lopatky a přechod a zvyšovala se lineárně s časem na 33 litru lopatky, načež byla snížena na 15 při krystalizaci bandáže. Cyklus označený b na obr. 6 je samozřejmě parabolického průběhu v závislosti na vzdálenosti. Lopatka měla lepší krystalicko strukturu v přechodu mezi patou a listem a neměla nukleační vady v bandáži. Doba tuhnutí byla 89 min.

příklad 3

Vysoce jakostní gama-gama plus delta eutektická slitina s hmotnostním složením Ni-2,5'

Ni-2,5Al-20Nb-óCr byla použžta k výrobě turbínové lopatky bez bandáže s lammeární strukturou.

Lopatka sloužila jako turbínová lopatka prvního stupně pro turbínu leteckého moooru.

Odlitek lopatky měl celkovou výšku asi 3,8 cm, délku listu 2,5 cm a pata lopatky měla šířku asi 2,5 cm. Přechod na základně listu lopatky, kde se připojuje k patce, měl poloměr asi 2,5 mm. K základně paty lopatky byl připevněn závěsný blok, který měl délku 1,5 cm a konstantní průřez. Jmenooitý P/A v cm ¹ v této počáteční části a v patě byl 45, zatímco v části listu v blízkosti paty byl a v blízkosti špice lopatky byl asi 200. Chlazeni ^bylo prove^no tekutým Ikovem, Horká z<5na měla tepPtu. 1 590 a^ž 1 6 20 °C a chladnu z^ónuЬтоШ te^kutý in s te^otou ²⁶⁰ °C.

Trvalá forma byla z oxidu hlinitého a oxidu křemičitého. KoOkeové dno tvořil molybdenový blok a bylo použito plovoucí přepážky. E^χ^eel.mnSt^].ní měření na odlitcích, které měly podobný poměr ^p/A ja^ko pata ^lo^pa^^ky u^kázala^{, ž}e te^pe^lně gradient G ^byl^y nejméně 1 000 až 1 300 °C.cm. Bylo vypočteno, Že rychlost růstu 6,4 mmh je vhodná pro vytvoření dobré mikkootruktury v patě lopatky; tato rychlost byla vypočtena na základě předchozích zkušennotí s touto slitónou a odlitek byl vyroben touto гуоНое;^ přemísťování. Zkoušky mikkootruktury ukázaly, že struktura odlitku je plně lamelární, avšak že vzdálenost jednotlivých lamel v listu lopatky je příliš velká a ukazuje tedy zhoršené vlastnosti tečení. Z toho bylo odvozeno, že rychlost tuhnutí listu lopatky byla nevhodná.

Příklad 4

Pracovalo se za stejných podmínek jakt v příklade 5, ptuze s tím rozdílem, že rychlost vyjímání byla 16,5 mmh ¹. Miikrstruktura v patě lopatky byla celulární spíše než lameeární a ukazovala tedy zhoršené pevnostní vlastnosti na mmzi tečení ve tm^l^iu. Z toho bylo usuzováno na ts, že rychlost tuhnutí patky lopatky byla příliš velká a že byl překročen kritický pom^ir G/R. MiikooSruktura v listu lopatky byla jemně lammKírní t nepatrnými vzdálenostmi lamel a ukazovala tedy na dobré pev^otní vlastnosti. Z toho byl učiněn závěr, že rychlost tuhnutí listu lopatky je vhodná pro žádané vlastnosti.

Claims

Způsob přemísťování usměrněně tuhnoucího kovového odlitku, který má po délce odlišné poměry obvodu k průřezové ploše, z horké zóny o teplotě nad teplotou likvidu do chladné zóny o teplotě pod teplotou solidu kovu, k vyvolání pohybu jmenovitého rozhraní tuh^i^^:í, ležícího mmzi izotermou likvidu a izstlrssu solidu, nejméně dvěma.vzájemně odlišnými rychlostmi, vyznačený tím, že přechod z jedné rych].osti přemísťování odlitku na d^lší rychlost, při změně poměru obvodu odlitku k jeho průřezové plote, te provádí spojitě v průběhu průchodu rozhraní tuhnutí oblastí této změny, přičemž rychlost pohybu rozhjramL tuhnutí se mění ve stešném tm^s^^Lu jako poměr obvodu odlitku k jeho průřezové ploše.