PL248000B1

PL248000B1 - Sposób i urządzenie do kierunkowej krystalizacji odlewów o ukierunkowanej lub monokrystalicznej strukturze

Info

Publication number: PL248000B1
Application number: PL440880A
Authority: PL
Inventors: Marcin SZYC; Marcin Szyc; Łukasz Piechowicz; Artur WIECHCZYŃSKI; Artur Wiechczyński; Marcin Lisiewicz; Marcin DZIEDZIC; Marcin Dziedzic
Original assignee: Seco/Warwick Spolka Akcyjna
Priority date: 2022-04-07
Filing date: 2022-04-07
Publication date: 2025-09-29
Also published as: PL440880A1; EP4257264A1; EP4257264B1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób i urządzenie do kierunkowej krystalizacji odlewów o ukierunkowanej lub monokrystalicznej strukturze. Sposób polega na tym, że w trakcie przemieszczania się formy (1) za pomocą kamery termowizyjnej (9) obserwuje się kształt frontu krystalizacji i rejestruje temperatury zewnętrzne od Tzx formy (1) i temperatury wewnętrzne Twx formy (1) i analizuje gradienty poprzeczne. Urządzenie do wytwarzania odlewów o ukierunkowanej lub monokrystalicznej strukturze, zaopatrzone jest w stabilnie zamocowaną do stałego elementu pieca kamerę termowizyjną (9), środku optycznym S i poziomej osi optycznej O, skierowaną do wnętrza komory, do osi pionowej P krystalizatora (3), przy czym pozioma oś optyczna (O) kamery (9) i pionowa oś P ruchomego krystalizatora (3) leżą w jednej płaszczyźnie, a obserwowany obszar pomiarowy (14) kamery znajduje się na wysokości przegrody termicznej (8) i obejmuje dolną część strefy ogrzewania (5) oraz górną część strefy chłodzenia (7).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do kierunkowej krystalizacji odlewów o ukierunkowanej lub monokrystalicznej strukturze.

Wynalazek dotyczy dziedziny technologii produkcji odlewniczej, w szczególności obróbki stopionej masy w formie odlewniczej poprzez jej chłodzenie oraz urządzeń do takiej obróbki i może znaleźć zastosowanie w wytwarzaniu odlewów ze stopów żaroodpornych i żarowytrzymałych zwłaszcza w wielkoseryjnym odlewnictwie precyzyjnym do zastosowań w przemyśle lotniczym lub energetycznym.

Znane są metody wytwarzania odlewów o ukierunkowanej lub monokrystalicznej strukturze z wykorzystaniem dwukomorowego pieca próżniowego, w którym jedna z komór (górna) stanowi strefę ogrzewania, natomiast druga (dolna) strefę chłodzenia. Metody te polegają na przemieszczaniu (wyciąganiu) formy ceramicznej wypełnionej ciekłym metalem ze strefy ogrzewania do strefy chłodzenia, które odbywa się ze stałą lub zmienną prędkością wg z góry zadanego profilu, zwaną prędkością wyciągania formy.

Najpowszechniej stosowaną metodą odlewania łopatek turbiny o ukierunkowanej lub monokrystalicznej strukturze jest metoda Bridgmana polegająca na wprowadzeniu ustawionej na chłodzonej miedzianej podstawie formy ceramicznej do strefy ogrzewania wykonanej najczęściej jako ogrzewana oporowo lub indukcyjnie tuleja grafitowa umieszczona w komorze próżniowej, a następnie wlaniu z tygla stopionej masy nadstopu (stopu żaroodpornego i żarowytrzymałego) do formy nagrzanej uprzednio do temperatury wyższej od temperatury likwidusu stopu, oraz przemieszczaniu wypełnionej ciekłym nadstopem formy od strefy ogrzewania do strefy chłodzenia poprzez otwór przegrody termoizolacyjnej stanowiącej korzystnie barierę cieplną pomiędzy obiema strefami, z następującym podczas tego procesu odbiorem ciepła z powierzchni formy poprzez promieniowanie, które odbywa się w strefie chłodzenia poniżej przegrody termoizolacyjnej, w wyniku czego zachodzi powolny proces krystalizacji kierunkowej w tzw. obszarze ciekło-stałym stopu. Cechą charakterystyczną tej metody jest wykorzystanie zjawiska promieniowania cieplnego do chłodzenia zalanej stopem formy odlewniczej. Wspomniana forma odlewnicza przemieszczana jest ze strefy ogrzewania do strefy chłodzenia z zadaną, na ogół stałą prędkością bez względu na uzyskiwany w procesie, rzeczywisty gradient temperatury w obszarze frontu krystalizacji.

Najbardziej rozbudowany i zawierający najwięcej możliwości wpływu na formowanie makro- i mikrostruktury odlewu jest sposób objęty patentem US10082032, który uwzględnia różne sposoby regulacji procesu takie jak: regulacja prędkości przemieszczania formy, regulacja prędkości wypływu gazu chłodzącego, regulacja temperatury roztopionej masy, które są realizowane na podstawie pomiaru temperatury przy użyciu termoelementów. Rzeczony patent odnosi się jednak wyłącznie do produkcji odlewów równoosiowych, a zastosowana metoda pomiarowa, tj. umieszczenie termoelementów w strefie ogrzewania i w strefie chłodzenia, jest w przypadku strefy chłodzenia pomiarem pośrednim, nie związanym wprost z temperaturą chłodzonej formy i gradientem temperatury w obszarze frontu krystalizacji, lecz zależnym od wielu innych czynników, takich jak: masa formy wraz z krystalizującym nadstopem, wymiary i geometria formy, odległość termoelementu od powierzchni odlewanego elementu, ciśnienie w piecu, itp. Wynik takiego pomiaru trudno jest wprost powiązać z temperaturą na powierzchni formy, bądź w jej wnętrzu.

Z polskiego opisu zgłoszeniowego P.432486 znane są sposób i urządzenie do kierunkowej krystalizacji odlewów o ukierunkowanej lub monokrystalicznej strukturze. Znany sposób obejmuje przenoszenie do strefy ogrzewania, ceramicznej formy odlewniczej, ustawionej na krystalizatorze połączonym z pionowym mechanizmem napędowym góra-dół, napełnienie formy z tygla roztopionym stopem, przemieszczenie wypełnionej formy ze strefy ogrzewania do strefy chłodzenia, aż do całkowitego zakończenia procesu krystalizacji odlewu, który po procesie jest od tej formy oddzielany. W trakcie przemieszczania się formy ze stopem ze strefy ogrzewania do strefy chłodzenia, w czasie rzeczywistym mierzy się temperaturę powierzchni formy powyżej i poniżej frontu krystalizacji w co najmniej dwóch punktach. Pomiar następuje przy użyciu bezkontaktowych mierników temperatury. Przynajmniej jeden z punktów pomiaru, leżący najniżej znajduje się w strefie chłodzenia. Wartość gradientu temperatur tych punktów jest analizowana przez sterownik w pętli sprzężenia zwrotnego pomiędzy układem pomiarowym gradientu temperatury a mechanizmem opuszczania formy i/lub regulatorami przepływu masowego lub objętościowego, regulującymi natężenia przepływu gazu obojętnego, gdy jego nadmuch wspomaga proces chłodzenia formy. Wyznaczona w czasie rzeczywistym chwilowa wartość różnicy temperatur jest wykorzystywana do dynamicznej regulacji prędkości przemieszczania formy ze strefy ogrzewania do strefy chłodzenia i/lub do regulowania natężenia przepływu lub składu mieszanki gazu.

Znane urządzenie do realizacji opisanego sposobu zawierają komorę próżniową, w której jest usytuowany tygiel do topienia stopu i wlewania stopionej masy do formy odlewniczej zamocowanej na chłodzonym krystalizatorze i przemieszczanej w pionie w kierunku góra-dół za pomocą mechanizmu napędowego, przy czym w komorze próżniowej, w której znajdują się strefa grzania i strefa chłodzenia przedzielone poziomą przegrodą termoizolacyjną w postaci tarczy z centralnym otworem, zainstalowane są co najmniej dwa bezkontaktowe mierniki temperatury, przy czym co najmniej jeden, położony najniżej, znajduje się w strefie chłodzenia. Korzystnie jest, gdy w obudowie strefy chłodzenia zamontowany jest pierścieniowy kolektor gazowy z eżektorami gazowymi doprowadzającymi strumienie gazu obojętnego o natężeniu ustalanym za pomocą regulatorów przepływu. Korzystnie jest, gdy co najmniej jeden bezkontaktowy miernik temperatury znajduje się w strefie grzania. Korzystnie jest, gdy w urządzeniu z zamontowanym kolektorem gazowym bezkontaktowe mierniki temperatury rozmieszczone są w taki sposób, że dolny znajduje się pod płaszczyzną dysz doprowadzających gaz chłodzący, a drugi powyżej płaszczyzny, tak że obszar w którym dochodzi do uderzenia strugi gazu obojętnego wypływającego z dysz pierścieniowego kolektora gazowego znajduje się pomiędzy miernikami.

Opisane powyżej położenie bezkontaktowych mierników temperatury pozwala na dokonanie pomiaru gradientu wzdłużnego/pionowego [K/cm], który jest tradycyjnym parametrem procesu stosowanym w przemyśle i mającym wpływ na jakość odlewów.

Wspólną wadą przytoczonych rozwiązań jest brak ciągłej i w pełni automatycznej kontroli rzeczywistego gradientu poprzecznego temperatury w obszarze frontu krystalizacji, nie ma też obserwacji kształtu i położenia frontu krystalizacji, czyli strefy ciekło stałej.

Wskazane niedogodności powodowały, że prowadzone były kolejne próby i badania w celu opracowania ulepszonej metody i urządzenia.

Celem wynalazku było opracowanie metody i realizującego tę metodę urządzenia pozwalających na zoptymalizowanie produkcji odlewów o ukierunkowanej bądź monokrystalicznej strukturze poprzez maksymalne skrócenie ich czasu krystalizacji w próżniowych piecach odlewniczych za pomocą ciągłej obserwacji i regulacji pola temperatury w strefie ciekło-stałej, obejmującej obserwację poprzecznego (poziomego) gradientu temperatury, oraz obserwację położenia strefy ciekło-stałej. Opracowując wynalazek przyjmowano, iż gradient poprzeczny powinien być jak najmniejszy, a strefa ciekło-stała / front krystalizacji powinna być korzystnie usytuowana jak najbliżej przegrody termicznej.

W wyniku przeprowadzonych badań i prób dotyczących procesu odlewania i krystalizacji łopatek turbin silnika lotniczego lub turbiny energetycznej stwierdzono, iż zbyt duże zakrzywienie frontu krystalizacji, tożsame ze zbyt dużym gradientem poprzecznym, powoduje występowanie wad odlewniczych w odlewach. A zakrzywienie frontu krystalizacji czyli wzrost gradientu poprzecznego na przekroju łopatki rośnie ze wzrostem prędkości wyciągania formy. Z drugiej strony stwierdzono, iż kompensatą wzrostu zakrzywienia spowodowanego wzrostem prędkości wyciągani formy jest wypłaszczenie frontu krystalizacji w wyniku nadmuchu gazu na łopatki. Powyższe wnioski z przeprowadzonych badań i prób doprowadziły do opracowania nowego sposobu i urządzenia do kierunkowej krystalizacji odlewów.

Okazało się, iż zastosowanie kamery termowizyjnej o odpowiednich parametrach i odpowiednio zamocowanej, czyli w przestrzeni w pobliżu uderzenia strugi gazu obojętnego, wypływającego z eżektorów gazowych, zapewni obserwację rozkładu widma temperaturowego na przekroju części czynnej łopatki i/lub jej zamka będących aktualnie krystalizowanych. Widmo temperaturowe analizowane jest w sposób ciągły, który umożliwia dynamiczną kontrolę nadmuchu gazu obojętnego, mającą na celu uzyskanie możliwie najlepiej jednorodnego poziomego frontu krystalizacji (najmniejszego gradientu poprzecznego) w obrębie pióra i zamka łopatki. Jednocześnie z drugiej strony umożliwia kontrolę prędkości wyciągania formy przy nadmuchu gazem, co daje identyczny efekt możliwie najbardziej jednorodnego poprzecznego frontu krystalizacji.

Urządzenie do wytwarzania odlewów o ukierunkowanej lub monokrystalicznej strukturze, zawierające komorę próżniową, w której jest usytuowany tygiel do topienia stopu i wlewania stopionej masy do formy odlewniczej zamocowanej na chłodzonym krystalizatorze i przemieszczanej w pionie w kierunku góra-dół za pomocą mechanizmu napędowego, przy czym w komorze próżniowej znajdują się strefa grzania i strefa chłodzenia przedzielone poziomą przegrodą termoizolacyjną w postaci tarczy z centralnym otworem, przy czym w strefie chłodzenia znajduje się pierścieniowy kolektor gazowy z eżektorami gazowymi doprowadzającymi do komory strumienie gazu obojętnego o natężeniu ustalanym za pomocą regulatorów przepływu, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zaopatrzone jest w stabilnie zamocowaną do stałego elementu pieca kamerę termowizyjną o stałym zakresie widzenia, środku optycznym S i poziomej osi optycznej O, skierowaną do wnętrza komory, do osi pionowej P krystalizatora, przy czym pozioma oś optyczna O kamery i pionowa oś P ruchomego krystalizatora leżą w jednej płaszczyźnie, a obserwowany obszar pomiarowy kamery znajduje się na wysokości przegrody termicznej i obejmuje dolną część strefy ogrzewania oraz górną część strefy chłodzenia, przy czym odległość D środka optycznego obiektywu S, zamocowanej stabilnie kamery, od punktu zewnętrznego (PK) krystalizatora leżącego na jego krawędzi w osi optycznej O, najbliżej środka symetrii S tej kamery stanowi wysokość trójkąta równoramiennego, którego podstawa 2H stanowi wysokość obszaru pomiarowego, przy czym długość podstawy 2H trójkąta równoramiennego jest mniejsza lub równa 200 mm, a kamera podłączona jest do sterownika PLC analizującego dane z kamery i połączonego z serwonapędem krystalizatora oraz regulatorami masowego przepływu strumienia gazu w eżektorach gazowych.

Korzystnie jest, gdy kamera termowizyjna jest zamontowana wewnątrz komory próżniowej do obudowy strefy chłodzenia za pomocą wspornika.

Korzystnie jest, gdy kamera termowizyjna jest zamontowana na zewnątrz komory próżniowej do obudowy zewnętrznej pieca za pomocą wspornika, z użyciem dodatkowego króćca i wziernika.

Sposób kierunkowej krystalizacji odlewów o ukierunkowanej lub monokrystalicznej strukturze obejmujący przenoszenie do strefy ogrzewania, ceramicznej formy odlewniczej, ustawionej na krystalizatorze połączonym z pionowym mechanizmem napędowym góra-dół, napełnienie formy z tygla roztopionym stopem, przemieszczenie wypełnionej formy ze strefy ogrzewania do strefy chłodzenia zaopatrzonej w pierścieniowy kolektor gazowy z eżektorami, za pomocą których dostarczany jest do komory strumień gazu o regulowanym natężeniu, aż do całkowitego zakończenia procesu krystalizacji odlewu, który po procesie jest od tej formy oddzielany, według wynalazku charakteryzuje się tym, że w trakcie przemieszczania się formy ze stopem ze strefy ogrzewania do strefy chłodzenia, w czasie rzeczywistym za pomocą kamery termowizyjnej obserwuje się kształt frontu krystalizacji (strefy ciekło-stałej) i rejestruje temperatury zewnętrzne od Tzx formy i temperatury wewnętrzne Twx formy, przy czym obserwowany obszar pomiarowy znajduje się na wysokości przegrody termicznej i obejmuje dolną część strefy ogrzewania oraz górną część strefy chłodzenia formy, a na podstawie otrzymanych wartości Tw i Tz wyznacza się gradient poprzeczny temperatur ΔΤΡ stanowiący równicę pomiędzy temperaturą zewnętrzną Tz, a temperaturą wewnętrzną Tw co najmniej na dwóch wysokościach formy, przy czym połowa wysokości obszaru pomiarowego zdefiniowana jako Hx dla pomiaru Tzx i Twx , mierzona od poziomej osi optycznej O kamery jest zależna od rzeczywistej odległości dx środka optycznego S od punktu pomiarowego na powierzchni formy, po czym wyznaczone wartości gradientu temperatur ΔΤΡχ oraz wartości zmierzonych temperatur Tw i Tp analizuje się z pomocą podłączonego do kamery sterownika PLC znajdującego się pomiędzy układem pomiarowym gradientu poprzecznego temperatur a mechanizmem opuszczania formy, przy czym sterownik połączony jest z serwonapędem oraz z regulatorami przepływu masowego regulujących natężenie przepływu gazu obojętnego w eżektorach, a wyznaczone w czasie rzeczywistym chwilowe wartość gradientu poprzecznego temperatur ΔΤΡ oraz wartości zmierzonych temperatur Tz i Tw są analizowane w sterowniku logicznym PLC, który dalej wysyła odpowiednie sygnały sterujące i/lub regulujące do serwonapędu i regulatorów przepływu, pozwalając na dynamiczną regulację prędkości przemieszczania formy ze strefy ogrzewania do strefy chłodzenia i/lub dynamiczną kontrolę natężenia przepływu gazu w taki sposób, aby gradient poprzeczny był jak najmniejszy, a strefa ciekło-stała znajdowała się jak najbliżej przegrody termicznej.

Niewątpliwą zaletą wynalazku jest możliwość zastosowania go w warunkach przemysłowych przy wysokowydajnej i wielkoseryjnej produkcji łopatek turbin dla osiągnięcia maksymalnie możliwej przepustowości pieca, efektywności energetycznej procesu przy zachowaniu wymaganej makro- i mikrostruktury odlewu.

Dzięki zastosowaniu ciągłej i automatycznej kontroli gradientu poprzecznego temperatury i położenia strefy ciekło-stałej możliwe jest przeprowadzenie procesu w maksymalnie krótkim czasie i przy zachowaniu wymaganej makro- i mikrostruktury odlewu, niezależnie od geometrii i wielkości przekroju poprzecznego odlewanych detali. W przypadku zastosowania bezkontaktowego pomiaru pola temperatury, możliwe jest zastosowanie metody wg wynalazku w przemyśle, w każdym wykonywanym procesie. Wówczas metoda wg wynalazku nie wymaga stosowania specjalnie przygotowanych form oraz czasochłonnych zabiegów instalowania czujników pomiarowych na formie.

Przedmiot wynalazku, w przykładach wykonania, jest odtworzony na rysunku, na którym fig.1 przedstawia piec w przekroju podłużnym w przykładzie wykonania, w którym kamera zamocowana jest wewnątrz w komorze próżniowej, z formą w kształcie łopatki znajdująca się w górnym położeniu, całkowicie w przestrzeni strefy grzania ze schematycznie zaznaczonym szczegółem A, fig. 2 przedstawia szczegół A z fig.1 z zaznaczonymi punktami pomiarowymi Tw i Tz znajdującymi się na krawędziach formy, pomiędzy którymi mierzy się gradient poprzeczny temperatur, przy czym punkty pomiarowe znajdują się w obszarze pomiarowym kamery termowizyjnej o środku optycznym S i poziomej osi optycznej O i stałym kącie widzenia obejmującym ciekło stały fragment odlewu, fig. 3 przedstawia piec w przekroju podłużnym w przykładzie wykonania, w którym kamera zamocowana jest wewnątrz w komorze próżniowej, z formą w kształcie łopatki znajdująca się w trakcie procesu wyciągania w pozycji pośredniej częściowo w strefie grzania, a częściowo w strefie chłodzenia, ze schematycznie zaznaczonym szczegółem B, fig. 4 przedstawia szczegół B z figury 3, fig. 5 przedstawia piec z formą w pozycji dolnej w przykładzie wykonania, w którym kamera termowizyjna znajduje się na zewnątrz komory próżniowej, fig. 6 przedstawia piec w przekroju podłużnym w przykładzie wykonania, w którym kamera zamocowana jest wewnątrz w komorze próżniowej, z formą w kształcie łopatki znajdująca się w trakcie procesu wyciągania w dolnej pozycji, całkowicie w strefie chłodzenia, ze schematycznie zaznaczonym szczegółem C, fig. 7 przedstawia szczegół C z fig. 6 pokazujący położenie kamery termowizyjnej w wariancie, w którym kamera termowizyjna znajduje się wewnątrz komory próżniowej a forma znajduje się w pozycji dolnej, fig. 8 przedstawia wyodrębnioną komorę chłodzenia z pierścieniowym kolektorem gazowym z eżektorami gazowymi w widoku perspektywicznym, fig. 9 przedstawia wariant odlewu w postaci łopatki turbiny o zmiennej geometrii, fig. 10 przedstawia obrazowo w skalach szarości rozkład temperatur dla kolejnego wariantu odlewu łopatki w procesie krystalizacji przy chłodzeniu gazem i prędkości wyciągania 3 mm/min w trzech pozycjach: a) pozycja początkowa jak na fig. 1 forma całkowicie w strefie ogrzewania, metal w fazie ciekłej w całej objętości łopatki; b) pozycja pośrednia jak na fig. 3, forma częściowo w strefie ogrzewania i częściowo w strefie chłodzenia, widoczna strefa ciekło stała, widoczny znaczny gradient poprzeczny w postaci ukośnych izoterm; c) pozycja końcowa jak na fig. 6 cała forma w strefie chłodzenia, metal skrystalizowany w całej objętości łopatki. W pozycji pośredniej uwidocznione się izotermy, które odzwierciedlają kształt frontu krystalizacji i strefy ciekło-stałej, fig. 11 a, b i c przedstawia rozkłady temperatur dla tej samej łopatki na figurze 10 dla procesu z prędkością wyciągania 12 mm/min. Widoczne na rysunku 11b izotermy, dzięki większej prędkości wyciągania w połączeniu z nadmuchem gazu są bardziej poziome w porównaniu do izoterm z rysunku 10b, fig. 12 przedstawia łopatkę w pozycji pośredniej tj. częściowo w strefie ogrzewania i częściowo w strefie chłodzenia oraz pokazuje geometrię kąta widzenia kamery równą obszarowi pomiarowemu 2H oraz odległości d1, d2, d3 od środka optycznego obiektywu kamery do punktów pomiarowych na formie na wysokościach, na których znajdują się pary punktów pomiarowych Tz1-Tw1, Tz2-Tw2 i Tz3-Tw3, a fig. 13 to schemat przedstawiający zasadę zmiany odległości d mierzonej od środka optycznego kamery S do punktów pomiarowych na krawędzi formy oraz połowy wysokości obszaru pomiarowego H, w zależności od pozycji formy o zmiennej geometrii, przy czym, stosunek d/H pozostaje stały, a fig. 14 przedstawia schematycznie odległość D kamery o stałym punkcie widzenia od punktu zewnętrznego PK krystalizatora w momencie montażu, kiedy to odległość D jest taka, że wysokość obszaru pomiarowego 2H mierzona wzdłuż prostej OK równoległej do osi P krystalizatora i prostopadłej do osi optycznej O i przechodzącej przez zewnętrzny punkt krystalizatora PK jest mniejsza lub równa 200 mm.

Przykład 1

Urządzenie zawierające komorę próżniową 2, w której jest usytuowany tygiel 6 do topienia stopu i wlewania stopionej masy do formy odlewniczej 1 zamocowanej na chłodzonym krystalizatorze 3 i przemieszczanej w pionie w kierunku góra-dół za pomocą napędu przesuwu 4 wyposażonego w serwonapęd 15. W komorze próżniowej znajdują się strefa grzania 5 i strefa chłodzenia 7 przedzielone poziomą przegrodą termoizolacyjną 8 w postaci tarczy z centralnym otworem, przy czym strefę grzania 5 tworzy mufla grafitowa 19 z induktorem 17 przedzielone warstwą termoizolacyjną 18. Strefa chłodzenia 7 ma chłodzoną obudowę w postaci rurowego płaszcza wodnego 13, bezpośrednio poniżej przegrody termoizolacyjnej 8, na obwodzie obudowy 13 strefy chłodzenia 7, znajduje się pierścieniowy kolektor gazowy 11 z rozmieszczonymi promieniowo eżektorami gazowymi 12. Dysze eżektorów gazowych 12 skierowane są do środka strefy chłodzenia 7. Każdy eżektor połączony jest z regulatorem przepływu masowego 16 regulującym natężenie przepływu gazu obojętnego. Całość podłączona jest do sterownika PLC. W komorze próżniowej 2 zainstalowana jest na wsporniku 20 kamera termowizyjna 9 o zakresie pomiarowym od 700°C do 2000°C, odporna na warunki próżniowe i termiczne panujące wewnątrz komory 2. Środek optyczny kamery S znajduje się na wysokości przegrody termoizolacyjnej 8. Odległość D środka optycznego obiektywu S zamocowanej stabilnie kamery, a punktem zewnętrznym (PK) poruszającego się razem z formą krystalizatora (3) leżącym na jego krawędzi w osi optycznej O kamery 9, najbliżej środka symetrii S tej kamery stanowi wysokość trójkąta równoramiennego, którego podstawa 2H stanowi wysokość obszaru pomiarowego 14. Krystalizator 3 ma przekrój poprzeczny w kształcie koła o średnicy K. Maksymalny wymiar formy 1 nie przekracza wymiaru średnicy krystalizatora. W powyższym urządzeniu produkowane są łopatki 10 turbiny silnika lotniczego lub turbiny energetycznej, składające się między innymi z zamka oraz pióra łopatki. Produkowana łopatka przedstawiona jest na fig. 9 o całkowitej wysokości 88 mm, szerokości pióra 30 mm i szerokości zamka 40 mm. Do produkcji używane były formy odlewnicze ceramiczne, skorupowe 1, przygotowane metodą wosku traconego o grubości ścianki 7 mm ±1 mm. Formę odlewniczą 1 uprzednio podgrzaną, umieszcza się w komorze próżniowej 2 pieca, na krystalizatorze 3 chłodzonym wodą, za pomocą napędu 4 przesuwa się wzdłuż osi pionowej krystalizatora P do strefy ogrzewania 5 pod tygiel 6. Strefa ogrzewania 5, strefa chłodzenia 7 oraz tygiel 6 znajdują się w komorze próżniowej 2. Formę ceramiczną 1 znajdującą się w strefie ogrzewania 5 nagrzewa się do temperatury wynoszącej 1510°C, wyższej od temperatury likwidusu stopu. W tyglu 6 roztapia się nadstop niklu CMSX-4, i po jego ogrzaniu do temperatury powyżej likwidusu tj. 1510°C wylewa się go do formy ceramicznej 1, a następnie rozpoczyna się wyciąganie formy 1, tj. przemieszcza się ją ze strefy ogrzewania 5 przez otwór w poziomej przegrodzie termoizolacyjnej 8 do strefy chłodzenia 7. W strefie chłodzenia 7, umieszczone jest urządzenie doprowadzające strumienie gazu chłodzącego wykonane w postaci pierścieniowego kolektora gazowego 11 wyposażonego w eżektory gazowe 12, w ilości dwóch eżektorów 12 na jedną pojedynczą próbkę 10 lub jej inne warianty. Z eżektorów tych, rozmieszczonych promieniowo na obwodzie strefy chłodzenia 7 i nachylonych pod kątem 10° względem płaszczyzny poziomej, na formę 1 kierowana jest z prędkością ponaddźwiękową struga argonu, a jednocześnie układ pomp próżniowych pracuje w taki sposób, że w piecu utrzymywane jest ciśnienie wynoszące 0,16 bar abs. Ilość dopływającego do pierścieniowego kolektora gazowego 11 argonu kontrolowana jest przez zawór masowy na stałym poziomie 400 Ndm³/min. Przemieszczanie realizowane jest przez wyposażony w serwonapęd 15 układ dynamicznej regulacji prędkości 4 przemieszczania formy 1 ze strefy ogrzewania 5 do strefy chłodzenia 7. Pracuje on w sposób ciągły w trakcie procesu w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego pomiędzy układem pomiarowym gradientu poprzecznego/poziomego temperatury ΔΤΡ w obszarze strefy ciekło-stałej 14 opartym na ciągłym pomiarze temperatury powierzchni formy 1 przy użyciu kamery termowizyjnej 9 na różnych wysokościach formy, w obszarze ciekło-stałym, a mechanizmem opuszczania formy tj. napędem przesuwu 4 krystalizatora 3 o średnicy K, na którym umieszczona jest wypełniona nadstopem forma 1. Sterownik logiczny PLC analizując chwilowe wartości różnicy temperatur (ΔTP=Tz-Tw) w strefie ciekło-stałej, porównuje je z zadaną wartością 15K i steruje w sposób dynamiczny prędkością przemieszczania formy 1 w celu utrzymania gradientu poprzecznego/poziomego ΔΤΡ na poziomie poniżej 15K na powierzchni formy w obszarze ciekło-stałym. Gwarantuje to przeprowadzenie procesu w możliwie najkrótszym czasie i przy zachowaniu wymaganej makro- i mikrostruktury odlewu, niezależnie od geometrii i wielkości przekroju poprzecznego odlewanych detali. Temperatury powierzchni formy 1 w strefie ogrzewania 5 i strefie chłodzenia 7 mierzone są w postaci widma temperaturowego za pomocą kamery termowizyjnej 9 w obszarze pomiarowym, który obejmuje 100 mm powyżej i 100 mm poniżej przegrody termoizolacyjnej 8. Obszar pomiarowy 14 jest uzależniony od zmiennego kształtu formy odlewniczej. Połowa wysokości obszaru pomiarowego zdefiniowana jest na fig. 13 jako wysokość H1 i H2 mierzona od poziomej osi optycznej O kamery. Wysokości H1 i H2 są zależne od rzeczywistej odległości środka optycznego S kamery 9 od powierzchni formy 1 zdefiniowanej jako d1 i d2. Stosunek H/d jest stały. Rozkład pola temperaturowego na powierzchni formy 1 w obrysie łopatki 10 jest analizowany przez oprogramowanie kamery termowizyjnej 9 w całym obszarze pomiarowym 14 (±100 mm) i na podstawie tego obrazu, określa się położenie oraz kształt obszaru ciekło-stałego, który dla odlewanego metalu CMSX-4 zawiera się w przedziale temperatur 1320°C - 1380°C. Do dalszych obliczeń zawęża się obszar badania gradientu temperatur do obszaru ciekło-stałego. Sterownik logiczny pieca na bieżąco zmienia wartość prędkości przemieszczania formy 1, tak aby utrzymać jak największą prędkość przemieszczania formy 1 w zakresie 2 do 50 mm/min, jednocześnie nie dopuszczając do wzrostu gradientu poprzecznego/poziomego ΔΤΡ w obszarze ciekło-stałym powyżej zadanej wartości 15K. W zastosowanej metodzie uzyskano osiem odlewów łopatek 10 w tym sześć o strukturze monokrystalicznej i dwie z ziarnami wtórnymi. Dodatkowo jedna łopatka o strukturze monokrystalicznej posiadała wadę typu sliver, a 5 łopatek było wolnych od wad. W ciągu całego procesu prędkość wyciągania formy 1 mieściła się w zadanym limicie 2-50 mm/min i proces prowadzono w podciśnieniu gazu obojętnego.

Przykład 2

Urządzenie jak w przykładzie 1, przy czym komora próżniowa 2 wyposażona jest w dodatkowy króciec 22 z wziernikiem 21, na którym po stronie zewnętrznej na wsporniku 20 zainstalowana jest kamera termowizyjna 9. W tym przykładzie, w odróżnieniu do przykładu 1-go zainstalowana kamera 9 nie musi spełniać wymogów próżniowych i termicznych panujących wewnątrz komory próżniowej 2. Zakres pomiarowy kamery jest taki sam jak w przykładzie 1-szym i wynosi on 700-2000°C, obszar pomiarowy również jest niezmieniony i zawiera się w przedziale ok 100 mm powyżej i 100 mm poniżej przegrody termoizolacyjnej 8. Całość podłączona jest do sterownika PLC.

Przykład 3

Układ dynamicznej regulacji natężeń przepływu składników gazu obojętnego pracuje w sposób ciągły w trakcie procesu w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego pomiędzy układem pomiarowym gradientu poprzecznego/poziomego temperatury ΔΤΡ w strefie ciekło-stałej 14 opartym na ciągłym pomiarze temperatury powierzchni formy 1 przy użyciu kamery termowizyjnej 9 na różnych wysokościach formy 1, w obszarze ciekło-stałym, a regulatorami przepływu masowego 16 regulującymi natężenia przepływu składników gazu obojętnego. Sterownik logiczny PLC analizując chwilowe wartości różnicy temperatur (ΔT=Tz-Tw) w strefie ciekło-stałej, porównuje go z zadaną wartością 15K i steruje w sposób dynamiczny natężeniami przepływu składników gazu obojętnego przy zachowaniu stałej prędkości przemieszczania formy ze strefy ogrzewania 5 do strefy chłodzenia 7 w celu utrzymania gradientu poprzecznego/poziomego ΔΤΡ na poziomie poniżej 15K gwarantującego przeprowadzenie procesu w możliwie najkrótszym czasie i przy zachowaniu wymaganej makro- i mikrostruktury odlewu, niezależnie od geometrii i wielkości przekroju poprzecznego odlewanych detali 10. Poprzez zmianę wartości natężenia przepływu składników gazu obojętnego można wpływać na wartość gęstości strumienia ciepła odbieranego z powierzchni formy w obszarze frontu krystalizacji 14.

Wykaz oznaczeń

1. forma

2. komora próżniowa

3. krystalizator

4. napęd przesuwu

5. strefa ogrzewania

6. urządzenie do wytopu stopu

7. strefa chłodzenia

8. przegroda termoizolacyjna

9. kamera termowizyjna

10. odlew

11. pierścieniowy kolektor gazowy

12. eżektor gazowy

13. obudowa strefy chłodzenia

14. obszar pomiarowy

15. serwonapęd

16. regulator przepływu

17. induktor

18. warstwa izolacyjna

19. mufla grafitowa

20. wspornik kamery

21. wziernik kamery

22. króciec

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób kierunkowej krystalizacji odlewów o ukierunkowanej lub monokrystalicznej strukturze obejmujący przenoszenie do strefy ogrzewania, ceramicznej formy odlewniczej, ustawionej na krystalizatorze połączonym z pionowym mechanizmem napędowym góra-dół, napełnienie formy z tygla roztopionym stopem, przemieszczenie wypełnionej formy ze strefy ogrzewania do strefy chłodzenia zaopatrzonej w pierścieniowy kolektor gazowy z eżektorami, za pomocą których dostarczany jest do komory strumień gazu o regulowanym natężeniu, aż do całkowitego zakończenia procesu krystalizacji odlewu, który po procesie jest od tej formy oddzielany, według wynalazku charakteryzuje się tym, że w trakcie przemieszczania się formy (1) ze stopem ze strefy ogrzewania (5) do strefy chłodzenia (7), w czasie rzeczywistym za pomocą kamery termowizyjnej (9) obserwuje się kształt frontu krystalizacji (strefy ciekło-stałej) i rejestruje temperatury zewnętrzne od Tzx formy (1) i temperatury wewnętrzne Twx formy (1), przy czym obserwowany obszar pomiarowy (14) znajduje się na wysokości przegrody termicznej (8) i obejmuje dolną część strefy ogrzewania (5) oraz górną część strefy chłodzenia (7) formy (1), a na podstawie otrzymanych wartości Tw i Tz wyznacza się gradient poprzeczny temperatur ΔΤΡ stanowiący równicę pomiędzy temperaturą zewnętrzną Tz, a temperaturą wewnętrzną Tw co najmniej na dwóch wysokościach formy (1), przy czym połowa wysokości obszaru pomiarowego (14) zdefiniowana jako Hx dla pomiaru Tzx i Twx , mierzona od poziomej osi optycznej O kamery (9) jest zależna od rzeczywistej odległości dx środka optycznego S od punktu pomiarowego na powierzchni formy (1), po czym wyznaczone wartości gradientu temperatur ΔΤΡχ oraz wartości zmierzonych temperatur Tw i Tp analizuje się z pomocą podłączonego do kamery sterownika PLC znajdującego się pomiędzy układem pomiarowym gradientu poprzecznego temperatur a mechanizmem opuszczania formy, przy czym sterownik połączony jest z serwonapędem (15) oraz z regulatorami przepływu masowego (16) regulujących natężenie przepływu gazu obojętnego w eżektorach (12), a wyznaczone w czasie rzeczywistym chwilowe wartość gradientu poprzecznego temperatur ΔΤΡ oraz wartości zmierzonych temperatur Tz i Tw są analizowane w sterowniku logicznym PLC, który dalej wysyła odpowiednie sygnały sterujące i/lub regulujące do serwonapędu (15) i regulatorów przepływu (16), pozwalając na dynamiczną regulację prędkości przemieszczania formy (1) ze strefy ogrzewania (5) do strefy chłodzenia (7) i/lub dynamiczną kontrolę natężenia przepływu gazu w taki sposób, aby gradient poprzeczny był jak najmniejszy, a strefa ciekło-stała znajdowała się jak najbliżej przegrody termicznej (8).
2. Urządzenie do wytwarzania odlewów o ukierunkowanej lub monokrystalicznej strukturze, zawierające komorę próżniową, w której jest usytuowany tygiel do topienia stopu i wlewania stopionej masy do formy odlewniczej zamocowanej na chłodzonym krystalizatorze i przemieszczanej w pionie w kierunku góra-dół za pomocą mechanizmu napędowego, przy czym w komorze próżniowej znajdują się strefa grzania i strefa chłodzenia przedzielone poziomą przegrodą termoizolacyjną w postaci tarczy z centralnym otworem, przy czym w strefie chłodzenia znajduje się pierścieniowy kolektor gazowy z eżektorami gazowymi doprowadzającymi do komory strumienie gazu obojętnego o natężeniu ustalanym za pomocą regulatorów przepływu, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zaopatrzone jest w stabilnie zamocowaną do stałego elementu pieca kamerę termowizyjną (9) o stałym zakresie widzenia, środku optycznym S i poziomej osi optycznej O, skierowaną do wnętrza komory, do osi pionowej P krystalizatora (3), przy czym pozioma oś optyczna O kamery (9) i pionowa oś P ruchomego krystalizatora (3) leżą w jednej płaszczyźnie, a obserwowany obszar pomiarowy (14) kamery znajduje się na wysokości przegrody termicznej (8) i obejmuje dolną część strefy ogrzewania (5) oraz górną część strefy chłodzenia (7), przy czym odległość D środka optycznego obiektywu S zamocowanej stabilnie kamery, a punktem zewnętrznym (PK) krystalizatora (3) leżącym na jego krawędzi w osi optycznej O kamery (9), najbliżej środka symetrii S tej kamery stanowi wysokość trójkąta równoramiennego, którego podstawa 2H stanowi wysokość obszaru pomiarowego (14), przy czym podstawa 2H trójkąta równoramiennego jest mniejsza lub równa 200 mm, a kamera (9) podłączona jest do sterownika PLC analizującego dane z kamery i połączonego z serwonapędem (15) krystalizatora (3) oraz regulatorami masowego przepływu strumienia gazu (16) w eżektorach gazowych (12).
3. Korzystnie jest gdy kamera termowizyjna (9) jest zamontowana wewnątrz komory próżniowej (2) do obudowy (13) strefy chłodzenia (7) za pomocą wspornika (20).
4. Korzystnie jest, gdy kamera termowizyjna (9) jest zamontowana na zewnątrz komory próżniowej (2) do obudowy zewnętrznej pieca za pomocą wspornika (20), z użyciem dodatkowego króćca (22) i wziernika (21).