RU2010672C1 - Method of producing monocrystalline castings - Google Patents
Method of producing monocrystalline castings Download PDFInfo
- Publication number
- RU2010672C1 RU2010672C1 SU4911427A RU2010672C1 RU 2010672 C1 RU2010672 C1 RU 2010672C1 SU 4911427 A SU4911427 A SU 4911427A RU 2010672 C1 RU2010672 C1 RU 2010672C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- seed
- temperature
- mold
- cooler
- liquidus
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при литье монокристаллических турбинных лопаток заданной кристаллографической ориентации из жаропрочных сплавов. The invention relates to metallurgy and can be used for casting single-crystal turbine blades of a given crystallographic orientation from heat-resistant alloys.
Известны способы получения монокристаллических отливок заданной ориентации, включающие нагрев керамической формы, заполнение формы расплавом и направленную кристаллизацию отливки от металлической затравки путем опускания формы с расплавом из зоны нагрева в зону охлаждения, в том числе в жидкометаллический охладитель (патент США N 3857436, кл. 164/60, приоритет СССР, N 3763926, кл. авт. св. СССР N 1330838, 839153, 863171 и др. ). Known methods for producing single-crystal castings of a given orientation, including heating a ceramic mold, filling the mold with melt and directional crystallization of the cast from a metal seed by lowering the mold with the melt from the heating zone into the cooling zone, including a liquid metal cooler (US patent N 3857436, CL 164 / 60, priority of the USSR, N 3763926, class auth. St. USSR N 1330838, 839153, 863171 and others).
Наиболее близким к заявляемому является способ получения монокристаллических отливок из жаропрочных сплавов, изложенный в патенте США N 3915761, кл. 148-32, 1975. Closest to the claimed is a method for producing single crystal castings from heat-resistant alloys, set forth in US patent N 3915761, class. 148-32, 1975.
Способ включает нагрев формы, укрепленной на плите, находящейся на поверхности жидкометаллического охладителя выше температуры ликвидус жаропрочного сплава за исключением ее части, непосредственно примыкающей к плите и размещением затравки в углублении плиты, заполнение формы расплавом и погружение в жидкометаллический охладитель со скоростью, обеспечивающей положение фронта кристаллизации над уровнем охладителя. Таким образом, при нагреве форма с затравкой находятся в переменном по высоте температурном поле с обеспечением температуры на затравке и ниже температуры ликвидус сплава затравки во избежание ее полного расплавления и невозможности передачи монокристаллической структуры. The method includes heating the mold mounted on the plate located on the surface of the liquid metal cooler above the liquidus temperature of the heat-resistant alloy except for its part directly adjacent to the plate and placing the seed in the recess of the plate, filling the mold with melt and immersion in the liquid metal cooler at a speed that ensures the position of the crystallization front above the cooler. Thus, when heated, the seed form is in a temperature field of varying height, ensuring the temperature at the seed and below the liquidus temperature of the seed alloy to avoid its complete melting and impossibility of transferring the single crystal structure.
Недостатком указанных способов, в том числе и прототипа, является невысокий выход годного по монокристальности из-за ненадежности обеспечения требуемой температуры затравки, расположенной в охлаждаемой плите. При этом указанный способ требует большой до 260оС разницы температур в рабочей части полости формы и температуры затравок, что вызвано необходимостью сохранения затравки и подавления посторонних кристаллов на отливках. В этом случае (согласно прототипу) форма нагрета до 1565оС, а следовательно, температура нагревателя должна быть на 100оС выше и составлять 1665оС. Это связано с повышенным расходом электроэнергии и снижением надежности работы керамических форм, стержней и литейного оборудования в целом.The disadvantage of these methods, including the prototype, is the low yield by single crystal due to the unreliability of ensuring the required temperature of the seed located in the cooled plate. Said method requires large and 260 ° C temperature difference in the working part of the mold cavity and the temperature of the primers that is caused by the need to maintain the suppression of extraneous and seed crystals on the castings. In this case (according to prior art) shape heated to 1565 C, and therefore, the heater temperature should be 100 ° C and above be about 1665 C. This is associated with increased power consumption and decreased reliability of the ceramic molds, cores and casting equipment in whole.
В отечественной практике литья монокристаллов заданной кристаллографической ориентации широко используются тугоплавкие затравки (например, из сплавов системы N1-W).In the domestic practice of casting single crystals of a given crystallographic orientation, refractory seeds are widely used (for example, from alloys of the N 1 -W system).
Цель изобретения - повышение выхода годного по структуре, снижение энергозатрат, повышение надежности и времени эксплуатации литейного оборудования. The purpose of the invention is to increase the yield by structure, reduce energy consumption, increase the reliability and operating time of foundry equipment.
Цель достигается тем, что в способе получения монокристаллических отливок из жаропрочных сплавов направленной кристаллизацией расплава, преимущественно с использованием тугоплавких затравок, включающем размещение формы с затравкой в нагревателе, имеющем участки с постоянным, в средней части и переменным, у торцов, температурными полями, нагрев формы выше температуры ликвидус жаропрочного сплава с расположением затравки в области температур ниже температуры ликвидуса сплава затравки, заполнение формы расплавом и погружение в жидкометаллический охладитель со скоростью, обеспечивающей положение фронта кристаллизации над уровнем охладителя. Согласно предложенному изобретению, форму с затравкой при нагреве располагают в области постоянного по высоте теплового поля в указанном интервале, а после заполнения формы расплавом до погружения в охладитель ее первоначально перемещают со скоростью 20-1000 мм/мин в области постоянного и части переменного по высоте тепловых полей до положения затравки не ниже уровня соответствующего изотерме ликвидус жаропрочного сплава, а дальнейшее перемещение осуществляют со скоростью погружения. The goal is achieved by the fact that in the method for producing single-crystal castings from heat-resistant alloys by directional crystallization of the melt, mainly using refractory seeds, including placing the mold with the seed in a heater having sections with constant, in the middle part and variable, at the ends, temperature fields, mold heating Above the liquidus temperature of a heat-resistant alloy with a seed in the temperature range below the liquidus temperature of the seed alloy, filling the mold with a melt and immersing in liquid the metallic cooling at a rate ensuring the position of the solidification front of the coolant level. According to the proposed invention, the mold with the seed when heated is placed in the region of constant height of the thermal field in the specified interval, and after filling the form with the melt before immersion in the cooler, it is initially moved at a speed of 20-1000 mm / min in the constant and part of the height-variable thermal fields to the seed position not lower than the level corresponding to the liquidus isotherm of the heat-resistant alloy, and further movement is carried out at a speed of immersion.
Отличительные признаки предложенного способа существенно отличают его от прототипа и других известных технических решений. Нагрев формы с затравкой осуществляют в зоне нагревателя с постоянным по высоте температурным полем, т. е. в зоне, не чувствительной к торцевым теплопотерям. Это позволяет обеспечить равномерный нагрев затравки и рабочих полостей, форм отливок при существенно меньших значениях температуры нагревателя по сравнению с прототипом температуры нагревателя снижена на 100 - 150оС. Перемещение залитой расплавом формы из зоны нагрева с постоянным по высоте температурным полем вплоть до положения затравки на уровне изотермы ликвидус жаропрочного сплава со скоростью в указанных пределах подготавливает расплав к направленной кристаллизации с оптимальным размером структурных составляющих сплава. При более низких скоростях перемещения наблюдается огрубление структуры. Верхний предел скорости (1000 мм/мин) связан с большой инерционностью существующих систем перемещения, не обеспечивающих необходимую точность попадания в заданную точку теплового поля. Дальнейшее перемещение от указанного уровня со скоростью погружения, т. е. со скоростью, обеспечивающей положение фронта кристаллизации над уровнем охладителя, обеспечивает начальный этап кристаллизации, стабилизируя условия зарождения и роста монокристалла от затравки без образования паразитных зерен.Distinctive features of the proposed method significantly distinguish it from the prototype and other known technical solutions. The mold heating with the seed is carried out in the zone of the heater with a constant temperature field in height, i.e., in the zone that is not sensitive to end heat losses. This enables uniform heating and working seed cavities castings form at much lower values of the temperature of the heater in comparison with the prototype the temperature of the heater is reduced at 100 - 150 C. The melt Moving filled mold from the heating zone at a constant temperature field adjustment up to a position on seed the liquidus isotherm level of the heat-resistant alloy with a speed within the specified limits prepares the melt for directional crystallization with the optimal size of the structural components of the alloy. At lower speeds, coarsening of the structure is observed. The upper speed limit (1000 mm / min) is associated with the large inertia of existing moving systems that do not provide the necessary accuracy of hitting a given point in the thermal field. Further displacement from the indicated level with the rate of immersion, i.e., with the speed ensuring the position of the crystallization front above the level of the cooler, provides the initial stage of crystallization, stabilizing the conditions for the nucleation and growth of the single crystal from the seed without the formation of spurious grains.
Такая организация процесса в целом и обеспечивает получение монокристаллических отливок с высоким выходом годного, снижение энергозатрат, повышение надежности процесса и времени эксплуатации оборудования. Such an organization of the process as a whole ensures the production of single-crystal castings with high yield, reduction of energy consumption, increase of process reliability and equipment operating time.
П р и м е р. Предлагаемый способ осуществляется на установке УВНК-8П, принципиальная схема которой представлена на чертеже. PRI me R. The proposed method is carried out on the installation UVK-8P, a schematic diagram of which is shown in the drawing.
Устройство содержит верхнюю зону нагревателя 1, нижнюю зону нагревателя, жидкометаллический охладитель 3, литейную форму 4, затравку 5. The device comprises an upper zone of a
Тепловой зазор (Н) между охладителем и срезом нагревателя составляет 70 ± 5 мм. В качестве охладителя использовали алюминий марки А99 с температурой 680-780оС. Получали монокристаллические отливки из жаропpочного сплава ЖС 32 с температурой ликвидус 1390оС.The thermal gap (N) between the cooler and the heater cut is 70 ± 5 mm. As used coolant A99 grade aluminum having a temperature of 680-780 C. Prepared from single crystal casting alloy zharoppochnogo ZhS 32 liquidus temperature of 1390 ° C.
Для обеспечения заданной ориентации использовали затравки из сплава Ni-W с содержанием вольфрама 30 - 32% , диаметром 6-8 мм и высотой 2-3 мм. Температура ликвидус сплава затравки 1520оС.To ensure a given orientation, N i -W alloy seeds were used with a tungsten content of 30 - 32%, a diameter of 6-8 mm and a height of 2-3 mm. Alloy liquidus temperature of 1520 C. The seeding
Процесс осуществлялся следующим образом. Два керамических блока по шесть лопаток в каждом с помощью молибденографитовой подвески закрепляли на каретке, с помощью приводов горизонтального перемещения каретку с формами передавали в рабочую камеру на направляющую, связанную с приводом вертикального перемещения. При этом в рабочей камере был создан вакуум 1.10-3 мм рт. ст. После закрытия торцевой крышки нагревателя формы оказывались внутри графитового нагревателя, как указано на схеме (условно показана только одна лопатка).The process was carried out as follows. Two ceramic blocks of six blades in each using a molybdenum-graphite suspension were mounted on the carriage, using horizontal displacement drives, the carriage with the molds was transferred to the working chamber on a guide connected to the vertical displacement drive. In this case, a vacuum of 1.10 -3 mm Hg was created in the working chamber. Art. After closing the end cover of the heater, the molds appeared inside the graphite heater, as indicated in the diagram (only one blade is conventionally shown).
Исходное положение формы в нагревателе было на 60-100 мм выше нулевой отметки, за которую условно принят уровень нижнего среза нижнего нагревателя. В этом положении форму нагревали до температуры на 100 ± 20оС выше температуры ликвидус жаропрочного сплава, но на 5-30оС ниже температуры ликвидус сплава затравки, т. е. температура формы с затравкой составляла 1460, 1480оС. При этом температура верхней зоны нагревателя была равна температуре нижней зоны и составляла соответственно 1480, 1500оС ± 20оС.The initial position of the mold in the heater was 60-100 mm above the zero mark, for which the level of the lower cut of the lower heater is conventionally accepted. In this position, the mold was heated to a temperature of 100 ± 20 ° C above the liquidus temperature superalloy but at about 5-30 C below the liquidus temperature of the alloy seed t. E. The temperature was seeded with
Нагрев осуществляли со скоростью 30 - 50оС/мин. После стабилизации температур нагревателей и формы, расплавляли жаропрочный сплав в плавильном тигле индукционной печи (на схеме не показан) и заливали его в форму при температуре 1580оС с учетом снижения температуры металла во время заливки. После заливки жаропрочного сплава.Heating was carried out at 30 - 50 ° C / min. After stabilizing the temperature of the heaters and forms superalloy was melted in a melting crucible induction furnace (not shown in the diagram), and it was poured into a mold at a temperature of 1580 ° C in view of reducing the temperature of the metal during pouring. After pouring heat resistant alloy.
Формы опускали с помощью привода вертикального перемещения с первой (маршевой) скоростью в области постоянного и затем переменного поля до положения затравки, соответствующего уровню изотермы ликвидус сплава (1370оС). Далее перемещение и погружение осуществляли с рабочей скоростью 10 мм/мин.Forms lowered by an actuator of vertical movement from the first (sustainer) in the constant velocity and then to position the alternating field primers corresponding to the level of the alloy liquidus isotherm (about 1370 C). Further, the movement and immersion was carried out with a working speed of 10 mm / min.
После полного погружения отливок в охладитель нагреватели выключали и при снижении температуры в печи подогрева форм до 1250оС формы с отливками на маршевой скорости извлекали из охладителя и перемещали их в шлюзовую камеру, из которой формы с отливками при перекрытии внутреннего затвора и открытии наружного передавались на погрузочно-разгрузочный стол установки. Далее процесс повторялся.After full immersion casting cooler heaters was turned off and when the temperature drops in the form of heating the furnace to 1250 C shape with castings at cruise velocity recovered from the cooler and move them into the sluice chamber from which the mold with casting by overlapping the inner shutter and opening the outer transmitted to loading and unloading table of the installation. Further, the process was repeated.
На той же установке получали отливки с использованием способа по прототипу. At the same installation, castings were obtained using the prototype method.
Результаты экспериментов приведены в таблице. The experimental results are shown in the table.
Результаты испытаний показывают, что предложенный способ имеет следующие преимущества:
обеспечивает высокий выход годного 90% по сравнению с 67% по прототипу;
снижение рабочих температур нагревателей на 100 - 160оС, что в 3 - 5 раз повышает срок эксплуатации нагревателей, экранов, систем контроля температур и установки в целом;
потребляемая мощность нагревателей снижается на 30% ;
снижается взаимодействие расплав-форма, что повышает качество отливок и снижает трудоемкость их последующей мехобработки;
повышается надежность работы керамических форм и стержней, что снижает брак по нарушению геометрии и исключает "пробои" форм с потерей дорогостоящего сплава.The test results show that the proposed method has the following advantages:
provides a high yield of 90% compared with 67% of the prototype;
lowering operating temperatures of heaters 100 - 160 C, which is 3 - 5 times increases the service life of the heater, screens, temperature control systems and installation as a whole;
power consumption of heaters is reduced by 30%;
the melt-mold interaction is reduced, which improves the quality of castings and reduces the complexity of their subsequent machining;
the reliability of ceramic molds and cores increases, which reduces defective geometry and eliminates the “breakdown” of forms with the loss of an expensive alloy.
Брак по разрушению форм по сравнению с прототипом сократился на 10% . Брак по геометрии лопаток, определяемый формоустойчивостью керамического стержня, сократился с 9-12% до 2-3% . Marriage for the destruction of forms in comparison with the prototype was reduced by 10%. Defective geometry of the blades, determined by the shape stability of the ceramic rod, decreased from 9-12% to 2-3%.
Предлагаемый способ позволяет получать детали заданной кристаллографической ориентации, микроструктура которых характеризуется параметрами: расстояние между осями дендритов первого порядка 130 - 300 мм, расстояние между осями дендритов второго порядка 20 - 40 мкм, средний размер островков эвтектик 10 - 30 мкм, размер МС карбидов 10 - 30 мкм. The proposed method allows to obtain details of a given crystallographic orientation, the microstructure of which is characterized by the parameters: the distance between the axes of the first order dendrites 130 - 300 mm, the distance between the axes of the second order dendrites 20 - 40 microns, the average size of the eutectic islands is 10 - 30 microns, the size of the carbides is 10 - 30 microns.
По оптимальному режиму на заводе отрасли на установке УВНК-8П было проведено 23 плавки, отлито 276 лопаток, из которых брак по структуре после травления выявлен только на 6 лопатках, т. е. выход годного по макроструктуре составил 94% . (56) Патент США N 3915761, кл. 148-32, 1975. According to the optimal regime, 23 melts were carried out at the UVK-8P installation at the plant of the industry, 276 blades were cast, of which only 6 blades were found to have defective structure after etching, i.e., the macrostructure yield was 94%. (56) U.S. Patent No. 3,915,761, cl. 148-32, 1975.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU4911427 RU2010672C1 (en) | 1991-02-15 | 1991-02-15 | Method of producing monocrystalline castings |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU4911427 RU2010672C1 (en) | 1991-02-15 | 1991-02-15 | Method of producing monocrystalline castings |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2010672C1 true RU2010672C1 (en) | 1994-04-15 |
Family
ID=21560609
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SU4911427 RU2010672C1 (en) | 1991-02-15 | 1991-02-15 | Method of producing monocrystalline castings |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2010672C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1999012679A1 (en) * | 1997-09-12 | 1999-03-18 | General Electric Company | Method and apparatus for producing directionally solidified castings |
| EP1093872A1 (en) * | 1999-10-22 | 2001-04-25 | General Electric Company | Controlling grain spacing in directional solidified castings |
-
1991
- 1991-02-15 RU SU4911427 patent/RU2010672C1/en active
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1999012679A1 (en) * | 1997-09-12 | 1999-03-18 | General Electric Company | Method and apparatus for producing directionally solidified castings |
| EP1093872A1 (en) * | 1999-10-22 | 2001-04-25 | General Electric Company | Controlling grain spacing in directional solidified castings |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4813470A (en) | Casting turbine components with integral airfoils | |
| US3620289A (en) | Method for casting directionally solified articles | |
| US3542120A (en) | Apparatus for producing single crystal metallic alloy objects | |
| US4178986A (en) | Furnace for directional solidification casting | |
| US3847203A (en) | Method of casting a directionally solidified article having a varied composition | |
| GB1369270A (en) | Casting of directionally solidified articles | |
| US3376915A (en) | Method for casting high temperature alloys to achieve controlled grain structure and orientation | |
| US4573516A (en) | Method of and apparatus for casting directionally solidified articles | |
| EP1531020B1 (en) | Method for casting a directionally solidified article | |
| Ma et al. | Innovations in casting techniques for single crystal turbine blades of superalloys | |
| US4202400A (en) | Directional solidification furnace | |
| US3700023A (en) | Casting of directionally solidified articles | |
| US3248764A (en) | Method for improving grain structure and soundness in castings | |
| US3939895A (en) | Method for casting directionally solidified articles | |
| US4213497A (en) | Method for casting directionally solidified articles | |
| KR100718405B1 (en) | Controlling casting grain spacing | |
| US4609029A (en) | Method of reducing casting time | |
| CN111922322A (en) | Directional solidification device and casting method | |
| US3942581A (en) | Method and apparatus for casting directionally solidified articles | |
| US5309976A (en) | Continuous pour directional solidification method | |
| RU2010672C1 (en) | Method of producing monocrystalline castings | |
| US4712604A (en) | Apparatus for casting directionally solidified articles | |
| EP0968065A1 (en) | Method and apparatus for producing directionally solidified castings | |
| US3625275A (en) | Apparatus and method for single-crystal casting | |
| EP0059550B1 (en) | Method of casting |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| REG | Reference to a code of a succession state |
Ref country code: RU Ref legal event code: MM4A Effective date: 20090216 |