RU2185929C2 - Способ получения отливок с монокристаллической структурой и изделие, полученное этим способом - Google Patents
Способ получения отливок с монокристаллической структурой и изделие, полученное этим способом Download PDFInfo
- Publication number
- RU2185929C2 RU2185929C2 RU2000127442A RU2000127442A RU2185929C2 RU 2185929 C2 RU2185929 C2 RU 2185929C2 RU 2000127442 A RU2000127442 A RU 2000127442A RU 2000127442 A RU2000127442 A RU 2000127442A RU 2185929 C2 RU2185929 C2 RU 2185929C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- alloy
- seed
- nickel
- casting
- carbon
- Prior art date
Links
Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при литье монокристаллических отливок с заданной кристаллографической ориентацией из жаропрочных сплавов, в частности монокристаллических лопаток газотурбинных двигателей. Способ включает размещение в полости формы монокристаллической затравки, выполненной из сплава на основе никеля, нагрев формы в нагревателе, заливку расплава в полость литейной формы, кристаллизацию и охлаждение. Для предотвращения образования посторонних кристаллов и надежной передачи кристаллографической ориентации от затравки к отливке затравка выполнена из сплава на основе никеля с добавкой углерода, расширяющего интервал кристаллизации, температура солидус которого на 15-50o выше температуры ликвидус сплава отливки. Изобретение позволяет снизить брак отливок по макроструктуре. 2 с. и 3 з.п.ф-лы.
Description
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при литье монокристаллических отливок с заданной кристаллографической ориентацией из жаропрочных сплавов, в частности монокристаллических лопаток газотурбинных двигателей.
Известны способы получения монокристаллических отливок в вакууме из никелевых жаропрочных сплавов с заданной кристаллографической ориентацией с использованием затравки из чистого никеля или из того же жаропрочного никелевого сплава, что и сплав отливки /патенты США 3939895, НКИ 164-60; 3915761, НКИ 148-32; 4580163, НКИ 164-35; 4469160, НКИ 164-122.1; ЕР 0126550, МКИ B 22 D 27/04, авт. св. СССР 83915353, МКИ В 22 D 27/04 и т.д./
Для получения заданной ориентации в отливке монокристаллическую затравку, как правило, подплавляют и передача ориентации происходит через твердожидкую зону. При этом требуется охлаждение нижнего основания затравки во избежание ее полного расплавления, например, с помощью подвода холодильника или расположения нижней части формы с затравкой вне горячей зоны печи, кроме того, сложная система закрепления затравки в форме создает трудности при использовании указанных аналогов.
Для получения заданной ориентации в отливке монокристаллическую затравку, как правило, подплавляют и передача ориентации происходит через твердожидкую зону. При этом требуется охлаждение нижнего основания затравки во избежание ее полного расплавления, например, с помощью подвода холодильника или расположения нижней части формы с затравкой вне горячей зоны печи, кроме того, сложная система закрепления затравки в форме создает трудности при использовании указанных аналогов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ получения отливок с монокристаллической структурой по патенту РФ 2021877 /МКИ B 22 D 27/04/, принятый нами за прототип. Согласно прототипу способ изготовления отливок с монокристаллической структурой преимущественно из жаропрочных сплавов включает размещение в полости литейной формы монокристаллической затравки, выполненной из сплава на основе никеля (Ni-W), с температурой плавления на 20-170oС выше температуры ликвидус сплава отливки, нагрев литейной формы, заливку расплава в полость литейной формы, кристаллизацию и охлаждение расплава и извлечение отливки из литейной формы. С целью снижения брака отливок по макроструктуре при серийном производстве за счет повышения надежности передачи кристаллографической ориентации от затравки к отливке монокристаллическую затравку используют со слоем защитного покрытия толщиной 3-15 мм из сплава, идентичного или аналогичного сплаву отливки по температуре плавления и типу кристаллографической решетки, полученного методом наплавления. Заливку осуществляют после полного расплавления сплава защитного покрытия затравки, а кристаллизацию сплава отливки начинают не позднее полного растворения сплава затравки в расплаве защитного покрытия.
Ближайшим аналогом заявленного изделия является изделие из сплава с монокристаллической структурой, полученное способом по патенту РФ 2021877.
Однако для получения монокристаллических изделий литейную форму необходимо перегревать на 50-100oС выше температуры ликвидуса, а иногда и выше /до 200oС/. Это связано с тем, что повышение температуры формы приводит к увеличению термического градиента на фронте роста кристалла. Повышение градиента, в свою очередь, уменьшает вероятность образования посторонних кристаллов при выращивании монокристаллов. При этом затравка не должна расплавляться полностью, необходимо подплавить только ее верх, чтобы обеспечить надежную передачу структуры и ориентации от нее изделию. Поэтому в процессе плавки и заливки основание затравки необходимо охлаждать с помощью холодильника для создания на затравочном кристалле температурного градиента.
В качестве материала затравки используется сплав никеля с элементом, повышающим его температуру плавления (вольфрам), варьируя содержание которого можно получить затравочный кристалл с требуемой температурой плавления. Следует также отметить, что вышеуказанные сплавы имеют очень узкий интервал кристаллизации 3-5o по сравнению с жаропрочными сплавами, имеющими интервал 50-150oС.
Все это значительно усложняет проведение процесса монокристального литья, так как необходимо очень точно поддерживать температурные режимы на форме и нагревателе. Отклонение температуры от оптимальной в сторону повышения ведет к полному расплавлению затравки, понижение приводит к тому, что она не подплавляется. В том и другом случае это ведет к образованию на изделии посторонних кристаллов произвольной ориентации, т.е. к браку. Кроме того, при нагреве формы за счет натекания в установке поверхность затравочного кристалла покрывается пленкой окислов, которая затрудняет передачу структуры от затравки к отливке. Предлагаемое в прототипе защитное покрытие, которое наносится на торцевую поверхность каждой затравки, является дополнительной трудоемкой технологической операцией. Выход годного изделий, полученных по способу прототипа, составляет 65%.
Технической задачей данного изобретения является повышение надежности технологического процесса, повышение выхода годного изделий по структуре за счет предотвращения образования посторонних кристаллов и надежной передачи кристаллографической ориентации от затравки к отливке.
Для реализации технической задачи предлагается способ получения отливок с монокристаллической структурой и изделие, полученное этим способом, который включает размещение в полости литейной формы монокристаллической затравки из сплава на основе никеля, нагрев литейной формы, заливку расплава в полость литейной формы, направленную кристаллизацию расплава путем перемещения формы из зоны нагрева в зону охлаждения и охлаждение расплава, отличающийся тем, что используют затравку из никелевого сплава с добавкой углерода, расширяющего интервал кристаллизации, при этом температура солидуса на 15-50 градусов выше температуры ликвидус сплава отливки.
В качестве сплавов затравки предложены сплавы следующего состава, мас. %:
- вольфрам - 20-35%, углерод - 0,05-0,25%, никель - остальное;
- вольфрам - 20-35%, рений - 1-35%, углерод - 0,05-0,25%, никель - остальное, причем сумма вольфрама и рения равна 30-40%;
- рений - 1-35%, углерод - 0,05-0,25%, никель - остальное.
- вольфрам - 20-35%, углерод - 0,05-0,25%, никель - остальное;
- вольфрам - 20-35%, рений - 1-35%, углерод - 0,05-0,25%, никель - остальное, причем сумма вольфрама и рения равна 30-40%;
- рений - 1-35%, углерод - 0,05-0,25%, никель - остальное.
Относительно низкая температура начала плавления сплава затравки достигается путем введения углерода (0,05-0,25 мас. %) в бинарные и тройные сплавы для затравки. Углерод улучшает процесс передачи структуры от затравки к отливке, т.к. расширяет интервал кристаллизации сплава затравки. При добавке 0,05-0,25 мас.% углерода температура ликвидус затравки остается прежней, а температура солидус сплава затравки уменьшается и становится на 15-50 градусов выше температуры ликвидус сплава отливки. Это позволяет затравке работать в жидкотвердом состоянии и обеспечивает формирование переходной зоны для надежной передачи структуры отливке, а также смягчает жесткий контроль за температурным режимом на форме и нагревателе и снижает влияние отклонения температуры от оптимальной в сторону понижения, что исключает неподплавление затравки. Углерод не только понижает температуру солидус сплава затравки, но и обеспечивает раскисление окислов на затравке, образуемых в момент нагрева формы под заливку.
Пример осуществления способа получения отливок с монокристаллической структурой.
Пример 1
Предлагаемый способ осуществлялся на установке УВНК-8П. Получали монокристаллические отливки из жаропрочного сплава ЦНК-8М с температурой ликвидус 1385oС. Для обеспечения заданной кристаллографической ориентации использовали затравки из сплава: вольфрам - 28%, углерод - 0,1%, никель - ост. Температура солидус сплава затравки 1400oС, что на 15 градусов выше температуры ликвидус сплава отливки. В качестве охладителя использовали алюминий марки А99 с температурой 680-780oС.
Предлагаемый способ осуществлялся на установке УВНК-8П. Получали монокристаллические отливки из жаропрочного сплава ЦНК-8М с температурой ликвидус 1385oС. Для обеспечения заданной кристаллографической ориентации использовали затравки из сплава: вольфрам - 28%, углерод - 0,1%, никель - ост. Температура солидус сплава затравки 1400oС, что на 15 градусов выше температуры ликвидус сплава отливки. В качестве охладителя использовали алюминий марки А99 с температурой 680-780oС.
Процесс осуществлялся следующим образом. Два керамических блока по 6 рабочих лопаток ГТД с установленными в них монокристаллическими затравками помещали в печь подогрева форм установки и создавали вакуум. Исходное положение форм в нагревателе было на 5 мм ниже нижнего среза нагревателя. В этом положении форму нагревали до температуры 1490oС. После стабилизации температур расплавляли жаропрочный сплав и заливали его в форму при температуре 1500oС. После заливки форм расплавом проводили процесс кристаллизации при вытягивании форм из нагревателя со скоростью 5 мм/мин и погружении их в жидкометаллический охладитель. Процесс заканчивается при достижении формами дна жидкометаллической ванны. Для контроля структуры лопатки протравливали в смеси перекиси водорода и соляной кислоты /1:4/. Как показало исследование макро- и микроструктуры, все лопатки имеют монокристальную структуру заложенной ориентации. Затравка надежно соединилась с лопаткой, причем между ней и отливкой образовался переходный слой промежуточного состава между составом затравки и основным сплавом.
Такой же результат получен при содержании сплава затравки: вольфрама - 20%, углерода - 0,05%, никель - ост.; и вольфрама - 35%, углерода - 0,25%, никель - ост.
Пример 2
В установке УВНК-8П отливались рабочие лопатки ГТД аналогично примеру 1. В отличие от примера 1 для получения лопаток из сплава ЦНК-8М с монокристальной структурой использовали затравки из сплава следующего состава: вольфрам - 22%; рений - 8%; углерод - 0,15%; никель - ост. Температура солидус сплава для затравок 1410oС, что на 25 градусов выше температуры ликвидус сплава отливки 1385oС.
В установке УВНК-8П отливались рабочие лопатки ГТД аналогично примеру 1. В отличие от примера 1 для получения лопаток из сплава ЦНК-8М с монокристальной структурой использовали затравки из сплава следующего состава: вольфрам - 22%; рений - 8%; углерод - 0,15%; никель - ост. Температура солидус сплава для затравок 1410oС, что на 25 градусов выше температуры ликвидус сплава отливки 1385oС.
По указанному способу с использованием затравок этого состава и кристаллографической ориентации |001| было отлито два блока лопаток, по 6 лопаток в каждом блоке, все лопатки имели годную монокристаллическую структуру. Такой же результат получен при содержании сплава затравки: вольфрам - 20%, рений - 10%, углерод - 0,25%, никель - оcт.; и вольфрам - 35%, рений - 1%, углерод - 0,05%, никель - ост.
Пример 3
В установке УВНК-8П отливали рабочие лопатки ГТД, аналогичные примеру 1. В отличие от примера 1 для получения лопаток из сплава ЦНК-8М с монокристаллической структурой использовали тугоплавкие затравки следующего химического состава: рений - 20%; углерод - 0,2%; никель - ост. с температурой солидус 1435oС, что на 50 градусов выше температуры ликвидус сплава отливки - 1385oС. В качестве охладителя использовали алюминий марки А99 с температурой 680-780oС.
В установке УВНК-8П отливали рабочие лопатки ГТД, аналогичные примеру 1. В отличие от примера 1 для получения лопаток из сплава ЦНК-8М с монокристаллической структурой использовали тугоплавкие затравки следующего химического состава: рений - 20%; углерод - 0,2%; никель - ост. с температурой солидус 1435oС, что на 50 градусов выше температуры ликвидус сплава отливки - 1385oС. В качестве охладителя использовали алюминий марки А99 с температурой 680-780oС.
Процесс осуществлялся следующим образом. Два керамических блока по 6 рабочих лопаток ГТД с установленными в них монокристаллическими затравками помещали в печь подогрева форм установки и создавали вакуум. Исходное положение форм в нагревателе было на 5 мм ниже нижнего среза нижнего нагревателя. В этом положении формы нагревали до температуры 1540oС. После стабилизации температур нагревателей и форм расплавляли жаропрочный сплав и начинали заливку его в формы при температуре 1560oС. Процесс кристаллизации осуществляли вытягиванием форм из нагревателей со скоростью 5 мм/мин и погружением их в жидкометаллический охладитель. Процесс заканчивался при достижении формами дна жидкометаллического охладителя. Как показало исследование макро- и микроструктуры, во всех случаях были получены монокристальные отливки с заданной кристаллографической ориентацией. Затравка надежно соединилась с отливкой, причем между ней и отливкой образовался переходный слой промежуточного состава между составом затравки и основным сплавом за счет растворения торца затравки сплавом отливки. Такой же результат получен при содержании сплава затравки: рений - 1%, углерод - 0,05%, никель - ост.; и рений - 35%, углерод - 0,25%, никель - ост.
Применение данного способа значительно упростило проведение процесса литья монокристаллических изделий из никелевых жаропрочных сплавов, например лопаток ГТД и ГТУ с монокристаллической структурой заданной кристаллографической ориентации; снизило требования к температурному контролю процесса и увеличило надежность получения отливок из никелевых жаропрочных сплавов с заданной кристаллографической ориентацией, тем самым повысив надежность технологического процесса и выход годного по макроструктуре.
Claims (5)
1. Способ получения отливок с монокристальной структурой, включающий размещение в полости литейной формы монокристаллической затравки, выполненной из сплава на основе никеля, нагрев формы, заливку расплава в полость литейной формы, направленную кристаллизацию расплава путем перемещения формы из зоны нагрева в зону охлаждения, охлаждение расплава, отличающийся тем, что монокристаллическая затравка выполнена из сплава на основе никеля с добавкой углерода, расширяющего интервал кристаллизации, при этом температура солидуса сплава затравки на 15-50oС выше температуры ликвидус сплава отливки.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что затравка выполнена из сплава следующего состава, мас. %, вольфрам 20-35, углерод 0,05-0,25, никель - остальное.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что затравка выполнена из сплава следующего состава, мас. %: вольфрам 20-35, рений 1-35, углерод 0,05-0,25, никель - остальное, причем сумма вольфрама и рения равна 30-40.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что затравка выполнена из сплава следующего состава, мас. %: рений 1-35, углерод 0,05-0,25, никель - остальное.
5. Изделие из сплава с монокристаллической структурой, отличающееся тем, что оно получено способом по любому из пп. 1-4.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2000127442A RU2185929C2 (ru) | 2000-11-02 | 2000-11-02 | Способ получения отливок с монокристаллической структурой и изделие, полученное этим способом |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2000127442A RU2185929C2 (ru) | 2000-11-02 | 2000-11-02 | Способ получения отливок с монокристаллической структурой и изделие, полученное этим способом |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2185929C2 true RU2185929C2 (ru) | 2002-07-27 |
RU2000127442A RU2000127442A (ru) | 2002-10-27 |
Family
ID=20241688
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2000127442A RU2185929C2 (ru) | 2000-11-02 | 2000-11-02 | Способ получения отливок с монокристаллической структурой и изделие, полученное этим способом |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2185929C2 (ru) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3799974A1 (en) * | 2019-10-04 | 2021-04-07 | Raytheon Technologies Corporation | Arcuate seed casting method |
EP3821999A1 (en) * | 2019-10-04 | 2021-05-19 | Raytheon Technologies Corporation | Arcuate seed casting method |
US11377753B2 (en) | 2019-10-04 | 2022-07-05 | Raytheon Technologies Corporation | Arcuate seed casting method |
US12005493B2 (en) | 2022-06-01 | 2024-06-11 | Rtx Corporation | Arcuate seed casting method |
-
2000
- 2000-11-02 RU RU2000127442A patent/RU2185929C2/ru active
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3799974A1 (en) * | 2019-10-04 | 2021-04-07 | Raytheon Technologies Corporation | Arcuate seed casting method |
EP3821999A1 (en) * | 2019-10-04 | 2021-05-19 | Raytheon Technologies Corporation | Arcuate seed casting method |
US11198175B2 (en) | 2019-10-04 | 2021-12-14 | Raytheon Technologies Corporation | Arcuate seed casting method |
US11377753B2 (en) | 2019-10-04 | 2022-07-05 | Raytheon Technologies Corporation | Arcuate seed casting method |
US11383295B2 (en) | 2019-10-04 | 2022-07-12 | Raytheon Technologies Corporation | Arcuate seed casting method |
US11806780B2 (en) | 2019-10-04 | 2023-11-07 | Rtx Corporation | Arcuate seed casting method |
EP4269750A3 (en) * | 2019-10-04 | 2024-01-24 | RTX Corporation | Arcuate seed casting method |
EP4306682A3 (en) * | 2019-10-04 | 2024-04-10 | RTX Corporation | Arcuate seed casting method |
US12005493B2 (en) | 2022-06-01 | 2024-06-11 | Rtx Corporation | Arcuate seed casting method |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN107745093B (zh) | 一种精铸模组及利用其制备可精控晶体取向的镍基单晶导叶的铸造方法 | |
US3542120A (en) | Apparatus for producing single crystal metallic alloy objects | |
CN111364096B (zh) | 基底触发单晶高温合金定向凝固工艺 | |
US9144842B2 (en) | Unidirectional solidification process and apparatus and single-crystal seed therefor | |
CN108624959A (zh) | 使用经固溶处理的籽晶制备单晶高温合金的方法 | |
JPH0379103B2 (ru) | ||
NO794028L (no) | Fremgangsmaate og apparat til epitaksial stoerkning | |
MA | DEVELOPMENT OF SINGLE CRYSTAL SOLIDIFICA-TION TECHNOLOGY FOR PRODUCTION OF SUPERALLOY TURBINE BLADES | |
EP1095721B1 (en) | Liquid metal cooled directional solidification process | |
US6343641B1 (en) | Controlling casting grain spacing | |
JP2007211273A (ja) | 強度、耐食性及び耐酸化特性に優れた一方向凝固用ニッケル基超合金及び一方向凝固ニッケル基超合金の製造方法 | |
NL7908786A (nl) | Kiemmiddel en werkwijze voor het epitaxiaal stollen van materialen. | |
US3939895A (en) | Method for casting directionally solidified articles | |
RU2185929C2 (ru) | Способ получения отливок с монокристаллической структурой и изделие, полученное этим способом | |
US6383448B1 (en) | Nickel-based superalloy | |
Dong | Analysis of Grain Selection during Directional Solidification of Gas Turbine Blades. | |
EP0059550B1 (en) | Method of casting | |
JP2014217891A (ja) | ブリッジマンインベストメント鋳造法におけるグレインスターターのための複合の幾何学的設計 | |
Chen et al. | Growth of nickel-base superalloy bicrystals by the seeding technique with a modified Bridgman method | |
Stanford et al. | Defect grains in the melt-back region of CMSX-4 single crystal seeds | |
Toloraiya et al. | Advanced method for single crystal casting of turbine blades for gas turbine engines and plants | |
Yang et al. | Influence of platform position on stray grain nucleation in Ni-based single-crystal dummy blade clusters | |
RU2254962C1 (ru) | Способ получения отливки из литейного никелевого сплава | |
Hu et al. | Inhibition of stray grains at melt-back region for re-using seed to prepare Ni-based single crystal superalloys | |
JP2002283043A (ja) | 一方向凝固柱状晶組織を有するタービンブレードの製造方法およびその製造方法で作製したタービンブレード |