RU2218239C2 - Способ литья направленной кристаллизацией отливок и устройство для его осуществления - Google Patents
Способ литья направленной кристаллизацией отливок и устройство для его осуществления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2218239C2 RU2218239C2 RU2001129675/02A RU2001129675A RU2218239C2 RU 2218239 C2 RU2218239 C2 RU 2218239C2 RU 2001129675/02 A RU2001129675/02 A RU 2001129675/02A RU 2001129675 A RU2001129675 A RU 2001129675A RU 2218239 C2 RU2218239 C2 RU 2218239C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- mold
- casting
- cooler
- crystallization
- heat
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Molds, Cores, And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Abstract
Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при изготовлении литых заготовок охлаждаемых лопаток газотурбинных двигателей. Форму располагают в печи нагрева, заливают расплав и осуществляют кристаллизацию отливки путем отвода тепла от формы в два этапа. В начальный период затвердевания отливки отвод тепла от формы с расплавом осуществляют через донный охлаждаемый металлический кристаллизатор. После формирования стартовой структуры отливки металлический кристаллизатор удаляют из-под формы. На втором этапе форму погружают в кристаллизационную камеру с псевдоожиженным охладителем. Одновременно вращают форму вокруг вертикальной оси с заданной скоростью. При этом примыкающий к стенке формы слой охладителя смывается, обеспечивая равномерное распределение охладителя по сечению кристаллизационной камеры. Изобретение позволяет повысить интенсивность теплоотвода, увеличить эффективность управления отводом тепла, а также экономичность процесса. 2 с.п. ф-лы, 2 табл., 2 ил.,
Description
Изобретение относится к области металлургии при литье по выплавляемым моделям и может быть использовано при литье точных заготовок деталей ответственного назначения в производстве газотурбинных лопаток (ГТД), преимущественно для литья охлаждаемых лопаток с моно- и поликристаллической структурой, а также заготовок силовых деталей с плотной, герметичной структурой, например деталей шасси.
При направленной кристаллизации, в зависимости от величины температурного градиента (GL, град/мм) в жидкой фазе на фронте кристаллизации отливки, а также от природы используемого сплава (интервала кристаллизации) структура сплава отливки может быть строго односторонне направленной в виде монокристалла или ряда столбчатых кристаллов, или ряда ориентированных поликристаллов, текстурированных в направлении кристаллизации, повышенной плотности. Величина GL определяет скорость кристаллизации (R, мм/мин), параметры и свойства макро- и микроструктуры отливки.
Управляя температурным градиентом (GL), можно формировать структуру в литой детали в соответствии с требованиями условий ее работы и напряжений, возникающих в ней. Важно иметь способ управления GL в жидкой фазе, контактирующей с фронтом кристаллизации отливки.
Известные способы направленной кристаллизации, осуществляющиеся по нескольким схемам, основанным на принципе Стокбаргера /1/, в частности отвод тепла на охлаждаемый поддон (кристаллизатор); погружением формы с расплавом в жидкий металлический или другой теплоноситель; обдувка формы с расплавом направленной высокоскоростной струей инертного газа /2/; погружение формы с расплавом в псевдоожиженную среду /3/, состоящую из высокотеплопроводной металлической или неметаллической твердой фазы в виде сыпучих материалов регулируемой гранулометрии, например гранулы алюминия в инертных газах (Ar, Не).
Перечисленные способы односторонне направленного отвода тепла, используемые при направленной кристаллизации лопаток ГТД, имеют неодинаковые возможности в части управления структурой и свойствами сплава в отливке.
Способ отвода тепла от расплава в литейной форме на охлаждаемый поддон (кристаллизатор), как и более эффективный отвод тепла при погружении формы с расплавом в жидкий металлический теплоноситель (алюминий, олово), имеют ряд недостатков.
Главный среди них - ограниченные возможности управления процессом теплообмена между охладителем и охлаждаемой формой с расплавом.
При донном отводе тепла от отливки (сплава в литейной форме) к охлаждаемому кристаллизатору, по мере наращивания твердой фазы в отливке увеличивается сопротивление теплоотводу. падает температурный градиент GL, уменьшается скорость кристаллизации (скорость опускания кристаллизатора), увеличивается вероятность нарушения кристаллографической ориентации в структуре сплава и вероятность образования новых "паразитных" литых зерен, называемых в практике "веснушками". Необходимость уменьшения скорости кристаллизации приводит к падению производительности процесса литья.
Оптимизировать программу изменения скорости опускания кристаллизатора можно опытным путем, с перестраховкой в сторону ее уменьшения, но не управлять ею от систем управления.
При охлаждении формы с расплавом способом погружения ее в жидкометаллический теплоноситель теплоотвод от формы значительно выше, чем при охлаждении от донного кристаллизатора. Однако эффективно управлять отводом тепла от расплава в форме в жидкий теплоноситель, по мере повышения температуры теплоносителя и теплового сопротивления твердой отливки в форме путем охлаждения теплоносителя, представляется трудной задачей из-за высокой тепловой инерции жидкометаллического теплоносителя.
Использование в качестве жидкометаллических теплоносителей расплавов Аl и Sn сопряжено с производственными трудностями: их загрязнением и потерей, их заменой, особенно по причине нарушения энергетического режима, когда приходится охлаждать систему.
Из вышеперечисленных способов отвода тепла при направленной кристаллизации отливок ближайшим аналогом заявляемому является описанный в патенте США /3/ способ, при котором охлаждающей средой является псевдоожиженный теплоноситель, состоящий из твердой фазы - частиц керамики Аl2О3, имеющих высокую химическую инертность к расплаву в литейной форме, витающих в атмосфере инертного газа (Аr, Не).
Описанное в данном патенте устройство для направленной кристаллизации отливок содержит вакуумную камеру с вентилем для подачи в нее инертного газа, печь для нагрева литейной формы со сплавом, водо-охлаждаемую металлическую плиту, систему транспортирования литейной формы из печи нагрева в камеру кристаллизации с псевдоожиженным охладителем, генератор псевдоожиженного охладителя. Это устройство является наиболее близким аналогом к заявленному.
В известное способе литейная форма с расплавом размещается в печи подогрева формы, расположенной над кристаллизационной камерой. После термостатирования форма на кристаллизаторе опускается в псевдоожиженный наполнитель кристаллизационной камеры. Авторы патента рекомендуют регулирование температуры псевдоожиженного теплоносителя осуществлять посредством змеевика, расположенного на поверхности камеры кристаллизации. Генерируемый в этих условиях теплообмена псевдоожиженный теплоноситель имеет повышенную тепловую инерцию из-за сложного тепломассообмена в многослойной теплопроводящей среде от расплава в литейной форме к охладителю (охлаждающая вода - стенки змеевика и корпуса кристаллизатора - стенка литейной формы с расплавом). Тормозит теплоотвод от формы к охладителю пристеночный слой теплоносителя, непосредственно примыкающий к литейной форме.
Погружение в псевдоожиженный охладитель литейной формы, расположенной на металлическом водоохлаждаемом кристаллизаторе, экранирующим снизу форму от восходящего потока охладителя, препятствует смыву слоя охладителя, непосредственно примыкающего к стенке литейной формы. Наличие донного кристаллизатора на маршруте восходящего потока псевдоожиженного охладителя препятствует равномерному распределению охладителя по сечению кристаллизационной камеры и в сечениях между стенками камеры и литейной формы.
Как показано выше, система охлаждения при этом способе теплоотвода является значительно менее инерционной в части управления температурным градиентом. Однако при направленной кристаллизации и направленном затвердевании отливки в сравнении с двумя описанными выше способами и она имеет нереализованные возможности управления отводом тепла от кристаллизующейся отливки к псевдоожиженному охладителю.
Предлагаемое изобретение на способ литья направленного затвердевания и направленной кристаллизации отливок и устройство для его осуществления преследуют решение двух главных задач:
- повышение эффективности управления отводом тепла от расплава в литейной форме к охладителю и, таким образом, улучшить управление температурным градиентом GL в приграничном слое к фронту кристаллизации отливки, при повышении и стабилизации GL со всеми вытекающими от этого положительными последствиями;
- создание устройства для направленной кристаллизации и направленного затвердевания отливок, удовлетворяющего требованиям повышения эффективного управления величиной GL по заявляемой технологии и условиям эксплуатации оборудования.
- повышение эффективности управления отводом тепла от расплава в литейной форме к охладителю и, таким образом, улучшить управление температурным градиентом GL в приграничном слое к фронту кристаллизации отливки, при повышении и стабилизации GL со всеми вытекающими от этого положительными последствиями;
- создание устройства для направленной кристаллизации и направленного затвердевания отливок, удовлетворяющего требованиям повышения эффективного управления величиной GL по заявляемой технологии и условиям эксплуатации оборудования.
Поставленная задача решается тем, что в способе литья направленной кристаллизацией отливок по выплавляемым моделям в вакууме в контролируемой атмосфере инертного газа, включающем расположение формы в печи подогрева, заливку расплава в форму, отвод тепла в начальный период затвердевания отливки через охлаждаемый металлический кристаллизатор, погружение формы на выходе из печи в псевдоожиженный инертным газом охладитель, после формирования стартовой кристаллической структуры отливки металлический кристаллизатор удаляют из-под формы, а погружение формы в псевдоожиженный охладитель осуществляют в подвешенном состоянии при одновременном вращении ее вокруг вертикальной оси с заданной постоянной или переменной скоростью, при этом температуру псевдоожиженного охладителя изменяют путем изменения температуры подаваемого инертного газа, давления его и состава псевдоожиженного охладителя.
Поставленная задача решается также тем, что в устройстве для направленной кристаллизации отливок, содержащем вакуумную камеру с вентилем для подачи в нее инертного газа, печь для нагрева литейной формы со сплавом, водоохлаждаемую металлическую плиту, систему транспортирования литейной формы из печи нагрева в камеру кристаллизации с псевдоожиженным охладителем, генератор псевдоожиженного охладителя, водоохлаждаемая металлическая плита выполнена с возможностью перемещения в горизонтальном направлении для удаления ее от литейной формы, а система транспортирования - с возможностью осуществления перемещения формы в подвешенном состоянии и вращения формы вокруг вертикальной оси.
На фиг. 1 представлено схематично устройство для направленной кристаллизации на стартовом этапе процесса; на фиг.2 -то же, на завершающем этапе.
Кристаллизационное устройство представляет собой герметичную камеру с системой вакуумирования, с клапанами напуска и сброса инертного газа и воздуха.
Камера разделена водоохлаждаемым кристаллизатором А на верхнюю и нижнюю части. В верхней располагается печь шахтного типа 3 для нагрева и термостатирования литейной формы 1 со сплавом, закрепленной на транспортной штанге 2. Штанга через вакуумное охлаждаемое уплотнение выведена вне камеры к приводу вертикального перемещения (вверх-вниз) и вращения формы вокруг своей оси.
Нижняя часть камеры с псевдоожиженным охладителем 5 является камерой кристаллизации 8 отливки. В ней также размещены генератор 6 псевдоожиженного охладителя, ложное дно 7, коллектор 9 вывода аргона, вентиль 10.
Генератор псевдоожиженного охладителя представлен ложным дном 7 в виде распределительной решетки и объемом под ней, сообщающимся с вентилем 10, через который поступает газовая фаза охладителя. Ложное дно служит опорой для твердой фазы охладителя. Поступая под твердую фазу, газовая фаза распределяет охладитель в кристаллизационной камере над ложным дном, генерируя его псевдоожиженное состояние.
Газообразная фаза охладителя удаляется из кристаллизационной камеры через кольцевой коллектор 9 в автономную оборотную систему ее регенерации.
Система регенерации расположена вне кристаллизационной камеры. В ее функции входят: очистка газа от твердых включений, от воздуха и химически активных газов; управление температурой, давлением и расходом очищенного газа, возвращаемого через вентиль 10 в кристаллизационную камеру.
Предлагаемая в настоящей заявке на изобретение двухэтапная кристаллизация отливок с регламентированной направленной поли- и монокристаллической структурой, а также равноосной текстурированной плотной герметичной структурой отличается тем, что на первом этапе кристаллизации, называемой "стартовой", литейная форма (1) с затравочным кристаллом или без него, с открытым дном или без него, подвешивается на транспортной штанге (2), размещается в печи (3) подогрева и термостатирования формы (ППТФ), термостатируется при температуре, превышающей температуру ликвидус сплава в форме. Под дно формы подводится металлический охлаждаемый кристаллизатор (4), форма опускается на него и одновременно в форму заливается расплав, затем форма с расплавом выдерживается определенное время для начальной (стартовой) кристаллизации расплава, после этого кристаллизатор отводится из-под формы и форма опускается при вращении в псевдоожиженный охладитель 5, представляющий собой гранулы высокотеплопроводной твердой фазы, витающие в атмосфере инертного газа. Этот этап кристаллизации отливки является "рабочим", осуществляется в псевдоожиженном охладителе до завершения кристаллизации отливки и ее охлаждения в нем.
Изменение температуры псевдоожиженного теплоносителя с целью управления температурным градиентом в кристаллизирующейся отливке осуществляется посредством управления температурой инертного газа, подаваемого в кристаллизационную камеру из автономной системы его очистки и регенерации.
Таким образом, предлагаемый способ направленной кристаллизации осуществляется в два этапа, отличающиеся способами отвода тепла от кристаллизирующейся отливки в литейной форме и уровнем управления величиной GL:
- первый этап - начальная (стартовая) кристаллизация на охлаждаемом металлическом поддоне - для формирования стартовой моно-, поликристаллической или столбчатой структуры отливки. Это короткий по времени этап, отвечающий за начальную ориентацию структуры кристаллов. Он характеризуется быстроизменяющимся температурным градиентом и скоростью кристаллизации вследствие изменяющегося теплового сопротивления в процессе наращивания донной твердой фазы отливки. В этой связи это этап процесса трудноуправляемый и по скорости затухающий;
- второй этап - кристаллизация отливки в отсутствии водоохлаждаемого поддона. Отвод тепла осуществляется только в псевдоожиженный охладитель, характеризуемый высокой теплопроводностью. Управление теплоотдачей происходит за счет регулирования температуры псевдоожиженного теплоносителя, имеющего низкую тепловую инерцию.
- первый этап - начальная (стартовая) кристаллизация на охлаждаемом металлическом поддоне - для формирования стартовой моно-, поликристаллической или столбчатой структуры отливки. Это короткий по времени этап, отвечающий за начальную ориентацию структуры кристаллов. Он характеризуется быстроизменяющимся температурным градиентом и скоростью кристаллизации вследствие изменяющегося теплового сопротивления в процессе наращивания донной твердой фазы отливки. В этой связи это этап процесса трудноуправляемый и по скорости затухающий;
- второй этап - кристаллизация отливки в отсутствии водоохлаждаемого поддона. Отвод тепла осуществляется только в псевдоожиженный охладитель, характеризуемый высокой теплопроводностью. Управление теплоотдачей происходит за счет регулирования температуры псевдоожиженного теплоносителя, имеющего низкую тепловую инерцию.
Эффективность предлагаемого способа и устройства, обеспечивающего управление отводом тепла от отливки к охладителю и типа охлаждения охладителя, характеризуются показателями, представленными в таблицах 1 и 2 (см. в конце описания).
Данные таблицы 1 свидетельствуют о заметном влиянии на параметры литой структуры отливки способа отвода тепла от расплава к псевдоожиженному охладителю, когда форма проходит через него на водоохлаждаемом кристаллизаторе и без него. Это влияние особенно заметно при использовании в псевдоожиженном охладителе гелия вместо аргона и использования вращения формы в охладителе. Не рассматривая отдельно величину этого влияния в зависимости от характера восходящего потока охладителя и типа охлаждения (от стенок охлаждаемой камеры или от изменения температуры инертного газа), можно однозначно утверждать, что эффект охлаждения увеличивается в среднем на 30...50% и более при использовании в качестве инертного газа гелия вместо аргона и вращения формы.
Уменьшение размера дендритной ячейки при использовании аргона в качестве охладителя псевдоожиженного теплоносителя свидетельствует о повышении отдачи тепла от формы со сплавом к теплоносителю.
Предлагаемый способ и устройство для направленной кристаллизации отливки характеризуется:
- экономичностью за счет сокращения безвозвратных потерь и возвращения в оборот материалов, используемых в составе охладителя;
- пониженными затратами электроэнергии на 30...50% в сравнении с охлаждением в жидкометаллическом теплоносителе;
- сокращением времени и трудозатрат на подготовку производства, обслуживание устройства, переналадку при изменении номенклатуры отливок;
- повышенной технической безопасностью.
- экономичностью за счет сокращения безвозвратных потерь и возвращения в оборот материалов, используемых в составе охладителя;
- пониженными затратами электроэнергии на 30...50% в сравнении с охлаждением в жидкометаллическом теплоносителе;
- сокращением времени и трудозатрат на подготовку производства, обслуживание устройства, переналадку при изменении номенклатуры отливок;
- повышенной технической безопасностью.
Литература
1. Ч. Симе, В. Хатель. Жаропрочные сплавы. М., Металлургия, 1976, с. 469-477.
1. Ч. Симе, В. Хатель. Жаропрочные сплавы. М., Металлургия, 1976, с. 469-477.
2. Патент ЕП 0749790 В1 от 23 августа 2000 г.
3. Патент США 4.573.516 от 4 марта 1976 г.
Claims (2)
1. Способ литья направленной кристаллизацией отливок по выплавляемым моделям в вакууме в контролируемой атмосфере инертного газа, включающий расположение формы в печи подогрева, заливку расплава в форму, отвод тепла в начальный период затвердевания отливки через охлаждаемый металлический кристаллизатор, погружение формы на выходе из печи в псевдоожиженный инертным газом охладитель, отличающийся тем, что после формирования стартовой кристаллической структуры отливки металлический кристаллизатор удаляют из-под формы, погружение формы в псевдоожиженный охладитель осуществляют в подвешенном состоянии при одновременном вращении ее вокруг вертикальной оси с заданной постоянной или переменной скоростью, при этом температуру псевдоожиженного охладителя изменяют путем изменения температуры подаваемого инертного газа, давления его и состава псевдоожиженного охладителя.
2. Устройство для направленной кристаллизации отливок, содержащее вакуумную камеру с вентилем для подачи в нее инертного газа, печь для нагрева литейной формы со сплавом, водоохлаждаемую металлическую плиту, систему транспортирования литейной формы из печи нагрева в камеру кристаллизации с псевдоожиженным охладителем, генератор псевдоожиженного охладителя, отличающееся тем, что водоохлаждаемая металлическая плита выполнена с возможностью перемещения в горизонтальном направлении для удаления ее от литейной формы, а система транспортирования - с возможностью осуществления перемещения формы в подвешенном состоянии и вращения формы вокруг вертикальной оси.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2001129675/02A RU2218239C2 (ru) | 2001-11-05 | 2001-11-05 | Способ литья направленной кристаллизацией отливок и устройство для его осуществления |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2001129675/02A RU2218239C2 (ru) | 2001-11-05 | 2001-11-05 | Способ литья направленной кристаллизацией отливок и устройство для его осуществления |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2001129675A RU2001129675A (ru) | 2003-07-10 |
RU2218239C2 true RU2218239C2 (ru) | 2003-12-10 |
Family
ID=32065624
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2001129675/02A RU2218239C2 (ru) | 2001-11-05 | 2001-11-05 | Способ литья направленной кристаллизацией отливок и устройство для его осуществления |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2218239C2 (ru) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108130596A (zh) * | 2018-01-18 | 2018-06-08 | 北京大学 | 一种双晶制备热压炉及其控制方法 |
CN108356249A (zh) * | 2018-03-14 | 2018-08-03 | 马鞍山市万兴耐磨金属制造有限公司 | 一种基于水冷循环的铸铁降温冷却结构装置 |
CN117862468A (zh) * | 2024-01-12 | 2024-04-12 | 南京航空航天大学 | 兼具柔性梯度顺序和冷速增强凝固的重力铸造方法及装置 |
-
2001
- 2001-11-05 RU RU2001129675/02A patent/RU2218239C2/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108130596A (zh) * | 2018-01-18 | 2018-06-08 | 北京大学 | 一种双晶制备热压炉及其控制方法 |
CN108356249A (zh) * | 2018-03-14 | 2018-08-03 | 马鞍山市万兴耐磨金属制造有限公司 | 一种基于水冷循环的铸铁降温冷却结构装置 |
CN117862468A (zh) * | 2024-01-12 | 2024-04-12 | 南京航空航天大学 | 兼具柔性梯度顺序和冷速增强凝固的重力铸造方法及装置 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2606817C2 (ru) | Способ направленной кристаллизации отливок при литье лопаток газовых турбин и устройство для получения отливок с направленной и монокристаллической структурой при литье лопаток газовых турбин | |
US4813470A (en) | Casting turbine components with integral airfoils | |
JP3919256B2 (ja) | 方向性凝固した鋳造物を製作する方法とこの方法を実施するための装置 | |
US4573516A (en) | Method of and apparatus for casting directionally solidified articles | |
GB1369270A (en) | Casting of directionally solidified articles | |
EP1076118B1 (en) | Method for casting a directionally solidified article | |
CA2650425A1 (en) | Casting method and apparatus | |
WO1993012272A1 (en) | Method of and apparatus for casting crystalline silicon ingot by electron beam melting | |
RU2146184C1 (ru) | Способ и устройство для направленного затвердевания расплава | |
EP1531020B1 (en) | Method for casting a directionally solidified article | |
JP2004017158A (ja) | 方向性凝固方法および装置 | |
Ma et al. | Innovations in casting techniques for single crystal turbine blades of superalloys | |
CA2077718A1 (en) | Static vacuum casting of ingots | |
US3700023A (en) | Casting of directionally solidified articles | |
RU2218239C2 (ru) | Способ литья направленной кристаллизацией отливок и устройство для его осуществления | |
CN104014752B (zh) | 一种立式直接水冷半连续多根铸锭铸造系统 | |
CN1275724C (zh) | 多功能冷坩埚电磁精确成形与定向凝固装置 | |
US6446701B1 (en) | Apparatus for unidirectional solidification of compounds | |
US3625275A (en) | Apparatus and method for single-crystal casting | |
CN1853827A (zh) | 一种新型定向凝固铸造方法 | |
JP2003311390A (ja) | 鋳造物の製造装置 | |
US4561930A (en) | Process for the production of coarsely crystalline silicon | |
RU2123909C1 (ru) | Способ получения отливок направленной кристаллизацией и устройство для его осуществления | |
RU2211746C1 (ru) | Способ получения отливок с направленной и монокристальной структурой и устройство для его осуществления | |
RU2001129675A (ru) | Способ литья направленной кристаллизацией отливок и устройство для его осуществления |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20031106 |
|
NF4A | Reinstatement of patent | ||
HE4A | Notice of change of address of a patent owner | ||
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20171106 |