RU2285580C2 - Устройство для получения отливок методом направленной кристаллизации - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при получении отливок с монокристаллической и однонаправленной столбчатой структурой из жаропрочных сплавов. Устройство содержит керамическую оболочку, полученную послойным нанесением керамической суспензии на модель, формирующую полость отливки, расположенные под ней стартовую и затравочную полости. Конфигурация стартовой полости по сечению соответствует конфигурации полости отливки в месте примыкания к ней, образующая стартовой полости совпадает по направлению с осью отливки, относительно которой задана направленность структуры материала, а затравочная полость выполнена с сечением в виде параллелограмма. Стартовая полость выполнена с размерами, на 5-40% превышающими размеры поперечного сечения основания отливки. Примыкающая к стартовой полости затравочная полость имеет сечение с размерами, на 5-40% превышающими размеры поперечного сечения стартовой полости. Использование изобретения обеспечивает увеличение выхода годных монокристальных и тонкостолбчатых отливок по структуре. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при получении отливок со столбчатой и монокристаллической структурой из жаропрочных сплавов, в частности отливок турбинных лопаток, створок, дисков, диффузоров и других деталей двигателей и газотурбинных установок.

Известно устройство для получения отливок с монокристаллической структурой, содержащее керамическую оболочку со стартовой полостью, полостью кристаллоотборника в виде спирального литникового хода - геликоида, служащего для отбора одного кристалла из множества столбчатых зерен и полости для формирования отливки (патенты США №3519083, 4133368).

Однако применение такого устройства - оболочковой литейной формы без дна, требует заливки расплава непосредственно на водоохлаждаемый холодильник, что создает значительные трудности при креплении формы на холодильнике.

Известно также устройство для получения монокристальных отливок, которое содержит керамическую оболочку, формируемую послойным нанесением керамической суспензии на модель, в которой выполнена затравочная полость, расположенная в полости вставки - кристаллоотборника, полость со вставкой - кристаллоотборником и полость, образующая отливку (патент РФ №2080209).

Недостатком указанного устройства является трудность создания плотного соединения между торцом вставки - кристаллоотборника и верхом полости, где эта вставка размещается. В процессе направленной кристаллизации в этом зазоре могут образоваться посторонние кристаллы, прорастающие в полость отливки, в результате чего последняя бракуется.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для получения отливок методом направленной кристаллизации, содержащее керамическую оболочку, полученную послойным нанесением керамической суспензии на модель, формирующую полость отливки, расположенную под ней стартовую полость конической формы, подводящую структуру к основанию отливки и затравочную полость с размещенной в ней затравкой (патент США №4714101).

Недостатком этого устройства является трудность получения в нем совершенных монокристаллов и отливок с тонкостолбчатой морфологией однонаправленных зерен, связанная с тем, что стартовая полость конической формы не позволяет получать отливки с заданным числом столбчатых зерен, количество которых лимитируется, так же как и отклонение их границ от вертикальной оси изделия. Кроме того, при нагреве формы под заливку на затравке образуется налет, препятствующий передаче структуры к отливке.

Технической задачей данного изобретения является получение отливок с однонаправленной тонкостолбчатой структурой от затравки и увеличение выхода годных монокристальных и тонкостолбчатых отливок по структуре.

Для выполнения поставленной задачи предложено устройство для получения отливок методом направленной кристаллизации, содержащее керамическую оболочку, полученную послойным нанесением керамической суспензии на модель, формирующую полость отливки, расположенную под ней стартовую полость, подводящую структуру к основанию отливки и затравочную полость с размещенной в ней затравкой, при этом конфигурация стартовой полости по сечению соответствует конфигурации полости отливки в месте примыкания к ней, примыкающая к стартовой полости затравочная полость имеет сечение с размерами, на 5-40% превышающими размеры поперечного сечения стартовой полости, образующая стартовой и затравочной полости совпадает по направлению с осью отливки, относительно которой задается направленность структуры материала.

Стартовая полость выполнена с размерами, на 5-40% превышающими размеры поперечного сечения основания отливки.

Для крупногабаритных отливок с целью предотвращения образования налета на затравке и повышения надежности передачи структуры от затравки к отливке используют пористый керамический фильтр в виде пластины размером, равным поперечному сечению затравки, который размещают в верхней части затравочной полости. Если при изготовлении модели литейного блока пористый керамический фильтр размещается заранее в модели затравочной полости, то его размер поперечного сечения на 5-10% превышает размер поперечного сечения затравочной полости.

Затравочная полость и соответственно затравка выполняются с поперечным сечением в виде параллелограмма, как наиболее близкой и простой геометрической фигуры к сечению отливки.

На чертеже показан общий вид устройства для получения отливок методом направленной кристаллизации на примере отливки турбинной лопатки, как наиболее сложной для получения заданной структуры, где:

1 - полость формирующая отливку;

2 -стартовая полость;

3 - затравочная полость;

4 - керамический фильтр;

5 - затравка;

сечение А-А в полости формирующей отливку; сечение Б-Б в стартовой полости и сечение В-В в затравочной полости.

В устройстве под полостью 1, которая образует собственно отливку, например турбинную лопатку, располагается стартовая полость 2, с конфигурацией соответствующей конфигурации полости отливки, к которой подводится структура затравки 5, размещенной в затравочной полости 3, причем образующая стартовой и затравочной полости (L) совпадает по направлению с осью отливки (Z).

Поскольку местом зарождения посторонних кристаллов является граница раздела расплав - керамика формы, то для предотвращения прорастания посторонних кристаллов в отливку, то есть для увеличения выхода годных отливок по структуре, необходимо стартовую полость 2 (Б-Б) выполнить с конфигурацией соответствующей конфигурации полости отливки 1 (А-А), примыкающую к стартовой полости затравочную полость 3 (В-В) выполнить с сечением определенных размеров, превышающим на 5-40% размеры поперечного сечения стартовой полости 2 (Б-Б), причем образующая стартовой и затравочной полости совпадает по направлению с осью отливки, относительно которой задается направленность структуры материала. В результате образуется диафрагма, препятствующая прорастанию посторонних кристаллов от затравки 5 к отливке 1.

Затравочная полость 3 и затравка 5 имеют в сечении вид параллелограмма (В-В). Форма параллелограмма в сечении затравок проста в изготовлении заготовок затравок методом направленной кристаллизации. Это наиболее близкая и простая геометрическая фигура к сечению отливки, позволяет получать отливки со столбчатой структурой зерен от затравки, максимально используя всю поверхность затравки, не прибегая к использованию литейных форм с заливкой металла непосредственно на холодильник.

Для получения тонкостолбчатой структуры необходимо, чтобы стартовая полость 2 выполнялась с размерами поперечного сечения (Б-Б), превышающими размеры поперечного сечения основания отливки (А-А) предпочтительно на 5-40%.

Над затравкой 5 располагается фильтр 4 в виде пластины, изготовленной из пористой керамики. Пористая керамика препятствует образованию оксидных налетов на рабочем торце затравки, но не препятствует прорастанию столбчатой и монокристаллической структуры в отливку.

На модель, собранную согласно чертежу (позиции 1, 2, 3), послойно наносят керамическую суспензию, формируя керамическую оболочку. Затравка, имеющая заданную монокристаллическую или столбчатую структуру, устанавливается в затравочную полость готовой керамической формы и фиксируется в ней керамической суспензией со связующим. При необходимости пористый керамичекий фильтр в виде пластины устанавливается в форму вместе с затравкой или запрессовывается в модель затравочной полости при изготовлении модели литейного блока. В последнем случае размеры поперечного сечения пластины на 5-10% превышают размеры поперечного сечения затравочной полости, формируя знаки, при помощи которых керамический фильтр крепится в литейной форме.

Собранная керамическая форма помещается в вакуумную установку для направленной кристаллизации. По достижении нужного температурного режима форма заливается расплавленным жаропрочным сплавом и кристаллизуется методом направленной кристаллизации.

Данное устройство позволяет практически полностью исключить прорастание посторонних кристаллов в отливку, в результате чего повышается выход годного литья со столбчатой и монокристаллической структурой. Данное устройство может быть использовано для получения отливок любых деталей методом направленной кристаллизации, как например створок, дисков, диффузоров и других деталей двигателей и газотурбинных установок.

Примеры осуществления.

Изобретение проверялось при отливке турбинных лопаток длиной 100 мм и шириной пера 25 мм из сплава ЖС36 и ЖС26УМ. Получение отливок проводилось на установке направленной кристаллизации УВНК-8П блоками по шесть штук.

Режим плавок:

температура нижнего нагревателя	1600-1610°С
температура верхнего нагревателя	1550-1570°С
температура заливки сплава	1550-1560°С
скорость вытягивания формы	4-5 мм/мин.

Формы готовили методом послойного нанесения электрокорунда на собранную модель

Заданную структуру лопатки обеспечивали с помощью затравок из сплава системы никель-вольфрам-углерод.

Полученные отливки травили в смеси плавиковой и азотной кислот для выявления макроструктуры. Кристаллографическую ориентацию определяли рентгеноструктурным методом.

Пример 1.

По предложенной схеме (чертеж) были собраны модели в которых:

стартовая полость выполнена с размерами (длинах ширинах высота) 30 × 10 × 15 мм (на 20% больше размера сечения основания отливки), затравочная полость с размерами 36 × 12 × 15 мм (на 20% больше размера поперечного сечения стартовой полости). Образующая стартовой и затравочной полости совпадает по направлению с осью отливки. После изготовления керамической формы по существующей технологии в готовую форму устанавливалась затравка в виде пластины размером 34 × 10 × 8 мм. Затравка имела однонаправленную тонкостолбчатую структуру. Керамический фильтр не проставлялся.

Формы заливались по стандартному режиму.

Как показал визуальный и рентгеновский контроль полученных отливок, все они имели требуемую однонаправленную структуру (отклонение границ от вертикали в лопатках с однонаправленной структурой не более 10°). Выход годного составил 95%.

Пример 2.

По предложенной схеме (чертеж) были собраны модели в которых:

стартовая полость выполнена с размерами (длинах ширинах высота) 27 × 10 × 15 мм (на 5% больше размера сечения основания отливки), затравочная полость с размерами 30 × 12 × 15 мм (на 5% больше размера поперечного сечения стартовой полости), пористый керамический фильтр в виде пластины с размерами 32 × 14 × 3 мм (на 5% больше размера затравочной полости) запрессовывался в модель затравочной полости. Образующая стартовой и затравочной полости совпадает по направлению с осью отливки. После изготовления керамической формы по существующей технологии в готовую форму устанавливалась затравка кристаллографической ориентации [001] в виде пластины размером 25 × 10 × 8 мм. Формы заливались по стандартному режиму.

Как показал визуальный и рентгеновский контроль полученных отливок, все они имели требуемую монокристаллическую структуру [001] с допустимым отклонением для монокристальных лопаток 5-7°. Выход годного по структуре составил 95%.

Пример 3.

По предложенной схеме (чертеж) были собраны модели в которых: стартовая полость выполнена с размерами (длинах ширинах высота) 35 × 10 × 15 мм (на 40% больше размера сечения основания отливки), затравочная полость с размерами 45 × 12 × 15 мм (на 40% больше размера поперечного сечения стартовой полости). Образующая стартовой и затравочной полости совпадает по направлению с осью отливки.

Керамический фильтр в виде пластины с размерами 45 × 12 × 3 мм устанавливался в готовую керамическую форму вместе с затравкой. Затравка в виде пластины размером 40 × 10 × 8 мм имела однонаправленную тонкостолбчатую структуру.

Как показал визуальный и рентгеновский контроль полученных отливок, все они имели требуемую однонаправленную структуру (отклонение границ от вертикали в лопатках с однонаправленной структурой не более 10°). Выход годного по структуре составил 97%.

Пример 4 - по прототипу.

По схеме устройства предложенной в патенте-прототипе была собрана форма для отливки турбинных лопаток с использованием затравок с кристаллографической ориентацией [001]. Форма изготавливалась по стандартной технологии и заливалась сплавом ЖС36. Как показал визуальный и рентгеновский контроль полученных отливок выход годного по структуре составил 70%. Получение лопаток с однонаправленной тонкостолбчатой структурой на устройстве-прототипе не представляется возможным (брак 100%).

Опробование данного изобретения в промышленных условиях при литье турбинных лопаток авиационных газотурбинных двигателей и стационарных установок показало, что оно обеспечивает повышение выхода годных отливок по структуре до 90-95%, что повышает ресурс и надежность работы газотурбинных двигателей и установок.

Claims (5)

1. Устройство для получения отливок методом направленной кристаллизации, содержащее керамическую оболочку, полученную послойным нанесением керамической суспензии на модель, формирующую полость отливки, расположенную под ней стартовую полость, подводящую структуру к основанию отливки, и затравочную полость с размещенной в ней затравкой, отличающееся тем, что конфигурация стартовой полости по сечению соответствует конфигурации полости отливки в месте примыкания к ней, затравочная полость примыкает к стартовой полости и имеет сечение с размерами, на 5-40% превышающими размеры поперечного сечения стартовой полости, образующая стартовой полости совпадает по направлению с осью отливки, относительно которой задана направленность структуры материала.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что стартовая полость выполнена с размерами, на 5-40% превышающими размеры поперечного сечения основания отливки.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что затравочная полость выполнена с сечением в виде параллелограмма.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в верхней части затравочной полости размещен пористый керамический фильтр в виде пластины с размером, равным поперечному сечению затравки.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пористый керамический фильтр размещен в модели затравочной полости и имеет размеры поперечного сечения, на 5-10% превышающие размеры затравочной полости.