RU2317874C1 - Способ получения отливок направленной кристаллизацией - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области литейного производства. Литейную форму нагревают в печи до температуры, превышающей температуру ликвидуса сплава отливок. Расплав из плавильного тигля заливают в по меньшей мере одну промежуточную полость. Объем промежуточной полости составляет не менее объема отливки. Из промежуточной полости производят непрерывное заполнение полости, оформляющей отливку, через по меньшей мере один капилляр. Литейную форму с расплавом перемещают из печи в зону охлаждения. Заполнение полости, оформляющей отливку, производят с возможностью обеспечения уровня расплава над фронтом кристаллизации в пределах не менее толщины отливки. Достигается повышение выхода годного, получение отливок с регламентированной кристаллической структурой, снижение силового воздействия расплава на стенки керамической формы, формирование ламинарного потока расплава при заполнении полости литейной формы. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано при литье крупногабаритных деталей газотурбинных установок различного назначения, в том числе турбинных лопаток с направленной и монокристаллической структурой.

Известен способ получения отливок с направленной структурой, включающий заполнение расплавом керамической формы, нагретой выше температуры плавления металла, порциями по мере его кристаллизации с заливкой каждой новой порции расплава после перемещения фронта кристаллизации на расстояние, равное 0,5-0,55 высоты столба расплава предыдущей порции (патент РФ №2021878, МПК В22D 27/04, 1994 г.) - аналог.

Недостатком данного решения является появление нежелательных циклических гидродинамических воздействий на керамическую форму и термических воздействий на фронт кристаллизующегося расплава, что мешает получению отливок, особенно крупногабаритных, с заданной кристаллической структурой.

Известен способ получения отливок направленной кристаллизацией, включающий расплавление сплава и заливку расплава из плавильного тигля в нагретую керамическую форму, которая имеет чашу с отверстиями в донной части. Расплав через отверстия тонкими струями или каплями попадает в полость формы. После заполнения формы на 2-9% ее объема начинают процесс направленной кристаллизации, для чего форму перемещают из зоны нагрева в зону охлаждения (патент РФ №2123909, МПК6 В22D 27/04, 1998 г.) - прототип.

Недостатком данного решения является то, что при реализации данного способа происходит увеличение столба жидкого расплава, что ускоряет истечение расплава в полость формы, поддерживая высокую скорость ввода расплава на поверхность фронта кристаллизации, усугубляя гидродинамическое воздействие расплава на стенки керамической формы и растущие дендриты кристаллов, причем капельное заполнение формы расплавом создает пульсирующее воздействие на расплав и приводит к неламинарному воздействию капель на расплав и рост кристаллов, что снижает выход годного при литье и препятствует устойчивому формированию регламентированной структуры по высоте отливки.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является повышение выхода годного при литье с направленной кристаллизацией и получение отливок с регламентированной кристаллической структурой при одновременном снижении силового воздействия расплава на стенки керамической формы и формировании ламинарного потока расплава при заполнении полости литейной формы в процессе направленной кристаллизации.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения отливок направленной кристаллизацией литейную форму нагревают в печи подогрева и заливают в нее расплав из плавильного тигля и перемещают литейную форму с расплавом из печи подогрева в зону охлаждения, причем нагрев литейной формы осуществляют до температуры, превышающей температуру ликвидуса сплава отливок, расплав сливают из плавильного тигля в по меньшей мере одну промежуточную полость с объемом не менее объема отливки, а подачу расплава из промежуточной полости в полость, оформляющую отливку, производят непрерывно по меньшей мере через один капилляр с возможностью обеспечения уровня расплава над фронтом кристаллизации (ΔH₁) в пределах не менее толщины отливки S.

В случае если уровень расплава над фронтом кристаллизации менее толщины отливки, уменьшается выход годного при литье с направленной кристаллизацией из-за повышения пористости отливки и, следовательно, уменьшения ее прочности и пластичности.

В способе получения отливок могут выполнять литейную форму над полостью, оформляющей отливку.

Для оптимизации процесса литья в способе получения отливок суммарную величину диаметров капилляров ΣD_k могут выбирать из условия

где

G_отл - вес отливки, кг;

ρ_отл - плотность металла отливки, кг/м³;

V_выт - скорость перемещения залитой расплавом формы из печи подогрева в охлаждающую полость, м/с;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

Н_отл - высота отливки, м;

Н_пол - высота промежуточной полости, м;

Н_пот - потери на входе в каждый капилляр за счет сил поверхностного натяжения расплава, м;

Н_пот - расчетная величина известная из уровня техники, определяемая известными методами (Вейник А.И. Затвердевание отливки. - М.: Машгиз, 1960 г.).

V_выт - скорость перемещения залитой расплавом формы из печи подогрева в охлаждающую полость определяется V_{кристаллизации} процесса, которая, как правило, составляет от 3 до 10 мм/мин, что известно из уровня техники (Гуляев Б.В. Литейные процессы. - М.: Машгиз, 1960 г.; Каблов Е.Н. Литые лопатки ГТД. Сплавы, технологии, покрытия. - М.: МИСиС, 2001 г.).

Для обеспечения максимального объема заполнения расплавом полости отливки в способе получения отливок промежуточные полости могут располагать друг под другом, причем объем каждой из них не менее объема отливки и они могут быть соединены друг с другом капиллярами.

Для обеспечения минимального возмущения расплава, находящегося в полости отливки над фронтом кристаллизации, в способе получения отливок слив расплава в полость, оформляющую отливку, могут осуществлять по стенке полости.

Для обеспечения минимального уровня потерь напора от сил поверхностного натяжения расплава при вхождении в капилляр, в способе получения отливок внутренний канал капилляра могут покрывать слоем материала на основе углеводородов. При нагреве формы материал из углеводородов разлагается, оставляя на поверхности детали с капилляром тонкий слой пироуглерода, служащего раскислителем поверхностного слоя расплава при вхождении в капилляр. Для решения этой же задачи поверхность входного отверстия капилляра может быть выполнена по радиусу не менее половины диаметра капилляра.

В способе получения отливок капилляр может быть образован керамической вставкой, которая, например, устанавливается при сборке модельного блока между моделью, оформляющей отливку, и моделью, оформляющей промежуточную полость.

Описание изобретения поясняется фиг.1-4.

На фиг.1 представлено реализующее заявляемый способ устройство, содержащее одну промежуточную полость, одну полость, оформляющую отливку, и соединяющую их керамическую вставку, образующую капилляр.

На фиг.2 - вид А на фиг.1.

На фиг.3 представлено реализующее заявляемый способ устройство с одной полостью, оформляющей отливку, промежуточной полостью, расположенной над полостью оформляющей отливку, и одним капилляром.

На фиг.4 представлено реализующее заявляемый способ устройство с одной полостью, оформляющей отливку, двумя кольцевыми промежуточными полостями и несколькими капиллярами.

Заявляемый способ может быть реализован устройствами, содержащими оформляющую отливку полость 1, расположенные над ней промежуточные полости 2 и 3, соединенные с полостью 1 при помощи капилляров 4, 5, и 6, образованных, например, в керамической вставке 7. Устройство содержит заливочную воронку 8, через которую из плавильного тигля 9 осуществляют заполнение оформляющей отливку полости 1 литейной формы 10. На фиг.1 показаны фронт кристаллизации ΔН, уровень расплава Н и S - толщина отливки.

Заявляемый способ может быть реализован с достижением заявленного технического результата и при использовании устройств, в которых промежуточная полость может находиться и не над полостью, оформляющей отливку, а, например, по верхней границе на одном с ней уровне, но она должна быть соединена с ней капилляром или капиллярами и должны выполняться существенные признаки формулы изобретения, касающиеся объема промежуточной полости и условия обеспечения уровня расплава над фронтом кристаллизации ΔH₁.

Заявляемый способ реализован, например, при изготовлении отливки «створка» регулируемого узла тяги с габаритами: высота 500 мм, ширина 80 мм, толщина 1,5 мм из сплава ВЖЛ-12У. Температура нагрева формы составляла 1400°С, а температура заливки металла - 1450°С, вес отливки - 2 кг. Для изготовления отливки использовали две промежуточные полости, соединенные между собой и с полостью, оформляющей отливку керамическими трубками с капиллярами диаметром 1,3 мм каждый.

Применение заявляемого способа позволит изготавливать отливки высотой до 1000 мм при использовании применяемых в условиях серийного производства керамических оболочковых форм на основе электрокорунда и связующего этилсиликата-40.

Claims (7)

1. Способ получения отливок направленной кристаллизацией, включающий нагрев литейной формы до температуры, превышающей температуру ликвидуса сплава отливок, слив сплава из тигля в по меньшей мере одну промежуточную полость, имеющую объем не менее объема отливки, заполнение полости, оформляющей отливку, расплавом из промежуточной полости через капилляр, перемещение литейной формы с расплавом в зону охлаждения, отличающийся тем, что заполнение полости, оформляющей отливку, расплавом через капилляр осуществляют с возможностью обеспечения уровня расплава над фронтом кристаллизации в пределах не менее толщины отливки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что промежуточную полость выполняют в литейной форме над полостью, оформляющей отливку.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что суммарная величина диаметров капилляров выбирается из условия

где G_отл - вес отливки кг;

ρ_отл - плотность металла отливки, кг/м³;

V_выт - скорость перемещения залитой расплавом формы из печи подогрева в охлаждающую полость, м/с;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

Н_отл - высота отливки, м;

Н_пол - высота промежуточной полости, м;

Н_пот - потери на входе в капилляр за счет сил поверхностного натяжения расплава, м;

ΣD_k - суммарная величина диаметров капилляров, м.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что промежуточные полости выполняют друг над другом и соединяют их капиллярами, причем объем каждой промежуточной полости не менее объема отливки.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что заполнение расплавом полости, оформляющей отливку, осуществляют путем слива расплава по стенке полости.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что канал капилляра покрывают слоем материала на основе углеводородов.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что капилляр образуют керамической вставкой.

Images