Устройство для получения отливок с направленной и монокристаллической структурой

 

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано при литье крупногабаритных лопаток с направленной и монокристаллической структурой, имеющих развитые бандажные и замковые полки. Устройство содержит вакуумную камеру, в которой имеется печь подогрева форм с керамической формой, кристаллизатор и экран цилиндрического типа, расположенный вокруг отливки, соосно ее вертикальной оси и закрепленный на верхней части формы или подвеске. Экран может быть выполнен целым или в виде ряда элементов, выступающими фланцами, телескопически входящими друг в друга. Для изготовления экрана используют графитизированную фольгу или композиционный материал на основе углерод-углерод. Уменьшается роль радиальной составляющей термического градиента при направленной кристаллизации лопаток с сильноразвитыми бандажными полками, повышается степень структурного совершенства отливок, устраняется пористость в районе перехода полки в перо лопатки. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано при литье крупногабаритных лопаток с направленной и монокристаллической структурой, имеющих развитые бандажные и замковые полки.

Известны устройства, применяемые при литье лопаток методом направленной кристаллизации, которые содержат зону нагрева и зону охлаждения, разделенные горизонтальным экраном, причем, если зона охлаждения представляет собой плиту-холодильник, то используется, как правило, жесткий экран (патенты США N 3680028, 4763716, Великобритании N 1285319, 1562368, ЕР N 0589508, ФРГ N 21022389). В случае жидкометаллического охлаждения кроме жесткого могут использовать экраны, плавающие на поверхности охладителя (патентные ФРГ N 4321640, заявка PCT N 096/05006 PCT, патент РФ N 1401715).

Горизонтальные экраны создают тепловой барьер между зоной нагрева и зоной охлаждения с целью повышения температурного градиента на фронте роста кристаллов. Однако для лопаток с сильно развитыми полками упомянутые конструкции экранов необходимо изготавливать под максимальный размер лопатки в горизонтальном направлении, что снижает роль экранирования, не обеспечивая требуемую структуру.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство по патенту Великобритании N 1303038, принятое нами за прототип.

Согласно прототипу устройство состоит из вакуумной камеры, внутри которой расположена печь подогрева форм. В печи размещен керамический блок из нескольких лопаток, установленный на плиту- холодильник, а между центральной частью блока и полостью отливки расположен замкнутый экран. Экран выполнен в виде кольцевой полости, изготавливаемой вместе с керамической формой и жестко связанной с ней и служащей для равномерного прогревания всех отливок в блоке по высоте и уменьшения взаимного их влияния друг на друга в процессе охлаждения.

Все перечисленные типы устройств, содержащие экраны, включая прототип, в процессе опускания формы из зоны нагрева в зону охлаждения не снижают радиальную составляющую термического градиента, не приспособлены к отливкам, имеющим развитые горизонтальные полки, что вызывает дефекты структуры и повышенную пористость в районе перехода полки в перо лопатки. Технической задачей настоящего изобретения является повышение структурного совершенства отливки за счет сжижения радиальной составляющей термического градиента без изменения величины осевого градиента температур в процессе кристаллизации отливки и повышение выхода годного по структуре.

Для решения технической задачи предлагается устройство, содержащее вакуумную камеру, внутри которой расположена печь подогрева форм с размещенными в ней керамической формой и вертикальным экраном, и кристаллизатор. При этом, вертикальный экран выполнен отдельно от керамической формы и установлен концентрично вертикальной оси отливки, нижний торец его открыт в сторону кристаллизатора. Экран может быть выполнен целым из тонкой графитированной фольги с графитовыми обечайками на торцах или в виде ряда элементов, выступающими фланцами телескопически входящими друг в друга. Количество и высота этих элементов определяется конструктивно и зависит от размеров лопатки. Экран закрепляют на верхней части формы или на подвеске.

Для изготовления экрана используют теплоизоляционный материал, например графитированную фольгу, композиционный материал основе C-C(углерод-углерод) и др.

На фиг. 1а представлена схема устройства для литья лопаток с развитыми горизонтальными полками и вертикальный экран, открытый снизу: 1 - керамическая форма лопатки, 2 - вертикальный экран, 3 - подвеска для форм, 4 - печь подогрева формы, 5 - теплоизоляция, 6 - воронка для заливки расплава, 7 - жидкометаллический кристаллизатор; на фиг.1б представлен экран, выполненный в виде телескопически складывающихся элементов.

Работает устройство следующим образом: форма 1, окруженная экраном 2, открытым снизу, с помощью подвески 3 удерживается в печи подогрева 4, окруженной теплоизоляцией 5. После достижения заданной температуры в форму через воронку 6 заливают жаропрочный сплав. После этого форму с заданной скоростью погружают в жидкометаллический кристаллизатор 7. Если габариты лопатки невелики, экран может быть выполнен целым из тонкой графитированной фольги с графитовыми обечайками на торцах. При отливке крупногабаритных лопаток экран может быть выполнен из ряда элементов, например колец, телескопически вкладывающихся друг в друга в процессе направленной кристаллизации, что повышает эффективность его работы и удобство эксплуатации. Для получения лопаток с монокристаллической структурой в керамическую форму устанавливают затравку требуемой кристаллографической ориентации.

При направленной кристаллизации вертикальный экран в зазоре между печью подогрева и уровнем охладителя предотвращает потери тепла в радиальном направлении, одновременно не позволяет горизонтальным полкам получать дополнительный тепловой поток от нагревателя, не препятствуя влиянию охладителя. Это способствует строго однонаправленному осевому теплоотводу от кристаллизующейся отливки и позволяет также устранить пористость при переходе от полки к перу.

Фиг.2а иллюстрирует традиционную технологию получения лопаток с направленной и монокристаллической структурой. Охлаждение блока при этом эффективно только по периферии блока, а изнутри деталь может нагреваться сверху.

На фиг. 2б показано охлаждение блока лопаток по прототипу : конструкция экрана препятствует прогреву деталей изнутри блока, но не мешает перегреву в районе перехода от полки в перо, что приводит к дефектам лопатки по структуре.

На фиг.2в представлена схема охлаждения лопатки с сильно развитыми в горизонтальном направлении полками при направленной кристаллизации в жидкометаллический кристаллизатор с применением предлагаемого вертикального экрана. Экранирование продолжается в течение всего процесса погружения формы, сохраняя степень совершенства структуры на всю ее высоту, поскольку основной причиной появления малоугловых границ является наличие радиальной составляющей теплового потока при направленной кристаллизации отливок, которая в предложенном устройстве отсутствует.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет уменьшить роль радиальной составляющей термического градиента в процессе направленной кристаллизации лопаток с сильно развитыми бандажными полками, повысить степень структурного совершенства по высоте отливки, устранить пористость в районе перехода полки в перо и повысить тем самым выход годного по структуре на 10-20%.

Вертикальный экран может быть использован как в установках с жидкометаллическим кристаллизатором, так и с традиционным кристаллизатором в виде плиты-холодильника.

Формула изобретения

1. Устройство для получения отливок с направленной и монокристаллической структурой, включающее вакуумную камеру, внутри которой расположена печь подогрева форм с размещенной в ней керамической формой с вертикальным экраном типа тела вращения, и кристаллизатор, отличающееся тем, что вертикальный экран выполнен отдельно от керамической формы и установлен вокруг отливки соосно ее вертикальной оси, при этом нижний торец его открыт в сторону кристаллизатора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что экран выполнен в виде элементов, телескопически складывающихся в процессе направленной кристаллизации.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что экран выполнен из теплоизоляционного материала, например графитированной фольги или композиционного материала на основе углерод-углерод.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2