Способ получения отливок направленной кристаллизацией и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при литье крупногабаритных лопаток газотурбинных установок различного назначения. Способ включает расплавление и заливку жаропрочного сплава из плавильного тигля в нагретую керамическую форму. Форма имеет заливочную чащу 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 этого форму опускают из зоны нагрева в зону охлаждения. Капельная или струйная подача расплава устраняет перемешивание расплава перед фронтом кристаллизации и обеспечивает получение качественной структуры. Исключается также разрушение керамической формы. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при литье крупногабаритных лопаток и других деталей газотурбинных установок с направленно-кристаллизованной и монокристаллической структурой.

Известен способ получения отливок направленной кристаллизацией, включающий нагрев керамической литейной формы, заполнение формы установленной на водоохлаждаемой плите расплавом и перемещение ее из зоны нагрева в зону охлаждения (патент США N 3680028, N 4763716 кл. НКИ 164-122.1, МПК B 22 D 27/04).

С целью повышения температурного градиента и ускорения процесса направленной кристаллизации охлаждение литейной формы может также осуществляться путем погружения ее в ванну с жидкометаллическим охладителем, например оловом или алюминием (патент США N 3763926, НКИ 164-338, МПК B 22 D 27/04, патент ФРГ 4321640, МПК B 22 D 27/04).

Известные устройства для литья лопаток ГТД методом направленной кристаллизации, включают плавильный тигель для расплавления металла, печь подогрева керамической формы, керамическую форму и кристаллизатор в виде плиты-холодильника или емкости с жидкометаллическим охладителем (патент США N 3763926, НКИ 164-338, МПК B 22 D 27/04).

Получить крупногабаритные турбинные лопатки наземных энергетических машин известными способами литья достаточно сложно, так как по мере увеличения размера отливки увеличивается соответственно и размер литейной формы, что требует заливки значительного количества расплава. Так как литейную форму изготавливают из керамики, склонной к ударному растрескиванию, то при быстрой заливке значительного объема расплава происходит разрушение формы.

Кроме того, разница температур между предварительно нагретой формой и расплавом достаточно велика, и может вызвать разрушение литейной формы от теплового удара.

Наиболее близким по технической сущности и назначению к заявленному является способ получения крупногабаритных отливок с направленной и монокристаллической структурой и устройство для его осуществления, предложенные в патенте США N 5309976 (кл. НКИ 164/457, МПК B 22 D 25/00 от 10.05.94 г.) принятые за прототип.

Согласно способу, предложенному в прототипе, литейную керамическую форму нагревают до заданной температуры, и заливают в нее расплавленный и нагретый до температуры выше температуры ликвидус (T_L) жаропрочный сплав.

При этом заливку расплава осуществляют порционно - сначала заполняют 10-25% от объема формы, дальнейшее заполнение формы расплавом осуществляют одновременно с направленной кристаллизацией. Процесс направленной кристаллизации осуществляется за счет перемещения керамической формы, установленной на охлаждаемой плите из зоны нагрева в зону охлаждения.

Устройство для осуществления этого способа включает вакуумную камеру, в которой размещены печь для подогрева формы, керамическая форма, плавильный тигель, механизм перемещения формы и плита-холодильник (кристаллизатор). Плавильный индукционный тигель снабжен донным отверстием и подвижным в вертикальном направлении стержнем-стопором. Порционную заливку керамической формы расплавом осуществляют путем подъема и опускания стержня-стопора относительно отверстия в дне тигля.

Однако при литье крупногабаритных лопаток длиной более 250 мм использование этого способа не обеспечивает получение качественной направленной и монокристаллической структуры. Это связано с тем, что при первоначальном частичном заполнении формы следующая порция расплава падает со значительной высоты (чем больше размер лопатки, тем больше высота падения). В это время в нижней части отливки происходит процесс направленной кристаллизации, жаропрочный сплав частично затвердел, выше закристаллизованного сплава находится жидко-твердая зона, в которой происходит процесс направленной кристаллизации, где формируются оси дендритов в направлении роста. Высота жидко-твердой области зависит от величины температурного градиента и для крупногабаритных лопаток составляет десятки миллиметров. Выше жидко-твердой области расположен слой жидкого (еще не закристаллизовавшегося) расплава, на который и падают сверху из плавильного тигля следующие порции жаропрочного сплава. Падающий с большой высоты расплав и создает в жидкой области турбулентные потоки, это вызывает локальное подплавление осей дендритов или их поломку. При этом частицы осей дендритов могут стать центрами кристаллизации, вызвать зарождение новых зерен не ориентированных в направлении роста, или образовать "паразитные" зерна в монокристаллической структуре. Толщина слоя жидкого расплава перед фронтом кристаллизации не может быть большой, так как при этом растет механическое воздействие на форму, а также увеличивается время контакта расплава с формой.

Предлагаемая по прототипу конструкция, применяющая порционное заполнение расплавом керамической формы за счет использования плавильного тигля с донным сливом, не обеспечивает равномерную, капельную подачу расплава на поверхность жидкого слоя перед фронтом кристаллизации, так как заливка всего расплава осуществляется через одно отверстие. Кроме того, керамическое стопорное устройство непрочно, сложно в исполнении, так как необходимо точное совпадение по геометрическим размерам керамического стопора и отверстия в керамическом тигле, ненадежно в работе при порционной заливке вследствие попадания в зазор между отверстием и стопором окисных плен или частиц керамики.

Технической задачей предлагаемого изобретения является получение крупногабаритных (более 250 мм) отливок с качественной направленно-закристаллизованной и монокристаллической структурой, повышение прочности керамической формы и геометрии получаемых изделий.

Для достижения поставленной задачи предлагается способ получения крупногабаритных отливок направленной кристаллизацией и устройство для его осуществления.

Предлагаемый способ включает: нагрев керамической формы до заданной температуры, расплавление и нагрев жаропрочного сплава до температуры ликвидус в плавильном тигле, заливку расплава в керамическую форму и направленную кристаллизацию путем перемещения формы с заданной скоростью из зоны нагрева в зону охлаждения. Отличительной особенностью предлагаемого способа является то, что заливку расплава в керамическую форму осуществляют через заливочную чащу, имеющую на дне не менее двух отверстий или каналов, что обеспечивает капельную, регулирующую интенсивность подачи расплава на фронт кристаллизации, а процесс направленной кристаллизации начинают после заполнения расплавом 2-9% объема керамической формы.

Устройство для осуществления этого способа включает вакуумную камеру в которой размещены плавильный тигель для расплавления жаропрочного сплава и последующей заливки в керамическую форму, печь подогрева керамической формы, механизм перемещения керамической формы с залитым металлом из зоны нагрева в зону охлаждения, керамическая форма с заливочной чашей и кристаллизатор. Кристаллизатор может быть как жидкометаллический, так и в виде плиты-холодильника. Заливочная чаша керамической формы снабжена отверстиями (каналами), которые могут быть выполнены либо в ее донной части, либо в пластине, устанавливаемой в чаше перед заливкой. Отверстий должно быть не менее двух. Для обеспечения капельной заливки отверстия должны отстоять друг от друга, а для равномерного распределения потоков расплава расположение отверстий зависит от профиля изделия. Пластина, как правило, плотно установлена в донной части заливочной чаши, изготовлена из материала, инертного по отношению к расплаву жаропрочного сплава, например, на основе керамики Al₂O₃, ZrO₂, BeO, также возможно использование вспененной крупноячеистой керамики. Для получения монокристаллической структуры в керамической форме предусмотрено место для установки затравки.

Предлагаемые способ и устройство позволяет получать крупногабаритные лопатки с качественной структурой, обеспечивая при этом заданные геометрические размеры отливки, исключая разрушение керамической формы, уменьшая взаимодействие расплава жаропрочного сплава с керамической формой.

Наличие отверстий (каналов) в заливочной чаше позволяет расплаву в виде множества тонких струй или капельно поступать в керамическую форму на слой жидкого расплава, расположенный перед фронтом кристаллизации, перемещающимся в направлении направленной кристаллизации в полости керамической формы. Капельная подача расплава или подача расплава в виде множества струй позволяет избежать возникновения активного перемешивания в жидком слое расплава перед фронтом кристаллизации, устраняет локальное подплавление или поломку кристаллизующихся осей дендритов, что соответственно обеспечивает получение качественной направленной и монокристаллической структуры. То, что процесс направленной кристаллизации начинают после заполнения расплавом 2-9% объема формы полностью исключает разрушение керамических форм вследствие механического удара расплава при его заливке в керамическую форму, а также нарушение геометрических размеров керамической формы. Пропускная способность отверстий в дне заливочной чаши или на пластине определяется объемом получаемой детали, а также условиями направленной кристаллизации, которые в свою очередь определяют структуру и комплекс свойств жаропрочного сплава. При больших скоростях кристаллизации необходима более интенсивная подача расплава на фронт кристаллизации, чем при малых скоростях кристаллизации. Также вследствие того, что деталь типа лопатка ГТД имеет сложную геометрию, тонкое сечение пера, более толстый замок, развитые полки и в зависимости от технологии может быть расположена толстым сечением вверх или вниз относительно пространства печи, необходима дополнительная регулировка интенсивности подачи расплава на фронт кристаллизации, которая осуществляется или за счет повышения уровня жаропрочного сплава в чаше формы перед пластиной или путем изменения температуры расплава в чаше формы.

Описание изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1а схематически представлено устройство для направленной кристаллизации, в котором 1 - плавильный индукционный тигель, 2 - керамическая форма, 3 - заливочная чаша керамической формы, 4 - отверстия (каналы) в дне чаши формы, 5 - печь подогрева форм, 6 - механизм перемещения керамической формы, 7 - вакуумная камера печи, 8 - полость керамической формы, формирующая отливку, 9 - ванна с жидкометаллическим охладителем.

На фиг. 1б представлена заливочная чаша 3 с проставленной в ней пластиной 10 с вертикально расположенными отверстиями (каналами).

На фиг. 1в изображена часть полости керамической формы с затравкой 11 в случае получения монокристаллической структуры.

На фиг. 2 показано сечение части керамической формы 2 с пластиной 11, имеющей каналы 12, а также участок формы с фронтом кристаллизации.

На фиг. 3 показан вид сверху керамической формы 2 и пластины 11 в сечении по линии 1-1.

Для направленной кристаллизации были использованы керамические формы отливок детали типа лопаток ГТД длиной 260-300 мм. Использовался жаропрочный никелевый сплав типа ЖС-6У с температурой плавления 1280-1360^oC. Процесс направленной кристаллизации осуществлялся в специализированной печи с охлаждением в жидкометаллическом охладителе.

Жаропрочный сплав предварительно загружался в плавильный индукционный тигель 1, керамическая форма 2 длиной 300 мм с двумя отверстиями в дне заливочной чаши 3 формы помещалась в печи подогрева 5 формы и закреплялась на подвижном штоке механизма перемещения 6. Камера печи 7 вакуумировалась, включался нагрев печи подогрева форм, при рабочей температуре на форме 1580-1600^oC жаропрочный сплав плавился в плавильном индукционном тигле 1, и необходимыми порциями путем наклона тигля сливался в заливочную чашу 3 керамической формы 2. Далее расплав через отверстия в дне заливочной чаши тонкими струями или капельно попадал в полость керамической формы формирующую деталь типа лопатка ГТД 8, после заполнения на 9% ее объем включался механизм перемещения формы 6. Керамическая форма с заданной скоростью (R = 5 мм/мин) погружалась в ванну с жидкометаллическим охладителем 9, за счет чего осуществлялся процесс направленной кристаллизации.

В результате была получена деталь типа лопатки ГТД длиной 300 мм с качественной направленной структурой без разрушения керамической формы, нарушения геометрии отливки, и отсутствия следов физико-химического взаимодействия расплава жаропрочного сплава с поверхностью формы.

На фиг. 4 приведено фото фрагмента детали типа лопатки ГТД с полученной направленной структурой. Хорошо видно, что границы зерен ориентированы вдоль направления роста (и соответственно оси детали), не выходят на боковые кромки детали, это свидетельствует о хорошем качестве направленной структуры.

По аналогичной технологической схеме была проведена отливка детали типа лопатки ГТД длиной 260 мм с монокристаллической структурой, для чего использовалась специальная затравка 11 установленная на дне формы 2. При этом на дне заливочной чаши 3 была установлена керамическая пластина 10 изготовленная из материала на основе Al₂O₃ с каналами в количестве более 20 штук. При этом их расположение в пластине максимально соответствовало профилю сечения замка лопатки ГТД, а также каналы отстоят друг от друга (см. фиг. 2.3).

Жаропрочный сплав заливался из плавильного тигля 1 в заливочную чашу 3 керамической формы 2, а затем через пластину с каналами попадал в полость керамической формы формирующую геометрию отливки 8. Кристаллизация начиналась после заполнения формы на 2% от ее объема, что достаточно для передачи ориентации и начала формирования монокристаллической структуры.

В результате была получена отливка типа лопатка ГТД длиной 260 мм с монокристаллической структурой, без разрушения керамической формы, нарушений геометрии детали, отсутствия взаимодействия расплава с поверхностью формы.

На фиг. 5 приведено фото фрагмента детали типа лопатки ГТД с монокристаллической структурой.

Отливка детали типа лопатки ГТД длиной 300 мм, по прототипу, когда форма 2 подвешена в печи подогрева, а для направленной кристаллизации используется жидкометаллический охладитель показала, что при заливке непосредственно (через одно отверстие) в полость керамической формы, формирующую геометрию отливки, жаропрочного сплава более 10% от объема формы, происходит разрушение более половины используемых керамических форм, что связано с механическим ударом расплава по стенам и дну керамической формы.

На фиг. 6 приведена фотография фрагмента детали типа лопатки ГТД длиной 300 мм, полученная по технологии-прототипа. Видно, что зародившиеся после заливки оставшегося расплава зерна ориентированы под большими углами к направлению роста, границы зерен выходят на кромку детали, это свидетельствует о невысоком качестве направленной структуры.

Таким образом, применение предлагаемого способа и устройства для его осуществления позволит получать крупногабаритные лопатки ГТУ с качественной направленно-закристаллизованной и монокристаллической структурой и требуемых геометрических размеров, повысить выход годного. Все это позволяет решить проблему создания крупногабаритных труб энергетических установок большой мощности.

Формула изобретения

1. Способ получения отливок направленной кристаллизацией, включающий нагрев керамической формы до заданной температуры, расплавление и заливку жаропрочного сплава из плавильного тигля в керамическую форму и последующую направленную кристаллизацию путем опускания керамической формы с расплавом из зоны нагрева в зону охлаждения, отличающийся тем, что заливку жаропрочного сплава в керамическую форму осуществляют через заливочную чашу, имеющую в донной части не менее двух отверстий или каналов, обеспечивающих капельную, регулируемую интенсивность подачи расплава на фронт кристаллизации, а процесс направленной кристаллизации начинают после заполнения расплавом 2-9% объема керамической формы.

2. Устройство для получения отливок направленной кристаллизацией, содержащее вакуумную камеру, внутри которой размещены печь подогрева керамической формы, тигель для расплавления жаропрочного сплава, керамическая форма, механизм перемещения формы из зоны нагрева в зону охлаждения, кристаллизатор, отличающееся тем, что керамическая форма снабжена заливочной чашей с отверстиями или каналами в ее донной части.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что отверстия или каналы выполнены в пластине, установленной в донной части заливочной чаши.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что пластина выполнена из материала, инертного к расплаву жаропрочного сплава.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что заливочная чаша содержит не менее двух отверстий или каналов, расположенных на расстоянии друг от друга в соответствии с сечением профиля отливки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6