Способ изготовления направленной кристаллизацией детали с монокристаллической структурой и устройство для его осуществления

 

Изобретение может быть использовано при производстве литых деталей газотурбинных двигателей, например рабочих лопаток. Способ изготовления заключается в том, что керамическую форму устанавливают в камеру нагрева вакуумной печи, заливают в нее расплав и перемещают ее в камеру охлаждения. Охлаждают форму двумя потоками, содержащими смесь инертного газа и порошкообразных охладителей. В верхний поток вводят охладитель из материала, претерпевающего одно фазовое превращение - плавление, а в нижний поток - из материала, претерпевающего два фазовых превращения, плавление и испарение, или одно, - сублимацию. Керамическую форму выполняют со сквозной пористостью в наружных слоях. При плавлении охладителя верхнего потока он проникает в поры формы под действием капиллярных сил, увеличивая теплопроводность формы. Второй поток предназначен для отбора тепла с поверхности формы с высокой скоростью. Устройство содержит два приспособления для формирования охлаждающих потоков из смесей инертного газа и порошкообразных охладителей за пределами вакуумной печи. Для направления потоков на форму в камере охлаждения установлены одно под другим два приспособления. Изобретение обеспечивает получение крупногабаритных деталей со стабильной и качественной макро- и микроструктурой. 2 с. и 5 з. п. ф-лы, 2 ил., 5 табл.

Настоящее изобретение относится к литейному производству, а, более точно, касается способа изготовления направленной кристаллизацией детали с монокристаллической структурой и устройства для его осуществления.

Данное изобретение может быть использовано, в частности, при производстве литых деталей газотурбинных двигателей и газотурбинных установок, например рабочих лопаток.

Направленной кристаллизацией изготавливаются сейчас и могут изготавливаться в будущем литые детали ответственного назначения, эксплуатирующиеся при высоких температурах, статических и переменных механических и термических напряжениях. Примерами таких деталей являются рабочие и направляющие лопатки. В зависимости от условий реализации способа литые детали могут быть сформированы в виде монокристалла или могут быть образованы из сориентированных в одном направлении столбчатых кристаллов. Направленной кристаллизацией могут быть получены при различных условиях реализации способа литые детали со столбчатой структурой, монокристаллической структурой, комбинацией этих структур. Различия в условиях реализации метода направленной кристаллизации имеют следствием и разный уровень дефектности в материале деталей: объемной микропористости величиной от ~ 1,0 до ~0,01% и наличием или отсутствием зон с дефектами кристаллической решетки в виде цепочек и соосно ориентированных зон ("веснушки").

Качество структуры и уровень дефектности детали, полученной направленной кристаллизацией, зависит от температурного градиента на фронте кристаллизации и скорости кристаллизации. Высокие значения этих параметров, причем, в течение всего времени затвердевания детали обеспечивают высокое качество детали, то есть стабильность монокристаллической структуры во всей детали и минимальный уровень дефектности. При низких температурных градиентах и даже при высоких скоростях затвердевания получить монокристаллические и ориентированные столбчатые структуры в деталях невозможно. При высоких температурных градиентах на фронте кристаллизации и малых скоростях затвердевания детали с монокристаллическими и столбчатыми структурами имеют ту или иную степень дефектности, то есть детали имеют пониженную эксплуатационную надежность и долговечность.

Величины теплофизических параметров кристаллизации определяются, при прочих равных условиях, исключительно интенсивностью теплоотвода от стенок формы и, следовательно, от кристаллизующегося сплава. Чем выше эта интенсивность, тем выше значения параметров, определяющих качество детали.

Известны способ изготовления монокристаллической литой детали и устройство для его осуществления (US 3532155). Данный способ предназначен для изготовления рабочих и направляющих лопаток газовых турбин. Устройство для его осуществления имеет вакуумную печь, которая содержит две отделенные друг от друга водоохлаждаемой стенкой и расположенные друг над другом камеры, верхняя из которых является нагревательной и содержит поворотный плавильный тигель для плавки и разливки в формы сплава на основе никеля. Нижняя камера, соединенная с этой нагревательной камерой через окно в водоохлаждаемой стенке, выполнена охлаждаемой. Приводная штанга, введенная через дно камеры охлаждения и через окно в водоохлаждаемой стенке, имеет на верхней поверхности пластину охлаждения, которая выполняет функцию дна находящейся в нагревательной камере литейной формы.

Данный способ заключается в том, что сначала расплавленный в тигле сплав заливается в находящуюся в нагревательной камере нагретую литейную форму. При этом над образующей дно формы пластиной охлаждения вырастает узкая зона из сплава с ориентированными вдоль направления теплоотвода, то есть снизу вверх, кристаллами. При перемещении литейной формы вниз в камеру охлаждения фронт кристаллизации, разделяющий зону из жидкого расплава и затвердевшего сплава с ориентированными кристаллами, перемещается снизу вверх внутри литейной формы. В начале процесса кристаллизации имеет место высокая интенсивность теплоотвода, большой температурный градиент и высокая скорость затвердевания, так как залитый в форму материал сначала поступает непосредственно на пластину охлаждения, и тепло отводится от фронта кристаллизации к пластине охлаждения через сравнительно тонкий слой закристаллизовавшегося материала с коэффициентом. По мере роста расстояния между пластиной охлаждения и фронтом кристаллизации интенсивность теплоотвода через закристаллизовавшийся слой постоянно уменьшается, тепло во все большей мере отводится через стенки литейной формы, а также излучается поверхностью формы в более холодную окружающую среду. Согласно ньютоновскому закону теплопередачи тепло q, отведенное от литой детали, определяется следующим образом: q = α (T-Т₀), (2) где T - средняя температура литой детали, Т₀ - температура окружающей среды, которая определяется водоохлаждаемыми стенками камеры охлаждения, α - коэффициент теплоотдачи - мера интенсивности теплоотвода.

Максимальное значение коэффициента теплоотдачи α имеет величину около 80 Дж/м²·с·K, поэтому с помощью данного способа и устройства невозможно получать крупногабаритные высококачественные детали.

Известны способ изготовления направленной кристаллизацией детали с монокристаллической структурой при низком уровне микропористости и дефектов кристаллической решетки и устройство для его осуществления (ЕР 0749790, А1, 27.12.96).

Этот способ изготовления направленной кристаллизацией детали с монокристаллической структурой заключается в том, что в вакуумной камере нагрева на подъемном водоохлаждаемом столе устанавливают нагретую литейную керамическую форму, заливают ее расплавом, кристаллизация которого осуществляется снизу вверх, перемещают литейную керамическую форму с кристаллизующимся расплавом из вакуумной камеры нагрева вниз в камеру охлаждения и в процессе перемещения ее охлаждают потоком инертного газа. Нагретый формой газ откачивают, охлаждают, фильтруют, сжимают для дальнейшего использования. Существо способа состоит в дополнительном охлаждении кристаллизующейся детали потоком инертного газа через приспособление, расположенное в верхней части камеры охлаждения.

Устройство для осуществления данного способа содержит вакуумную печь, которая содержит две расположенные друг над другом и отделенные друг от друга перегородкой камеры, а также плавильный тигель для сплава и заливки его в форму. Верхняя из двух камер выполнена нагреваемой. Нижняя камера, соединенная с камерой нагрева через отверстие в перегородке, является камерой охлаждения. Устройство содержит также два приспособления: одно для создания, второе для направленной подачи газового потока. Последнее расположено ниже перегородки и содержит полость с отверстиями или соплами, которые обращены вовнутрь на литейную форму. Приспособление для создания газового потока размещено за пределами вакуумной печи. Газовые потоки, выходящие из отверстий или сопел, действуют преимущественно радиально в направлении к оси печи. Введенная через окно камеры охлаждения приводная штанга со столом имеет на поверхности стола обтекаемую водой пластину охлаждения, которая образует дно литейной формы. Литейная форма может перемещаться вместе со столом из камеры нагрева в камеру охлаждения через отверстие в перегородке. На своем верхнем конце литейная форма открыта и может с помощью загрузочного приспособления в камере нагрева заполняться расплавленным сплавом из плавильного тигля. Камера охлаждения связана с вакуумной системой для удаления поступающего газа из вакуумной камеры, для охлаждения его и очистки. Интенсивность теплоотвода охарактеризована в рассматриваемом способе величиной коэффициента теплоотдачи α = 134 Дж/м²·с·К. Такая интенсивность теплоотвода обеспечивала высокие значения градиента температур на фронте кристаллизации и скорости затвердевания, которые дают достаточно высокое качество литой детали. Однако, в данном способе и устройстве технически невозможно осуществить резкое повышение интенсивности теплоотвода и сохранение такой интенсивности теплоотвода в период кристаллизации всей детали, особенно при увеличении размеров лопаток до 400 и более мм. Невозможно также в случае необходимости значимо повысить производительность процесса.

В основу изобретения положена задача создания способа изготовления направленной кристаллизацией детали с монокристаллической структурой и устройства для его осуществления с таким их выполнением, которые позволили бы получать крупногабаритные более 300 мм длиной литые детали с высококачественной и стабильной по всей длине макро- и микроструктурой при минимальном уровне дефектности, причем наиболее экономичным и производительным процессом.

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления направленной кристаллизацией детали с монокристаллической структурой вводят дополнительно второй охлаждающий поток, расположенный непосредственно под первым охлаждающим потоком, при этом в каждый из охлаждающих потоков вводят разные порошкообразные охладители, материалы которых претерпевают фазовые превращения, а форму выполняют со сквозной пористостью в наружных слоях.

Предпочтительно, чтобы первый охлаждающий поток был направлен преимущественно радиально к оси камеры охлаждения, а второй охлаждающий поток был направлен преимущественно вдоль стенок формы сверху вниз.

Порошкообразный охладитель для первого охлаждающего потока выбирают таким образом, чтобы в процессе теплоотвода от затвердевающего расплава через форму материал охладителя претерпевал только одно фазовое превращение - плавление и имел максимальные из возможных значения коэффициентов теплопроводности в жидком и твердом состоянии и поверхностного натяжения.

Порошкообразный охладитель для второго охлаждающего потока выбирают таким образом, чтобы в процессе теплоотвода от затвердевающего расплава через форму материал охладителя претерпевал два фазовых превращения - плавление и испарение и имел максимальные значения теплоемкости в твердом и жидком состояниях, теплот плавления и испарения или одно фазовое превращение - сублимацию и имел максимальные значения теплоемкости в твердом состоянии и теплоты сублимации.

Второй поток подают непременно с запаздыванием относительно момента подачи первого потока.

Также поставленная задача решается тем, что устройство для осуществления способа изготовления направленной кристаллизацией детали с монокристаллической структурой, содержащее вакуумную печь с системой вакуумирования, имеющую расположенные соосно одна над другой верхнюю камеру нагрева и нижнюю камеру охлаждения формы, перегородку с отверстием, разделяющую камеру нагрева и камеру охлаждения, литейную керамическую форму, установленную на столе с кристаллизатором с возможностью ее перемещения из камеры нагрева в камеру охлаждения, приспособление для нагрева литейной керамической формы, газовую систему, расположенную за пределами вакуумной печи, согласно изобретению содержит под перегородкой в камере охлаждения расположенные одно под другим два приспособления для направления на форму соответственно первого и второго охлаждающих потоков из смесей инертного газа с порошкообразными охладителями и два приспособления для формирования потоков, расположенных за пределами печи, а форма выполнена со сквозной пористостью в наружных слоях.

Целесообразно, чтобы на наружной поверхности формы были выполнены пересекающиеся канавки с максимальной глубиной каждой из них до 20% от толщины стенки формы δ₂. Канавки выполнены так, что они имеют разные по высоте формы глубину, ширину, профиль и частоту размещения.

Керамическая форма имеет в поверхностных слоях сквозную пористость величиной до 15%.

Канавки увеличивают поверхность теплоотвода соответственно их глубине, ширине, профилю и частоте; канавки не только увеличивают теплоотдачу от формы при кристаллизации монокристаллической детали, но и сокращают время нагрева формы в камере нагрева вакуумной печи перед заполнением ее расплавом из тигля; канавки на поверхности формы могут быть с переменной по высоте формы глубиной, шириной и частотой; эти параметры канавок выбираются в связи с особенностями геометрии монокристаллической детали. Объект отвода и передачи тепла от кристаллизующейся монокристаллической детали - керамическая оболочковая форма изготавливается с переменной по толщине стенки сквозной объемной пористостью, а именно до ~90% последних по времени нанесения слоев оболочковой формы изготавливают с возрастающей к наружной поверхности сквозной объемной пористостью и, следовательно, с увеличивающейся к поверхности формы площадью внутренней поверхности теплообмена. Внутренняя поверхность теплообмена предназначена быть заполненной под действием капиллярных сил жидким расплавом охладителя из верхнего охлаждающего потока, то есть предназначена преобразовать керамику наружных слоев формы в металлокерамическое тело с высокой, относительно керамики, теплопроводностью.

Специфика устройства формы с металлокерамическим слоем на поверхности охлаждения определяет дополнительные к обязательному претерпеванию только одного фазового превращения - плавлению требования к физическим свойствам охладителя верхнего потока, а именно максимально высокая теплопроводность в жидком и твердом состояниях и максимально высокое поверхностное натяжение.

Данное изобретение позволяет, благодаря применению керамической формы специальной конструкции и специальных технологических приемов отбора и переноса тепла от кристаллизующего и охлаждающейся монокристаллической детали, обеспечить высокие градиенты температур на фронте кристаллизации и высокие скорости затвердевания. И, как следствие этого, обеспечивается повышение производительности и сокращение рабочего цикла, получение свободных от дефектов столбчатых и монокристаллических структур.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретным примером выполнения и чертежами, на которых фиг. 1 изображает схематично общий вид устройства для изготовления направленной кристаллизацией детали с монокристаллической структурой, согласно изобретению; фиг. 2 изображает сечение стенки керамической формы, согласно изобретению.

Способ изготовления направленной кристаллизацией детали с монокристаллической структурой заключается в том, что устанавливают в камере нагрева на подъемном водоохлаждаемом столе приготовленную особым образом нагретую литейную керамическую форму. Затем заливают литейную керамическую форму расплавом, кристаллизация которого осуществляется снизу вверх. Перемещают литейную керамическую форму с кристаллизующимся расплавом из вакуумной камеры нагрева вниз в камеру охлаждения. В процессе перемещения формы ее охлаждают от кристаллизатора на столе, и одновременно в процессе перемещения в камере охлаждения литейную керамическую форму охлаждают дополнительно двумя независимыми охлаждающими потоками смесей инертного газа и порошкообразных охладителей (металл, смесь металлов, сплав металлов, смесь сплавов металлов, соединения металла с неметаллом и их смеси, в т.ч. с металлами и сплавами).

Каждый из независимых потоков имеет разное направление: первый - верхний - преимущественно к оси вакуумной печи, второй - преимущественно вдоль оси сверху вниз. Каждый из независимых потоков состоит из инертного газа с порошкообразным охладителем различного химического состава и существенно отличными теплофизическими характеристиками. Верхний поток содержит порошкообразный охладитель, претерпевающий в процессе отбора и переноса тепла только одно фазовое превращение - плавление; нижний поток содержит порошкообразный охладитель, претерпевающий в процессе отбора и переноса тепла или два фазовых превращения - плавление и испарение, или одно - сублимацию, то есть обязательно имеет в конце фазовых превращений парообразное состояние. Каждый из независимых потоков различен по физическому механизму действия в процессе отбора и переноса тепла. Один - верхний поток, преимущественно радиальный, предназначен, главным образом, для отбора тепла из глубины формы и переноса его за счет высокой теплопроводности металлокерамики в литейной форме к поверхности формы. Другой - нижний поток, направленный преимущественно сверху вниз вдоль оси, предназначен для отбора тепла с поверхности формы за счет нагрева, плавления, испарения, сублимации охладителя и переноса тепла вместе с инертным газом к охлаждаемым внутренним поверхностям камеры охлаждения для последующей конденсации, кристаллизации и охлаждения охладителя и охлаждения газа.

Различные физические механизмы в отборе и переносе тепла от формы двумя независимыми потоками предъявляют следующие дополнительные требования к порошкообразным охладителям: для верхнего потока - максимальные значения величин теплоемкости в твердом состоянии, теплопроводности в твердом и жидком состояниях, теплоты плавления и поверхностного натяжения; для нижнего потока - максимальные значения величин теплоемкости и теплопроводности в твердом и жидком состояниях, теплот плавления, испарения и сублимации. Каждый из независимых потоков различен также по моменту начала действия: всегда и обязательно сначала включают поток, претерпевающий только одно фазовое превращение - плавление, и только потом, с задержкой второй, претерпевающий фазовые превращения до парообразного состояния.

Выбор материалов порошкообразных составляющих каждого из потоков, дисперсности порошков и концентрации порошков в газе определяется поставленной конкретной задачей и элементарными расчетами сравнительной эффективности охладителей с использованием данных таблиц 2 - 4.

Из сформулированных принципов выбора материалов порошков для каждого из потоков (см. по тексту выше) и данных по значениям физических свойств ряда материалов (в таблицах 1 - 3) возможно предпочесть в наших условиях в качестве примеров: для верхнего потока медь и алюминий, для нижнего потока цинк, магний и соединения цинка.

Ниже приведен в качестве иллюстрации схемы расчета для нижнего охлаждающего потока пример сравнения эффективности охладителей: аргона и смеси аргона с порошком цинка. Сравнение выполнено при условии полного использования каждой единицы (моль) массы в отводе тепла q [кДж/моль].

Исходные данные (см. Таблицы физических величин. Справочник под ред. И. К. Кикоина, М., "Атомиздат", 1976 г.) 1. теплоемкость аргона С_p1 = const = 20,79 Дж/моль
2. теплоемкость цинка С_p2 Дж/моль
3. температура плавления цинка Т_ПЛ= 692, 5 К
4. теплота плавления цинка Δ H_пл = 7, 28 кДж/моль
5. температура испарения цинка = 1180 К
6. теплота испарения цинка = 114, 7 кДж/моль
7. диапазон рабочих температур охладителей T_max - T_min = 1500 - 300 К
8. состав охладителей: 1) аргон - 100% - 1 моль
2) аргон 50 % + цинк 50% (моль)
Ниже приведен расчет эффективности.

q_Ar = C_p1 · (T_max - T_min) = 24948 Дж/моль = 24, 948 кДж/моль,

Таким образом, эффективность одного из ряда предложенных, причем не самого эффективного охладителя в виде смеси аргона и порошка цинка, превышает максимальную физическую способность охладителя-аргона в 3,4 раза. На практике рассчитанная эффективность будет суммироваться с эффективностью охлаждения верхним потоком.

Расчеты для оценки эффективности отвода тепла из-за увеличения поверхности теплоотдачи на наружной поверхности керамической формы с канавками. Так, в случае нанесения сетки пересекающихся канавок глубиной 1 мм, шириной 1 мм и шагом 1 мм поверхность теплоотдачи увеличивается в два раза, что равнозначно увеличению теплопроводности материала формы в два раза или уменьшению толщины стенки формы в два раза.

Эффект повышения эффективности теплоотвода за счет пропитки поверхностных слоев формы жидким охладителем подлежит оценке по двум показателям: во-первых, за счет повышения теплопроводности металлокерамической формы по сравнению с керамической и, во-вторых, за счет увеличения из-за сквозной объемной пористости поверхностных слоев формы. Так, при сквозной пористости формы 1% по площади сквозных каналов и заполнении через сквозные капилляры сквозных пор медью (при различии в теплопроводности любой из керамик - см. таблицы 2 и 4) теплопроводность металлокерамического слоя увеличивается в два раза при пористости 5% в 6 раз.

Эффективность системы охлаждения формы с кристаллизующимся сплавом достигается, во-первых, применением двух охлаждающих потоков, независимых и отличных друг от друга по функциональному назначению, по времени и механизму действия, по химической природе и теплофизическим свойствам охладителей. Во-вторых, эффективность охлаждения достигается высокой теплопроводностью металлокерамической формы и повышением поверхностей теплоотдачи при переносе тепла внутри формы и с ее поверхности. Совместное действие указанных условий обеспечивают, что особенно важно, эффективный теплоотвод не только при формировании качественной монокристаллической структуры на границе раздела фаз, но и в период отвода тепла от всей закристаллизованной части детали.

Устройство для изготовления направленной кристаллизацией детали с монокристаллической структурой содержит вакуумную печь 1 (фиг. 1), которая состоит из двух водоохлаждаемых камер 2, 3, расположенных одна над другой соосно. Верхняя камера 2 - это камера нагрева, а нижняя - камера 3 охлаждения с вакуумной системой 4 вакуумной печи 1. Камеры 2 и 3 разделены водоохлаждаемой перегородкой 5 с отверстием. Также устройство имеет расположенное в камере 2 нагрева приспособление 6 для нагрева литейной формы 7 до заполнения ее расплавом 8 из поворотного плавильного тигля 9. В устройстве имеется стол 10 с кристаллизатором, размещенный на штоке 11. Форма 7 установлена на столе 10 с возможностью ее перемещения из камеры 2 в камеру 3 через отверстие в перегородке 5.

Также устройство снабжено двумя независимыми и общеизвестными приспособлениями, размещенными за пределами печи 1, для формирования и двумя независимыми приспособлениями для направления двух охлаждающих потоков, размещенными в камере 3 охлаждения (см. "Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование", В.В.Кудинов, Г.В.Бобров, Москва, "Металлургия", 1992 г., стр. 225 и стр. 274).

Приспособления для формирования охлаждающего потока состоят из расположенных за пределами камеры 3 охлаждения газовой системы 12, двух независимых систем 13 и 14 для формирования смеси газа с порошкообразными охладителями, например, общеизвестные бункер, дозатор и т.д. Приспособления для направления потоков состоят из систем 15,16 распыления, расположенных внутри камеры 3 охлаждения вблизи перегородки 5. Системы 15 и 16 имеют расположенные по кольцу распылители (на фиг. не показано), отверстия верхних систем 15 направлены на линейную форму 7, преимущественно по горизонтали к оси устройства.

Отверстия нижних систем 16 направлены преимущественно сверху вниз вдоль литейной формы 7.

На фигуре 1 показана также монокристаллическая деталь 17. Стрелками А, В показано направление движения охлаждающих потоков.

На фигуре 2 представлена специальная конструкция литейной керамической оболочковой формы 7.

Наружная поверхность формы 7 оребрена пересекающимися канавками под углом 30-45^o к вертикальной оси формы. Канавки характеризуются глубиной, шириной, профилем и частотой размещения.

По толщине δ стенка формы состоит из двух зон: первая зона толщиной δ₁ имеет относительную протяженность - δ₁/δ от ~0,9 до ~0,1; она представляет собой капиллярно-пористое тело с величиной относительной объемной пористости П до 30% и газопроницаемостью не более 15 единиц, то есть с величиной сквозной пористости , равной 0.

Вторая зона толщиной δ₂ имеет относительную протяженность δ₂/δ от ~0,1 до ~ 0,9; она представляет собой капиллярно-пористое тело с величиной относительной объемной пористости П от 30% на границе зон I и II до ≈ 60% на наружной поверхности формы, при этом газопроницаемость второй зоны меняется от 5-15 единиц на границе зон до 400 и более единиц на наружной поверхности формы. Величина сквозной пористости во второй зоне меняется по направлению к наружной поверхности от 0% до 15%.

Именно сквозная пористость обеспечивает газопроницаемость капиллярно-пористых керамических форм 7. Наличие и величина сквозной пористости в виде сообщающихся капиллярных каналов регулируется гранулометрическим составом наполнителя и специальными добавками, например совелитом - смесью асбеста с солями магния и кальция; последние и обеспечивают из-за разложения при прокаливании форм образование сквозных каналов. Причем газопроницаемость керамики и, следовательно, заполняемость капилляров жидкими расплавами можно изменять на два порядка, и на практике обеспечение требуемой величины сквозной пористости технологических трудностей не имеет (А.А.Стрюченко, Э.В. Захарченко "Керамические формы в точном литье", М., "Машиностроение", 1988 г., стр. 63-65).

Движение жидких расплавов по сквозным каналам капиллярно-пористых керамических форм достаточно изучено, и параметры этого движения: глубина проникновения расплава, скорость движения расплавов и время заполнения капилляров можно оценить даже аналитически (С.И. Попель "Поверхностные явления в расплавах", М" "Металлургия", 1994 г., стр. 39-44, 321- 337).

Данное устройство работает следующим образом.

Для осуществления предложенного способа стол 10 штоком 11 устанавливают в верхнее положение. На водоохлаждаемом кристаллизаторе стола 10 укреплено тонкостенное керамическое дно для образования зародышей кристаллов или специальные затравки-стартеры. Форму 7 открытым нижним торцом устанавливают на керамическое дно, далее нагретую приспособлением 6 литейную форму 7 заполняют из тигля 9 готовым расплавом 8. При этом приспособление 6 поддерживает в расплаве 8 и форме 7 температуру выше температуры ликвидус сплава, а на охлаждаемой кристаллизатором пластине - дне формы 7 образуется узкая по высоте зона из затвердевшего сплава с несколькими столбчатыми или одним монокристаллом.

Перемещая форму 7 сверху вниз из камеры 2 нагрева в камеру 3 охлаждения, достигают увеличения затвердевшей, например, монокристаллической зоны с образованием из расплава 8 монокристаллической детали 17 (фиг. 1).

В начале процесса кристаллизации достигаются большой температурный градиент и высокая скорость затвердевания, так как тепло от залитого в форму 7 сплава 8 поступает непосредственно на кристаллизатор, а тепло, которое должно быть отведено от кристаллизующегося расплава, направляется от фронта кристаллизации через сравнительно тонкий слой закристаллизованного материала на кристаллизатор. Если образованное им дно литейной формы 7, считая от нижней стороны перегородки 5, погружено на несколько миллиметров, например, до 30 мм в камеру 3 охлаждения, то из отверстий верхних распылителей стационарной системы 15 начинают подавать специальный охладитель, не реагирующий химически с нагретым материалом формы 7, например, смесь металлического порошка меди с инертным газом (аргон). Медь плавится на поверхностях формы и по сквозным каналам в стенке формы под действием капиллярных сил заполняет часть свободной внутренней поверхности в наружных слоях δ₂ (фигура 2) формы, образуя металлокерамическое тело. Теплопроводность металлокерамики, а следовательно, перенос тепла к поверхности формы увеличивается в два (при сквозной пористости в 1,0%) - шесть раз (при пористости 5%).

После начала работы системы 15 включают систему 16. Охлаждающий поток на пути к форме 7 и при движении вдоль стенок литейной формы 7 нагревается (газ и, например, цинк), плавится (цинк) и испаряется (цинк). Охладитель и газ (в малой степени) забирают тепло от формы 7. Газ отводят в вакуумную 4 и газовую 12 системы, пары охладителя конденсируют и кристаллизуют на охлаждаемых стенках камеры 3 или на панелях специального водоохлаждаемого конденсатора в камере 3 - на фигуре 1 не показан.

По мере роста затвердевшей монокристаллической части детали 18 зоны интенсивность теплоотвода через эту зону и в целом от формы практически не уменьшается. Охлаждающие потоки выключают после полного формирования монокристаллической структуры в детали 18.

Таким образом, предложенные способ и устройство для его реализации позволяют существенно расширить диапазон достигаемых значений интенсивности теплоотвода в процессе направленной кристаллизации в зависимости от специфики устройства поверхности и поверхностных слоев формы, от химической природы применяемых порошков, их составов в смесях и концентраций смесей порошков в инертном газе, от объемных расходов охлаждающих потоков.

Для газотурбинной лопатки с длиной рабочей части 340 мм из жаропрочного сплава на основе никеля в типовом случае не самой высокой эффективности охладителя и системы охлаждения для случая применения порошка меди с концентрацией 30% и порошка цинка с концентрацией 60% (весовых) в аргоне при максимальной сквозной пористости на поверхности формы -4% и параметрами канавок на поверхностях формы, образующих спинку и корыто рабочей лопатки: глубина 0,8 мм, ширина 1,5 мм, частота 4 канавки на 1 см, профиль - полусферический, получены следующие результаты.

В таблице 5 даны показатели свойств изготовленных по патенту США 3532155, по европатенту ЕР 0749790 A1 и по предложенному способу литых лопаток из сплавов на основе никеля с аналогичными теплофизическими характеристиками. Для сравниваемых способов принципиальное устройство вакуумных печей, температуры заливаемых сплавов, температуры нагрева форм и другие технологические параметры были идентичны.

Таким образом, с помощью предлагаемого изобретения достигаются лучшие условия по формированию монокристалла в крупногабаритных лопатках. Принципиально технически осуществимы условия для выращивания монокристаллических лопаток со скоростями до 50 мм/мин и более. Изготовленные в благоприятных теплофизических условиях в соответствии с данным способом литые детали обладают особенно большой прочностью на излом монокристалла, малой пористостью и не имеют дефектов кристаллической решетки. Кроме того, данное изобретение позволяет изготавливать литые детали, которые почти свободны от "веснушек" и от "лучин". Предложенный способ имеет в числе своих достоинств возможность резкого повышения производительности и экономичность технологического процесса.

Формула изобретения

1. Способ изготовления направленной кристаллизацией детали с монокристаллической структурой, включающий установку литейной керамической формы на водоохлаждаемый стол в вакуумной камере нагрева, заливку в форму расплава, перемещение формы с кристаллизующимся расплавом из камеры нагрева вниз в камеру охлаждения, охлаждение формы в процессе перемещения потоком инертного газа, отличающийся тем, что форму непосредственно под первым потоком дополнительно охлаждают вторым потоком инертного газа, при этом в первый поток вводят порошкообразный охладитель из материала, претерпевающего в процессе отбора тепла от кристаллизующегося расплава одно фазовое превращение - плавление, а во второй поток вводят порошкообразный охладитель из материала, претерпевающего при отборе тепла два фазовых превращения - плавление и испарение или одно - сублимацию, а керамическую форму выполняют со сквозной пористостью в наружных слоях.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что первый охлаждающий поток направляют, преимущественно, радиально к оси камеры охлаждения, а второй, - преимущественно, вдоль стенок формы сверху вниз.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что второй охлаждающий поток подают с запаздыванием относительно момента подачи первого потока.

4. Устройство для изготовления направленной кристаллизацией детали с монокристаллической структурой, содержащее вакуумную печь с системой вакуумирования, имеющую расположенные соосно одна над другой камеру нагрева формы и камеру охлаждения формы, перегородку с отверстием, разделяющую камеру нагрева и камеру охлаждения, литейную керамическую форму, установленную на стол с кристаллизатором с возможностью ее перемещения из камеры нагрева в камеру охлаждения, газовую систему, расположенную за пределами вакуумной печи, отличающееся тем, что оно снабжено двумя приспособлениями для формирования охлаждающих потоков из смесей инертного газа и порошкообразных охладителей, расположенными за пределами печи, и двумя приспособлениями для направления охлаждающих потоков на форму, расположенными в камере охлаждения одно под другим, при этом керамическая форма выполнена со сквозной пористостью в наружных слоях.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что сквозная пористость на поверхности формы составляет до 15%.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что на наружной поверхности керамической формы выполнены пересекающиеся канавки глубиной до 20% от толщины стенки формы.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что канавки по высоте формы имеют различные глубину, ширину и профиль и расположены с различной частотой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7

MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины заподдержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 13.10.2009

Дата публикации: 10.12.2011

---