Устройство для получения отливок с направленной и монокристаллической структурой

Изобретение может быть использовано для получения отливок из жаропрочных сплавов, в частности турбинных лопаток газотурбинных двигателей и установок. Устройство содержит зону нагрева с нагревателем и зону охлаждения, разделенные теплоизолирующим экраном. В зоне нагрева расположен нагреватель с блоком литейных керамических форм. Зона охлаждения содержит подвижный водоохлаждаемый холодильник. Дополнительно устройство содержит неподвижный водоохлаждаемый холодильник, установленный под экраном. В экране и неподвижном холодильнике выполнены соосно друг другу и каждой литейной форме отверстия. Зазор между отверстиями и литейными формами минимален. Благодаря лучшей тепловой изоляции зоны нагрева обеспечивается увеличение выхода годного отливок и упрощение процесса получения отливок. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при получении отливок с направленной и монокристаллической структурой из жаропрочных сплавов, в частности отливок турбинных лопаток газотурбинных двигателей и установок.

Известно, что величина аксиального ростового температурного градиента оказывает положительное влияние на структуру и соответственно на прочностные свойства материала. Для повышения градиента в процессе направленной кристаллизации используются различные типы устройств.

Известно устройство для получения монокристаллических отливок, содержащее под зоной нагрева емкость с расплавом легкоплавкого металла, олова или алюминия, в которую погружается блок из нескольких литейных форм (обычно, от 4-х до 12 отливок). В результате интенсивного конвективного теплоотвода от формы в расплав легкоплавкого металла ростовой температурный градиент возрастает примерно в 1.5 раза, дендритная структура размельчается с 400-500 до 200-250 мкм, соответственно несколько повышается выход годных отливок по структуре (патент США №3763926).

Существуют также способ и устройство направленной кристаллизации, где увеличение интенсивности теплоотвода достигается охлаждением литейного блока струей инертного газа. При этом достигается практически такое же, как и в предыдущем случае, повышение градиента (патент США №5921310).

Однако эти способы имеют ряд существенных недостатков, в частности установки отличаются сложностью конструкций, а процесс направленной кристаллизации проводится при высокой температуре. Все это отрицательно сказывается на надежности работы установок и, в целом, на выходе годных отливок

Известно устройство для получения отливок с направленной и монокристаллической структурой, включающее плавильную индукционную печь, печь подогрева форм, механизм перемещения форм и экран, разделяющий зону нагрева и зону охлаждения, представляющую собой водоохлаждаемую емкость. Экран выполнен раздвижным и состоит из секторов или сегментов, прилегающих к керамической форме (патент РФ №2117550).

Недостатком этого устройства является то, что оно позволяет получать главным образом крупногабаритные отливки, не более 2-х в блоке. Применение этого устройства для получения в одном блоке 3-х и более отливок неосуществимо, т.к. нарушается интенсивность и равномерность теплоотвода от отливки, что не позволяет получить заданную структуру.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для получения отливок с направленной и монокристаллической структурой, включающее зону нагрева, содержащую нагреватель с расположенным в нем блоком из нескольких керамических форм с расплавом, теплоизолирующий экран, находящийся под нагревателем, и зону охлаждения, включающую подвижный водоохлаждаемый холодильник (патент США №5168916).

Однако, несмотря на относительную простоту конструкции установки, а установки такого типа наиболее распространены в технологии направленной кристаллизации, они обладают существенными недостатками.

Главный из них заключается в том, что устройства такого типа позволяют получать только малую величину ростового градиента 2-2.5° С/мм. Это связано с тем, что блок форм по сути своей представляет монолитную керамическую конструкцию, теплоотвод от которой осуществляется только с ее внешней поверхности. Кольцевые экраны-диафрагмы различных конструкций под нагревателем становятся малоэффективными, только частично отсекая тепловой поток из зоны нагрева в зону охлаждения и тем самым уменьшая аксиальный температурный градиент.

Технической задачей данного изобретения является увеличение выхода годных отливок с направленной и монокристаллической структурой и упрощение процесса получения отливок с использованием блоков их 3-х и более керамических форм.

Для достижения поставленной задачи предложено устройство для получения отливок с направленной и монокристаллической структурой, включающее зону нагрева, содержащую нагреватель с расположенным в нем блоком, состоящим из нескольких керамических форм с расплавом, теплоизолирующий экран, разделяющий зону нагрева и зону охлаждения, включающую подвижный водоохлаждаемый холодильник, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено неподвижным водоохлаждаемым холодильником, установленным под теплоизолирующим экраном, а в теплоизолирующем экране и в неподвижном холодильнике выполнены отверстия, соосно расположенные по отношению друг другу и к каждой керамической литейной форме из блока. Отверстия в экране и холодильнике выполнены с минимальным зазором между ними и литейными формами.

На чертеже показан общий вид устройства для получения отливок с направленной или монокристаллической структурой:

1 - подвижный водоохлаждаемый холодильник;

2 - неподвижный водоохлаждаемый холодильник;

3 - теплоизолирующий экран;

4 - блок литейных форм;

5 - зона нагрева;

6 - теплоизоляция нагревателя;

7 - нагреватель.

Блок литейных форм 4 в зоне нагрева 5 установлен на подвижный водоохлаждаемый холодильник 1. После нагрева блока форм до температуры 1500-1520°С в литейный блок заливается расплавленный металл из отдельной плавильной печи (на чертеже не показана). Перемещение блока литейных форм из зоны нагрева 5 в зону охлаждения через отверстия, выполненные в теплоизолирующем экране 3 и через неподвижный водоохлаждаемый холодильник 2 с соосно выполненными отверстиями, создает в установке такого типа достаточно высокий градиент 7-8° С/мм. Это достигается прежде всего за счет улучшенной изоляции зоны нагрева от зоны охлаждения и дополнительного неподвижного холодильника 2. Теплоизолирующий экран 3 выполняется обычно из прессованного волокнистого графитового материала. Неподвижный водоохлаждаемый экран 2 выполнен из меди аналогично материалу подвижного водоохлаждаемого холодильника.

Этому же способствует минимизация зазоров между стационарным водоохлаждаемым холодильником 2, теплоизолирующим экраном 3 с одной стороны и формами из блока литейных форм 4 с другой.

Поскольку резко уменьшается подсветка на блок из зоны нагрева, то соответственно возрастает аксиальный градиент. Кроме того, дополнительный теплоотвод от блока форм осуществляется за счет неподвижного холодильника, который отводит тепло от «внутренних» сторон литейных форм в блоке.

Пример осуществления.

Изобретение проверялась при отливке заготовок из жаропрочных сплавов ЖС26, ЖС32 и безуглеродистогого сплава ЖС36. Из этих сплавов отливали блоки из 4-х плоских прямоугольных образцов размером 15×30×170 мм. Плавки проводили на печи УВНК-8П, у которой был удален кристаллизатор с расплавом алюминия. Вместо кристаллизатора был установлен медный подвижный водоохлаждаемый холодильник. Теплоизолирующий экран был вырезан из листового композиционного графита марки УУКМ толщиной 35 мм. Неподвижный водоохлаждаемый холодильник выполнен из листовой меди толщиной 12 мм. В экране и холодильнике вырезаны сквозные отверстия размером 25 мм ×40 мм. При проведении одной из плавок в керамическую форму установили монокристаллические затравки из Ni-W сплава кристаллографической ориентации [001].

Температура нагревателя - 1500-1520°С

Температура заливки металла - 1520-1530°С

Скорость вытягивания - 5 мм/мин.

Как показали исследования полученных отливок, все они имели монокристаллическую структуру заданной ориентации или НК-структуру. При получении монокристаллической структуры заданной кристаллографической ориентации [001] с точностью до 3° и разориентацией - 1.5° расстояние между осями дендритов первого порядка составляло ˜280 мкм. Все эти показатели соответствуют совершенным монокристаллам из жаропрочных никелевых сплавов. Выход годного составил 90%. При получении направленной структуры выход годного составил 95%.

Предлагаемое устройство позволяет проводить процесс направленной кристаллизации при значительно меньших температурах, что позволяет использовать нагреватели значительно дольше без их замены. Этому же способствует относительная простота конструкции установки при достаточно больших уровнях ростовых температурных градиентов.

1. Устройство для получения отливок с направленной и монокристаллической структурой, включающее зону нагрева, содержащую нагреватель с расположенным в нем блоком, состоящим из нескольких керамических форм с расплавом, теплоизолирующий экран, разделяющий зону нагрева и зону охлаждения, включающую подвижный водоохлаждаемый холодильник, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено неподвижным водоохлаждаемым холодильником, установленным под теплоизолирующим экраном, а в теплоизолирующем экране и в неподвижном холодильнике выполнены отверстия, соосно расположенные друг другу и каждой керамической литейной форме блока.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отверстия в теплоизолирующем экране и неподвижном водоохлаждаемом холодильнике выполнены с минимальным зазором относительно литейных форм.