УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ С МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ
FACILITY FOR RECEIVING OF CAST MADE OF HEAT-RESISTANT ALLOYS WITH SINGLE-CRYSTAL STRUCTURE

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при получении монокристаллических деталей горячего тракта ГТД, например турбинных лопаток, створок и т.п., из никелевых, кобальтовых, интерметаллидных жаропрочных сплавов в условиях высокого температурного градиента на фронте роста.
3
Известно, что повышение температурного градиента на фронте роста (до G>150÷200°С/см) при направленной кристаллизации литейных жаропрочных сплавов на основе никеля, кобальта, а также интерметаллидных (на основе NiAl) за счет уменьшения высоты жидко-твердой зоны на фронте роста обеспечивает формирование в отливках более однородной, тонкодендритной структуры с меньшей дендритной ликвацией, пористостью, что, в свою очередь, повышает характеристики прочности и усталости сплавов.
Известно устройство для получения отливок с монокристаллической структурой, содержащее керамическую оболочку, в которой выполнены последовательно затравочная полость с размещенной в ней затравкой заданной ориентации, полость со вставкой кристаллоотборника в виде криволинейного литникового хода и полость, образующая отливку (патент РФ №2080209).
Недостатками указанного устройства являются трудности в изготовлении керамической вставки кристаллоотборника с криволинейным литниковым ходом, а также трудности в создании плотного соединения между торцом вставки кристаллоотборника и верхом полости, где вставка размещается. В процессе кристаллизации в этом зазоре могут зарождаться посторонние кристаллы, формирующие границы зерен в отливке, приводящие к браку отливки по структуре.
Известно устройство для получения монокристаллических отливок заданной ориентации, в котором затравка также устанавливается непосредственно на поверхности холодильника формы, при этом затравка ничем не экранируется от объема внутренней части формы, в результате чего налеты субокислов кремния и алюминия свободно попадают на рабочий торец затравки, а в отливке появляются посторонние зерна (патент ЕР №0127552).
Кроме этого способ направленной кристаллизации, при котором форма и затравка устанавливаются непосредственно на холодильник, обеспечивает низкий температурный градиент на фронте роста (G=20÷30°С/см).
Наиболее близким к заявленному является устройство для получения жаропрочных сплавов с монокристаллической структурой, в основании керамической формы которого выполнена затравочная полость с размещенной в ней затравкой, спиралевидный кристаллоотборник и коническая стартовая полость. Стартовая полость соединена с полостью формы, образующей отливку. Спиралевидный кристаллоотборник выполнен из двух частей разного диаметра. Часть кристаллоотборника большего диаметра, примыкающая к затравке, содержит керамическую вставку для предохранения торца затравки от окисных налетов, препятствующих передаче структуры от затравки в отливку (патент РФ №2237543).
Недостатком этого устройства является высокий брак по структуре монокристаллических отливок из жаропрочных никелевых и интерметаллидных сплавов нового поколения при направленной кристаллизации в условиях высокого температурного градиента на фронте роста (G>150÷200°С/см). Это связано со значительным уменьшением высоты жидко-твердой области при G>150÷200°С/см, которая составляет ~3-6 мм вместо ~30-100 мм при G~60°С/см в установке-прототипе УВНК-8П. Уменьшение высоты жидко-твердой области, в которой формируется дендритная монокристаллическая структура, на практике сопровождается увеличением температуры перед фронтом роста, что приводит к расплавлению затравки и формированию в отливке структуры с границами зерен.
Технической задачей данного изобретения является увеличение выхода годных монокристаллических отливок из жаропрочных сплавов нового поколения с заданной кристаллографической ориентацией, получаемых в условиях высокоградиентной направленной кристаллизации (при G=150÷200°С/см) за счет исключения вероятности расплавления затравки или зарождения на ней зерен произвольной ориентации.
Для решения поставленной технической задачи предлагается устройство для получения отливок из жаропрочных сплавов с монокристаллической структурой заданной кристаллографической ориентации, содержащее керамическую форму, в основании которой выполнены последовательно затравочная полость с размещенной в ней монокристаллической затравкой заданной кристаллографической ориентации, полость кристалловода и коническая стартовая полость, соединенная с полостью формы, образующей отливку, отличающееся тем, что полость кристалловода выполнена в виде прямолинейной и конусной частей, последняя из которых прилегает к затравочной полости и составляет  часть всей длины полости кристалловода, при этом отношение площади сечения нижней поверхности конусной части к площади поверхности затравки составляет 0,5-0,9.
На фиг.1а показан общий вид устройства для получения отливок с монокристаллической структурой заданной кристаллографической ориентации в условиях высокоградиентной направленной кристаллизации, где
1 - керамическая оболочковая форма с отливкой;
2 - прямолинейная часть полости кристалловода;
3 - конусная часть полости кристалловода;
4 - затравка;
5 - затравочная полость;
6 - коническая стартовая полость.
На фигуре 1б показано сечение I-I через затравочную полость.
В устройстве в основании керамической оболочковой формы (1) с конической стартовой полостью (6) расположена полость кристалловода, состоящая из двух частей: прямолинейной (2) и конусной (3), а также затравочная полость (5) с размещенной в ней затравкой (4). Монокристаллическая структура, зародившаяся от затравки (4), прорастает в конусную часть полости кристалловода (3), а затем в его прямолинейную часть (2). Длина конусной части полости кристалловода (3) составляет  части всей длины полости кристалловода. При этом отношение площади сечения нижней поверхности конусной части полости кристалловода к площади поверхности затравки составляет 0,5-0,9.
Совокупность этих существенных признаков исключает расплавление затравки перегретым на фронте кристаллизации расплавом жаропрочного монокристаллического сплава, а также препятствует образованию налета, мешающего передаче структуры заданной кристаллографической ориентации от затравки (4) в отливку (1). Это позволяет практически полностью исключить зарождение и прорастание посторонних кристаллов в отливку, получаемую из жаропрочных монокристаллических сплавов нового поколения, в том числе и интерметаллидных.
При соотношении длины конусной части полости кристалловода (3) больше  всей длины полости кристалловода возможно расплавление затравки, меньше  - технически нецелесообразно. Нижняя поверхность конусной части кристалловода (3), примыкающая к поверхности затравки (4), обеспечивает контакт расплава жаропрочного сплава с поверхностью затравки (4) и передачу структуры монокристалла от затравки (4) в отливку (1). При отношении площади сечения нижней поверхности конусной части кристалловода к площади поверхности затравки больше 0,9 появляются сложности при установке затравки, а отношение меньше 0,5 - технически нецелесообразно.
Пример осуществления.
На модель керамической формы, изготовленной согласно фиг.1, методом послойного нанесения наносили керамическую суспензию. Изготовленные оболочковые формы просушивали, затем вытапливали модельную массу и прокаливали при температуре в печи Т=1350°С. В открытую затравочную полость блоков модельных образцов перед плавкой устанавливали монокристаллические затравки с заданной кристаллографической ориентацией [001] или [111] и заделывали суспензией на основе этилсиликата и электрокорунда.
Форму на специальной подвеске помещали в высокоградиентную установку для направленной кристаллизации с жидкометаллическим охладителем УВНЭС-4, где производили нагрев керамической формы до рабочей температуры, расплавляли в индукционном плавильном тигле заготовку жаропрочного сплава и заливали его в керамическую форму. После чего проводили направленную кристаллизацию путем перемещения керамической формы с расплавом жаропрочного сплава из зоны нагрева и погружения ее в жидкометаллический охладитель. После кристаллизации удаляли керамическую форму, детали отделяли от литниковой системы и стартовой полости. На отливке проводили контроль качества монокристаллической структуры.
Изобретение проверялось при отливке монокристаллических модельных образцов лопаток и сегментов. При получении отливок образцов модельных лопаток <001> из ренийсодержащего жаропрочного сплава ВЖМ-1ВИ использовалась полость кристалловода с соотношением конусной части полости кристалловода ко всей длине полости кристалловода - , а отношение площади сечения нижней поверхности конусной части к площади поверхности затравки составляло 0,5. Отливка образцов модельных лопаток <001> проводилась в лабораторных условиях на высокоградиентной установке УВНЭС-4 с блоками по 2 образца. Режим плавки: температура верхнего нагревателя - 1600°С, температура нижнего нагревателя - 1620°С, температура заливки сплава - 1580°С, скорость вытягивания форм - 4 мм/мин. Температурный градиент на фронте роста составил G=200°С/см. Как показал визуальный и рентгеновский контроль полученных отливок, все они имели монокристаллическую структуру заданной кристаллографической ориентации с точностью 4-7°.
3
При получении отливок образцов модельных створок <111> из инерметаллидного сплава (на основе NiAl) использовалась полость кристалловода с соотношением конусной части полости кристалловода ко всей длине полости кристалловода - , а отношение площади сечения нижней поверхности конусной части к площади поверхности затравки составило 0,9. Отливка образцов модельных сегментов проводилась на лабораторной установке УВНЭС-4 с блоками по 2 образца. Режим плавки: температура верхнего нагревателя - 1580°С, температура нижнего нагревателя - 1600°С, температура заливки сплава - 1570°С, скорость вытягивания форм - 5 мм/мин. Температурный градиент на фронте роста составил G=150°С/см. Как показал визуальный и рентгеновский контроль полученных отливок, все они имели монокристаллическую структуру заданной кристаллографической ориентации с точностью 5-8°.
3
Опробование устройства прототипа, предложенного для промышленной установки УВНК-8П (G=60°С/см), при высокоградиентной направленной кристаллизации (G=150÷200°С/см) сплавов ВЖМ-1 и интерметаллидного сплава на основе NiAl не обеспечило высокого выхода годного по монокристаллической структуре.
3
Выход годного по монокристаллической структуре при опробовании предлагаемого устройства при получении образцов модельных лопаток из современного жаропрочного ренийсодержащего сплава ВЖМ-1ВИ, а также образцов модельных сегментов из интерметаллидного сплава (NiAl) в условиях высокоградиентной направленной кристаллизации (G=150÷200°С/см) составил до 90%.
Таким образом, применение предлагаемого устройства позволит получать лопатки и другие детали горячего тракта ГТД с монокристаллической структурой заданной кристаллографической ориентации в условиях высокоградиентной кристаллизации (G=150÷200°С/см), обеспечивающего получение более качественной, однородной, тонкодендритной структуры, с меньшей дендритной ликвацией, пористостью, что в свою очередь, делает возможным повышение ресурса и надежности газотурбинных двигателей.