СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК С НАПРАВЛЕННОЙ СТРУКТУРОЙ
METHOD OF PRODUCING CASTS WITH DIRECTED STRUCTURE

Предполагаемое изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при производстве лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) из жаропрочных сплавов.
Известен способ получения отливок с направленной структурой, включающий изготовление оболочковой формы, нагрев ее до температуры выше температуры ликвидуса жаропрочного сплава, заполнение формы расплавом и направленную кристаллизацию с помощью плоской затравки из тугоплавкого материала, затравку размещают в донной части формы перед ее подогревом, при этом между стартовой полостью формы и затравкой размещают керамический фильтр (описание изобретения к патенту РФ №2285580, МПК B22D 27/04, заявл. 2005.01.13, опубл. 2006.10.20).
Недостатком такого способа получения отливок с направленной кристаллизацией является трудность получения большого количества зерен-кристаллов в отливке. При этом существует высокая вероятность того, что какое-либо из зерен не будет совершенным по кристаллографической ориентации. Это связанно с тем, что при изготовлении плоских затравок применяется тот же способ литья опусканием формы в жидкометаллический охладитель, что и при литье самой лопатки (в структуре затравки и соответственно пера лопатки в результате конкурентного отбора формируется 2…5 крупноразмерных зерна-кристалла). Наличие разделительного керамического фильтра также способствует снижению выхода годных лопаток по количеству зерен, составляющих макроструктуру пера (включается дополнительный инерционный кристаллоотборник).
Также известен способ получения отливок с направленной структурой из жаропрочных сплавов, включающий изготовление затравки из тугоплавкого материала, изготовление оболочковой формы, размещение затравки в донной части оболочковой формы, нагрев ее до температуры выше температуры ликвидуса жаропрочного сплава, заполнение оболочковой формы расплавом и направленную кристаллизацию.
Затравку изготавливают из порошкового материала, которую нагревают до температуры, не превышающей температуру плавления. Затравка имеет конфигурацию контактирующего с ней торца отливки (описание изобретения к патенту РФ №2043855, МПК B22D 27/04, заявл. 1992.02.24, опубл. 1995.09.20).
Такой способ получения отливок с направленно-кристаллической структурой обеспечивает большое количество зерен-кристаллов.
Однако он не позволяет сформировать совершенную дендритную структуру по кристаллографической ориентации в каждом, без исключения, кристалле, т.к. в качестве затравки используют заведомо равноосный (гранульный, порошкообразный и т.п.) материал с произвольной кристаллографической ориентацией в каждом зерне.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является обеспечение в макроструктуре отливки регулярной направленно-кристаллической структуры, каждое зерно которой является совершенным кристаллом с кристаллографической ориентацией {001} с количеством зерен не менее пяти.
Заявленный технический результат достигается тем, что способ получения отливок с направленной структурой из жаропрочных сплавов включает изготовление затравки из тугоплавкого материала, изготовление оболочковой формы, размещение затравки в донной части оболочковой формы, нагрев ее до температуры выше температуры ликвидуса жаропрочного сплава, заполнение оболочковой формы расплавом и направленную кристаллизацию.
Новым в заявляемом способе является то, что затравку изготавливают литьем в форму с открытым дном, установленную на медный неохлаждаемый кристаллизатор в вакуумной печи. После охлаждения и извлечения затравки с формой из вакуумной печи осуществляют шлифование поверхности затравки, контактирующей с медным неохлаждаемым кристаллизатором, на глубину зоны замороженных кристаллов и глубокое травление до образования в структуре рельефа поверхностного слоя затравки выраженных границ между столбчатыми зернами кристаллов.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
фиг.1 - схема формы для получения отливки;
фиг.2 - фотография рабочей плоскости направленно-кристаллической затравки;
фиг.3 - фотография структуры рельефа поверхностного слоя (а) и поперечного сечения (б) плоской затравки после шлифования на глубину замороженных кристаллов и глубокого травления.
При реализации способа получения отливок с направленной структурой из жаропрочных сплавов изготавливают затравку из тугоплавкого материала, например сплава Ni50%-W, литьем в форму с открытым дном, установленную на медный неохлаждаемый кристаллизатор, представляющий собой брикет пластин, в вакуумной печи.
В процессе заливки в контактной зоне медного неохлаждаемого кристаллизатора и заливаемого расплава мгновенно формируется зона из нескольких тысяч замороженных кристаллов, которая в процессе медленного охлаждения вместе с печью обеспечивает начальные признаки конкурентного отбора множества столбчатых зерен, ориентированных в направлении, противоположном направлению теплоотвода, т.е. вертикально. Т.к. в начальный момент контакта расплав материала затравки кристаллизуется на медном кристаллизаторе, имеющем гранецентрированную кристаллическую решетку (чистая медь марки М0), то образовавшимся в результате конкурентного отбора столбчатым зернам кристаллов в средней части заготовки затравки будет передана та же морфология.
Форму с затравкой извлекают из печи после ее охлаждения, затем осуществляют шлифование поверхности затравки, контактирующей с медным неохлаждаемым кристаллизатором, на глубину зоны замороженных кристаллов, разрезают на мерные пластины и производят глубокое травление до образования в структуре рельефа поверхностного слоя затравки выраженных границ между столбчатыми зернами кристаллов.
Далее затравку устанавливают в донную часть оболочковой формы, форму нагревают в вакуумной печи до температуры выше температуры ликвидуса жаропрочного сплава, но ниже температуры плавления материала затравки, заполняют расплавом и осуществляют направленную кристаллизацию протяжкой через жидкометаллический охладитель. В результате от имеющегося большого количества близких к совершенству столбчатых зерен кристаллов контактной поверхности затравки в отливке сформируется большое количество совершенных кристаллов, удовлетворяющих требованиям к качеству направленно-кристаллической макроструктуры.
Пример конкретного осуществления способа.
Способ получения узкохордной (10 мм) ГТД с направленной структурой из жаропрочного сплава.
Изготавливали оболочковую форму, у которой со стороны замковой части лопатки была выполнена затравочная полость, для размещения в ней затравки.
Затравку изготавливали из тугоплавкого материала Ni-W (50%-50%) литьем в форме с открытым дном, установленной на медный неохлаждаемый кристаллизатор в вакуумной печи. В качестве кристаллизатора использовали набор из 6 медных пластин толщиной 10 мм каждая, при этом форму устанавливали на верхнюю пластину набора и оборачивали техническим войлоком. После охлаждения и извлечения затравки с формой из вакуумной печи, полученную заготовку разрезали в размер, соответствующий площади поперечного сечения замка лопатки, и шлифовали поверхность затравки, контактирующую с кристаллизатором, на глубину зоны замороженных кристаллов. Затем поверхность затравки подвергали глубокому травлению в химическом реактиве на основе соляной кислоты и хлорного железа до образования в структуре рельефа поверхностного слоя затравки выраженных границ между столбчатыми зернами кристаллов.
В затравочную полость оболочковой формы устанавливали затравку, на нижнюю часть затравочной полости наносили керамическую суспензию и сушили форму по типовой технологии. Затем форму нагревали до температуры выше температуры ликвидуса сплава MAR-M-200 (1530°) и заливали в нее расплав.
От столбчатых зерен кристаллов рабочей плоскости затравки в замке лопатки зарождалось большое количество столбчатых зерен кристаллов (порядка 1000), структура которых заведомо близка к совершенной. В результате конкурентного отбора в кристалловоде в перо лопатки выводилось ограниченное 40…80 число наиболее совершенных зерен кристаллов; структура и морфология каждого кристалла строго соответствовала заданным параметрам качества.
Скорость перемещения литейной формы с расплавом из зоны нагрева в зону охлаждения 5 мм/мин.
Выход годных лопаток по качеству макроструктуры 80…90%.
Такой способ позволяет получить в макроструктуре отливки регулярную направленно-кристаллическую структуру, каждое зерно которой является совершенным кристаллом с кристаллографической ориентацией {001} с количеством зерен не менее пяти.
Применение такого способа получения отливок с направленной структурой позволило снизить затраты энергии на зарождение зерен при малой степени переохлаждения расплава, увеличить степень дисперсности столбчатых зерен, что повысило качество отливок.