Способ получения отливок с направленной структурой
METHOD OF PRODUCING CASTINGS WITH DIRECTED STRUCTURE

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при производстве лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) из жаропрочных сплавов.
Известен способ получения отливок из жаропрочных сплавов с мелкозернистой структурой поверхностного слоя, заключающийся в предварительном нанесении на поверхность формообразующей полости литейной керамической формы кобальтосодержащего поверхностного модификатора и последующей заливке сплава в форму (RU 633668, 1978). В известном техническом решении в качестве кобальтосодержащего поверхностного модификатора используют растворы уксуснокислого кобальта и уксуснокислого алюминия в определенной концентрации. После нанесения модификатора перед заливкой сплава форму прокаливают, в результате чего указанные соединения разлагаются с образованием оксидов или шпинелей, распределенных относительно равномерно на поверхности формообразующей полости формы и стимулирующих создание дополнительных центров кристаллизации, что в результате повышает качество поверхностного слоя отливки.
Недостатком известного технического решения является невысокое качество отливок, связанное с тем, что нанесение модификаторов на поверхность формообразующей полости литейной керамической формы способствует возникновению зародышей кристаллов только в слоях отливки, прилегающих к форме.
Известен способ получения отливок крупногабаритных лопаток турбин, включающий изготовление литейной формы, нанесение на формообразующую поверхность формы поверхностного модификатора, нагрев литейной формы и последующую заливку в нее расплава сплава с температурой на разных стадиях процесса выше и равной температуре ликвидуса (RU 2630104, 2017). В известном техническом решении в качестве кобальтосодержащего поверхностного модификатора используют частицы алюмината кобальта и последовательно формируют перо и коробки замковой части полки лопатки при температуре выше температуры ликвидуса на 50-80°С, а затем формируют хвостовик и прибыли лопатки при температуре равной температуре ликвидуса или выше на 1-15°С. Способ обеспечивает получение плотной мелкозернистой структуры как в тонкостенном пере, так и в массивном замке лопатки.
Недостатком известного технического решения является сложность его реализации, обусловленная необходимостью использования расплавов для формирования разных элементов отливки с различными диапазонами температур.
Известен способ получения отливок с направленной структурой, включающий изготовление оболочковой литейной формы, установку в нее затравки, нагрев формы до температуры выше температуры ликвидуса жаропрочного сплава, заполнение формы расплавом при температуре, не превышающей температуру плавления затравки, и направленную кристаллизацию (RU 2043855, 1995). В известном техническом решении используют затравку в виде таблетки из гранулированного тугоплавкого материала, причем конфигурация соответствующей поверхности таблетки соответствует профилю донной части отливки.
Недостатком известного технического решения является сложность получения затравок, связанная с изготовлением пресс-форм для прессования затравок из металлического гранулированного материала.
Известен способ получения отливок с направленной структурой, включающий изготовление керамической литейной формы, содержащей последовательно расположенные затравочную полость, стартовую полость и формообразующую полость, размещение в затравочной полости затравки, нагрев формы, заполнение формы расплавом и направленную кристаллизацию (RU 2285580, 2006). В известном техническом решении конфигурация стартовой полости по сечению соответствует конфигурации формообразующей полости отливки, причем с размерами, превышающими размеры поперечного сечения основания отливки, а примыкающая к стартовой полости затравочная полость имеет сечение, превышающее размеры поперечного сечения стартовой полости. При этом затравочная полость и размещаемая в ней затравка имеют в сечении вид параллелограмма.
Недостатком известного способа при изготовлении турбинной лопатки, как наиболее сложной для получения заданной структуры отливки, является выполнение затравочной, стартовой и формообразующих полостей ступенчатыми в переходных сечениях, что приводит к снижению работоспособности лопатки в связи с выходом продольных границ столбчатых зерен, имеющих несовершенную структуру, на входную и выходную кромки как наиболее нагруженные участки отливки.
Наиболее близким по технической сущности и назначению к заявляемому изобретению является способ получения отливок с направленной структурой из жаропрочных сплавов, характеризующийся тем, что последовательно изготавливают заготовку из тугоплавкого материала для затравок путем литья в первую керамическую форму в вакуумной печи, разрезают изготовленную заготовку на отдельные тугоплавкие затравки, изготавливают вторую литейную керамическую форму, включающую донную часть, стартовую и формообразующую полости, размещают отдельную тугоплавкую затравку в донной части второй литейной керамической формы, нагревают вторую литейную керамическую форму до температуры выше температуры ликвидуса жаропрочного сплава, заполняют ее расплавом жаропрочного сплава и осуществляют направленную кристаллизацию в процессе получения отливки (RU 2411106, 2011). В известном техническом решении заготовку для затравок изготавливают с использованием формы с открытым дном, которую устанавливают на неохлаждаемый медный кристаллизатор. После охлаждения шлифуют контактировавшую с медным неохлаждаемым кристаллизатором поверхность заготовки на глубину зоны аморфных замороженных кристаллов, а затем осуществляют глубокое травление поверхностного слоя заготовки до образования в структуре рельефа выраженных границ между столбчатыми зернами кристаллов. Таким образом обеспечивают получение заготовки для затравок с регулярной направленно-кристаллической макроструктурой, каждое зерно которой является совершенным монокристаллом с кристаллографической ориентацией {001} с количеством зерен не менее пяти.
Существенными недостатками известного технического решения являются:
- сложность обеспечения плотного прилегания торцевой поверхности со стороны открытого дна у первой керамической формы к поверхности медного неохлаждаемого кристаллизатора в вакуумной печи при получении заготовки для затравок;
- выход продольных границ столбчатых зерен, имеющих несовершенную структуру, при литье лопатки ГТД, как наиболее сложной для получения заданной структуры отливки, на входную и выходную кромки лопатки, которые являются наиболее нагруженными участками отливки, что приводит к снижению ее качества;
- низкая производительность операции отливки заготовки для затравок, т.к. для изготовления затравок используется только часть заготовки, прилегающая к поверхности неохлаждаемого медного кристаллизатора;
- высокая трудоемкость подготовки заготовки для затравок, обусловленная необходимостью шлифования поверхности заготовки, контактировавшей с медным неохлаждаемым кристаллизатором на глубину зоны замороженных кристаллов, и глубокого травления.
Техническая проблема, решаемая заявляемым изобретением, заключается в повышении качества отливок.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в исключении выхода границ зерен на входную и выходную кромки в процессе литья лопатки ГТД при радиально-направленном расположении зерен в структуре материала затравки за счет формирования в профильной части отливки продольных столбчатых зерен с увеличенным поперечным сечением с направленной столбчатой структурой при одновременном повышении производительности и снижении трудоемкости процесса изготовления заготовок для затравок.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что при осуществлении способа получения отливок с направленной структурой из жаропрочных сплавов, характеризующегося тем, что последовательно изготавливают заготовку из тугоплавкого материала для затравок путем литья в первую керамическую форму в вакуумной печи, разрезают изготовленную заготовку на отдельные тугоплавкие затравки, изготавливают вторую литейную керамическую форму, включающую донную часть, стартовую и формообразующую полости, размещают отдельную тугоплавкую затравку в донной части второй литейной керамической формы, нагревают вторую литейную керамическую форму до температуры выше температуры ликвидуса жаропрочного сплава, заполняют ее расплавом жаропрочного сплава и осуществляют направленную кристаллизацию в процессе получения отливки, первую керамическую форму выполняют по меньшей мере с одной вертикальной цилиндрической формообразующей полостью с закрытым дном для изготовления заготовок с цилиндрической поверхностью, предварительно перед литьем заготовки для затравок наносят на вертикальную цилиндрическую формообразующую полость с закрытым дном кобальтосодержащий поверхностный модификатор, разрезают заготовку с цилиндрической поверхностью на отдельные тугоплавкие затравки перпендикулярно оси заготовки, а стартовую полость второй литейной керамической формы выполняют в виде усеченного конуса, большее основание которого переходит в формообразующую полость, а меньшее - в донную часть.
Существенность отличительных признаков способа получения отливок с направленной структурой из жаропрочных сплавов подтверждается тем, что:
- выполнение первой керамической формы по меньшей мере с одной вертикальной цилиндрической формообразующей полостью с закрытым дном для изготовления заготовок с цилиндрической поверхностью и предварительное нанесение перед литьем заготовки для затравок на вертикальную цилиндрическую формообразующую полость с закрытым дном кобальтосодержащего поверхностного модификатора обеспечивает формирование радиально-направленного расположения зерен в структуре материала затравки;
- разрезание заготовки с цилиндрической поверхностью на отдельные тугоплавкие затравки перпендикулярно оси заготовки позволяет повысить производительность способа и снизить высокую трудоемкость подготовки заготовки для затравок;
- выполнение стартовой полости второй литейной керамической формы в виде усеченного конуса, большее основание которого переходит в формообразующую полость, а меньшее - в донную часть, позволяет исключить выход границ зерен на входную и выходную кромки при литье лопатки ГТД за счет формирования в профильной части отливки продольных столбчатых зерен с увеличенным поперечным сечением с направленной столбчатой структурой.
Настоящее изобретение поясняется следующим подробным описанием способа получения отливок с направленной структурой из жаропрочных сплавов со ссылками на фигуры 1-4, где:
на фиг. 1 представлен вариант выполнения первой керамической формы для изготовления заготовок;
на фиг. 2 представлена схема выполнения второй литейной керамической формы для изготовления отливки;
на фиг. 3 представлена фотография тугоплавкой затравки;
на фиг. 4 представлена фотография макроструктуры тугоплавкой затравки и лопатки ГТД, изготовленной в соответствии с предлагаемым способом.
На фигурах 1-2 приняты следующие обозначения:
1 - первая керамическая форма;
2 - вертикальная цилиндрическая формообразующая полость с закрытым дном первой керамической формы;
3 - вторая литейная керамическая форма;
4 - формообразующая полость второй формы;
5 - стартовая полость второй формы в виде усеченного конуса;
6 - донная часть второй формы.
Способ получения отливок с направленной структурой из жаропрочных сплавов осуществляется следующим образом.
Последовательно изготавливают заготовки для затравок из тугоплавкого материала путем литья в первую керамическую форму 1 в вакуумной печи. Первую керамическую форму 1 выполняют по меньшей мере с одной вертикальной цилиндрической формообразующей полостью 2 с закрытым дном для изготовления заготовок с цилиндрической поверхностью. На фиг. 1 представлен пример выполнения многоместной первой керамической формы 1. Предварительно перед литьем заготовок для затравок наносят на вертикальную цилиндрическую формообразующую полость 2 с закрытым дном кобальтосодержащий поверхностный модификатор, например, оксид кобальта, алюминат кобальта, силикат кобальта. Полученные заготовки с цилиндрической поверхностью разрезают перпендикулярно оси заготовки на отдельные тугоплавкие затравки. Затем изготавливают вторую литейную керамическую форму 3, включающую последовательно расположенные формообразующую полость 4, стартовую полость 5 и донную часть 6 для размещения затравки (см. фиг. 2). Стартовую полость 5 второй литейной керамической формы 3 выполняют в виде усеченного конуса, большее основание которого переходит в формообразующую полость 4, а меньшее - в донную часть 6. Отдельную тугоплавкую затравку размещают в донной части 6 второй литейной керамической формы 3, затем нагревают вторую литейную керамическую форму 3 до температуры выше температуры ликвидуса жаропрочного сплава, заполняют ее расплавом жаропрочного сплава и осуществляют направленную кристаллизацию в процессе получения отливки.
Пример конкретного осуществления способа.
В процессе реализации предложенного способа была произведена отливка лопаток турбины ГТД с направленной структурой из жаропрочного сплава ЖС32.
Заготовки для затравок изготавливали из тугоплавкого материала НВ-4, соответствующего ТУ 1-92-112-87, где содержание Ni - 64-68%, а содержание W - 32-36%, литьем в вакуумной печи с использованием первой многоместной керамической формы с вертикальными цилиндрическими формообразующими полостями с закрытым дном для изготовления заготовок с цилиндрической поверхностью. При литье заготовок для затравок решалась задача формирования множества столбчатых зерен. На поверхности вертикальных цилиндрических формообразующих полостей с закрытым дном наносили слой кобальтосодержащего поверхностного модификатора, в качестве которого использовался оксид кобальта.
Экспериментальным путем было установлено, что при литье тугоплавкого материала системы Ni-W кобальтосодержащий модификатор на рабочей поверхности первой керамической формы способствует зарождению большого количества зерен на поверхности кристаллизующейся заготовки, но при этом растущие в расплаве зерна, в отличие от равноосных зерен при литье лопаток, имеют столбчатую морфологию с преимущественно радиальным направлением, причем практически по всей высоте в каждой заготовке. Особенность использования тугоплавких затравок, полученных из заготовок с такой структурой, состоит в том, что центрами кристаллизации служат ветви дендритов второго порядка, расположенные перпендикулярно осям радиально-направленных дендритов первого порядка (см. фиг. 3). В целом зарождение кристаллов с ориентацией близкой к {001} происходит от отдельных, вытянутых в радиальном направлении зерен затравки. Известно, что расстояние между осями дендритов второго порядка в 5-6 раз меньше по сравнению с расстоянием между осями дендритов первого порядка. Оси ветвей дендритов второго порядка имеют более высокую плотность по сравнению с плотностью осей дендритов первого порядка по прототипу (RU 2411106, 2011), что способствует повышению качества отливок за счет снижения размеров пор и суммарной пористости в процессе направленной кристаллизации.
2
2
В многоместной первой керамической форме одновременно осуществляли отливку 12 заготовок затравок диаметром 15 мм и длиной 200 мм. После механического удаления первой керамической формы полученные заготовки с цилиндрической поверхностью разрезали на отдельные тугоплавкие затравки перпендикулярно осям заготовок, толщина каждой из которых составляла 10 мм. Затем осуществляли обработку затравок в растворе HCl-HO и проводили визуальную проверку макроструктуры затравок, которая показала, что каждая полученная тугоплавкая затравка характеризуется радиально-направленной структурой, т.е. столбчатые зерна располагались перпендикулярно наружной поверхности тугоплавкой затравки. Количество затравок с качественной радиально-направленной структурой, полученных от одной заливки в первую керамическую форму, составило 180 шт.
После получения затравок изготавливали вторую литейную керамическую форму, включающую формообразующую полость, соответствующую профилю лопатки, и расположенные со стороны профильной части лопатки стартовую полость и донную часть, причем стартовая полость была выполнена в виде усеченного конуса с углом конусности около 60°, большее основание которого переходило в формообразующую полость, а меньшее - в донную часть.
Затравку устанавливали в донной части второй литейной керамической формы и закрепляли клеящей композицией. Затем вторую литейную керамическую форму размещали в нагревателе вакуумной установки, причем таким образом, чтобы распределение температур по высоте формы исключало полное расплавление затравки, а в донной части температура не превышала 1495°С. Форму нагревали в вакуумной печи до температуры выше температуры ликвидуса жаропрочного сплава, но ниже температуры плавления материала затравки, заполняли расплавом жаропрочного сплава и осуществляли направленную кристаллизацию путем опускания формы вместе с расплавом в ванну с расплавленным алюминием со скоростью 8 мм/мин. В процессе заливки расплава жаропрочного сплава происходило подплавление затравки и передача столбчатой структуры в отливку. Наличие стартовой полости в виде усеченного конуса в сочетании с затравкой, в которой отдельные зерна имеют радиально-направленную ориентацию, обеспечивает устойчивое формирование в зонах входной и выходной кромок профильной части отливки лопатки продольных столбчатых зерен с увеличенным поперечным сечением, причем границы зерен не выходят на входную или выходную кромки отливки лопатки. Формирование столбчатых зерен с увеличенным поперечным сечением, в отличие от тонкостолбчатых зерен, исключает возможность выхода продольных границ зерен в зоны входной и выходной кромок профильной части отливки лопатки со сложной геометрией.
2
2
Полученные отливки лопаток ГТД с затравками (см. пример на фиг. 4) подвергались травлению в растворе HCl-HO, после чего осуществлялось исследование их макроструктуры. При этом выход границ столбчатых зерен на входную или выходную кромки отливок лопаток отсутствует.
Таким образом, выполнение первой керамической формы по меньшей мере с одной вертикальной цилиндрической формообразующей полостью с закрытым дном для изготовления заготовок с цилиндрической поверхностью, предварительное нанесение перед литьем на вертикальную цилиндрическую формообразующую полость и дно кобальтосодержащего поверхностного модификатора и выполнение стартовой полости второй литейной керамической формы в виде усеченного конуса обеспечивает получение отливок лопаток ГТД с направленной столбчатой структурой при одновременном повышении производительности и снижении трудоемкости процесса изготовления заготовок для затравок.