СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЯ ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ
METHOD OF PRODUCING ARTICLES FROM HEAT RESISTANT MONOCRYSTALLINE NICKEL ALLOYS

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при литье методом направленной кристаллизации крупногабаритных длинномерных отливок для газотурбинных установок и двигателей (ГТУ и ГТД) из монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов, работающих при температуре 1500°C.
Крупногабаритные отливки деталей ГТД и ГТУ, такие как лопатки, створки, проставки, имеют одну общую геометрическую особенность, а именно один из трех параметров, определяющих геометрические размеры отливки (высота, ширина, толщина), существенно больше двух других.
Известней способ для получения отливок из жаропрочных сплавов с однонаправленной и монокристаллической структурой, в котором литейная форма с расплавом установлена на неподвижном водоохлаждаемом холодильнике, а направленная кристаллизация осуществляется за счет плавного уменьшения температуры на нагревателе, состоящем из расположенных друг над другом секций, от холодильника к верхней части отливки (патент США № 3260505).
z
z
Недостатком этого способа является низкая интенсивность радиационного теплоотвода от литейной формы и, как следствие, невозможность получения достаточно высокого аксиального температурного градиента G, который составляет для крупных отливок турбинных лопаток 1,5-2°C/мм. Низкий температурный градиент G определяет малую скорость вытягивания формы из нагревателя (не более 2-3 мм/мин), что замедляет процесс направленной кристаллизации. Кроме того, в крупногабаритной отливке из-за большой ее высоты (300-500 мм и более) возникает высокое металлостатическое давление, которое, продолжительное время воздействуя на литейную керамическую форму, деформирует (раздувает) ее, в литейной форме возникают трещины, по которым уходит металл или происходит ее полное разрушение.
z
Кроме того, на крупногабаритных отливках из-за малой величины G возникают ростовые дефекты в виде полос струйчатой ликвации, которые являются однозначным браковочным признаком.
z
Известен также способ получения монокристаллических отливок из никелевых жаропрочных сплавов, обеспечивающий получение высокого градиента G, а значит, и устранение полос струйчатой ликвации, за счет увеличения интенсивности теплоотвода от литейной формы. Это достигается путем перемещения формы из нагревателя в расположенную под ним емкость с жидкометаллическим охладителем - расплавом легкоплавкого металла, например олова или алюминия (патент РФ № 2093305).
Дефекты типа струйчатой ликвации при этом практически полностью отсутствуют, однако деформация формы, приводящая к искажению геометрии отливки или к полному разрушению керамической формы, сохраняется. Чтобы частично исключить данный недостаток, для крупногабаритных отливок используется сложная система подвески литейного блока в нагревателе, которая разгружает керамику от растягивающих напряжений, вызванных весом залитого в форму металла. Такая система повышает надежность работы, но значительно усложняет конструкцию установки и не дает полной гарантии от разрушения формы в процессе кристаллизации, т.к. разрушение блоков связано с металлостатическим давлением, возникающим в основании блока из-за большой суммарной высоты керамической формы (высоты отливки плюс высота прибыли плюс высота стартового конуса). В результате после заливки форму «раздувает», в ней возникают трещины, по которым и уходит металл.
Наиболее близким по технической сущности и назначению к заявленному является способ получения крупногабаритных изделий из жаропрочных монокристаллических никелевых сплавов, принятый за прототип.
L
зал
крист
Согласно способу, предложенному в прототипе, литейную керамическую форму, состоящую из расположенных последовательно друг над другом стартовой полости, в которой происходит формирование требуемой ростовой структуры отливки, полости, формирующей отливку, и прибыльной части, нагревают до заданной температуры, а расплавленный и нагретый выше температуры ликвидус (T) жаропрочный сплав непрерывно заливают в форму, одновременно осуществляя процесс направленной кристаллизации, который осуществляется радиационным методом за счет перемещения керамической формы из зоны нагрева в расположенную под ней зону охлаждения, причем скорость заливки расплава равна скорости его кристаллизации V=V=2-5 мм/мин. Высота зоны расплавленного металла, одномоментно находящегося в литейной форме, невелика и, следовательно, деформации керамической формы при литье крупногабаритных отливок не происходит (патент США № 5309976).
Недостатком способа является то, что способ трудно осуществить, т.к. объем сливаемого расплава слишком мал для осуществления непрерывной заливки в течение всего времени кристаллизации крупногабаритной отливки, поэтому неизбежны многократные разрывы струи заливаемого расплава. При разрыве струи металла образуется плена, являющаяся источником зарождения «паразитных» кристаллов, что является однозначным браковочным признаком.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа получения крупногабаритных длинномерных (более 250 мм) изделий из жаропрочных монокристаллических никелевых сплавов с направленной и монокристаллической структурой, обладающих повышенной размерной точностью, с высоким выходом годного по литью и структуре.
2
Предложенный способ получения изделия из жаропрочных монокристаллических никелевых сплавов, включающий нагрев керамической формы, состоящей из стартовой полости, полости, формирующей отливку, и прибыльной части, до заданной температуры, расплавление и нагрев сплава выше температуры ликвидус в плавильном тигле, заливку расплава в керамическую форму и направленную кристаллизацию путем перемещения керамической формы из зоны нагрева в зону охлаждения с заданной скоростью, отличающийся тем, что перемещение керамической формы осуществляют в горизонтальном направлении из зоны нагрева в зону охлаждения, расположенные последовательно на одной плоскости, стартовую полость и полость, формирующую отливку, располагают под углом 90-120° относительно прибыльной части. Кристаллизацию осуществляют радиационным методом при металлостатическом давлении в форме 5-25 г/см.
Стартовая полость керамической формы снабжена затравкой заданной кристаллографической ориентации.
x
z
2
Существенным отличием предложенного способа является то, что заливку расплава осуществляют через прибыльную часть керамической формы, установленную вертикально, в полость керамической формы, формирующую собственно отливку и полость стартового конуса, расположенные в установке в горизонтальном положении; процесс направленной кристаллизации ведут в горизонтальном направлении, создавая градиент температур G, вместо G, что исключает разрушение керамической формы вследствие воздействия металлостатического давления расплава на стенки керамической формы, а также нарушение геометрических размеров керамической формы вследствие ее распирания. Изделие типа лопатки ГТД имеет к тому же сложную геометрию: тонкое сечение пера, более толстый замок, развитые полки и возможность расположить полость керамической формы, формирующую собственно отливку под углом 90-120°, относительно вертикально установленной прибыльной части (под небольшим углом к горизонтали), в пространстве печи, повысить металлостатическое давление в нужном сечении отливки, например в полке лопатки, и дает дополнительную возможность получить более плотную структуру. Увеличение угла наклона более чем на 120° не целесообразно, т.к. повышает металлостатическое давление в форме. Экспериментально установлено, что металлостатическое давление в керамической форме для получения длинномерной, тонкостенной отливки при ее горизонтальном расположении составляет 5-25 г/см, что на порядок меньше металлостатического давления в вертикально установленной форме, поэтому сила, ведущая к разрыву стенок формы, стремится к нулю.
На чертеже представлена схема керамической формы, расположенной в установке для направленной кристаллизации.
Пример осуществления
Для направленной кристаллизации были использованы керамические формы изделий типа лопаток ГТД и проставок длиной 260-400 мм и жаропрочный никелевый сплав типа ЖС36 с температурой плавления 1380°C. Процесс направленной кристаллизации осуществляли в специализированной установке для направленной кристаллизации. Керамические формы изготавливали по серийной технологии.
Учитывая геометрические особенности изделия типа лопатки ГТД, керамическую форму для ее отливки собирали таким образом, чтобы угол разворота между полостью, формирующей собственно лопатку, и прибыльной частью, устанавливаемой вертикально, составлял 120°.
Жаропрочный сплав предварительно загружали в плавильный индукционный тигель (1), керамическую форму (2) суммарной длиной 450 мм помещали в печи подогрева форм (3) и закрепляли на подвижном штоке механизма перемещения таким образом, чтобы заливку металла в форму вести через прибыльную часть (4), расположенную под плавильным индукционным тиглем. Камеру печи вакуумировали, включали нагрев печи подогрева форм, при рабочей температуре на форме 1580-1600°C жаропрочный сплав плавили в плавильном индукционном тигле, далее наклоняли тигель и сливали расплав через прибыльную часть в нагретую керамическую форму, заполняя полость керамической формы, формирующую собственно лопатку, и стартовую полость (5), снабженную затравкой (6) заданной кристаллографической ориентации [001].
x
2
Керамическую форму с заданной скоростью (R=4 мм/мин) выдвигали из печи подогрева форм в зону охлаждения, создавая радиационный градиент температур G, за счет чего осуществляли процесс направленной кристаллизации. Градиент температур, создаваемый на форме, достаточен для передачи ориентации от затравки к отливке, формируемой полостью керамической формы и начала формирования монокристаллической структуры. Металлостатическое давление, действующее на керамическую форму, в этом случае определяется толщиной стенок лопатки и равно 5 г/см.
В результате было получено изделие типа лопатки ГТД длиной 300 мм с монокристаллической структурой [001] без разрушения керамической формы и нарушения геометрии отливки. Выход годного по литью составил 100%, по структуре - 90%.
По аналогичной технологической схеме была проведена отливка изделия типа проставки длиной 400 мм с направленной структурой. Учитывая геометрические особенности изделия типа проставки, керамическую форму для ее отливки собирали таким образом, чтобы угол разворота между полостью, формирующей собственно лопатку, и прибыльной частью, устанавливаемой вертикально, составлял 90°.
2
Жаропрочный сплав заливали из плавильного тигля через заливочную чашу в прибыльную часть керамической формы заполняя полость керамической формы формирующую собственно проставку. Кристаллизацию начинали после заполнения керамической формы расплавом, выдвигая ее из печи подогрева форм в зону охлаждения со скоростью перемещения (R=4 мм/мин). Градиент температур, создаваемый на форме, достаточен для создания и роста направленной структуры проставки. Металлостатическое давление, действующее на керамическую форму, в этом случае определяется толщиной стенок проставки и равно 25 г/см.
В результате были получены изделия типа проставки длиной 400 мм с направленной структурой, без разрушения керамической формы и нарушения геометрии детали, с выходом годного по литью и структуре 100% (20 залитых проставок по 4 шт. на блок).
2
По способу прототипа получали отливку изделия типа проставки длиной 400 мм, в котором керамическую форму подвешивали в печи подогрева форм вертикально, зона охлаждения была расположена под зоной подогрева форм, а перемещение заполненной расплавом формы происходило сверху вниз, создавая градиент температур и условия для осуществления направленной кристаллизации. В результате заливки и в процессе кристаллизации керамическая форма разрушилась, что связано с избыточным металлостатическим давлением. Металлостатическое давление, действующее на керамическую форму, в этом случае определяется высотой отливки проставки и равно 600 г/см. Выход годного по прототипу - 0%.
Таким образом, применение предлагаемого способа позволит получать изделия типа крупногабаритных длинномерных отливок из монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов, применяемых в двигателестроении для ГТУ и ГТД с направленной и монокристаллической структурой заданной кристаллографической ориентации, требуемых геометрических размеров и с высоким выходом годного.