УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВКИ С МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ
DEVICE FOR PRODUCTION OF CAST WITH MONO-CRYSTAL STRUCTURE

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано при получении монокристаллических отливок, например турбинных лопаток, проставок, створок, деталей сопловых аппаратов и т.д., современных ГТД и ГТУ из никелевых жаропрочных сплавов.
Известны конструкции литейных форм для получения монокристаллических отливок турбинных лопаток, в которых монокристаллическая структура зарождается от затравки, размещенной в специальном керамическом кармане формы или от затравки в комбинации с кристаллоотборником в виде спирального литникового хода (патенты EP №0127552, EP №0087379).
В данных устройствах проявляется недостаток питания в тонких сечениях, не позволяющий сформировать полностью монокристаллическую лопатку, то есть такую, в которой монокристаллическим является не только перо, но и замок с полкой. В результате при формировании структуры собственно лопатки происходит образование посторонних зерен в зоне полок, в частности по краям замковой полки.
Известно устройство для получения отливок с монокристаллической структурой, преимущественно турбинных лопаток, состоящих из пера, замковой полки, замковой и прибыльной частей, которое содержит формируемую послойным нанесением суспензии на модель керамическую оболочку, в основании которой выполнены последовательно затравочная полость с размещенной в ней монокристаллической затравкой заданной ориентации, коническая стартовая полость, соединенная с полостью формы, образующей отливку, и прибыльная часть, образующая питающую отливку в процессе направленной кристаллизации, которые расположены на одной оси с направлением температурного градиента (патент США №4714101).
Недостатком указанного устройства является трудность формирования структуры в полках лопатки, так как прорастание монокристалла в радиальном направлении относительно основного температурного градиента часто сопровождается появлением посторонних кристаллов, возникающих по краям полки, преимущественно со стороны входной и выходной кромок пера, что приводит к браку отливок и уменьшению выхода годного литья.
Наиболее близким к заявляемому является устройство для получения отливки монокристаллической турбинной лопатки заданной кристаллографической ориентации, состоящей из пера, замковой полки, замковой и прибыльной частей, содержащее керамическую форму, в основании которой выполнены последовательно затравочная полость с размещенной в ней монокристаллической затравкой заданной ориентации, коническая стартовая полость, соединенная с полостью формы, образующей отливку лопатки, причем керамическая форма снабжена дополнительными литниковыми ходами, соединяющими стартовую полость с замковой полкой (патент РФ №2239520).
Устройство позволяет получить полностью монокристаллическую отливку лопатки, однако на полках, имеющих также монокристаллическую структуру, имеется микрорыхлота, которая является браком и тем самым снижает выход годных лопаток. Кроме того, известное устройство не обеспечивает получение годных по структуре других монокристаллических отливок, таких как проставки, створки, детали соплового аппарата и т.д.
Технической задачей данного изобретения является разработка устройства, позволяющего увеличить выход годных монокристаллических отливок за счет снижения микропористости в тонких сечениях.
Для выполнения поставленной задачи предлагается устройство для получения отливки с монокристаллической структурой заданной кристаллографической ориентации, имеющей, по крайней мере, одну полку и прибыльную часть, содержащее керамическую форму, в основании которой выполнены последовательно затравочная полость с размещенной в ней монокристаллической затравкой заданной кристаллографической ориентации, коническая стартовая полость, соединенная с полостью формы, образующей отливку, и с литниковыми ходами, соединяющими стартовую полость и, по крайней мере, с одной полкой отливки, отличающееся тем, что полость формы, образующая отливку, и литниковые ходы выполнены под углом 10-45° к оси затравочной полости и прибыльной части, расположенным по направлению кристаллизации отливки.
Полки в виде тонких пластин, выполненных перпендикулярно полости отливки, составляют конструкцию отливки. Расположенные под прямым углом к направлению вытягивания формы из нагревателя они склонны к образованию микрорыхлоты, связанной с затрудненным питанием отливки, т.к. в данной области питание жидко-твердой зоны происходит только в радиальном направлении. В тонких сечениях кристаллизация проходит быстро, оси дендритов срастаются неравномерно и плотность отливки неодинакова. Ширина плотно закристаллизовавшейся зоны составляет 4-5 мм от вертикального столба металла, которым является сама отливка или питатель. Для устранения подобного брака при литье нужны большие припуски на механическую обработку, что затруднительно, учитывая сложную конфигурацию отливки. При наклоне отливки на угол 10-45° к расположенным по направлению кристаллизации затравочной полости и прибыльной части увеличивается время на формирование структуры полки, создается дополнительное металлостатическое давление в процессе кристаллизации, улучшается питание тонких сечений, что исключает появление микрорыхлоты. Эмпирическим путем установлено, что угол меньше 10° не дает нужного эффекта, а угол больше 45° технологически нецелесообразен.
На чертеже показан общий вид устройства для получения монокристаллических отливок в виде керамической формы.
1 - Затравочная полость с затравкой
2 - Стартовая полость
3 - Полость отливки
4 - Литниковые ходы
5 - Полки
6 - Прибыльная часть отливки
Монокристаллическая структура, зародившаяся от затравки, расположенной в затравочной полости 1, прорастает в стартовую полость 2, затем в полку 5, далее в полость отливки 3 и в боковые литниковые ходы 4, через которые структура прорастает к кромкам полки 5, препятствуя образованию в этих местах посторонних кристаллов, далее в прибыльную часть отливки 6.
Пример выполнения
Изобретение осуществляли при отливке турбинных, сопловых лопаток и створок с ориентацией [001] на установке высокоградиентной направленной кристаллизации УВНК-8П. Модели стартовых полостей и литниковых ходов изготавливали по отдельным пресс-формам. Сборку модели формы проводили вручную.
Готовые модели собирали блоками: на одной заливочной чаше по две модели, по стандартной технологии. В форму устанавливали затравку из сплава системы Ni-W-C, полученную методом ориентированной вырезки.
Отливка производилась из жаропрочного сплава ЖС36-ВИ по два блока в заливку.
Режим плавок: температура нижнего нагревателя 1600-1610°C,
температура верхнего нагревателя 1550-1570°C,
температура заливки сплава 1550-1560°C,
скорость вытягивания формы - 4-5 мм/мин.
Для экспериментальных плавок:
1. Модели рабочих турбинных лопаток, имеющие одну полку, собирали в блок под углом 25°.
2. Модели детали соплового аппарата, имеющие две полки, собирали в блок под углом 45°.
3. Модели детали проставки, имеющие множество тонких ребер жесткости в виде полок, собирали в блок под углом 10°.
4. Модели турбинных лопаток, имеющие две полки - замковую и бандажную, собирали в блок по прототипу.
После заливки собранных блоков и проведения операции травления по известной технологии все отливки подвергали визуальному контролю - на наличие или отсутствие посторонних кристаллов, рентгеновскому контролю на дифрактометре ДРОН-3 для определения точности передачи заданной кристаллографической ориентации от затравки к отливке и цветной дефектоскопии люминисцентному контролю на установке ЛЮМ-10B - для определения литейных дефектов, в частности микрорыхлоты.
Как показал визуальный, рентгеновский и ЛЮМа контроль полученных отливок, все отливки, собранные по примерам 1-3, имели монокристаллическую структуру [001] с точностью 5-7° и не имели микропористости на полках; отливки, собранные по прототипу (пример 4), имели монокристаллическую структуру [001] с точностью 5-7°, но на краях полок выявлен брак в виде микропористости. Выход годного по литью отливок, полученных с применением предлагаемого устройства, составил 98%, с применением устройства-прототипа - 50%.
Опробование предлагаемого устройства на промышленных установках направленной кристаллизации показало, что изобретение обеспечивает получение годных по структуре монокристаллических отливок, таких как проставки, створки, детали соплового аппарата и т.д., позволяет получать отливки с полностью монокристаллической структурой и значительно снижает брак по литейным дефектам, в частности по микропористости, что дает повышение выхода годных отливок по литью.