УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК С МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована при получении отливок с монокристаллической структурой из жаропрочных сплавов, в частности отливок турбинных лопаток двигателей и газотурбинных установок.
Известно устройство для получения монокристаллических отливок, содержащее керамическую оболочку со стартовой полостью, полостью кристаллоотборника в виде спирального литникового хода - геликоида, служащего для отбора одного кристалла из множества столбчатых зерен и полости для формирования отливки (патенты США №3519083, №4133368).
Однако применение такого устройства - оболочковой литейной формы без дна требует заливки расплава непосредственно на водоохлаждаемый холодильник, что создает значительные трудности при креплении формы на холодильнике. Кроме того, такое устройство позволяет получать отливки только с ориентацией [001] с точностью всего 10°-15°.
Известно также устройство для получения монокристаллических отливок, содержащее керамическую оболочку с полостью, в которой установлена затравка, соединенная литниковым ходом с полостью, образующей отливку (патент США №4714101).
Недостатком этого устройства является трудность получения в нем совершенных монокристаллов, связанная с тем, что при нагреве формы под заливку на затравке образуется налет, препятствующий передаче структуры к отливке.
Имеется также устройство для получения монокристаллических отливок, которое содержит керамическую оболочку, формируемую послойным нанесением керамической суспензии на модель, в которой выполнена
затравочная полость, расположенная в полости вставки - кристаллоотборника, полость со вставкой - кристаллоотборником и полость, образующая отливку (патент РФ №2080209).
Недостатком указанного устройства является трудность создания плотного соединения между торцом вставки - кристаллоотборника и верхом полости, где эта вставка размещается. В процессе направленной кристаллизации в этом зазоре могут образоваться посторонние кристаллы, прорастающие в полость отливки, в результате чего последняя бракуется
Наиболее близким к заявляемому является устройство для получения отливок с монокристаллической структурой заданной кристаллографической ориентации, содержащее керамическую оболочку, формируемую послойным нанесением керамической суспензии на модель, в которой выполнены последовательно затравочная полость с размещенной в ней монокристаллической затравкой заданной ориентации, полость со вставкой-кристаллоотборником и полость, образующая отливку. Затравочная полость расположена непосредственно в основании вставки-кристаллоотборника, при этом в верхней части вставки - кристаллоотборника выполнено гнездо обеспечивающее соосность вставки и модели при их сборке (патент РФ №2184010).
Однако соединение модели отливки, с моделью вставки, обычно изготовленных из парафина, осуществить достаточно сложно, так как предварительно выступ на модели отливки необходимо оплавлять, а при этом нарушается соосность отливки и вставки, а следовательно и точность ориентации отливки. Кроме того, соединение это недостаточно надежно и может разрушиться при последующих операциях изготовления формы.
Также при кристаллизации отливки возможно попадание металла в зазор между керамической вставкой-кристаллоотборником и внутренней стенкой полости керамической оболочки в которую помещается вставка-кристаллоотборник. Металл в зазоре кристаллизуется произвольно и
может первым попасть в полость отливки. В результате кристаллизация пойдет не по пути затравка-кристаллоотборникотливка заданной кристаллографической ориентации, а по пути посторонний кристалл-отливка произвольной ориентации, что приведет к браку отливки по структуре.
Технической задачей данной полезной модели является увеличение выхода годных монокристаллических отливок по структуре.
Для выполнения поставленной задачи предложено устройство для получения отливок с монокристаллической структурой заданной кристаллографической ориентации, содержащее керамическую оболочку формируемую послойным нанесением керамической суспензии на модель, образующую затравочную полость с размещенной в ней монокристаллической затравкой заданной ориентации, полость со вставкой-кристаллоотборником и полость, образующую отливку, причем затравочная полость выполнена в основании полости вставки-кристаллоотборника, отличающееся тем, что модель отливки жестко соединена с моделью полости вставки-кристаллоотборника посредством упрочняющего стержня, направление оси которого параллельно оси заданной кристаллографической ориентации отливки. Один конец упрочняющего стержня закреплен в центре модели полости вставки-кристаллоотборника, в верхней части которой выполнено углубление конической формы, а другой - в циллиндрическом отверстии, выполненном в нижней части модели отливки для обеспечения вертикальной соосности моделей при сборке. При нанесении керамической суспензии на коническое углубление образуется стенка, препятствующая проникновению постороннего кристалла в отливку.
Модель отливки выполнена отдельно от модели образующей затравочную полость и полость со вставкой-кристаллоотборником.
На упрочняющем стержне между верхней частью модели полости вставки-кристаллоотборника и нижней частью модели отливки, выполнено утолщение, с диаметром на 5-25% превышающим диаметр упрочняющего
стержня для облегчения извлечения упрочняющего стержня из модели после вытопки модельной массы. Образующегося зазора между формой и стержнем достаточно, чтобы последний легко извлекался из формы.
Диаметр цилиндрического отверстия соответствует диаметру упрочняющего стержня.
Упрочняющий стержень выполнен из материала с прочностью не менее 30 МПа. Наличие достаточно прочного стержня позволяет более точно выдерживать заданную кристаллографическую ориентацию, так как такой стержень не будет изгибаться в процессе сборки блока и изготовления самой формы.
На фиг.1 показан общий вид устройства для получения отливок с монокристаллической структурой, где: 1a - схема сборки моделей; 1б -  схема керамической формы;
1 - модель затравочной полости;
2 - модель полости вставки-кристаллоотборника;
3 - углубление конической формы;
4 - утолщение на упрочняющем стержне;
5 - упрочняющий стержень;
6 - отверстие для установки упрочняющего стержня в нижней части модели отливки;
7 - часть модели отливки;
8 - керамическая вставка-кристаллоотборник;
9 - затравка.
В нижней части модели отливки 7 в процессе прессования выполнено отверстие 6 для установки упрочняющего стержня 5. В отдельной пресс-форме выполняются как единое целое модель затравочной полости 1 и модель полости вставки-кристаллоотборника 2. В центр этих моделей запрессовывается упрочняющий стержень 5.
После этого свободная часть стержня 5 вставляется в отверстие 6
модели отливки и закрепляется там, например, жидкой модельной массой.
Для надежного упрочнения формы при нанесении керамической суспензии, удаления модельной массы и других операций, как показали эксперименты, достаточно прочности упрочняющего стержня на разрыв 30 МПа, т.е. можно использовать например, низколегированную сталь.
Далее форма изготавливается по обычной технологии.
После удаления модельной массы на месте углубления 3 на торце модели полости кристаллоотборника 2 в форме образуется керамический выступ.
После установки в форму керамической вставки-кристаллоотборника 8 с углублением и затравки 9 проводится процесс направленной кристаллизации. Конфигурация из двух конусов, возникающая на торцах вставки-кристаллоотборника и его полости, практически полностью исключает прорастание в отливку посторонних кристаллов, в результате чего резко возрастает выход годных отливок
Пример.
Полезная модель проверялась при отливке монокристаллических заготовок из нескольких жаропрочных сплавов: ЖС26У, ЖС36, ЖС-КС-1. Из этих сплавов отливались цилиндрические монокристаллические заготовки кристаллографической ориентации [001] и [111], диаметром 15 мм и длиной 170 мм. Для получения модели затравочной полости и полости вставки-кристаллоотборника была изготовлена пресс-форма, позволяющая получить полость для размещения затравки диаметром 12 мм и высотой 8 мм, полость для размещения вставки-кристаллоотборника диаметром 10 мм и высотой 18 мм с углублением конической формы диаметрами 2 и 6 мм и высотой 4 мм. В качестве упрочняющего стержня использовали проволоку из низколегированной стали диаметром 1,5 мм и длиной 35 мм. Для жесткого соединения модели затравочного узла и модели отливки в
последней сделано отверстие диаметром 1,5 мм и длиной 20 мм. Для выполнения утолщения на упрочняющем стержне в прессформе сделана расточка, позволяющая получить утолщение диаметром 2 мм и высотой 6 мм. Для получения монокристаллической структуры использовали затравки из Ni-W сплава диаметром 6 мм и высотой 5 мм и керамические вставки-кристаллоотборники диаметром 9 мм и высотой 12 мм. Отливка монокристаллических образцов проводилась на установке направленной кристаллизации УВНК-8П блоками по девять образцов в блоке.
Режим плавок: температура нижнего нагревателя -1600 -1610°С температура верхнего. нагревателя - 1550-1570°С температура заливки сплава - 1550-1560°С скорость вытягивания формы - 4-5 мм/мин.
Полученные монокристаллические заготовки после отливки протравливались в смеси плавиковой и азотной кислот для выявления макроструктуры. Кристаллографическая ориентация проверялась рентгеноструктурным методом на дифрактометре типа ДРОН-3.
Как показал визуальный и рентгеноструктурный контроль полученных отливок, все они имели монокристаллическую структуру заданной кристаллографической ориентации с точностью ~3°.
Опробование данного устройства в промышленных условиях при литье монокристаллических турбинных лопаток авиационных газотурбинных двигателей и стационарных установок показало, что оно обеспечивает повышение выхода годных отливок по структуре до 90-95%.