УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК С МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использовано при получении монокристаллических деталей современных турбин ГТД и ГТУ из никелевых жаропрочных сплавов.
Известно устройство для получения монокристаллических отливок турбинных лопаток, включающее конструкцию литейной формы для получения монокристаллических отливок с применением затравки. В соответствии с изобретением зарождение монокристаллической структуры заданной ориентации происходит от затравки установленной в специальную полость в дне холодильника формы. Форма укрепляется на холодильнике специальными болтами. В дне формы выполнена полость, превышающая по размеру затравку, а от этой полости идет прямой литниковый ход подводящий структуру к полости отливки через промежуточную (стартовую) полость. Для предотвращения полного растворения затравки при заливке металла в форму вокруг затравки выполняют керамическое кольцо (патент США №4714101).
Недостатком данного устройства является то, что при нагреве формы под заливку на рабочем торце затравки, как правило, образуется керамический налет из-за взаимодействия керамики формы и графитового теплового узла. Указанные налеты затрудняют передачу монокристаллической структуры отливке, в результате чего в отливке появляются посторонние зерна и блочность.
Известно устройство для получения монокристаллических отливок заданной ориентации, в котором затравка также устанавливается непосредственно на поверхности холодильника формы, при этом затравка ничем не экранируется от объема внутренней части формы, в результате чего налеты субокислов кремния и алюминия свободно попадают на ее рабочий торец, что приводит к браку отливки по структуре (ЕР №0127552).
Наиболее близким к заявляемому является устройство для получения отливок с монокристаллической структурой, которое содержит формируемую послойным нанесением суспензии на модель керамическую форму, в основании которой последовательно выполнены затравочная полость с размещенной в ней керамической затравкой, кристаллоотборник в виде спиралевидного литникового хода и коническая стартовая полость соединенная с полостью формы, образующей отливку (США №4,475,582).
Недостатком указанного устройства является неполное экранирование рабочего торца затравки от оксидных налетов при нагреве формы под заливку. Это связано с тем, что диаметр кристаллоотборника (геликоида) в месте контакта с затравочной полостью составляет 3-5 мм, в то время как наиболее эффективное экранирование затравки от налетов достигается при выполнении спирального кристаллоотборника диаметром 1 мм и менее. Выполнить его таким диаметром не удается, так как при нанесении суспензии на модель в процессе изготовления формы кристаллоотборник будет отламываться вместе с моделью затравочной полости. Все эти недостатки снижают выход годных по макроструктуре монокристаллических отливок.
Технической задачей данной полезной модели является создание устройства для получения отливок с монокристаллической структурой с повышенным по структуре выходом годного за счет уменьшения или исключения образования оксидных налетов на рабочем торце затравки при нагреве формы с затравкой под заливку металла в печи направленной кристаллизации.
Для выполнения поставленной задачи предлагается устройство для получения отливок с монокристаллической структурой заданной кристаллографической ориентации, включающее формируемую послойным нанесением суспензии на модель керамическую форму, в основании которой выполнены последовательно затравочная полость с размешенной в ней затравкой заданной ориентации, кристаллоотборник в виде спиралевидного литникового хода и коническая стартовая полость, соединенная с полостью формы, образующей отливку, отличающееся тем, что в затравочной полости между затравкой заданной ориентации и кристаллоотборником расположена медная прокладка, площадь которой в 1,5-3,5 раза больше площади кристаллотборника в месте примыкания его к прокладке.
Предлагаемое устройство позволяет увеличить выход годного по структуре за счет того, что медная прокладка - фольга, устанавливаемая в форму, экранирует поверхность затравки в процессе нагрева формы под заливку в установке для направленной кристаллизации. При заливке металл смывает медь, расплавленную и растекшуюся по поверхности тугоплавкой затравки, таким образом место контакта металл-затравка остается чистым от окислов. Металл надежно контактирует с затравкой и передает структуру отливке.
На фиг 1 показан общий вид устройства для получения монокристаллических отливок
1. Керамическая форма
2. Затравочная полость
3. Затравка заданной ориентации
4. Медная прокладка
5. Кристаллоотборник
6. Коническая стартовая полость
7. Полость формы, образующая отливку
В керамической форме 1 расположена затравочная полость 2 с затравкой заданной ориентации 3, от которой идет кристаллоотборник 5. В нижнюю часть затравочной полости 2, перед установкой затравки 3, помещается медная прокладка 4 площадь которой в 1,5-3,5 раза больше площади кристаллотборника в месте примыкания его к прокладке. При нагреве формы под заливку, медная прокладка лежит на поверхности затравки 3, предохраняя рабочий торец от оксидных налетов. После заливки металла расплавленная медная прокладка смывается, не препятствуя передаче структуры от затравки к отливке.
2
Полезная модель проверялась при отливке цилиндрических монокристаллических заготовок образцов и турбинных лопаток с кристаллографической ориентацией [001] на установке высокоградиентной направленной кристаллизации УВНК-9А. Модель затравочной полости и спирального кристаллоотборника вместе со стартовым конусом изготовлялась по специальной пресс-форме. В затравочную полость помещалась медная прокладка в виде кусочка медной фольги 5×5 мм и толщиной 1,5 мм, а затем устанавливалась затравка кристаллографической ориентации [001] по обычной технологии. Диаметр кристаллоотборника примыкающего к затравке составлял Змм. Площадь медной прокладки составляет 25 мм, что больше площади кристаллоотборника, в месте примыкания в 3,5 раза.
Отливка монокристаллических образцов и лопаток из жаропрочного сплава ВЖМ5У производилась блоками по девять образцов или шесть лопаток 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.
Как показал визуальный и рентгеновский контроль полученных отливок, все они имели монокристаллическую структуру заданной ориентации с точностью 3-5°. Выход годных по структуре отливок составил 98%.
По этой же технологии были отлиты монокристаллические образцы и лопатки с применением устройства по прототипу. Выход годных по структуре отливок составил 80%.
Опробование предлагаемого устройства на промышленных установках направленной кристаллизации показало, что оно значительно упрощает технологический процесс монокристаллического литья и обеспечивает повышение выхода годных отливок по структуре до 98%.
Таким образом, применение предлагаемого устройства позволит получать монокристаллические турбинные лопатки с повышенным выходом годного, обеспечивающие повышенный ресурс и надежность газотурбинных двигателей и газотурбинных установок.