Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК С НАПРАВЛЕННОЙ И МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при получении отливок с направленной и монокристаллической структурой, в частности при литье лопаток ГТД и ГТУ.

Известны устройства для получения лопаток с направленной и монокристальной структурой в вакуумной установке, состоящей из нагревателя, внутри которого на водоохлаждаемом кристаллизаторе располагается керамическая форма, и после заливки расплавом ее вытягивают в зону охлаждения. (Патент Франции N 2531357, кл. В 22 С 9/04; патенты США N 3857436, кл. 164/60; N 3939895, кл. 164/60; N 5611389, кл. 164/122.2; N 5197531, кл. 164/122.1). Основными недостатками таких устройств являются низкие скорости кристаллизации, длительный цикл производства, ограничения длины отливки.

Известны устройства для получения отливок с направленной и монокристальной структурой, в которых кристаллизатор представляет собой ванну с жидкометаллическим расплавом, расположенную под нагревателем установки (Патент США 3690367, кл. 164/335; РСТ WO 9605006 - В 22 D 27/04; патент СССР 1833581 - В 22 D 27/04). Залитую расплавом керамическую форму погружают в жидкометаллический кристаллизатор с заданной скоростью. В таких устройствах реализуются широкий диапазон скоростей кристаллизации отливок и высокие температурные градиенты на фронте кристаллизации, обусловленные конвективным теплообменом между отливкой и расплавом. Количество легкоплавкого расплава в ванне при этом может колебаться от нескольких кг до 1,5 тонн в зависимости от габаритов отливки. Недостатком устройств такого класса являются большой расход электроэнергии, необходимый для расплавления кристаллизатора, инерционность системы, а также опасность загрязнения кристаллизатора в случае разрушения формы.

Наиболее близким по технической сущности является устройство по патенту РФ 2117550 (В 22 D 27/04), принятое нами за прототип.

Согласно прототипу устройство представляет собой вакуумную камеру, внутри которой располагаются плавильная индукционная печь, печь подогрева форм, керамическая форма и механизм ее перемещения. Вокруг нагревателя имеется теплоизоляция. Зона охлаждения, которая отделяется от зоны нагрева раздвижным в горизонтальной плоскости экраном, представляет собой водоохлаждаемую емкость в виде усеченного конуса, имеющую донную часть и открытую в сторону зоны нагрева верхнюю часть. Нагретую форму заливают расплавом жаропрочного сплава и после выдержки вытягивают в водоохлаждаемую емкость через плотно облегающий экран.

Недостатком изобретения является недостаточно высокий градиент на фронте кристаллизации при радиационном излучении на холодные стенки емкости в процессе направленной кристаллизации крупногабаритных отливок, приводящий к снижении выхода годного.

Технической задачей данного изобретения является повышение градиента температур на фронте кристаллизации, снижение энергозатрат, повышение выхода годного по структуре.

Для выполнения поставленной задачи предлагается устройство для получения отливок с направленной и монокристаллической структурой, которое включает вакуумную камеру, внутри которой размещают индукционную печь, печь подогрева форм с наружной теплоизоляцией, керамическую форму, механизм перемещения формы, раздвижной экран, разделяющий зону нагрева и зону охлаждения, водоохлаждаемую емкость с полостью для циркуляции воды, имеющую донную часть и открытую в сторону зоны нагрева верхнюю часть. При этом верхняя часть водоохлаждаемой емкости снабжена водоохлаждаемой крышкой с отверстием для прохождения формы, внутри полости для циркуляции воды водоохлаждаемых емкости и крышки размещены трубки для подачи инертного газа в отверстие крышки, а в нижней части наружной теплоизоляции по периметру печи подогрева форм над экраном размещены трубки для отвода инертного газа, выходы которых объединены в замкнутый кожух. Трубки для отвода инертного газа, расположенные в теплоизоляции, выполнены из графита, углерод-углерода или керамического материала. Водоохлаждаемая крышка может состоять из одной или более составных частей.

На чертеже представлен вертикальный разрез части предлагаемого устройства:
1 - печь подогрева форм,
2 - керамическая форма,
3 - теплоизоляция,
4 - раздвижной в горизонтальной плоскости экран,
5 - водоохлаждаемая емкость с крышкой,
6 - крышка водоохлаждаемой емкости с отверстием,
7 - трубки для подачи инертного газа,
8 - трубки для отвода инертного газа,
9 - замкнутый кожух вокруг теплоизоляции.

Обдув керамической формы охлажденным инертным газом в момент прохождения ее через экран и отверстие водоохлаждаемой крышки емкости позволяет повысить температурный градиент на фронте кристаллизации сплава отливки за счет повышения теплоотдачи от поверхности отливки. Кроме того, водоохлаждаемая крышка емкости обеспечивает больший перепад температур при переходе из горячей зоны печи подогрева форм в зону охлаждения и позволяет направить поток инертного газа точно в зазор раздвигающегося экрана. Устройство рекомендовано при литье крупногабаритных отливок, в частности лопаток ГТУ и ГТЭ с направленной и монокристальной структурой.

Устройство было опробовано следующим образом.

На лабораторной установке В-1790 была установлена пустая водоохлаждаемая емкость 5 с крышкой 6, в полости которой для циркуляции воды расположены трубки для подачи инертного газа 7. Аргон подавали по трубкам через понижающий редуктор из баллона, находящегося вне печи. Керамическая форма 2 с помощью специальной подвески устанавливалась внутри рабочего пространства печи подогрева форм 1, вокруг которого расположена наружная теплоизоляция 3. В плавильный тигель загружали мерную шихтовую заготовку жаропрочного сплава ЖС6У. В установке создавали вакуум 1•10³ мм рт.ст. Керамическую форму 2 нагревали до температуры 1540^oC и выдерживали. После расплавления жаропрочного сплава и его заливки керамическую форму с расплавом выводили из зоны нагрева в зону охлаждения со скоростью 8 мм/мин.

Через 3 минуты после начала перемещения формы с расплавом в зону охлаждения подавали инертный газ под раздвигающийся по программе в горизонтальной плоскости экран 4 в отверстие крышки 6 по трубкам 7. Газ, омывая форму дополнительно к теплопередаче излучением, отбирает тепло от формы в зоне фронта кристаллизации, увеличивая тем самым скорость охлаждения отливки. Чтобы подаваемый инертный газ не снижал температуру нагревателей, его сразу же над верхней поверхностью экрана 4 откачивали из рабочего пространства многозонного нагревателя через алундовые трубки 8, расположенные в нижней части наружной теплоизоляции 3 по периметру, выходы которых объединены в замкнутый вокруг теплоизоляции кожух 9, соединенный с вакуумным насосом. Диффузионный насос отключали, подключали специальный насос для непрерывной откачки газа, обдувающего форму снизу. Количество трубок круглого или прямоугольного сечения зависит от объема подаваемого инертного газа. Так как они расположены в горячей зоне печи, то должны быть выполнены из графита, C-C или другого огнеупорного материала. После окончания кристаллизации подачу газа прекращали, нагреватель сопротивления отключали, развакуумировали камеру печи и форму извлекали из печи. После травления полученная отливка была признана годной в соответствие с техусловиями без поверхностных карбидов и ликвационных струйных полос (фреклов).

Технико-экономический эффект от использования предлагаемого устройства состоит в том, что не требуется дополнительного расхода электроэнергии для расплавления жидкометаллического охладителя, сокращается общий цикл производства отливок, повышается надежность работы оборудования, так как жаропрочный сплав, попавший в емкость в результате разрушения керамической формы, может быть быстро удален из нее.

Предлагаемое устройство рекомендуется для производства крупногабаритных лопаток ГТЭ и ГТУ с регламентированной (направленной, монокристаллической) макроструктурой и позволит повысить выход годного по макроструктуре на 10-15% за счет повышения скорости охлаждения отливок.