СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ С НАПРАВЛЕННОЙ И МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при литье изделий из никелевых жаропрочных сплавов, в частности лопаток ГТД и ГТУ.

Известны способы получения отливок из жаропрочных сплавов с направленной и монокристальной структурой в керамических оболочковых формах с использованием тугоплавких затравок заданной кристаллографической ориентации и затравок, выполненных из того же жаропрочного сплава, что и сплав отливки (пат. Франции 2531357, МКИ B 22 C 9/04; пат. США N 4412577, НКИ 164-122.2; N 4469160, НКИ 164-122.2; N 4548255, НКИ 164/361).

В патенте США 4417101 (НКИ 164-122.2) литейную форму изготавливают без дна и устанавливают на водоохлаждаемый холодильник, в специальном углублении которого располагают монокристальную затравку цилиндрической формы и закрепляют. После заливки расплава жаропрочного сплава затравка подплавляется и передает монокристальную структуру в отливку. Однако рост кристаллов может происходить одновременно и от затравки, и от холодильника. Несмотря на наличие фильтра, посторонние кристаллы могут прорастать в отливку. Необходимо предусмотреть дополнительные меры для повышения надежности передачи ориентации. Согласно патенту США 3857436 (НКИ 164-60) для получения монокристальных изделий из никелевых жаропрочных сплавов в специальную полость дна обожженной керамической формы, в так называемый затравочный карман, помещают механически обработанную затравку. Затравка фиксируется в затравочном кармане специальным металлическим замком. Для создания необходимого градиента температур на затравке используют специальный шток-холодильник. При таком способе сложно обеспечить, чтобы поверхности металлической затравки и керамической поверхности затравочного кармана плотно прилегали друг к другу.

Основным недостатком известных технических решений является сложность установки затравки в форме, чтобы обеспечить рост кристаллов только от затравки, что приводит к относительно невысокому выходу годного по макроструктуре.

Известно, что способы изготовления отливок из жаропрочных сплавов указанными способами могут отличаться температурой обжига оболочек, которая является определяющей характеристикой для достижения прочности и термостойкости керамики. Температуру обжига керамических оболочек выбирают в зависимости от гранулометрического состава шихты и вида связующего.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому и принятый за прототип является способ, изложенный в авт. свид. СССР N 863171 (B 22 D 27/04 от 15.09.81).

Согласно прототипу способ включает изготовление модели, в которую устанавливают монокристаллическую затравку, нанесение на модель и затравку многослойного керамического покрытия, удаление модели отливки, обжиг полученной керамической оболочки, размещение ее в нагревателе печи таким образом, чтобы распределение температур по высоте формы исключало полное расплавление затравки. Заливку расплава ведут в нагретую до температуры выше Т_лик керамическую форму, а направленную кристаллизацию - путем погружения в жидкометаллический охладитель. Перед перемещением керамической формы в жидкометаллический охладитель в него погружают выступающую часть затравки и выдерживают 1-5 мин.

После удаления модельной массы, сушки и прокалки получают керамический блок, дном которого является вделанная в бывшую модель затравка.

Недостатками известного способа являются отсутствие строгой кристаллографической ориентации отливок, от которой зависят служебные свойства сплава лопаток, а также невозможность получения крупногабаритных отливок с регламентированной структурой.

Технической задачей настоящего изобретения является улучшение служебных характеристик лопаток, а именно повышение пластичности, снижение модуля упругости, повышение термостойкости, что достигается использованием затравок заданной кристаллографической ориентации, а также обеспечение возможности получения крупногабаритных отливок лопаток с комбинированной структурой (монокристальными входной и выходной кромками и направленной структурой средней части пера).

Для реализации технической задачи предлагается способ изготовления отливок из жаропрочных сплавов с направленной и монокристаллической структурой, который включает изготовление модели отливки, установку в модель монокристаллической затравки, нанесение на модель и затравку керамического покрытия, удаление модели, обжиг полученной керамической формы, размещение оболочковой формы в нагревателе вакуумной установки таким образом, чтобы распределение температур по высоте формы исключало полное расплавление затравки, заливку расплава в нагретую форму с затравкой и направленную кристаллизацию путем перемещения формы с расплавом из зоны нагрева в зону охлаждения. В модель устанавливают монокристаллическую затравку с заданной кристаллографической ориентацией. Обжиг формы с затравкой осуществляют при температуре, составляющей (0,8-0,95) рабочей температуры жаропрочного сплава.

В модель могут быть установлены не менее 2-х вертикально расположенных монокристаллических затравок с заданной кристаллографической ориентацией и одной горизонтально расположенной затравки с равноосной структурой. Это позволит получать лопатки с комбинированной структурой в целях достижения оптимального комплекса свойств в одном изделии: максимальной жаропрочности и термостойкости кромок и высоких усталостных свойств средней части пера.

Повышение эксплуатационных характеристик лопаток достигается использованием затравок заданной кристаллографической ориентации.

Температура обжига форм зависит от вида и состава связующего и спекающих добавок. При нахождении в форме металлической затравки важно для сохранения ее работоспособности избежать сильного окисления последней при обжиге формы на воздухе. Так как сплав затравки при температурах 0,8-0,95 от рекомендованной к применению в рабочих лопатках окисляется незначительно, то этот диапазон приемлем для обжига форм.

При температурах обжига меньше 0,8 рабочей температуры сплава керамическая форма не приобретает достаточной прочности для последующего использования в процессе получения лопаток, а при температурах выше 0,95 рабочей температуры сплава происходит сильное окисление сплава затравок, что будет препятствовать получению нужной структуры отливки.

В предлагаемом способе в процессе формирования оболочковой формы керамическая суспензия плотно прилегает к свободной от модели части затравки и фиксирует ее в вершине стартовой полости керамической формы.

В процессе используют затравку из того же жаропрочного сплава, что и сплав отливки. При заливке формы расплавом при температуре выше температуры ликвидус сплава часть затравки расплавляется и передает заданную ориентацию в отливку через твердо-жидкую зону. Соответствие их кристаллических решеток облегчает передачу ориентации. Выбор длины затравки зависит от высоты твердо-жидкой зоны в данном процессе.

ПРИМЕР 1.

Предлагаемый способ осуществлялся в лабораторной установке В-1790. В стартовый конус модели лопатки впаивали металлическую затравку ориентации [001] из сплава Rene 5 с рабочей температурой 1150^oC. Размер затравки 2х2х40 мм. Глубина заделки затравки в модель составляла 6-8 мм. На остальной части затравки попадание модельной массы не допускалось. После этого на модель и на затравку наносили по стандартной технологии 8 слоев огнеупорного керамического покрытия. После удаления модельной массы форму обжигали в электрической печи при температуре 920^oC (0,8 Т_раб) в течение 4-х часов. Полученную керамическую форму с затравкой помещали в вакуумную печь В-1790 на специальной подвеске, соединенной с приводом вертикального перемещения. Форму нагревали до температуры 1520^oC. При этом положение формы в нагревателе выбирали так, чтобы температура в средней части затравки была 1340^oC. После выдержки формы при указанных температурах в течение 15 минут в нее заливали жаропрочный сплав Rene5 при температуре 1540^oC, а затем перемещали форму из зоны нагрева в зону охлаждения со скоростью 10 мм/мин. Полученная отливка имела монокристальную структуру [001]. Пластичность сплава Rene N 5 составила > 14%, при испытании на термостойкость по режиму 1100^oC ⇐⇒ 200^oC лопатки с кристаллографической ориетацией [001] выдержали 1500-2000 циклов. Термические напряжения, возникающие в лопатке, прямо пропорциональны модулю упругости сплава. Поэтому модуль упругости должен иметь минимальное значение и для ориентации [001] он равен 128 ГПа.

Выход годного 100%.

ПРИМЕР 2
Модель стартовой зоны широкохордной лопатки изготавливали со ступенчатой стартовой зоной. В области входной и выходной кромок были выполнены конические основания, в вершины которых были впаяны затравки с кристаллографической ориентацией [001] из сплава ЖС-32 с рабочей температурой 1100^oC размером 2х2х40 мм. Среднюю часть профиля модели удлинили на высоту стартовых конусов кромок плюс 10 мм. В основание средней части профиля горизонтально устанавливали затравку из нихромовой проволоки с равноосной структурой диаметром 2 мм. Форму обжигали при температуре 1050^oC (0,95 Т_раб). Прокаленную керамическую форму с затравками помещали в вакуумную печь В-1790, нагревали ее до температуры 1520^oC, заливали расплавом жаропрочного сплава ЖС-32, а затем проводили направленную кристаллизацию лопатки в жидкометаллический охладитель. Полученная отливка лопатки имела комбинированную структуру: монокристаллические кромки (ориентации [001]) и множество ориентированных столбчатых зерен в средней части пера для того, чтобы в процессе эксплуатации лопаток на двигателе предотвратить развитие зародившейся трещины в магистральную, приводящую к разрушению материала.

Предложенный способ изготовления отливок из жаропрочных сплавов с использованием монокристальных затравок с заданной кристаллографической ориентацией из того же жаропрочного сплава, установленных непосредственно в модель отливки, позволяет улучшить служебные характеристики лопаток (повышение пластичности, снижение модуля упругости и повышение термостойкости), а также позволяет получать крупногабаритные отливки с комбинированной структурой (направленной структурой средней части пера и монокристальными кромками заданной кристаллографической ориентации).