устройство для получения отливок с направленной и монокристаллической структурой

Формула изобретения

1. Устройство для получения отливок с направленной и монокристаллической структурой, содержащее вакуумную камеру, внутри которой размещена плавильная индукционная печь, печь подогрева форм с керамической формой, механизм перемещения формы, включающей шток и привод вертикального перемещения, и экран, разделяющий зону нагрева и зону охлаждения, отличающееся тем, что зона охлаждения представляет собой водоохлаждаемую емкость, имеющую донную часть и открытую в сторону зоны нагрева верхнюю часть.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что водоохлаждаемая емкость выполнена в виде усеченного конуса с меньшим нижним основанием.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что экран выполнен раздвижным в горизонтальной плоскости и состоит из секторов или сегментов, плотно прилегающих к керамической форме в течение всего процесса кристаллизации.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при получении отливок с направленной и монокристаллической структурой.

Известны устройства для направленной кристаллизации, включающие вакуумную камеру, внутри которой размещена зона нагрева керамических форм, система экранов, водоохлаждаемый, преимущественно медный, кристаллизатор, индукционная печь, система термопар для автоматического контроля и поддержания температуры в зоне нагрева и охлаждения (патенты США 3680625, 4804311, 4412577).

Известны также устройства для направленной кристаллизации, в которых зона охлаждения выполнена в виде емкости с расплавом легкоплавкого материала, который выполняет роль охлаждающей среды (патент США 3763926, 3915761, патент РФ 2010672 и др.).

Известны и устройства, в которых совмещены оба вышеперечисленные типы устройств, но они снабжены двумя приводами вертикального перемещения формы с отливкой, расположенными сверху и снизу вакуумной камеры, что существенно увеличивает их размер, усложняет обслуживание и эксплуатацию установок, снижает надежность их работы (Патент США 51975531, статья Singer R.F. " Directional amd Single Solidification Using LMC").

Наиболее близким является устройство по [1], принятое за прототип.

Согласно прототипу устройство содержит вакуумную камеру с нагревателем, внутри которого размещена керамическая форма, закрепленная на металлической водоохлаждаемой плите, перемещающейся вниз и вверх с помощью штока и привода вертикального перемещения. Зона нагрева и зона охлаждения разделена горизонтальным экраном. Концентрично с водоохлаждаемой плитой в зоне охлаждения установлена дополнительная кольцевая водоохлаждаемая полость с внутренним диаметром, превышающим максимальный размер формы. Внизу имеется сборник-утилизатор для улавливания жаропрочного сплава в случае разрушения керамической формы.

Все известные устройства, в т. ч. и по прототипу, могут работать только при наличии кристаллизатора, невозможно использовать установку для процесса направленной кристаллизации с жидкометаллическим охладителем, трудно решается вопрос утилизации дорогостоящего сплава в случае разрушения формы.

Технической задачей изобретения является получение отливок с направленной и монокристаллической структурой радиационным методом охлаждения без применения кристаллизатора, возможность легкой перестройки устройства для работы как по радиационному методу, так и методу с жидкометаллическим охлаждением, повышение надежности и экономичности работы установки.

Для выполнения технической задачи предлагается устройство, содержащее вакуумную камеру, внутри которой размещена индукционная плавильная печь, печь подогрева форм с керамической формой, механизмом ее перемещения и водоохлаждаемая емкость. Механизм перемещения формы представляет собой шток, на котором закрепляется форма с помощью подвески и регулируемый привод вертикального перемещения, расположенный над вакуумной камерой. Водоохлаждаемая емкость выполнена в виде усеченного конуса, верхняя часть которой открыта в сторону зоны нагрева, а нижняя донная часть имеет меньшее основание. Зона нагрева и зона охлаждения разделены экраном, раздвигающимся в горизонтальной плоскости и плотно прилегающим к форме в процессе кристаллизации и состоящим из сегментов или секторов (не менее 2-х с каждой стороны).

Схема устройства представлена на чертеже, где 1 - керамическая форма, 2 - подвеска, 3 - шток, 4 - нагреватель печи подогрева форм, 5 - тепловой экран, 6 - водоохлаждаемая емкость, 7 - жаропрочный сплав, 8 - стартовая зона с затравкой

Устройство работает следующим образом.

Форму 1 располагают в подвеске 2 и закрепляют на перемещающемся штоке 3. С помощью привода форму помещают в нагреватель 4, регулируя местоположение формы относительно нагревателя. Под нагревателем располагают тепловой экран 5, к нижней поверхности которого прилегает торец водоохлаждаемой емкости 6, устанавливаемый соосно с нагревателем. В вакуумной камере создается вакуум 110^-3 мм рт. ст. Включается печь подогрева форм. При достижении температуры на форме, превышающей на 100 - 150^oC температуру ликвидус сплава, включается индукционная печь, в которой расплавляется жаропрочный сплав 7 и при заданной температуре заливается в нагретую керамическую форму. После чего включают привод вертикального перемещения и опускают форму из зоны нагрева в зону охлаждения с требуемой скоростью. Кристаллизация сплава происходит радиационным излучением на холодные стенки водоохлаждаемой емкости, благодаря чему можно получать протяженные слитки с направленной структурой.

После того, как форма с отливкой опустится на всю высоту, нагреватель выключают и при снижении температуры до 300 - 400^oC форму с закристаллизовавшейся отливкой извлекают из установки, предварительно развакуумировав ее. Далее процесс повторяется с другой формой.

Для получения лопаток с монокристаллической структурой заданной ориентации в вершину стартовой зоны 8 керамической формы, перед размещением ее в вакуумной камере, устанавливают монокристаллическую затравку нужной ориентации и затем строго фиксируют местоположение формы относительно нагревателя. В этом случае роль холодильника играет затравка и закристаллизовавшаяся часть стартовой зоны, дальнейшая кристаллизация сплава происходит радиационным излучением, как в описанном выше случае. Это дает возможность отказаться от водоохлаждаемой плиты, заменив ее водоохлаждаемой емкостью, эффективность которой не уступает эффективности водоохлаждаемой плиты и водоохлаждаемого кольца прототипа, но не требует сложного устройства привода с вакуумными уплотнениями.

Для повышения осевого температурного градиента на фронте затвердевания отливки используют тепловой экран 5, перемещающийся в горизонтальной плоскости, плотно прилегающий к керамической форме в соответствии с ее геометрией в течение всего процесса направленной кристаллизации. Экран выполнен в виде сегментов или секторов, не менее двух с каждой стороны формы.

В предлагаемом устройства охлаждаемая емкость может эффективно играть роль утилизатора в случае разрушения формы, а пролившийся дорогостоящий сплав может быть легко изъят из конической емкости и вновь переплавлен.

Применение предложенного устройства позволит получать качественные отливки с направленной и монокристаллической структурой, в т. ч. и крупногабаритные, радиационным методом охлаждения без применения кристаллизатора, легко перестраиваться на метод с жидкометаллическим охлаждением, успешно использовать устройство в качестве утилизатора при разрушении формы и повысить надежность и экономичность работы установки.