способ получения отливок с монокристаллической структурой и изделие, полученное этим способом

Формула изобретения

1. Способ получения отливок с монокристальной структурой, включающий размещение в полости литейной формы монокристаллической затравки, выполненной из сплава на основе никеля, нагрев формы, заливку расплава в полость литейной формы, направленную кристаллизацию расплава путем перемещения формы из зоны нагрева в зону охлаждения, охлаждение расплава, отличающийся тем, что монокристаллическая затравка выполнена из сплава на основе никеля с добавкой углерода, расширяющего интервал кристаллизации, при этом температура солидуса сплава затравки на 15-50^oС выше температуры ликвидус сплава отливки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что затравка выполнена из сплава следующего состава, мас. %, вольфрам 20-35, углерод 0,05-0,25, никель - остальное.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что затравка выполнена из сплава следующего состава, мас. %: вольфрам 20-35, рений 1-35, углерод 0,05-0,25, никель - остальное, причем сумма вольфрама и рения равна 30-40.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что затравка выполнена из сплава следующего состава, мас. %: рений 1-35, углерод 0,05-0,25, никель - остальное.

5. Изделие из сплава с монокристаллической структурой, отличающееся тем, что оно получено способом по любому из пп. 1-4.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при литье монокристаллических отливок с заданной кристаллографической ориентацией из жаропрочных сплавов, в частности монокристаллических лопаток газотурбинных двигателей.

Известны способы получения монокристаллических отливок в вакууме из никелевых жаропрочных сплавов с заданной кристаллографической ориентацией с использованием затравки из чистого никеля или из того же жаропрочного никелевого сплава, что и сплав отливки /патенты США 3939895, НКИ 164-60; 3915761, НКИ 148-32; 4580163, НКИ 164-35; 4469160, НКИ 164-122.1; ЕР 0126550, МКИ B 22 D 27/04, авт. св. СССР 83915353, МКИ В 22 D 27/04 и т.д./

Для получения заданной ориентации в отливке монокристаллическую затравку, как правило, подплавляют и передача ориентации происходит через твердожидкую зону. При этом требуется охлаждение нижнего основания затравки во избежание ее полного расплавления, например, с помощью подвода холодильника или расположения нижней части формы с затравкой вне горячей зоны печи, кроме того, сложная система закрепления затравки в форме создает трудности при использовании указанных аналогов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ получения отливок с монокристаллической структурой по патенту РФ 2021877 /МКИ B 22 D 27/04/, принятый нами за прототип. Согласно прототипу способ изготовления отливок с монокристаллической структурой преимущественно из жаропрочных сплавов включает размещение в полости литейной формы монокристаллической затравки, выполненной из сплава на основе никеля (Ni-W), с температурой плавления на 20-170^oС выше температуры ликвидус сплава отливки, нагрев литейной формы, заливку расплава в полость литейной формы, кристаллизацию и охлаждение расплава и извлечение отливки из литейной формы. С целью снижения брака отливок по макроструктуре при серийном производстве за счет повышения надежности передачи кристаллографической ориентации от затравки к отливке монокристаллическую затравку используют со слоем защитного покрытия толщиной 3-15 мм из сплава, идентичного или аналогичного сплаву отливки по температуре плавления и типу кристаллографической решетки, полученного методом наплавления. Заливку осуществляют после полного расплавления сплава защитного покрытия затравки, а кристаллизацию сплава отливки начинают не позднее полного растворения сплава затравки в расплаве защитного покрытия.

Ближайшим аналогом заявленного изделия является изделие из сплава с монокристаллической структурой, полученное способом по патенту РФ 2021877.

Однако для получения монокристаллических изделий литейную форму необходимо перегревать на 50-100^oС выше температуры ликвидуса, а иногда и выше /до 200^oС/. Это связано с тем, что повышение температуры формы приводит к увеличению термического градиента на фронте роста кристалла. Повышение градиента, в свою очередь, уменьшает вероятность образования посторонних кристаллов при выращивании монокристаллов. При этом затравка не должна расплавляться полностью, необходимо подплавить только ее верх, чтобы обеспечить надежную передачу структуры и ориентации от нее изделию. Поэтому в процессе плавки и заливки основание затравки необходимо охлаждать с помощью холодильника для создания на затравочном кристалле температурного градиента.

В качестве материала затравки используется сплав никеля с элементом, повышающим его температуру плавления (вольфрам), варьируя содержание которого можно получить затравочный кристалл с требуемой температурой плавления. Следует также отметить, что вышеуказанные сплавы имеют очень узкий интервал кристаллизации 3-5^o по сравнению с жаропрочными сплавами, имеющими интервал 50-150^oС.

Все это значительно усложняет проведение процесса монокристального литья, так как необходимо очень точно поддерживать температурные режимы на форме и нагревателе. Отклонение температуры от оптимальной в сторону повышения ведет к полному расплавлению затравки, понижение приводит к тому, что она не подплавляется. В том и другом случае это ведет к образованию на изделии посторонних кристаллов произвольной ориентации, т.е. к браку. Кроме того, при нагреве формы за счет натекания в установке поверхность затравочного кристалла покрывается пленкой окислов, которая затрудняет передачу структуры от затравки к отливке. Предлагаемое в прототипе защитное покрытие, которое наносится на торцевую поверхность каждой затравки, является дополнительной трудоемкой технологической операцией. Выход годного изделий, полученных по способу прототипа, составляет 65%.

Технической задачей данного изобретения является повышение надежности технологического процесса, повышение выхода годного изделий по структуре за счет предотвращения образования посторонних кристаллов и надежной передачи кристаллографической ориентации от затравки к отливке.

Для реализации технической задачи предлагается способ получения отливок с монокристаллической структурой и изделие, полученное этим способом, который включает размещение в полости литейной формы монокристаллической затравки из сплава на основе никеля, нагрев литейной формы, заливку расплава в полость литейной формы, направленную кристаллизацию расплава путем перемещения формы из зоны нагрева в зону охлаждения и охлаждение расплава, отличающийся тем, что используют затравку из никелевого сплава с добавкой углерода, расширяющего интервал кристаллизации, при этом температура солидуса на 15-50 градусов выше температуры ликвидус сплава отливки.

В качестве сплавов затравки предложены сплавы следующего состава, мас. %:

- вольфрам - 20-35%, углерод - 0,05-0,25%, никель - остальное;

- вольфрам - 20-35%, рений - 1-35%, углерод - 0,05-0,25%, никель - остальное, причем сумма вольфрама и рения равна 30-40%;

- рений - 1-35%, углерод - 0,05-0,25%, никель - остальное.

Относительно низкая температура начала плавления сплава затравки достигается путем введения углерода (0,05-0,25 мас. %) в бинарные и тройные сплавы для затравки. Углерод улучшает процесс передачи структуры от затравки к отливке, т.к. расширяет интервал кристаллизации сплава затравки. При добавке 0,05-0,25 мас.% углерода температура ликвидус затравки остается прежней, а температура солидус сплава затравки уменьшается и становится на 15-50 градусов выше температуры ликвидус сплава отливки. Это позволяет затравке работать в жидкотвердом состоянии и обеспечивает формирование переходной зоны для надежной передачи структуры отливке, а также смягчает жесткий контроль за температурным режимом на форме и нагревателе и снижает влияние отклонения температуры от оптимальной в сторону понижения, что исключает неподплавление затравки. Углерод не только понижает температуру солидус сплава затравки, но и обеспечивает раскисление окислов на затравке, образуемых в момент нагрева формы под заливку.

Пример осуществления способа получения отливок с монокристаллической структурой.

Пример 1

Предлагаемый способ осуществлялся на установке УВНК-8П. Получали монокристаллические отливки из жаропрочного сплава ЦНК-8М с температурой ликвидус 1385^oС. Для обеспечения заданной кристаллографической ориентации использовали затравки из сплава: вольфрам - 28%, углерод - 0,1%, никель - ост. Температура солидус сплава затравки 1400^oС, что на 15 градусов выше температуры ликвидус сплава отливки. В качестве охладителя использовали алюминий марки А99 с температурой 680-780^oС.

Процесс осуществлялся следующим образом. Два керамических блока по 6 рабочих лопаток ГТД с установленными в них монокристаллическими затравками помещали в печь подогрева форм установки и создавали вакуум. Исходное положение форм в нагревателе было на 5 мм ниже нижнего среза нагревателя. В этом положении форму нагревали до температуры 1490^oС. После стабилизации температур расплавляли жаропрочный сплав и заливали его в форму при температуре 1500^oС. После заливки форм расплавом проводили процесс кристаллизации при вытягивании форм из нагревателя со скоростью 5 мм/мин и погружении их в жидкометаллический охладитель. Процесс заканчивается при достижении формами дна жидкометаллической ванны. Для контроля структуры лопатки протравливали в смеси перекиси водорода и соляной кислоты /1:4/. Как показало исследование макро- и микроструктуры, все лопатки имеют монокристальную структуру заложенной ориентации. Затравка надежно соединилась с лопаткой, причем между ней и отливкой образовался переходный слой промежуточного состава между составом затравки и основным сплавом.

Такой же результат получен при содержании сплава затравки: вольфрама - 20%, углерода - 0,05%, никель - ост.; и вольфрама - 35%, углерода - 0,25%, никель - ост.

Пример 2

В установке УВНК-8П отливались рабочие лопатки ГТД аналогично примеру 1. В отличие от примера 1 для получения лопаток из сплава ЦНК-8М с монокристальной структурой использовали затравки из сплава следующего состава: вольфрам - 22%; рений - 8%; углерод - 0,15%; никель - ост. Температура солидус сплава для затравок 1410^oС, что на 25 градусов выше температуры ликвидус сплава отливки 1385^oС.

По указанному способу с использованием затравок этого состава и кристаллографической ориентации |001| было отлито два блока лопаток, по 6 лопаток в каждом блоке, все лопатки имели годную монокристаллическую структуру. Такой же результат получен при содержании сплава затравки: вольфрам - 20%, рений - 10%, углерод - 0,25%, никель - оcт.; и вольфрам - 35%, рений - 1%, углерод - 0,05%, никель - ост.

Пример 3

В установке УВНК-8П отливали рабочие лопатки ГТД, аналогичные примеру 1. В отличие от примера 1 для получения лопаток из сплава ЦНК-8М с монокристаллической структурой использовали тугоплавкие затравки следующего химического состава: рений - 20%; углерод - 0,2%; никель - ост. с температурой солидус 1435^oС, что на 50 градусов выше температуры ликвидус сплава отливки - 1385^oС. В качестве охладителя использовали алюминий марки А99 с температурой 680-780^oС.

Процесс осуществлялся следующим образом. Два керамических блока по 6 рабочих лопаток ГТД с установленными в них монокристаллическими затравками помещали в печь подогрева форм установки и создавали вакуум. Исходное положение форм в нагревателе было на 5 мм ниже нижнего среза нижнего нагревателя. В этом положении формы нагревали до температуры 1540^oС. После стабилизации температур нагревателей и форм расплавляли жаропрочный сплав и начинали заливку его в формы при температуре 1560^oС. Процесс кристаллизации осуществляли вытягиванием форм из нагревателей со скоростью 5 мм/мин и погружением их в жидкометаллический охладитель. Процесс заканчивался при достижении формами дна жидкометаллического охладителя. Как показало исследование макро- и микроструктуры, во всех случаях были получены монокристальные отливки с заданной кристаллографической ориентацией. Затравка надежно соединилась с отливкой, причем между ней и отливкой образовался переходный слой промежуточного состава между составом затравки и основным сплавом за счет растворения торца затравки сплавом отливки. Такой же результат получен при содержании сплава затравки: рений - 1%, углерод - 0,05%, никель - ост.; и рений - 35%, углерод - 0,25%, никель - ост.

Применение данного способа значительно упростило проведение процесса литья монокристаллических изделий из никелевых жаропрочных сплавов, например лопаток ГТД и ГТУ с монокристаллической структурой заданной кристаллографической ориентации; снизило требования к температурному контролю процесса и увеличило надежность получения отливок из никелевых жаропрочных сплавов с заданной кристаллографической ориентацией, тем самым повысив надежность технологического процесса и выход годного по макроструктуре.