Файл: Изготовление лопаток методом направленной кристаллизации.docx

Таким образом, метод отбора одного зерна из множества столбчатых позволяет получить достаточно совершенные монокристаллы (_<001>1,5 град) с аксиальной ориентацией [001], точностью _<001>=10–15 град.

К достоинствам данной технологии следует отнести то, что получение

отливок лопаток с заданной ориентацией [001] не требует применения затравок (т.е. нет необходимости в создании специального производства затравок).

К недостаткам следует отнести следующие:

• 
  требования по созданию условий для высокой интенсивности теплоотвода от основания формы, другими словами, необходимость использовать форму без дна с заливкой металла на холодильник;
  
• 
  невозможность получения отливок с ориентацией, отличной от [001], а также получения заданной азимутальной ориентации;
  
• 
  относительно большие размеры стартовой части литейного блока, что немаловажно при использовании дорогостоящих ренийсодержащих сплавов.
  

Затравочные методы получения монокристаллических отливок

В ВИАМе была разработана затравочная технология получения монокристаллических турбинных лопаток, основанная на применении так называемых тугоплавких затравок из сплава системы Ni–W, которые получают из монокристаллических заготовок произвольной ориентации методом ориентированной вырезки. Точность вырезки затравок ограничивается только структурным совершенством монокристаллов никелевых сплавов с дендритно-ячеистой структурой (может составлять

1,0 град). Эта технология позволяет получать отливки любой заданной пространственной кристаллографической ориентации.

Однако наряду с монокристаллическими отливками, полученными от Ni–W-затравок, которые имеют высокую степень совершенства (1,5 град), встречаются отливки с фрагментированной структурой, состоящей из нескольких, достаточно крупных субзерен. Такая фрагментация является браковочным признаком при визуальном контроле макроструктуры отливок турбинных лопаток.

Исследованиями установлено, что в затравках, формирующих совершенную структуру отливки, наблюдается полное смачивание и частичное растворение торца затравки расплавом жаропрочного сплава. На тех же затравках, от которых возникла фрагментированная структура, наблюдалось отсутствие контакта на границе расплав–затравка. Причем плохой контакт отмечался лишь в зоне, находящейся под литниковым ходом, соединяющим затравочную полость с основной полостью литейной формы, в то время как на остальной поверхности смачивание было нормальным. Отсутствие контакта расплав–затравка связано с образованием на рабочей поверхности последней налета, состоящего в основном из оксидов алюминия и кремния. Образование налета происходит в процессе нагрева формы под заливку. В момент заливки расплава в форму пленка оксидного налета в отдельных местах разрушается, при этом подобное зарождение сопровождается затем смыканием областей монокристалла, возникших от отдельных точек поверхности затравки с образованием субграниц, т.е. фрагментированности монокристалла.

---

С учетом вышесказанного было решено вести работу по устранению фрагментации по следующим направлениям:

• 
  «экранировка» поверхности затравки от образования налета;
  
• 
  предотвращение прорастания субзерен в отливку;
  
• 
  корректировка состава затравки.
  

Для реализации первых двух пунктов был применен комбинированный метод зарождения монокристалла, включающий использование затравки и кристаллоотборника в виде спирального литникового хода (геликоида).

Хорошо известно, что при напылении в вакууме из-за большой длины свободного пробега молекул перенос материала осуществляется по прямой. В частности, этим объясняется то, что на затравке налет образуется только в виде пятна прямо под отверстием литникового хода, а на остальной поверхности, не имеющей прямого контакта с основной полостью формы, он не образуется. Требование такого рода экранировки вполне удовлетворяет спиральный литниковый ход, который препятствует массопереносу оксидов через газовую фазу на затравку. Кроме того, кристаллоотборник, обеспечивающий прорастание через него только одного зерна, точно так же ведет себя и в отношении субзерен.

Поскольку к геликоиду в данном случае подводится не столбчатая, а монокристаллическая структура, то число витков может быть уменьшено до одного. Рабочее сечение спирального литникового хода должно быть минимальным (диаметр 1,5 мм), поскольку это уменьшает вероятность попадания в него границ субзерен, а также снижает интенсивность массопереноса через газовую фазу.

На рис. 8 показана модернизированная конструкция литейной формы, в которой применяется комбинированный метод зарождения монокристаллов затравка–кристаллоотборник. Кристаллоотборник выполнен в виде цилиндрической керамической вставки диаметром 8 мм и высотой 10 мм, со спиральным литниковым ходом внутри. Вставка изготовляется методом прессования из керамической массы, используемой обычно для получения стержней, формирующих внутреннюю полость охлаждаемой лопатки. Спиральный ход выполняется с помощью металлического вкладыша в пресс- форме, с которого «свинчивается» отпрессованная вставка. Изготовленная таким образом вставка обжигается по режимам, применяемым для керамических стержней. В верхней части вставки выполняется коническое углубление, в которое входит центрирующий выступ затравочной полости.

---

Рисунок 8. Затравочный метод получения монокристаллов:

а – комбинированное зарождение: затравка–кристаллоотборник;

б – единый затравочный узел; 1 – затравка; 2 – керамический затравочный узел

С целью повышения надежности передачи структуры в состав сплава затравок был введен углерод до 0,10% и повышено содержание вольфрама до 34–35%. Температура ликвидуса при этом практически не изменилась (осталась на уровне 1510°С), углерод в составе сплава затравок, являясь активным восстановителем, препятствовал образованию оксидных налетов.

Рентгеноструктурное исследование монокристаллических отливок различных ориентаций, полученных по данной технологии, показало, что для них характерны «простые рефлексы» с угловой шириной 1,0–1,5 град, соответствующие достаточно совершенным монокристаллам с дендритно- ячеистой структурой.

В дальнейшем была проведена модернизация комбинированной методики зарождения затравка–кристаллоотборник с целью повышения точности получения заданной ориентации отливки. Для этой цели было предложено использовать единый узел зарождения, выполняемый из керамики методом прессования. Узел включает полость для размещения затравки и кристаллоотборник (рис. 8, б). Для обеспечения соосности отливки и затравки в модели выполняется посадочный конус, на котором и закрепляется узел зарождения. Как показали экспериментальные плавки, применение такой конструкции литейного блока позволяет получать заданную кристаллографическую ориентацию с точностью до 1–3 град.

В ВИАМе на базе установки УВНК-8П с учетом опыта ее эксплуатации разработаны серийные компьютеризированные установки с модернизированным тепловым узлом, в котором использованы современные композиционные материалы. Для литья лопаток авиационных ГТД – это установка УВНК-9А, а для получения крупногабаритных отливок с монокристаллической и однонаправленной

Рисунок 9. Установка УВНС-5 структурой, таких как лопатки стационарных ГТУ, созданы установки УВНК-10, УВНК-14.

Для достижения более высоких величин Gz в ВИАМе разработана промышленная установка УВНС-5 с охлаждением литейной формы в расплаве олова. На этой установке можно вести направленную кристаллизацию с градиентом до 20°С/мм (рис. 9).001>001>001>001>001>001>001>001>100>111>001>111>012>001>001>001>001>001>112>112>111>001>001>

---